DE740040C - Schmelzsicherung - Google Patents

Description

Geschlossene Schmelzsicherungen sind grundsätzlich so aufgebaut, daß in einem allseitig geschlossenen Isolierkörper ein oder mehrere Schmelzleiter zwischen zwei den äußeren Kontakt vermittelnden Metallkappen in einem lichtbogenlöschenden Füllmittel verlegt sind. Es gibt Fälle, in denen man auf das Füllmittel und unter Umständen auch auf den die Schmelzleiter umhüllenden Isolierkörper verzichtet.

Bei kleineren Nennstromstufen werden in der Regel Rundleiter, bei größeren Nennstromstufen Schmelzstreifen verwendet. Die Querschnitte der Schmelzleiter werden durch die Nennstromstärke der Schmelzsicherung, durch den verwendeten Schmelzleiterwerkstoff,' durch die Wärmeabgabefähigkeit der Anordnung und durch die Anwendung besonderer Mittel für die Grenzstrombeeinflussung bestimmt. Je nach Ausbildung der Schmelzleiter besitzen die Schmelzsicherungen unverzögerte oder verzögerte Abschaltcharakteristiken.

Von allen Schmelzsicherungen wird u. a. gefordert, daß sie gefährliche Überströme, z.B. Kurzschlußströme, so schnell wie möglich unterbrechen. Zu diesem Zweck werden bei Sicherungen, insbesondere bei solchen höherer Nennstromstärke, mit unverzögerten und verzögerten Abschaltcharakteristiken an den Schmelzleitern ein oder mehrere örtlich begrenzte Querschnittverminderungen angebracht, z. B. in Form von kreisrunden oder elliptischen Lochungen oder durch besonders geformte Aussparungen. Diese querschnittverminderten Schmelzleiterstellen setzen die Abschaltzeiten· der Schmelzsicherungen im hohen Überstromgebiet herab, und zwar um

so mehr, je kleiner der verbleibende Restquerschnitt wird. Eine beliebige Verkürzung der Abschaltzeiten ist jedoch nicht möglich, da mit » abnehmenden Restquerschnitten eine schnell sich steigernde Senkung der Dauerbelastbarkeit der Schmelzsicherung verbunden ist. In extremen Fällen ist die Dauerbelastbarkeit nur noch so groß wie die Dauerbelastbarkeit eines durchgängig gleichstarken Schmelzleiters mit einem dem Restquerschnitt entsprechenden Gesamtquerschnitt.

Es sind auch Sicherungsausführungen bekanntgeworden, bei denen der Schmelzleiter in einem leicht beweglichen Füllmittel mit hoher Wärmekapazität, insbesondere Öl, angeor/lnet ist. Zur besseren und schnelleren Übertragung der in dem Schmelzleiter erzeugten Wärme auf das bewegte Füllmittel ist der Schmelzleiter mit Kühlflächen oder mit ähnlich wirkenden Oberflächen- und Querschnittsvergrößerungen versehen. Das Füllmittel selbst wird in einen schlecht leitenden Umhüllungskörper eingeschlossen, damit ein möglichst geringer Wärmeaustausch mit der Umgebung zustande kommt.

Der verbesserte Wärmeschluß des Schmelzleiters mit dem Wärmespeicher durch die an dem Schmelzleiter angebrachten Kühlflächen oder durch die ebenso wirkenden Oberflächen- und Ouerschnittsvergrößerungen wirkt sich lediglich auf die Ansprechverzögerung im Überstromgebiet aus, nicht aber auf die Höhe des Grenzstromes, da nach dem Aufladen des Füllmittels die Größe der Berührungsflächen des Schmelzleiters mit dem Füllmittel ohne Einfluß auf die Schmelzleitertemperatur ist. Der Grenzstrom der Sicherung entspricht somit dem Grenzstrom des kleinsten Schmelzleiterquerschnitts.

Es sind ferner Sicherungen bekanntgeworden, deren Schmelzleiter mehrere geschwächte Stellen, die in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, besitzen. Beim Ansprechen solcher Schmelzleiter entstehen in Serie geschaltete Lichtbogen, die bei entsprechender Zahl eine Löschspannung erzeugen, die größer werden kann als die zur Verfügung stehende treibende Spannung. Damit die angestrebte Wirkung zustande kommen kann, muß die Stromdichte in den Querschnittsverjüngungen so groß werden, daß in sämtlichen Querschnittsverjüngungen zu gleicher Zeit praktisch gleich hohe Temperaturen zustande kommen. Diese Bedingung erfordert, daß die vorzusehenden Ansprechstellen im Querschnitt so stark verjüngt sind, daß in ihnen erhebliche Widerstandserhöhungen auftreten, die bei der Vielzahl der Ansprechstellen eine von der Form der Ouerschnittsverjüngung abhängige und sich nachteilig auswirkende Grenzstromsenkung zur Folge haben.

Die vorliegende Erfindung hat Schmelzleiteranordnungen zum Gegenstand, die eine beliebig große Herabsetzung der Abschaltzeiten im hohen Überstromgebiet ohne nachteilige Grenzstromsenkung ermöglichen und darüber hinaus noch eine beträchtliche Verbesserung der Abschaltsicherheit gestatten.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die nach dem Verwendungszweck bemessenen querschnittgeschwächten Stellen in Richtung des Stromflusses eine so geringe Ausdehnung besitzen, daß die auf die querschnittgeschwächten Stellen einwirkende, von den Vollquerschnitten ausgehende Kühlung eine Absenkung der resultierenden Belastbarkeit der Schmelzleiter verhindert und somit für den so geschwächten Schmelzleiter praktisch die gleiche Grenzstromstärke sich ergibt wie für den ungeschwächten Schmelzleiter gleichen Vollquerschnitts. Die örtlich begrenzten querschnittgeschwächten Stellen der Schmelzleiter können durch schmale schlitzförmige Ausschnitte durch Herausnehmen von Metall oder auch durch bloße Einschnitte gebildet werden, bei denen aus dem Schmelzleiter kein Metall herausgenommen wird. Zur Erhöhung der Kühlwirkung erhalten die den querschnittgeschwächten Stellen benachbarten Schmelzleiterteile vorteilhaft örtlich begrenzte Ouerschnittverstärkungen. Die querschnittgeschwächten Stellen können auch ein- oder doppelseitig durch Plättchen aus wärmebeständigen Isolierstoffen, die mit den ungeschwächten Teilen der Schmelzleiter verklebt, vernietet oder sonstwie verbunden sind, versteift werden, wobei die Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten der Isolierstoffe bzw. die Wärmeübergangsstellen zwischen Schmelzleiter und Isolierstoff oder zwischen dem Isolierstoff und dem Füllmittel so gewählt werden können, daß je nach dem Verwendungszweck der Sicherung die versteifenden Isolierstoffe eine zusätzliche Kühlung oder eine Wärmestauung hervorrufen. Die Anwendung i°5 von Versteifungsplättchen aus wärmebeständigen Isolierstoffen in der Umgebung der querschnittgeschwächten Stellen ermöglicht vorteilhaft die Anbringung von Aussparungen, Bohrungen oder ähnlichen Maßnahmen, mit denen eine thermische Blaswirkung beim Anprechen der Schmelzleiter erzeugt wird. Die Versteifungsplättchen können dabei aus solchen Isolierstoffen bestehen, die unter der Einwirvung des Lichtbogens Gase abgeben. Auch »^l5 können in die in den Versteifungsplättchen Orgesehenen Aussparungen Bohrungen o. dgl. und/oder in den in den Plättchen vorgesehenen und in Verbindung mit den Ausschnitten und den Plättchen gebildeten Räumen Stoffe eingebracht sein, die unter der Einwirkung des Lichtbogens Gase abgeben.

Mit den erfindungsgemäßen Querschnittsverminderungen bei verzögerten und unverzögerten Schmelzleitern lassen sich ferner Stromzeitcharakteristiken erreichen, die mit den bisher bekannten Mitteln nicht herstellbar waren.

Die Erfindung ist in den Fig. ι bis 9 beispielsweise erläutert.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen streif enförmige Schmelzleiter mit bekannten, bisher allgemein angewandten örtlichen Querschnittverminderungen. In Fig. ι ist der Schmelzleiter 1 z. B-. mit einem kreisrunden Loch, in Fig. 2 mit einem Langloch und in Fig. 3 mit zwei kreis-

15·" förmigen Aussparungen versehen. Die stehenbleibenden Restquerschnitte 2 besitzen verhältnismäßig große Längenausdehnungen. Der mögliche Wärmeabfluß von der heißesten Mittenzone in die benachbarten Vollquerschnitte wird daher von vornherein verhältnismäßig gering und ist in hohem Maße von der Größe des Restquerschnittes abhängig.

_Λ Fig. 4 zeigt die einfachste Form eines erfindungsgemäßen Schmelzleiters. In dem beispielsweise streifenförmigen Schmelzleiter 1 kann durch zwei schmale Ausschnitte ein beliebig kleiner Restquerschnitt 2 mit beliebig* kleiner Längenausdehnung hergestellt werden. Beim Stromdurchfluß entstehen in dem Restquerschnitt 2 mit der Stegbreite 6* und der Steglänge L hohe Verluste. Diese Verluste können jedoch keine ihnen äquivalenten Temperatursteigerungen in den Stegen hervorrufen, da die in den Stegen erzeugte Wärme schnell in die unmittelbar benachbarten Vollquerschnitte abfließt. Die von den Vollquerschnitten herrührende Kühlung ist in erster Linie eine Funktion-der Steglänge L. Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform ließe sich z.B. auch so ausbilden, daß die Stege ,S" nicht durch Ausschnitte, d.h. durch Herausnehmen von Metall aus- dem Schmelzleiter 1, sondern durch blofie Einschnitte gebildet werden, wobei kein Metall herausgenommen wird. Einer Wiedervereinigung der Schnittstellen kann durch gegenseitige Verdrehung der so gebildeten Schmelzleiterteile begegnet werden. Bei zweckentsprechender Wahl von L kann selbst bei kleinster Stegbreite 6" die im Restquerschnitt 2 tatsächlich auftretende Temperaturspitze sehr klein gehalten werden gegenüber der fiktiven stromäquivalenten Temperaturspitze. Für die Anwendung bedeutet dies, daß der erfindungsgemäße Schmelzleiter praktisch denselben Grenzstrom besitzt wie ein entsprechender Volleiter, daß aber seine Abschaltzeiten im hohen Überlastungsgebiet kleiner gehalten werden können im Verhältnis der Quadrate des Restquerschnittes zum VoIlquerschnitt.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schmelzleiter sind beiderseits des nach den zuvor beschriebenen Gesichtspunkten bemessenen Steges 2 metallische Ouerschnittverstärkungen vorgesehen. Die Plättchen 3, die beispielsweise aus demselben Werkstoff wie der Schmelzleiter 1 bestehen können, sind aufgeschweißt oder sonstwie befestigt. Diese verstärkten Schmelzleiterstellen erhöhen die Kühlwirkung und verhindern dadurch eine unerwünschte Grenzstromherabsetzung, ohne jedoch die Abschaltzeiten im hohen Überlastungsgebiet, in dem bekanntlich ein Wärmeaustausch wegen der Kürze der Unterbrechungszeiten nicht mehr zustande kommt, zu beeinflussen.

In Fig. 6 wird der erfindungsgemäße Schmelzleiter mit dem mechanisch empfindlichen Steg 2 durch ein Plättchen 4 aus temperaturbeständigem Isolierstoff, das mit dem Schmelzleiter 1 durch Nieten 5 oder in anderer passender Weise mechanisch zuverlässig verbunden wird, abgestützt und versteift. Das Isolierplättchen kann aus Glas, Glimmer, Porzellan, Steatit usw. hergestellt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, mit dem Isolierplättchen eine besonders intensive Kühlwirkung auf den Steg und seine Umgebung auszuüben. In solchen Fällen bietet der gut wärmeleitende Sinterkorund (Aluminiumoxyd) Vorteile. Bei kleineren Nennstromstufen kann ein verminderter Wärmeabfluß nach dem Isolierplättchen zweckmäßig sein. In solchen Fällen sind schlecht wärmeleitende Werkstoff e, wie Asbest usw., oder gut wärmeleitende Werkstoffe mit Vorkehrungen zur Verringerung der Wärmeübergangszahlen geeignet. Dies läßt sich beispielsweise durch Riefen, Rillen oder durch sonstige Vergrößerung der sich berührenden Oberflächen erreichen.

Die Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Schmelzleiter 1, der zwischen zwei temperaturbeständigen Isolierplättchen 6 eingebettet ist. Die Verbindung dieser Isolierplättchen mit dem Schmelzleiter kann wieder durch Nietung, Kleben usw. bewerkstelligt werden. So kann die Verbindung der Isolierplättchen 6 mit dem Schmelzleiter 1 beispielsweise durch Isolatorenkitt stattfinden. Die Wahl des. geeigneten Isolierstoffes für die Plättchen 6* erfolgt nach den zuvor beschriebenen Gesichtspunkten. Durch das Einschließen des Schmelzleiters zwischen die Isolierplättchen 6 entstehen beiderseits des Steges zwei enge Kanäle 7. Durch diese werden zufolge des beim Durchschmelzen des Steges entstehenden thermischen Überdruckes die sich entwickelnden Metalldämpfe in das umgebende Löschmittel geblasen. Die dadurch metallarm werdende Unterbrechungsstrecke, die zudem durch den Lichtbogen nur geringe Temperaturerhöhung erfährt, stellt für die Weiter-

existeiiz des Lichtbogens ungünstige Bedingungen dar und fördert damit die Lichtbogenlöschung.

In Fig. 8 besitzen die Isolierplättchen 8 in der Umgebung des Steges kugelförmige Aussparungen 9 mit engen Bohrungen 10. Beim Ansprechen des Schmelzleiters entsteht in diesen Hohlräumen ein thermischer Überdruck, der die Metalldämpfe durch die vorhandenen Kanäle hindurchdrückt. Zur Erhöhung dieser Wirkung können die Aussparungen mit gasabgebenden Stoffen angefüllt werden, oder die Isolierplättchen selbst können aus Werkstoffen bestehen; die unter dem Einfluß der Lichtbogenwärme Gase abgeben, wie Fiber, Kunststoffe auf Harnstoffbasis u. dgl.

Fig. 9 stellt einen Schmelzleiter dar mit beispielsweise zwei in Serie geschalteten und im Querschnitt geschwächten Stellen 11 und 12. Wenn die Verhältnisse es erfordern, können auch mehr als zwei querschnittverminderte Stellen angeordnet werden. Das zur Versteifung des Schmelzleiters dienende Isolierplättchen 4, das in der Zeichnung mit dem Schmelzleiter 1 durch die Nieten 5 verbunden ist, enthält im Bereiche der Stege 11 und 12 Aussparungen 9. Die Kühlwirkung wird durch metal-Jische Verstärkung der Mittenzone, durch die Auflage 3 vergrößert. In den Aussparungen 9 wird auch hier ein thermischer Überdruck und damit eine thermische Blasung erzeugt. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer querschnittverminderter Stellen wird die Abschaltleistung beträchtlich erhöht. Die erfindungsgemäßen Ouerschnittverminderungen besitzen kleinste Längenausdehnungen und verursachen daher nur eine unbedeutende Widerstandserhöhung. Demzufolge bereitet die Serienschaltung mehrerer querschnittgeschwächter Stellen in Schmelzsicherungen mit den üblichen Abmessungen keinerlei Schwierigkeiten. Das praktisch gleichzeitige und zuverlässige Ansprechen der geschwächten Stellen bei höheren Überlastungen bietet zusätzlich die Gewähr für eine die Abschaltsicherheit verbessernde Spannungsaufteilung. Die angegebenen Mittel lassen sich sinngemäß auch bei Rundleitern und bei Schmelzleitern, die nicht im Füllmittel, sondern in Luft verlegt sind, anwenden.

Mit der Erfindung wird die Schaffung von Schmelzsicherungen ermöglicht, deren Abschaltzeiten im Kurzschlußgebiet wesentlich kürzer sind als diejenigen marktüblicher Sicherungen der gleichen Nennstromstärke. Sicherungen nach der Erfindung, mit denen z.B. bei einem Kurzschlußstrom von etwa 1200 Amp. eine Abschaltzeit von 0,0015 Sekunden oder darunter erzielt werden kann, eignen sich somit insbesondere auch zur Reihenschaltung mit Installationsselbstschaltern. Die letzteren weisen Abschaltzeiten von etwa 0,002 Sekunden auf, so daß die Sicherung infolge des zeitlich verzögerten Ansprechens des Selbstschalters einwandfrei die Abschaltung von hohen und sehr hohen Kurzschlußströmen übernimmt, während der Selbstschalter seinerseits nur die Abschaltung von Überströmen /u vollziehen hat, denen dieser gewachsen ist.

Claims (7)

1. 70 Patentansprüche:

   i. Schmelzsicherung mit oder ohne Füllmittel mit einem oder mehreren unverzögert oder verzögert ansprechenden ' Schmelzleitern, die zur Herabsetzung der Ansprechzeiten im höheren Überlastungsgebiet eine oder mehrere örtlich begrenzte, querschnittgeschwächte Stellen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die querschnittgeschwächten Stellen in Richtung des Stromflusses so geringe Ausdehnung besitzen, daß die auf die querschnittgeschwächten Stellen einwirkende, von den Vollquerschnitten ausgehende Kühlung eine φ Absenkung der resultierenden Belastbarkeit der Schmelzleiter verhindert und somit für den so geschwächten Schmelzleiter praktisch die gleiche Grenzstromstärke sich ergibt wie für den ungeschwächten Schmelzleiter gleichen Vollquerschnitts.
2. 2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtlich begrenzten, querschnittgeschwächten Stellen der Schmelzleiter durch schmale, schlitzförmige Ausschnitte oder durch bloße Einschnitte hergestellt werden.
3. 3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den querschnittgeschwächten Stellen benachbarten Schmelzleiterteile örtlich begrenzte Ouerschnittsverstärkungen zur Erhöhung der Kühlwirkung besitzen.
4. 4. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die querschnittgeschwächten Stellen ein- oderdoppelseitig durch Plättchen aus wärmebeständigen Isoliermaterialien, die mit den ungeschwächten Teilen der Schmelzleiter verklebt, vernietet oder sonstwie mechanisch verbunden sind, versteift werden, wobei die Wärmeleitfähigkeiten und die Wärmekapazitäten der Isoliermaterialien bzw. die Wärmeübergangszahlen zwischen Schmelzleiter- und Isoliermaterialien oder zwischen Isoliermaterialien und Füllmittel so gewählt werden können, daß hierdurch entweder eine zusätzliche Kühlung oder eine Wärmestauung entsteht.
5. 5. Schmelzsicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Versteifungsplättchen aus wärmebeständigen Isoliermaterialien in der Umgebung der
6. querschnittgeschwächten Stellen 'der Schmelzleiter Aussparungen, Bohrungen oder ähnliche Maßnahmen zur Erzeugung einer thermischen Blaswirkung beim Ansprechen der Schmelzleiter vorgesehen sind. 6. Schmelzsicherung nach "Anspruch 4 und 5 j dadurch gekennzeichnet, daß in die zur Erzeugung der Blaswirkung dienenden Teile der Versteifungsplättchen Stoffe eingebracht sind, die unter der Einwir- jo kung des Lichtbogens Gase abgeben.
7. 7. Schmelzsicherung nach Anspruch 4 bis 6', dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsplättchen aus solchen Isolierstoffen hergestellt werden, die unter der Einwirkung des Lichtbogens Gase abgeben.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen