DE3504209A1

DE3504209A1 - Elektrische kleinschmelzsicherung fuer eine hochspannungsschaltung

Info

Publication number: DE3504209A1
Application number: DE19853504209
Authority: DE
Inventors: Yasutada Yokohama Kanagawa Yuza
Original assignee: SOC Corp
Current assignee: SOC Corp
Priority date: 1984-02-14
Filing date: 1985-02-07
Publication date: 1985-09-05
Also published as: JPS617693B2; NL8500356A; GB8502733D0; GB2166915B; US4630022A; GB2166915A; JPS60170135A; DE3504209C2; BR8500636A

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner

Patentanwälte

SOC CORPORATION Tokyo, Japan

Dr ohii

C'pl '"'T *- " " FP/S-28-49

Elektrische Kleinschmelzsicherung für eine Hochspannungsschaltung

SOC CORPORATION
Tokio, Japan

Elektrische Kleinschmelzsicherung für eine Hochspannungsschaltung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Schmelzsicherungen und betrifft insbesondere eine

elektrische Kleinschmelzsicherung für Hochspannungsschaltungen oder -Stromkreise.

Die Gehäuse von bisherigen Sicherungen dieser Art sind mit einem Lichtbogenlöschmaterial gefüllt. Wenn

ein Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses oder dergleichen den Schmelzleiter zum Schmelzen bringt und einen (elektrischen) Lichtbogen erzeugt, bewirkt das Lichtbogenlöschmaterial ein schnelles Kühlen des Schmelzleiters und ein Löschen des Lichtbogens und letztlich eine endgültige Stromunterbrechung. Diese bisherigen Sicherungen sind jedoch mit den im folgenden geschilderten Mängeln behaftet. Ein solcher Mangel ist ein unerwarteter Durchbruch des Schmelzleiters, der im allgemeinen bei Änderungen der Strombe-

lastung einer wiederholten thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung unterworfen ist. Da die beiden Enden des Schmelzleiters mittels Lots an als Elektroden dienenden Anschlüssen befestigt sind, ruft eine solche thermische Wechselbeanspruchung entsprechende Beanspruchungen im Innengefüge des Schmelzleiters hervor. Derartige Beanspruchungen sind unabhängig

davon, ob im Gehäuse ein Lichtbogenlöschmaterial enthalten ist oder nicht, bei allen Schmelzsicherungen unvermeidbar. Die Beanspruchung wird aber durch den Einfluß des den Schmelzleiter eng umschließenden Lichtbogenlöschmaterials erheblich verstärkt, weil dieses Material den Schmelzleiter an einer freien Bewegung hindert und sich dieser somit nicht an die thermischen Wechselbeanspruchungen anpassen kann. Dabei können sich die im Schmelzleiter erzeugten thermischen Beanspruchungen so summieren, daß im Kristallgefüge des Schmelzleiters als Folge einer Elastizitätsermüdung Risse auftreten. Dies hat in

,_ manchen Fällen einen unerwarteten Durchbruch des

Schmelzleiters zur Folge.

Neben diesem Mangel üben Lichtbogenlöschmaterialien die folgenden ungünstigen Einflüsse auf die Leistung __ oder die Arbeitsweise einer Schmelzsicherung aus:

1. Die Oberfläche eines Schmelzleiters kann durch die ständige Berührung mit dem Lichtbogenlöschmaterial beschädigt werden. Dies kann manchmal

„c zu einer Änderung der Stromnennleistung der Schmelzsicherung führen.

2. Da die Lichtbogenlöschmaterialien in körniger oder pulverartiger Form vorliegen, können sie

_on sich während einer thermischen Wechselbeanspruchung eines Schmelzleiters im Gehäuse bewegen oder verlagern. Infolgedessen können sich Berührungsfläche und Volumen des mit dem Schmelzleiter in Berührung stehenden Lichtbogenlöschmaterials (Bogen-Löschmittels) im Laufe der Zeit ändern, was zu einer Instabilität der Betriebseigenschaften der Schmelzsicherung führt.

3. Löschmaterialien können unter bestimmten Bedingungen einer Lichtbogenlöschung eher entgegenwirken, wenn nämlich der überstrom unter einer bestimmten Grenze liegt und damit ein "Isolierabstand", d.h. zwischen den Spitzen eines durchgeschmolzenen Schmelzleiters ein Spalt oder Zwischenraum, der weit genug ist, um das Auftreten eines Lichtbogens zu unterbinden, nicht in kurzer Zeit erreicht werden kann. Unter diesen Bedingungen werden beim Durchschmelzen des Schmelzleiters erzeugte Metalldämpfe vom Löschmaterial aufgefangen, um unter Lichtbogenerzeugung in die Nähe des Schmelzleiters zu strömen. Dies hat eine ständige Lichtbogenerzeugung nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters zur Folge. Eine solche längere Lichtbogendauer kann zudem das Löschmaterial in einen halbgeschmolzenen Zustand versetzen, was zu einer Verschlechterung _ der Isoliereigenschaften des Löschmaterials und häufig zu einem Versagen der überstromunterbrechung führt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer elektrischen Kleinschmelzsicherung, die ihre Bogenlöschleistung über einen weiten Bereich von Kurzschlußströmen sicher aufrechtzuerhalten und einen Überstrom ohne jedes Lichtbogen-Löschmaterial vollständig zu unterbrechen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist damit eine elektrische _oc. Kleinschmelzsicherung mit einem aus isolierendem

Material hergestellten zylindrischen Körper, der zwischen zwei Anschlüssen in einem rohrförmigen

Gehäuse unter Verlötung mit den Anschlüssen so angeordnet ist, daß der zylindrische Körper und das c rohrförmige Gehäuse nicht koaxial zueinander angeordnet bzw. außermittig zueinander versetzt sind, und mit einem sich durch den engsten Bereich des Innenraums zwischen dem zylindrischen Körper und dem rohrförmigen Gehäuse erstreckenden, zwischen den Anschlüssen gespannten und an ihnen angelöteten Schmelzleiter.

Aufgrund dieses speziellen, vereinfachten Innenaufbaus der Schmelzsicherung können die beim Durchschmelzen des drahtförmigen Schmelzleiters Ib

erzeugten Metalldämpfe eher in Richtung auf den weitesten Bereich des Innenraums entweichen, als sich in Richtung auf die Anschlüsse verbreiten. Mit der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann mithin ein Lichtbogen wesentlich stabiler bzw. sicherer als bei den bisherigen Schmelzsicherungen gelöscht werden, auch wenn erstere kein Lichtbogen-Löschmaterial enthält. Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung ist demzufolge frei von allen Mangeln, __ mit denen die bisherigen Schmelzsicherungen (der angesprochenen Art) behaftet sind. Mit anderen Worten: die erfindungsgemäße Schmelzsicherung kann aufgrund ihres sehr stark vereinfachten Aufbaus ihre Lichtbogen-Löschleistung in einem weiten Be- - reich von Kurzschlußströmen sicher aufrechterhalten und einen überstrom ohne die Verwendung eines Löschmaterials vollständig unterbrechen. Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung gewährleistet somit sehr stabile bzw. sichere Betriebs- und Strom-Unterbrechungseigenschaften.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, c Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Kleinschmelzsicherung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schmelzsicherung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene, der Fig. 2 ähnelnde Darstellung zur Ver-

, _c anschaulichung der Strömung von in Metall-

dampf enthaltenen Metallteilchen.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht ein rohrförmiges Gehäuse 1 aus einem Isoliermaterial, und es ist an

seinen beiden Enden mit zwei als Elektroden dienen-20

den Klemmen oder Anschlüssen 5 überkappt. Im Gehäuse 1 ist ein aus Isoliermaterial hergestellter zylindrischer Körper oder Zylinder 2 so angeordnet, daß er nicht koaxial (sondern exzentrisch) zum Gehäuse 1

liegt. Wie in den Querschnittsansichten von Fig. 2 2b

und 3 dargestellt, ist der Zylinder 2 derart im Gehäuse 1 angeordnet, daß der zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und dem Zylinder 2 festgelegte Innen-Raum 3 einen nahezu halbmond- oder sichelförmigen

_on Querschnitt besitzt. Der Innen-Raum 3 besteht näm-30

lieh aus einem engsten Bereich 3(a), in welchem ein Draht-Schmelzleiter 4 gespannt ist, einem weitesten Bereich 3(b) an der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 2 sowie zwei mittelbreiten Bereichen 3(c)

und 3(c)' zwischen dem weitesten und dem engsten Be-35

reich 3(b) bzw. 3(a).

-a*

Fig. 3 veranschaulicht die Lage und die Strömungsrichtung von im Metalldampf enthaltenen Metallteil-

_c chen 6. Wenn ein Draht-Schmelzleiter durch einen ο

Überstrom zum Schmelzen gebracht wird, geht bekanntlich der Schmelzleiter in Metalldämpfe über, die kleinste Metallteilchen 6 enthalten, welche ihrerseits eine Lichtbogenbildung herbeiführen. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Metallteilchen 6 gemäß Fig. 3 durch die Zwischen-Bereiche 3(c) und 3(c)' in einer Richtung längs der Umfangsflache des Zylinders 2 geleitet, so daß die Ausbreitung des Lichtbogens in Richtung auf die

,,_ Anschlüsse 5 wirksam unterdrückt wird. Ib

Infolgedessen wird die Lichtbogenerzeugung am geschmolzenen Element bzw. Schmelzleiter verringert, * und die Lichtbogenwärme wird von der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses und vom Zylinder absorbiert. *

Mit diesem einfachen, aber äußerst zweckmäßigen Aufbau der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung wird somit ein sehr sicheres Unterbrechen eines im Schmelzleiter auftretenden Überstroms auch ohne Verwendung von Lichtbogen-Löschmaterial im Gehäuse erzielt.

Im folgenden ist der Mechanismus der Lichtbogenbildung nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters

im einzelnen erläutert. Wenn der Schmelzleiter 4 unter dem Einfluß der durch einen überstrom erzeugten Jouleschen Wärme seinen Schmelzpunkt erreicht, beginnt er durchzuschmelzen, wobei seine geschmolzenen Abschnitte in Metalldämpfe übergehen und sich im oo

Innenraum des Gehäuses 1 verteilen. Daraufhin wird den Elektroden oder Anschlüssen 5 an den beiden

Enden des Gehäuses 1 eine große WiederZündspannung aufgeprägt. Wenn sich in diesem Augenblick in den

Metalldämpfen enthaltene (Metall-)Teilchen in dich-5

ter Anhäufung in der Nähe der Anschlüsse ansammeln/ tritt zwischen den einander benachbarten Metallteilchen ein dielektrischer Durchbruch oder Durchschlag auf, der sich kettenreaktionsartig durch die Metallteilchen ausbreitet, bis ein Lichtbogen entsteht. Wenn die Dichte der Metallteilchen groß ist, wächst der Lichtbogen zu einer großen Bogensäule an, die nicht einfach gelöscht werden kann.

Zur Ausschaltung dieser Schwierigkeit bezüglich

der Bogenlöschung weist die erfindungsgemäße Schmelzsicherung einen isolierten bzw. isolierenden zylindrischen Körper bzw. Zylinder 2 auf, der im Gehäuse 1 derart angeordnet ist, daß Zylinder 2 und Gehäuse 1 zueinander nicht koaxial angeordnet

sind. Dabei ist der Schmelzleiter 4 im engsten Bereich 3(a) des Innen-Raums 2, der einen nahezu halbmond- oder sichelförmigen bzw. exzentrisch kreisförmigen Querschnitt besitzt, gespannt.

Wenn der Schmelzleiter 4 in Metalldämpfe übergeht, diffundieren die in den Metalldämpfen enthaltenen Metallteilchen in dem engsten Bereich 3(a), durch den sich ursprünglich der Schmelzleiter 4 erstreckte. Hierbei wird im engsten Bereich 3(a) ein hoher Druck

erzeugt, während in dem auf der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 2 liegenden weitesten Bereich 3(b) ein niedriger Druck herrscht. Die im Bereich 3(a) erzeugten Metalldämpfe strömen somit durch die Zwischen-Bereiche 3(c) und 3(c)' auf die durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutete Weise längs der Umfangsfläche des Zylinders 2 in den weitesten Bereich

3(b) hinein. Infolgedessen verringert sich die Dichte der im Bereich 3(a) zwischen den Anschlüssen vorhanc denen Metallteilchen unter Vergrößerung der Abstände zwischen den benachbarten Metallteilchen. Außerdem haften die diffundierten Metallteilchen an der Oberfläche des Zylinders 2 und an der Innenwand des Gehäuses 1 an, so daß sie abkühlen. Dies führt zu einer schnellen Vergrößerung des Isoliergrads des Gehäuses 1. Mit der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann somit ein Stromfluß vor der Erzeugung eines großen Lichtbogens unterbrochen werden.

_K In der Praxis hat es sich gezeigt, daß eine Kleinschmelzsicherung der beschriebenen Art, die bei einer Nennbelastbarkeit von 500 mA eine Länge von 12 mm und einen Durchmesser von 2,6 mm besitzt, \

einen Kurzschlußstrom von 50 A bei 630 V zu unterbrechen vermag.

Außerdem vermag die erfindungsgemäße Schmelzsicherung unter normalen Einsatzbedingungen ihre Betriebseigenschaften unabhängig von Änderungen der _p. Strombelastung oder thermischen Wechselbeanspruchungen (d.h. abwechselnde thermische Ausdehnung und Zusammenziehung) sicher aufrechtzuerhalten. Dies beruht darauf, daß die erfindungsgemäße Schmelzsicherung im Gegensatz zu bisherigen Schmelzsiche- _ rungen, bei denen der Schmelzleiter von einem Bogen-Löschmaterial eng umschlossen ist, ohne die Verwendung eines solchen Löschmaterials einen Lichtbogen wirksam zu löschen vermag, wobei sich der Schmelzleiter infolgedessen frei bewegen und sich somit ohne die Gefahr für Elastizitätsermüdung an die thermischen Wechselbeanspruchungen anpassen kann.

• η-

Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt/ sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

10 15

t 20 25 30 35

Claims

SOC CORPORATION
Tokio, Japan

Patentansprüche:
10

/I.)Elektrische Kleinschmelzsicherung mit einem elek- ^S trisch isolierten oder isolierenden Gehäuse (1), zwei als Elektroden dienenden, die beiden Enden des Gehäuses (1) überkappenden Anschlüssen (5) und einem zwischen den Anschlüssen gespannten, drahtförmigen Schmelzleiter (4), dessen Enden

jeweils an einem der Anschlüsse (5) angelötet J?

sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem V

isolierten bzw. isolierenden Werkstoff hergestellter zylindrischer Körper (2) zwischen den Anschlüssen (5) derart im rohrförmigen Gehäuse (1) angeordnet ist, daß Körper (2) und Gehäuse (1) nicht koaxial zueinander liegen und die Enden des zylindrischen Körpers (2) an jeweils einem der Anschlüsse (5) angelötet sind, und daß der Schmelzleiter (4) mit seinen Enden an den betreffenden Anschlüssen (5) so angelötet ist, daß er sich durch den engsten Bereich (3(a)) des Innen-Raums (3) zwischen Gehäuse (1) und zylindrischem Körper (2) erstreckt.
2. Kleinschmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen-Raum (3) einen nahezu halbmond- oder sichelförmigen bzw. außermittig kreisförmigen Querschnitt besitzt, dessen

weitester Bereich (3(b)) um ein Mehrfaches weiter ist als sein engster Bereich (3(a)).