EP0048424A2 - Elektrische Überstromsicherung - Google Patents

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EP0048424A2
EP0048424A2 EP81107244A EP81107244A EP0048424A2 EP 0048424 A2 EP0048424 A2 EP 0048424A2 EP 81107244 A EP81107244 A EP 81107244A EP 81107244 A EP81107244 A EP 81107244A EP 0048424 A2 EP0048424 A2 EP 0048424A2
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EP
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fuse element
overcurrent protection
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quenching plates
fuse
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/38—Means for extinguishing or suppressing arc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/055—Fusible members
    • H01H85/08—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member

Definitions

  • the invention relates to an electrical overcurrent protection with a fuse element and quenching plates made of electrically conductive material.
  • a fuse has the task of switching off a power supply unit or an electrical consumer in the event of an overload or in the event of a short circuit.
  • the fuse element is dimensioned such that it melts as soon as the conductor current reaches a predetermined limit value. Due to the special design of the fuse, the arc is forced to assume a burning voltage that is higher than the driving mains voltage.
  • the fuse element has essentially two tasks, namely the current-carrying function for the current in rated operation and the overcurrent, which also has to be worn for a certain time in the event of a fault or short circuit. It also has the current-interrupting function, which is achieved by a sufficient counter voltage.
  • both functions place opposing demands on the fuse element, which leads to relatively complicated forms of the fuse element in the case of fuses for higher voltages.
  • the fusible conductor can only achieve a sufficiently high arc voltage after it has melted through with one generate a correspondingly large length. However, this means a correspondingly large voltage and power drop in nominal operation. In order to reduce this voltage drop, fuse elements with several bottlenecks were used. With this design, however, a further problem is raised, namely the simultaneous melting of all the bottlenecks (US Pat. No. 1,946,553).
  • the task therefore arises of designing the fuse in such a way that its voltage drop during nominal operation is low and that at the same time it is able to build up a large countervoltage to interrupt the current, which acts as an extinguishing voltage.
  • extinguishing plates made of electrically conductive material are therefore provided, the flat sides of which are extended transversely to the longitudinal direction of the fuse element and are arranged one behind the other in its longitudinal direction.
  • partial arcs occur between the quenching plates.
  • hollow cylindrical spacers are made of a material which, under the action of the arc, releases gas which acts as a quenching gas.
  • the fuse must therefore be designed to be pressure-resistant. As a delete voltage, the total voltage of the individual partial arcs is effective.
  • the quenching plates are extended perpendicular to the direction of the fuse element and arranged one behind the other in the direction of the fuse element. For higher switching voltages, especially over 1000 volts, with a correspondingly large number of quenching plates, there is therefore a relatively large design of the fuse (JP-GM 40 26 450).
  • the above-mentioned object is now achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1.
  • the extinguishing plates arranged perpendicular to the curved fuse element, in particular radially to a circular fuse element, give a flat design of the fuse, the height of which is not substantially greater than the height of the extinguishing plates. '
  • the mutual distance between the quenching plates increases in the direction radially outwards.
  • the partial arcs generated after the fusible link has melted are thus driven outward due to the electrodynamic forces.
  • the length of the individual partial arcs and the total length of the arc are lengthened and the switching voltage increased accordingly. As a result of these electrodynamic forces, the fusible conductor is pressed against the sheets in the heated state, thereby ensuring increased cooling.
  • An embodiment of the fuse for higher voltage with a large number of quenching plates is obtained in that the fuse element forms a helix and two or more turns are arranged one above the other.
  • the quenching plates can rest directly on the fuse element.
  • the fusible link is cooled by the metal sheets and can conduct a current that is significantly higher than the current intensity that results from the cross section of the uncooled fusible link.
  • the fuse element can expediently be arranged on the jacket of a hollow cylindrical core.
  • the ends of the quenching plates facing away from the fusible conductor can preferably be arranged in grooves in the inner wall of a hollow cylindrical housing made of insulating material. In this case, the dimensional tolerances of the quenching plates can be correspondingly larger.
  • quenching plates may be appropriate to design the quenching plates and to arrange them around the fuse element such that their ends face the fuse element at a predetermined distance.
  • the cooling effect of the quenching plates then only begins at a predetermined current.
  • the ends of the quenching plates facing the fusible conductor can be provided with a coating with low electrical conductivity, which can optionally have good thermal conductivity.
  • the fuse element can also be provided with such a coating.
  • Parts of the hollow cylindrical housing, preferably the outer tube, can consist of gas-permeable material, in particular screen ceramic, so that any overpressure that occurs can be reduced.
  • a fusible conductor 2 is designed as a ring part or as part of a hollow cylinder, and is provided at both ends with a conductor connection, which is denoted by 3 and 4 in the figure. Extinguishing plates 6 are provided radially to the fusible conductor 2, of which only a few are shown in the figure and the position of the others is only indicated by dashed lines.
  • the fuse element is arranged on the outer jacket of a core 8 made of insulating material, which can preferably be designed as a hollow cylinder.
  • This structural unit is arranged in a housing 10, which can preferably consist of insulating material, in particular ceramic.
  • one end of the extinguishing plates 6 rests on a fusible link 2 designed as a ring cylinder.
  • the outer ends of the quenching plates protrude into grooves 12 of the housing 10.
  • the lower and upper end edges of the extinguishing plates 6 can each be arranged in a groove in a base plate 14 or a cover plate 16.
  • the housing 10 and optionally also at least the outer part of the base plate 14 and the cover plate 16 can expediently consist of a gas-permeable material, in particular a so-called sieve ceramic.
  • a reignition of the arc on the outer casing of the fuse can be prevented in that the holes in the bores are not chosen to be significantly larger than 1 mm, in particular smaller than 1 mm.
  • the fuse element 2 is arranged between the core 8 and the housing 10 in such a way that the extinguishing plates 6 extend both radially outwards and radially inwards.
  • the fuse element 2 If the fuse element 2 is positively connected to the extinguishing plates 6, all parts of the fuse heat up slowly in the event of an overcurrent and after a predetermined time the fuse element 2 melts between the extinguishing plates 6.
  • the partial arcs generated between the individual extinguishing plates become radially different due to the electrodynamic forces driven outside; the arc length increases with the increasing distance between the quenching plates 6 and the switching voltage is increased accordingly. Due to the same electrodynamic forces, the fuse element 2 is pressed against the extinguishing plates 6 in the heated state and a correspondingly increased cooling is ensured.
  • the quenching plates 6 can be held both in grooves of the housing 10 and in grooves on the outer jacket of the core 8 in this embodiment. An increased dielectric strength is then obtained due to the meandering extension of the leakage current paths.
  • the quenching plates 6 are designed and arranged around the fuse element 2 such that a gap 18 is formed between them and the fuse element 2.
  • the size of the gap is chosen so that the arc which arises after melting through at one point of the fusible conductor 2 causes the fusible conductor 2 to continue to melt and its size will generally not be significantly less than 1 mm.
  • the ends of the quenching plates 6 facing the fusible conductor 2 can each be provided with a coating 20, which consists of a material with low electrical conductivity, as is indicated in FIG. 5.
  • This coating 20 prevents fusing with one or more quenching plates 6 when the fusible conductor 2 melts and continues to melt.
  • the coating 20 can consist, for example, of a temperature-resistant plastic or a glass-like and enamel-like material.
  • the fusible conductor 2 is at least partially provided with a coating 22: which in the same way prevents the aforementioned fusing.
  • a coating 22 which in the same way prevents the aforementioned fusing.
  • this can be provided with a flat side on its flat side facing the extinguishing plates 6 be provided with such a coating.
  • an intermediate layer provided with openings is arranged between the fuse element 2 and the quenching plates, the intermediate openings of which permit the arc to pass after the fuse element 2 has melted.

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Abstract

Die Überstromsicherung enthält einen Schmelzleiter (2) und Löschbleche (6). Erfindungsgemäß ist ein gekrümmter Schmelzleiter (2) vorgesehen, der vozugsweise einen Teilkreis bildet, und senkrecht zum Schmelzleiter (2) sind mehrere Löschbleche (6) angeordnet. Diese Schmelzsicherung hat durch ihre Flachbauweise nur ein geringes Volumen und zugleich ein hohes Schaltvermögen, weil die zwischen den Löschblechen gebildeten Teillichtbögen durch die dynamischen Kräfte radial nach außen getrieben und entsprechend verlängert werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Überstromsicherung mit einem Schmelzleiter und Löschblechen aus elektrisch leitendem Material.
  • Eine Sicherung hat bekanntlich die Aufgabe, ein Netzteil oder einen elektrischen Verbraucher im Falle einer Überlastung oder im Kurzschlußfall abzuschalten. Der Schmelzleiter ist so bemessen, daß er schmilzt, sobald der Leiterstrom einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Durch die besondere konstruktive Gestaltung der Sicherung wird der Lichtbogen gezwungen, eine Brennspannung anzunehmen, die höher als die treibende Netzspannung ist.
  • Der Schmelzleiter hat in den bekannten Sicherungen im wesentlichen zwei Aufgaben, nämlich die stromtragende Funktion für den Strom im Nennbetrieb und den Überstrom, der im Störungs- oder Kurzschlußfall ebenfalls eine gewisse Zeit getragen werden muß. Er hat ferner die stromunterbrechende Funktion, die durch eine ausreichende Gegenspannung erreicht wird. Beide Funktionen stellen jedoch gegenläufige Ansprüche an den Schmelzleiter, was bei Sicherungen für höhere Spannungen zu verhältnismäßig komplizierten Formen des Schmelzleiters führt.
  • Eine ausreichend hohe Lichtbogenspannung kann der Schmelzleiter nach dem Durchschmelzen nur mit einer entsprechend großen Länge erzeugen. Dies bedeutet aber einen entsprechend großen Spannungs- und Leistungsabfall im Nennbetrieb. Um diesen Spannungsabfall zu vermindern, hat man Schmelzleiter mit mehreren Engstellen verwendet. Mit dieser Gestaltung wird jedoch ein weiteres Problem aufgeworfen, nämlich das gleichzeitige Durchschmelzen aller Engstellen (US-Patentschrift 1 946 553).
  • Aber auch mit dieser bekannten Gestaltung beträgt der Spannungsabfall noch jeweils einige Zehntel Volt. In Anlagen mit einer größeren Anzahl solcher Sicherungen, beispielsweise in Stromrichteranlagen mit Tyristoren, denen jeweils eine Sicherung zugeordnet ist, entsteht somit eine erhebliche Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muß.
  • Es ergibt sich deshalb die Aufgabe, die Sicherung so zu gestalten, daß ihr Spannungsabfall im Nennbetrieb gering und daß sie zugleich in der Lage ist, zur Stromunterbrechung eine große Gegenspannung aufzubauen, die als Löschspannung wirkt.
  • In einer bekannten Ausführungsform einer Schmelzsicherung sind deshalb Löschbleche aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, die mit ihren Flachseiten quer zur Längsrichtung des Schmelzleiters ausgedehnt und in dessen Längsrichtung hintereinander angeordnet sind. Mit dem Durchschmelzen des Schmelzleiters entstehen Teillichtbögen zwischen den Löschblechen. Jeweils abwechselnd mit den Löschblechen sind hohlzylindrische Abstandshalter aus einem Material angeordnet, das unter der Einwirkung des Lichtbogens Gas abgibt, das als Löschgas wirkt. Die Sicherung muß somit druckfest ausgebildet sein. Als Löschspannung ist die Summenspannung der einzelnen Teillichtbögen wirksam. Die Löschbleche sind senkrecht zur Richtung des Schmelzleiters ausgedehnt und in Richtung des Schmelzleiters hintereinander angeordnet. Für höhere Schaltspannungen, insbesondere über 1000 Volt, mit einer entsprechend großen Zahl von Löschblechen ergibt sich deshalb eine verhältnismäßig große Bauform der Schmelzsicherung (JP-GM 40 26 450).
  • Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die senkrecht zum gekrümmten Schmelzleiter insbesondere radial zu einem kreisförmigen Schmelzleiter, angeordneten Löschbleche erhält man eine Flachbauweise der Sicherung, deren Höhe nicht wesentlich größer als die Höhe der Löschbleche ist.' Der gegenseitige Abstand der Löschbleche wird in der Richtung radial nach außen größer. Die nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters erzeugten Teillichtbogen werden somit aufgrund der elektrodynamischen Kräfte nach außen getrieben. Die Länge der einzelnen Teillichtbögen und die Gesamtlänge des Lichtbogens werden verlängert und die Schaltspannung entsprechend erhöht. Durch diese elektrodynamischen Kräfte wird zugleich der Schmelzleiter im erwärmten Zustand an die Bleche gepreßt und dadurch eine erhöhte Kühlung gewährleistet.
  • Eine Ausführungsform der Schmelzsicherung für höhere Spannung mit einer großen Anzahl von Löschblechen erhält man dadurch, daß der Schmelzleiter eine Schraubenlinie bildet und zwei oder mehrere Windungen übereinander angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform der Schmelzsicherung können die Löschbleche unmittelbar am Schmelzleiter anliegen. Der Schmelzleiter wird durch die Bleche gekühlt und kann einen Strom führen, der wesentlich höher ist als die Stromstärke, die sich aus dem Querschnitt des ungekühlten Schmelzleiters ergibt. Der Schmelzleiter kann zweckmäßig auf dem Mantel eines hohlzylindrischen Kerns angeordnet werden. Die vom Schmelzleiter abgewandten Enden der Löschbleche können vorzugsweise in Nuten der Innenwand eines hohlzylindrischen Gehäuses aus Isolierstoff angeordnet werden. In diesem Falle können die Maßtoleranzen der Löschbleche entsprechend größer sein.
  • Unter Umständen kann es zweckmäßig sein die Löschbleche so zu gestalten und um den Schmelzleiter anzuordnen, daß ihre Enden in einem vorbestimmten Abstand dem Schmelzleiter gegenüberstehen. Die kühlende Wirkung der Löschbleche setzt dann erst bei einer vorbestimmten Stromstärke ein.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Überstromsicherung können die dem Schmelzleiter zugewandten Enden der Löschbleche mit einem Überzug mit geringer elektrischer Leitfähigkeit versehen werden, der gegebenenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit haben kann. Anstelle der Löschbleche kann auch der Schmelzleiter mit einem derartigen Überzug versehen werden.
  • Teile des hohlzylindrischen Gehäuses, vorzugsweise das Außenrohr, können aus gasdurchlässigem Material, insbesondere Siebkeramik, bestehen, damit ein auftretender Überdruck abgebaut werden kann.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
    • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung nach der Erfindung im Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. Die
    • Fig. 2 und 3 zeigen jeweils einen Teil einer besonderen Ausführungsform der Schmelzsicherung, während in den
    • Fig. 4 und 5 jeweils ein Teil einer besonderen Ausführungsform der Löschbleche und in
    • Fig. 6 eine besondere Ausführung des Schmelzleiters dargestellt ist.
  • In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein Schmelzleiter 2 als Ringteil oder als Teil eines Hohlzylinders ausgeführt, und an seinen beiden Enden jeweils mit einem Leiteranschluß versehen, die in der Figur mit 3 und 4 bezeichnet sind. Radial zum Schmelzleiter 2 sind Löschbleche 6 vorgesehen, von denen in der Figur lediglich einige dargestellt und die Lage der übrigen lediglich gestrichelt angedeutet ist. Der Schmelzleiter ist auf dem Außenmantel eines Kerns 8 aus Isolierstoff angeordnet, der vorzugsweise hohlzylindrisch gestaltet sein kann. Diese Baueinheit ist in einem Gehäuse 10 angeordnet, das vorzugsweise aus Isolierstoff, insbesondere Keramik, bestehen kann.
  • Nach Figur 2 liegt ein Ende der Löschbleche 6 an einem als Ringzylinder gestalteten Schmelzleiter 2 an. Die äußeren Enden der Löschbleche ragen in Nuten 12 des Gehäuses 10 hinein. In gleicher Weise können auch die unteren und oberen Stirnkanten der Löschbleche 6 jeweils in einer Nut einer Grundplatte 14 bzw. einer Deckplatte 16 angeordnet sein.
  • Das Gehäuse 10 und gegebenenfalls auch wenigstens der äußere Teil der Grundplatte 14 und der Deckplatte 16 können zweckmäßig aus einem gasdurchlässigen Material, insbesondere einer sogenannten Siebkeramik, bestehen. Ein Wiederzünden des Lichtbogens am Außenmantel der Schmelzsicherung kann dadurch verhindert werden, daß die Löcher der Bohrungen nicht wesentlich größer als 1 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, gewählt werden.
  • In der Ausführungsform nach Figur 3, die einen Teil des Querschnitts nach Figur 1 darstellt, ist der Schmelzleiter 2 zwischen dem Kern 8 und dem Gehäuse 10 derart angeordnet, daß sich die Löschbleche 6 sowohl radial nach außen als auch radial nach innen erstrecken.
  • Ist der Schmelzleiter 2 mit den Löschblechen 6 formschlüssig verbunden, so heizen sich alle Teile der Sicherung bei Überstrom langsam auf und nach einer vorbestimmten Zeit schmilzt der Schmelzleiter 2 zwischen den Löschblechen 6. Die zwischen den einzelnen Löschblechen erzeugten Teillichtbögen werden aufgrund der elektrodynamischen Kräfte radial nach außen getrieben; die Bogenlänge steigt mit dem zunehmenden Abstand der Löschbleche 6 und die Schaltspannung wird entsprechend erhöht. Durch die gleichen elektrodynamischen Kräfte wird der Schmelzleiter 2 im erwärmten Zustand an die Löschbleche 6 gepreßt und eine entsprechend erhöhte Kühlung gewährleistet.
  • In der Ausführungsform nach Figur 3 mit sowohl radial nach außen als auch radial nach innen gerichteten Löschblechen 6 wird die Wärmeabführung aus den Zwischenräumen der Löschbleche 6 erleichtert. Um parallele Entladungskanäle zu vermeiden, können auch in dieser Ausführungsform die Löschbleche sowohl in Nuten des Gehäuses 10 als auch in Nuten am Außenmantel des Kerns 8 gehalten werden. Man erhält dann eine erhöhte Spannungsfestigkeit aufgrund der meanderförmigen Verlängerung der Kriechstromwege.
  • In der Ausführungsform nach Figur 4 sind die Löschbleche 6 derart gestaltet und um den Schmelzleiter 2 angeordnet, daß zwischen ihnen und dem Schmelzleiter 2 ein Spalt 18 entsteht. Die Größe des Spalts wird so gewählt, daß der nach dem Durchschmelzen an einer Stelle des Schmelzleiters 2 entstehende Lichtbogen den Schmelzleiter 2 weiterschmelzen läßt und seine Größe wird im allgemeinen 1 mm nicht wesentlich unterschreiten.
  • Unter Umständen können die dem Schmelzleiter 2 zugewandten Enden der Löschbleche 6 jeweils mit einem Überzug 20 versehen sein, der aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht wie es in Figur 5 angedeutet ist. Durch diesen Überzug 20 wird beim Durchschmelzen und beim Weiterschmelzen des Schmelzleiters 2 ein Verschmelzen mit einem oder mehreren Löschblechen 6 verhindert. Der Überzug 20 kann beispielsweise aus einem temperaturfesten Kunststoff oder einem glasartigen sowie emailleartigen Material bestehen.
  • In der Ausführungsform nach Figur 6 ist der Schmelzleiter 2 wenigstens teilweise mit einem Überzug 22 versehen,:der in gleicher Weise das erwähnte Verschmelzen verhindert. Bei Verwendung eines flachen, bandartigen Schmelzleiters 2 kann dieser auf seiner den Löschblechen 6 zugewandten Flachseite mit einem derartigen Uberzug versehen sein. Unter Umständen kann es ausreichen, wenn zwischen dem Schmelzleiter 2 und den Löschblechen eine mit Öffnungen versehene Zwischenlage angeordnet wird, dessen Öffnungen ein Hindurchtreten des Lichtbogens nach dem Schmelzen des Schmelzleiters 2 ermöglichen.

Claims (11)

1. Elektrische Überstromsicherung mit einem Schmelzleiter und Löschblechen aus elektrisch leitendem Material, dadurch gekennzeichnet , daß ein gekrümmter Schmelzleiter (2) vorgesehen ist und daß wenigstens annähernd senkrecht zum Schmelzleiter(2)mehrere Löschbleche (4) angeordnet sind.
2. Überstromsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmelzleiter (2) einen Teilkreis bildet, zu dem die Löschbleche (6) radial angeordnet sind.
3. Überstromsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmelzleiter (2) eine Schraubenlinie bildet.
4. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmelzleiter (2) auf dem Mantel eines hohlzylindrischen Kerns (8) angeordnet ist.
5. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Löschbleche (6) mit dem Schmelzleiter (2) einen Spalt (18) bilden.
6. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden der Löschbleche (6) mit einem Überzug (20) mit geringer elektrischer Leitfähigkeit versehen sind.
7. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmelzleiter (2) wenigstens teilweise mit einem Überzug (22) mit geringer elektrischer Leitfähigkeit versehen ist.
8. Uberstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Schmelzleiter (2) und den Löschblechen (6) eine Zwischenlage mit geringer elektrischer Leitfähigkeit vorgesehen ist, die mit Durchtrittsöffnungen für den Lichtbogen versehen ist.
9. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Löschbleche (6) in Nuten (12) der Innenwand eines hohlzylindrischen Gehäuses (10) aus Isolierstoff hineinragen.
10. Überstromsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil des Gehäuses aus gasdurchlässigem Material besteht.
11. Überstromsicherung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß als gasdurchlässiges Material Siebkeramik vorgesehen ist.
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EP0048424A3 EP0048424A3 (en) 1982-12-01
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US (1) US4458232A (de)
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