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Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung Es sind Hochspannungssicherungen
für Hochleistungsunterbrechung bekannt, bei denen die Schmelzleiter in einem Füllmittel
eingebettet sind, das nach dem Verdampfen der Schmelzleiter in deren unmittelbarer
Umgebung wegen der Erhitzung durch den Metalldampf als Heißleiter elektrisch leitend
wird und den Kurzschlußstrom übernimmt. Dieser wird sofort wegen des hohen Widerstandes
der beim Durchschmelzen des Schmelzleiters sich bildenden Schmelzraupen herabgemindert,
und zwar stetig bis zur Unterbrechung. Die plötzliche Einschaltung des hohen Widerstandes
an Stelle des gut leitenden festen und nachher flüssigen Schmelzleiters in die Strombahn
hat eine Erhöhung der Spannung an der Sicherung im Gefolge, die sich mit großer
Annäherung aus dem Produkt des Ohmschen Widerstandes der Schmelzraupen im ersten
Augenblick nach vollzogener Verdampfung und dem Strom im gleichen Augenblick ergibt.
Da der Strom im Augenblick des Verdampfens lediglich vom Gesamtquerschnitt der Schmelzleiter
abhängig ist, der wiederum_ im wesentlichen vom Nennstrom abhängt, so kann die Herabsetzung
der Spannungserhöhung nur durch Herabsetzung des Gesamtwiderstandes der Schmelzraupen
erfolgen. Diese ist nur möglich durch Erhöhung der Zahl der parallel geschalteten
Einzelleiter, da hierdurch mehr Schmelzraupen zur Verfügung stehen. Es ist festgestellt
worden, daß der Widerstand einer Schmelzraupe in weiten Grenzen praktisch unabhängig
von dem Querschnitt des Schmelzdrahtes ist, d. h. ein Schmelzdraht von z. B. o,6
mm Durchmesser erzeugt eine Schmelzraupe mit ungefähr dem gleichen Widerstand wie
ein Draht von 0,3 mm Durchmesser, der aber nur ein Viertel des Querschnittes hat.
Wenn nun statt eines Drahtes von o,6 mm Durchmesser vier parallel geschaltete Drähte
von o,3mmDurchmesser vorgesehen werden, so ist der Gesamt-
J widerstand
der Schmelzraupen' nur noch ein Viertel des -ursprünglichen; entsprechend sinkt
die Spannungserhöhung.
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Die eigenartige Tatsache, daß der Schmelzraupenwiderstand in weiten
Grenzen vom Querschnitt des Ausgangsdrahtes fast unabhängig ist, erklärt sich folgendermaßen:
"Das Verdampfen eines Drahtes geht nicht plötzlich über den ganzen Querschnitt hinweg
vor sich, sondern benötigt eine gewisse Zeit; es beginnt außen und setzt sieh nach
innen fort. Ein dicker Schmelzleiter verdampft langsamer als ein dünner: Bei dem
ersteren ergibt sich eine Schmelzraupe größeren Querschnitts, weil das Eindringen
des Metalldampfes in den Sand sich über eine längere Zeit erstreckt; im zweiten
Falle verdampft der Schmelzleiter schneller; der Dampf hat weniger Zeit zum Eindringen
in den Sand; die Schmelzraupe ist dünner. Trotzdem ist ihr Widerstand ungefähr der
gleiche wie bei einer dicken Schmelzraupe, da diese längere Zeit zum Wärmeausgleich
hat, also kälter ist, während die dünne heißer ist. Und da der Widerstand um so
geringer ist, je höher die Temperatur und je größer der Querschnitt, so ergeben
sich für die dickere kältere und die dünne heißere Schmelzraupe ungefähr die gleichen
Widerstandswerte. Erst bei äußerst stärken Schmelzleitern überwiegt der Einfluß
des großen Schmelzraupenquerschnittes, - so daß ihr Widerstand geringer wird als
der einer Schmelzraupe, die von einem dünneren Draht ausgeht.
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Anderseits überwiegt bei sehr dünnen Schmelzleitern der Einfluß der
plötzlichen Verdampfung der geringen Metallmenge, so daß sich die Schmelzraupe nicht
rechtzeitig bilden kann und zur Übernahme des Stromes erst durch einen Überschlag
innerhalb des Füllmittels von Korn zu Korn entlang des Schmelzkanals unter dem Einfluß
einer inzwischen sehr hoch angewachsenen Spannungserhöhung gezwungen werden muß.
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Es ergibt sich also eine Abhängigkeit des Schmelzraupenwiderstandes
w nach - vollzogener Schmelzleiterverdampfung vom Schmelzdrahtquerschnitt q, wie
sie in der Abbildung als Kurve I qualitativ dargestellt ist.
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Teilt- man nun den Schmelzdrahtquerschnitt in mehrere parallel geschaltete
Drähte auf und trägt in das gleiche Bild den Gesamtwiderstand der parallel geschalteten
Schmelzraupen in Abhängigkeit vom Querschnitt des Einzeldrahtes bei gleichbleibendem
Gesamtquerschnitt ein, so ergibt sich Kurve Il. Diese hat einen Kleinstwert q1,
der noch unterhalb der Grenze a liegt, zwischen welcher und dein Wert q2 die Kurve
I ungefähr konstant ist.
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Es zeigt sich also, und der Versuch bestätigt dies, daß es von einer
gewissen Grenze ab keinen Zweck mehr hat, den Gesamtschmelzleiterquerschnitt noch
weiter aufzuteilen. Man kann zwar dem Steigen des Gesamtschmelzraupenwiderstandes
durch Verkürzung der Schmelzleiter Rechnung tragen, erreicht aber nach voller Ausschöpfung
dieser Möglichkeit keine: weitere Verminderung der Spannungserhöhung: Die Erfindung
strebt nun dahin, die Grenze q1 für den Kleinstquerschnitt noch weiter nach links
zu rücken, d. h. die Unterteilung noch weiter zu treiben, was durch Wahl von Metallen
mit bestimmten Eigenschaften gelingt. Als erste Notwendigkeit kommt die Verwendung
von Metallen mit kleinerer elektrischer Leitfähigkeit als üblich in Frage. Bisher
wurde bei Hochleistungssicherungen für hohe Stromstärken wegen der hohen Leitfähigkeit
als Hauptschmelzleiter ausschließlich Silber verwendet; lediglich als Nebenschmelzleiter
in SicherungentnitHaupt-und Nebenschmelzleiter und als Schmelzleiter in Sicherungen
für kleine Nennstromstärken finden andere Metalle, wie Wolfram, aus Gründen Verwendung,
die mit der Erfindung in keinerlei Zusammenhang stehen.
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Der Grund für die Verwendung anderer Metalle als Silber bei der Erfindung
ist folgender: Die Metallmenge wird, wenn ein größerer Querschnitt benötigt wird,
größer. Gleiche Temperatur. des Metalldampfes vorausgesetzt, entsteht also wegen
der größeren Metalldampfmenge eine dickere Schmelzraupe, oder -es lassen
sich .mehr Schmelzraupen gleicher Dicke erzielen, so daß der Gesamtwiderstand geringer
wird.
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Wird beispielsweise statt Silber als Schmelzleitermaterial Zinn verwendet,
so muß der Schmelzleiterquerschnitt mindestens im umgekehrten Verhältnis der spezifischen
elektrischen Leitfähigkeit erhöht werden, also im Verhältnis 9:6o. Verwendet man
Einzeldrähte gleichen Querschnitts, so ergibt sich eine ungefähr siebenmal größere-Zahl
von Schmelzraupen; also, da der Widerstand einer einzelnen Schmelzraupe bei gleichem
Einzelleiterquerschnitt fast unabhängig vom Material ist, ein Gesamtschmelzraupenwiderstand
von ungefähr 1%; desjenigen einer Silbersicherung, mithin eine entsprechende Verringerung
der Spannungserhöhung.
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Die Wirksamkeit dieser Maßnahme hat aber zur Voraussetzung, daß der
bis zum Verdampfen des Schmelzleiters zustande kommende Augenblickswert des Kurzschlußstromes,
die Schmelzstromspitze, nicht erheblich größer wird als bei einer Silbersicherung,
da die Spannungserhöhung der Schmelzstromspitze ungefähr proportional ist. Dies
ist aber nur für bestimmte 1NIetalle der Fall. Der Einfluß der Schmelzstromspitze
muß daher für
die einzelnen Metalle berücksichtigt werden. wenn
man zwecks Verminderung der beim Abschalten der Sicherung auftretenden Spannungserhöhung
von einer Herabsetzung des Gesamtschmelzraupenwiderstandes Gebrauch machen will,
der ungefähr umgekehrt proportional der Zahl der Einzelraupen, also direkt proportional
der elektrischen Leitfähigkeit des Schmelzmaterials ohne Rücksicht auf dessen sonstige
Eigenschaften ist.
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Die gesamte Spannungsspitze iss bei Übernahme des Stromes durch die
Schmelzraupen, die proportional der erreichten Stromspitze und umgekehrt
proportional dem Anfangsgesamtwiderstand der Schmelzraupen ist, ergibt sich, wie
sich durch eine einfache Rechnung zeigen läßt, zu: uS = c . y # A19.
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Hierin bedeuten c die spezifische Wärme des Schmelzleiters, y sein
spezifisches Gewicht und d i? die Temperaturzunahme von der Anfangstemperatur bis
zur Schmelztemperatur. Setzt man durch Multiplikation mit einer entsprechenden Konstanten
für Silber den Wert von u, = I, so ergeben sich für andere Metalle folgende Werte
von iss:
| Zinn Blei Zink Magnesium Aluminium |
| 0,17 0,21 0,52 o,64 0,76 |
| Silber Kupfer |
| I 1282 |
Kupfer ist also für Sicherungen mit einer größeren Anzahl von parallelen, in einer
pulverförmigen Masse eingebetteten Schmelzleitern ungeeignet. Dasselbe gilt für
Wolfram, Eisen, Nickel und Molybdän. Anderseits sind außer den oben angeführten
reinen \letaNen natürlich auch alle Metallegierungen oder leitenden Stoffe geeignet,
für welche der Wert von iss kleiner als der von Silber wird.
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Die Verwendung von Zinn, Zink, Blei als Schmelzleiter ist zwar für
bestimmte Sicherungen bekannt. Demgegenüber beschränkt sich aber die Erfindung ausschließlich
auf solche Hochspannungshochleistungssicherungen, bei denen die Kurzschlußunterbrechung
lichtbogenfrei erfolgt und durch die Übernahme des Kurzschlußstromes seitens der
im vorstehenden mit Schmelzraupen benannten Heißleiter ermöglicht wird, die sich
erst während des Schmelzens und. Verdampfens des oder der Schmelzleiter bilden;
insbesondere müssen auch die Schmelzraupen für die Übernahme hoher Stromstärken
geeignet sein.