EP1107277A1 - Sicherung - Google Patents

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EP1107277A1
EP1107277A1 EP00811138A EP00811138A EP1107277A1 EP 1107277 A1 EP1107277 A1 EP 1107277A1 EP 00811138 A EP00811138 A EP 00811138A EP 00811138 A EP00811138 A EP 00811138A EP 1107277 A1 EP1107277 A1 EP 1107277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuse according
erosion
fuse
securing element
guanidine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00811138A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Kaltenborn
Ralf Strümpler
Joachim Glatz-Reichenbach
Felix Greuter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP1107277A1 publication Critical patent/EP1107277A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01H85/06—Fusible members characterised by the fusible material
    • 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
    • H01H2085/0008—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 making use of heat shrinkable material
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    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/18—Casing fillings, e.g. powder
    • H01H85/185—Insulating members for supporting fusible elements inside a casing, e.g. for helically wound fusible elements

Definitions

  • the invention relates to a fuse for the middle and High voltage range.
  • Such fuses are used to Overcurrents, e.g. as a result of short circuits occur to interrupt.
  • a generic fuse which has a core of cruciform cross-section made of electrically insulating material in a housing, which is wound in a helical manner by band-shaped fuse elements.
  • the core carries axially spaced successive rings, each of which, where they are crossed by a securing element, have a recess in which an erosion body is arranged which contains an igniter, for example made of KClO 4 , in particular with an addition of boron, and in remaining from an erosion material, e.g. B. consists of Al, KClO 4 and silica gel as a binder.
  • An ignition circuit which connects the connections to one another and is made of a wire with a relatively high resistance, in each case connects a series of axially successive erosion bodies, where the wire is guided through the igniters.
  • a gas-generating element made of hydrated aluminum silicate, boron phosphate and a binder as well as optional zirconium is attached to the securing element.
  • the housing is with an extinguishing medium such.
  • a similarly constructed fuse is known from US-A-4,486,734.
  • the burning material is a mixture of a metal such as Zr, Hf, Th, Al, Mg as the fuel, an oxidizer such as KClO 4 or another perchlorate or chlorate and a binder such as silica gel.
  • Another similar fuse (US-A-4 319 212) are incisions on the outside of the Ribs of the core, over which securing elements run, with filled with an erosion material, e.g. B. a mixture of Al or Mg oxide and a filler such as mica, glass fiber, Asbestos or quartz powder and a binder such as polyester.
  • an erosion material e.g. B. a mixture of Al or Mg oxide and a filler such as mica, glass fiber, Asbestos or quartz powder and a binder such as polyester.
  • the core is coated with a burn-off material which consists of a gas-generating material such as guanidine carbonate or acetate, diphenylguanidine, a guanine, melamine, hydantoin or allantoin derivative or a cyanurate and one film-forming polymer such as polyurethane, acrylic, melamine or melamine formaldehyde resin as a binder. It can also contain an addition of hydrated aluminum, CaCO 3 , boric acid or Mg (OH) 2 .
  • a burn-off material which consists of a gas-generating material such as guanidine carbonate or acetate, diphenylguanidine, a guanine, melamine, hydantoin or allantoin derivative or a cyanurate and one film-forming polymer such as polyurethane, acrylic, melamine or melamine formaldehyde resin as a binder. It can also contain an addition of hydrated aluminum, CaCO 3
  • the housing is otherwise one similar fuse filled up with a sand whose grains coated with a mixture of an erosion material are made of a gas generating material like guanidine, Guanidine carbonate or acetate, 1,3-diphenylguanidine, guanine, Melamine, urea, hydantoin or Al-lantoin and one Binders such as urethane, melamine, epoxy resin, polyester or acrylic in particular.
  • a gas generating material like guanidine, Guanidine carbonate or acetate, 1,3-diphenylguanidine, guanine, Melamine, urea, hydantoin or Al-lantoin
  • Binders such as urethane, melamine, epoxy resin, polyester or acrylic in particular.
  • the invention is based on the object of securing specify that quickly and safely even with small overcurrents responds and reliably cuts off the current.
  • This Task is characterized by the characteristics in the claim 1 solved.
  • the fuse according to the invention speaks long before A fuse element melts. Your resistance increases rapidly after response, so a quick Interruption even of relatively small overcurrents, especially in the critical range between 1.1 times and three times the nominal current.
  • the fuse according to the invention has (Fig. 1a, b) in one cylindrical housing 1, the z. B. consist of ceramic can have a support body 2 arranged in the axis, which is also made of ceramic or plastic or a composite or other suitable electrical insulating material and a cylindrical or tubular base body 3 with radially projecting ribs 4 having.
  • a first electrical connection and a second electrical connector arranged as caps 5a, b are formed from metal.
  • the caps 5a, b are through a helically wrapped around the support body 2 Securing element 6 - it can also be several Fuse elements connected in parallel act - electrically conductively connected.
  • the housing is like with an extinguishing medium e.g. B. Filled with quartz sand.
  • the securing element 6 points in regular intervals narrowing 7, which by opposite semicircular recesses be formed. Instead of recesses, too Die cuts are provided, it mainly depends on the Reduction in cross-section.
  • the fuse also has an erosion element 8, which is essentially the whole between the Caps 5a, 5b lying length of the same extends. It exists essentially of an erosion material that a Contains fuel and an oxidizer, which when reached an ignition temperature that is not higher than 260 ° C, react with each other, being a relatively large one Amount of heat is released.
  • a material that releases a large amount of extinguishing gas during combustion is preferably used as the fuel.
  • Guanidines and guanidine derivatives such as diguanidinium-5,5'-azotetrazolate (GZT), guadine nitrate and guanidine acetate, of which mixtures can also be used, have proven particularly useful.
  • GZT diguanidinium-5,5'-azotetrazolate
  • guadine nitrate guadine nitrate
  • guanidine acetate of which mixtures can also be used, have proven particularly useful.
  • an additive consisting of at least one metal such as Mg, Al, Zr, Hf, Th can also be added.
  • Suitable oxidizers are oxygen-rich compounds, especially nitrates, chlorates, perchlorates and permanganates such as KNO 3 , NaNO 3 , NH 4 NO 3 , KClO 4 , NaClO4, KMnO 4 .
  • a metal oxide to the oxidizer, which undergoes a thermitic reaction with at least one of the metals contained therein, e.g. B. Fe 2 O 3 .
  • Oxidator is present in the erosion material in a stoichiometric amount, its proportion is generally at least by a factor of 1.1, but preferably in a higher ratio, e.g. B. between 10: 1 and 15: 1 superstoichiometric. This leads to complete oxidation of the fuel in a very rapid reaction.
  • the ignition temperature of the Burning material with relatively great accuracy-i. a. can be set to ⁇ 10 ° C.
  • the amount of heat released is at least 200 J / g, preferably at least 300 J / g.
  • Metals contained in fuel are made by the previously incineration of the organic part of the same also brought to ignition temperature and then perform one essential contribution to heat release. It will Temperatures of 1,700 ° C and more reached.
  • the erosion material can also contain a binder that the erosion material z. B. makes it spreadable or extrudable.
  • a binder that the erosion material z. B. makes it spreadable or extrudable.
  • the binder is heated to the extent that it becomes kneadable and then using a kneader with the Fuel and the oxidizer mixed.
  • Binder also known for use in pyrotechnics
  • Binder e.g. B. polyethylenes, polyamides, polyimides or inorganic substances such as silica gel or water glass are used become.
  • the Fuel and the oxidizer made a granulate and the same can be mixed with the binder.
  • the mixture can about the entire length of the strip-shaped Securing element 6 are applied, for. B. by Extrude so that the erosion element 8 with the same its entire length in tight mechanical and thermal Contact is there.
  • it can (Fig. 2a, b, c) on a the surfaces of the securing element 6 are applied, so that it completely covers the same, being in the area the constrictions 7, the securing element 6 also completely can surround or it can (Fig. 3b, c) layers constant width on both surfaces of the Securing element 6 are applied, which in the area the constrictions 7 are connected to one another, so that the Burning element 8 largely envelops the securing element 6.
  • Another option is to add over the room temperature, e.g. B. between 40 ° C and 130 ° C crosslinking elastomers, e.g. B. silicone or also strong when heated to such temperatures shrinking materials, especially polymers such as Polyethylene or polypropylene as a binder, which also mixed with the fuel and the oxidizer become.
  • the erosion element 8 can then (Fig. 4a, b) in the Form a shrink tube that can be brought over the Securing element 6 pulled and cross-linked or shrunk becomes.
  • the erosion element 8 does not over its entire length Securing element 6 follows, but only with the same at several spaced apart in the longitudinal direction Places in contact.
  • 6a, b are two Burning elements 8 are band-shaped and like the two again as a strip of a suitable highly conductive Material trained securing elements 6 helically wound around the support body 2, however with reverse sense of rotation so that they are the securing elements Cross 6 times.
  • the erosion elements 8 include in this Fall in each case from one to at least the ignition temperature resistant material such as glass silk or another suitable electrically non-conductive material Carrier tape, the stripes on one or both sides extruded and pressed with it burning material.
  • Burning elements there are other possible arrangements of the Burning elements.
  • the Fuse elements can be used as wires instead of strips, preferably with at regular intervals consecutive constrictions, etc.
  • the fuse speaks even with small overcurrents safely on, but also interrupts large overcurrents reliable. It therefore represents a versatile one Multi-range protection.

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Abstract

Eine Sicherung weist ein Sicherungselement (6), z. B. aus Silber, mit in regelmässigen Abständen aufeinanderfolgenden Verengungen (7) auf, das vorzugsweise über seine ganze Länge mit einem Abbrandelement (8) in Kontakt steht. Letzteres besteht aus einer Abbrandmasse, die im wesentlichen aus einem Brennstoff wie Guanidin oder einem Guanidinderivat und einem Metall wie Mg oder Al und einem Oxidator wie KNO3, NaNO3, NH4NO3, KClO4, NaClO4, KMnO4, dessen Anteil um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise mindestens 10 überstöchiometrisch ist, besteht. Vorzugsweise enthält die Abbrandmasse ausserdem ein Bindemittel wie z. B. Paraffin, einen Thermoplasten oder ein Elastomer, so dass sie extrudierbar ist. Sie weist eine Zündtemperatur von zwischen 160°C und 260°C auf und gibt mehr als 200 J/g Wärme ab, so dass sie auch bei kleinen Ueberströmen zündet und das Sicherungselement (6) auf der ganzen Länge aufschmilzt. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Sicherung für den Mittel- und Hochspannungsbereich. Derartige Sicherungen dienen dazu, Überströme, wie sie z.B. als Folge von Kurzschlüssen auftreten, zu unterbrechen.
Stand der Technik
Aus der US-A-4 638 283 ist eine gattungsgemässe Sicherung bekannt, welche in einem Gehäuse einen Kern kreuzförmigen Querschnitts aus elektrisch isolierendem Material aufweist, welcher von bandförmigen Sicherungselementen schraubenlinienförmig umwunden ist. Der Kern trägt axial mit Abstand aufeinanderfolgende Ringe, welche dort, wo sie von einem Sicherungselement gekreuzt werden, jeweils eine Vertiefung aufweisen, in der ein Abbrandkörper angeordnet ist, welcher einen Zünder, z.B. aus KClO4, insbesondere mit einer Beigabe von Bor enthält und im übrigen aus einem Abbrandmaterial, z. B. aus Al, KClO4 und Silicagel als Bindemittel besteht. Ein die Anschlüsse miteinander verbindender Zündkreis aus einem Draht mit verhältnismässig hohem Widerstand verbindet jeweils eine Reihe axial aufeinanderfolgender Abbrandkörper, wo der Draht durch die Zünder geführt ist. Auf dem Sicherungselement ist zusätzlich ein gaserzeugendes Element aus hydratisiertem Aluminiumsilikat, Borphosphat und einem Bindemittel sowie fakultativ Zirkonium angebracht. Das Gehäuse ist mit einem Löschmedium wie z. B. Quarzsand aufgefüllt. Falls ein Sicherungselement an einer Stelle aufgeschmolzen wird, fliesst durch den Zündkreis wesentlich mehr Strom, so dass die Zündung der Abbrandkörper ausgelöst und die Sicherungselemente an einer Reihe axial beabstandeter Stellen unterbrochen werden.
Eine ähnlich aufgebaute Sicherung ist aus US-A-4 486 734 bekannt. Dort ist das Abbrandmaterial eine Mischung aus einem Metall wie Zr, Hf, Th, Al, Mg als Brennmaterial, einem Oxidator wie KClO4 oder einem anderen Perchlorat oder Chlorat und einem Bindemittel wie Silikagel.
Bei einer weiteren ähnlich aufgebauten Sicherung (US-A-4 319 212) sind Einschnitte an den Aussenseiten der Rippen des Kerns, über die Sicherungselemente laufen, mit einem Abbrandmaterial gefüllt, z. B. einer Mischung von Al-oder Mg-Oxid und einem Füllstoff wie Glimmer, Glasfaser, Asbest oder Quarzpulver und einem Bindemittel wie Polyester.
Bei einer anderen Sicherung (EP-A-0 641 005) ist der Kern mit einem Abbrandmaterial überzogen, das aus einem gaserzeugenden Material wie Guanidinkarbonat oder -azetat, Diphenylguanidin, einem Guanin-, Melamin-, Hydantoin- oder Allantoinderivat oder einem Cyanurat und einem filmbildenden Polymer wie Polyurethan, Acryl, Melamin- oder Melaminformaldehydharz als Bindemittel besteht. Es kann ausserdem einen Zusatz von hydratisiertem Aluminium, CaCO3, Borsäure oder Mg(OH)2 enthalten.
Gemäss EP-A-0 657 910 ist das Gehäuse einer im übrigen ähnlichen Sicherung mit einem Sand aufgefüllt, dessen Körner mit einer Mischung aus einem Abbrandmaterial beschichtet sind, das aus einem gaserzeugenden Material wie Guanidin, Guanidinkarbonat oder -azetat, 1,3-Diphenylguanidin, Guanin, Melamin, Harnstoff, Hydantoin oder Al-lantoin und einem Bindemittel wie Urethan, Melamin, Epoxidharz, Polyester oder insbesondere Acryl besteht.
Gemäss US-A-4 099 153 ist um einen Kern aus vier parallelen Stangen schraubenlinienförmig ein Sicherungsdraht gewunden, der durch mehrere axial mit Abstand aufeinanderfolgend auf den Kern gesteckte Klammern aus gasabgebendem Material jeweils gegen eine der Stangen geklemmt ist.
Aus der US-A-3 705 373 ist eine Sicherung bekannt mit einem bandförmigen Sicherungselement, das an mehreren aufeinanderfolgenden Stellen durch Löcher geschwächt ist, an einer davon auch durch eine Schicht von niedrigschmelzendem Material wie Sn oder Cd. Parallel dazu liegt ein Draht mit z. B. einem Al-Kern und einem Pd-Mantel. Schmilzt das Sicherungselement an einer Stelle durch, so fliesst so viel Strom durch den Draht, dass der Al-Kern aufschmilzt und explosiv mit dem Pd-Mantel reagiert, wodurch das Sicherungselement an mehreren Stellen unterbrochen wird.
Allen beschriebenen Sicherungen ist gemeinsam, dass sie erst ansprechen, wenn mindestens ein Sicherungselement durchgeschmolzen ist. Sie sind damit lediglich für die Unterbrechung grosser Überströme - in der Regel etwa ab dem dreifachen Nennstrom - geeignet, die ein solches Durchschmelzen bewirken. Die Unterbrechung kleinerer Überströme ist mit ihnen jedoch nicht oder mindestens nicht zuverlässig und ausreichend schnell möglich.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sicherung anzugeben, die auch bei kleinen Überströmen rasch und sicher anspricht und den Strom zuverlässig unterbricht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemässe Sicherung spricht lange vor dem Durchschmelzen eines Sicherungselements an. Ihr Widerstand erhöht sich nach dem Ansprechen rasch, so dass eine schnelle Unterbrechung auch verhältnismässig kleiner Überströme, insbesondere im kritischen Bereich zwischen dem 1,1-fachen und dem dreifachen Nennstrom, erzielt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Sicherung gemäss einer ersten Ausführungsform,
Fig. 1b
einen Querschnitt längs B-B in Fig. 1a,
Fig. 2a
eine Draufsicht auf ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2b
einen Schnitt längs B-B in Fig. 2a durch das Sicherungselement gemäss der ersten Ausführungsform,
Fig. 2c
einen Schnitt längs C-C in Fig. 2a durch das Sicherungselement gemäss der ersten Ausführungsform,
Fig. 3b
einen Fig. 2b entsprechenden Schnitt durch das Sicherungselement gemäss einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3c
einen Fig. 2c entsprechenden Schnitt durch das Sicherungselement gemäss der zweiten Ausführungsform,
Fig. 4a
einen Längsschnitt durch ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4b
einen Schnitt längs B-B in Fig. 4a,
Fig. 5a
einen Längsschnitt durch ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer vierten Ausführungsform,
Fig. 5b
einen Schnitt längs B-B in Fig. 5a,
Fig. 6a
eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 6b
einen Querschnitt längs B-B in Fig. 6a,
Fig. 7a
eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer dritten Ausführungsform,
Fig. 7b
einen Querschnitt längs B-B in Fig. 7a,
Fig. 7c
einen Ausschnitt aus einem Teil der erfindungsgemässen Sicherung gemäss der dritten Ausführungsform in perspektivischer Darstellung und
Fig. 7d
eine Fig. 7c entsprechende Darstellung einer Abwandlung der Sicherung gemäss der dritten Ausführungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die erfindungsgemässe Sicherung weist (Fig. 1a,b) in einem zylindrischen Gehäuse 1, das z. B. aus Keramik bestehen kann, einen in der Achse angeordneten Stützkörper 2 auf, welcher ebenfalls aus Keramik oder auch aus Kunststoff oder einem Verbundstoff oder sonst einem geeigneten elektrisch isolierenden Material besteht und einen zylindrischen oder rohrförmigen Grundkörper 3 mit radial abstehenden Rippen 4 aufweist. An den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 sind ein erster elektrischer Anschluss und ein zweiter elektrischer Anschluss angeordnet, die als Kappen 5a,b aus Metall ausgebildet sind. Die Kappen 5a,b sind durch ein schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewickeltes Sicherungselement 6 - es kann sich auch um mehrere parallelgeschaltete Sicherungselemente handeln - elektrisch leitend verbunden. Das Gehäuse ist mit einem Löschmedium wie z. B. Quarzsand aufgefüllt.
Gemäss einer ersten Ausführungsform ist das Sicherungselement 6 jeweils als Streifen aus einem geeigneten schmelzbaren elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung oder auch aus Kupfer oder Aluminium. Das Sicherungselement 6 weist in regelmässigen Abständen Verengungen 7 auf, welche durch einander gegenüberliegende halbkreisförmige Ausnehmungen gebildet werden. Statt Ausnehmungen können auch Ausstanzungen vorgesehen sein, es kommt vor allem auf die Querschnittsverringerung an.
Die Sicherung weist ausserdem ein Abbrandelement 8 auf, welches sich im wesentlichen über die ganze zwischen den Kappen 5a, 5b liegende Länge desselben erstreckt. Es besteht im wesentlichen aus einem Abbrandmaterial, das einen Brennstoff und einen Oxidator enthält, welche bei Erreichen einer Zündtemperatur, die nicht höher als 260°C ist, miteinander reagieren, wobei eine verhältnismässig grosse Wärmemenge freigesetzt wird.
Als Brennstoff wird bevorzugt ein Material eingesetzt, das bei der Verbrennung eine grosse Menge Löschgas freisetzt. Besonders bewährt haben sich dabei Guanidine und Guanidinderivate wie Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat (GZT), Guadinnitrat und Guanidinazetat, von denen auch Mischungen eingesetzt werden können. Zur Erhöhung der Wärmefreisetzung kann ausserdem ein Zusatzstoff, der aus mindestens einem Metall wie Mg, Al, Zr, Hf, Th besteht, zugegeben werden. Als Oxidator eignen sich sauerstoffreiche Verbindungen, vor allem Nitrate, Chlorate, Perchlorate und Permanganate wie KNO3, NaNO3, NH4NO3, KClO4, NaClO4, KMnO4. Bei Zugabe eines Zusatzstoffs zum Brennstoff ist es günstig, dem Oxidator ein Metalloxid beizugeben, das mit mindestens einem der darin enthaltenen Metalle eine thermitische Reaktion eingeht, z. B. Fe2O3. Oxidator ist im Abbrandmaterial in überstöchiometrischer Menge vorhanden, sein Anteil ist i. a. mindestens um einen Faktor 1,1, vorzugsweise jedoch in einem höheren Verhältnis, z. B. zwischen 10:1 und 15:1 überstöchiometrisch. Dies führt zu einer vollständigen Oxidation des Brennstoffs in einer sehr rasch ablaufenden Reaktion.
Durch Auswahl und Dosierung des Oxidators derart, dass er bei einer bestimmten Temperatur eine ausreichende Menge Sauerstoff freisetzt, kann die Zündtemperatur des Abbrandmaterials mit verhältnismässig grosser Genauigkeit-i. a. auf ±10°C - eingestellt werden. Dabei werden Werte zwischen 160°C und 260°C, vorzugsweise nicht mehr als 240°C bevorzugt. Die freigesetzte Wärmemenge liegt bei mindestens 200 J/g, vorzugsweise bei mindestens 300 J/g. Allfällig im Brennstoff enthaltene Metalle werden durch die vorher beginnende Verbrennung des organischen Anteils desselben ebenfalls auf Zündtemperatur gebracht und leisten dann einen wesentlichen Beitrag zur Wärmefreisetzung. Es werden Temperaturen von 1'700°C und mehr erreicht.
Folgende Abbrandmaterialien wurden beispielsweise untersucht (die Anteile werden in % Masse angegeben):
  • 1: 60% GZT, 40% KMnO4
  • 2: 40% GZT, 6% Mg, 54% KMnO4
  • 3: 30% GZT, 3,5% Guanidinnitrat, 66,5% KMnO4
  • 4: 7,1% Guanidinazetat, 92,9% KMnO4
  • 5: 33,3% Guanidinnitrat, 11,1% Mg, 55,6% KMnO4
  • 6: 27,5% Guanidinnitrat, 9,2% Mg, 16,7% PSA, 46,7% KMnO4
  • 7: 27,5% Guanidinnitrat, 16,7% Guanidinazetat, 9,2% Mg, 46,7% KMnO4
  • 8: 26,8% GZT, 13,4% Guanidinazetat, 59,8% KMnO4
    • Dabei wurden für die Zündtemperatur und die Wärmefreisetzung folgende Werte ermittelt:
    Abbrandmaterial Zündtemperatur [°C] Wärmefreisetzung [J/g]
    1 255 330
    2 258 580
    3 177 862
    4 208 402
    5 236 714
    6 160 294
    7 205 862
    8 233 760
    Zur Herstellung günstiger mechanischer Eigenschaften kann das Abbrandmaterial auch ein Bindemittel enthalten, das das Abbrandmaterial z. B. streich- oder extrudierbar macht. Hier eignet sich vor allem Paraffin oder Bienenwachs, Polyester oder Polyethylen. Das Bindemittel wird soweit erwärmt, dass es knetbar wird und dann mittels eines Kneters mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt. Daneben können als Bindemittel auch für die Verwendung in Pyrotechnika bekannte Binder, z. B. Polyethylene, Polyamide, Polyimide oder anorganische Stoffe wie Silikagel oder Wasserglas eingesetzt werden. Vor allem in diesem Fall kann auch aus dem Brennstoff und dem Oxidator ein Granulat hergestellt und dasselbe mit dem Bindemittel vermischt werden. Die Mischung kann etwa über dessen ganze Länge auf das streifenförmige Sicherungselement 6 aufgebracht werden, z. B. durch Extrudieren, so dass das Abbrandelement 8 mit demselben auf seiner ganzen Länge in engem mechanischen und thermischen Kontakt steht. Beispielsweise kann es (Fig. 2a,b,c) auf eine der Oberflächen des Sicherungselements 6 aufgetragen werden, so dass es dieselbe vollständig bedeckt, wobei es im Bereich der Verengungen 7 das Sicherungselement 6 auch vollständig umgeben kann oder es können (Fig. 3b,c) Schichten gleichbleibender Breite auf beide Oberflächen des Sicherungselements 6 aufgebracht werden, welche im Bereich der Verengungen 7 miteinander verbunden sind, so dass das Abbrandelement 8 das Sicherungselement 6 weitgehend umhüllt.
    Eine andere Möglichkeit besteht in der Zugabe von bei über der Raumtemperatur liegenden Temperaturen, z. B. zwischen 40°C und 130°C vernetzenden Elastomeren, z. B. Silikon oder auch von bei Erwärmung auf derartige Temperaturen stark schrumpfenden Materialien, insbesondere Polymeren wie Polyethylen oder Polypropylen als Bindemittel, welche ebenfalls mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt werden. Das Abbrandelement 8 kann dann (Fig. 4a,b) in die Form eines Schrumpfschlauchs gebracht werden, der über das Sicherungselement 6 gezogen und vernetzt bzw. geschrumpft wird.
    Es ist auch möglich, einen separaten Schrumpfschlauch 9 vorzusehen, der über das Sicherungselement 6 und das Abbrandelement 8 gezogen wird. Das Abbrandmaterial braucht in diesem Fall nicht mit einem Bindemittel vermengt zu sein.
    Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen das Abbrandelement 8 nicht über dessen ganze Länge dem Sicherungselement 6 folgt, sondern mit demselben lediglich an mehreren in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen in Kontakt steht. Gemäss Fig. 6a,b sind zwei Abbrandelemente 8 bandförmig ausgebildet und wie die beiden wiederum als Streifen aus einem geeigneten hochleitenden Material ausgebildeten Sicherungselemente 6 schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewunden, jedoch mit umgekehrtem Drehsinn, so dass sie die Sicherungselemente 6 mehrfach kreuzen. Die Abbrandelemente 8 umfassen in diesem Fall jeweils ein aus einem bis mindestens zur Zündtemperatur beständigen Material wie Glasseide oder einem anderen geeigneten elektrisch nichtleitenden Material bestehendes Trägerband, das ein- oder beidseitig streifenförmig extrudiertes und mit ihm verpresstes Abbrandmaterial trägt.
    Gemäss Fig. 7a-c sind an den Aussenseiten der in Längsrichtung durchgehenden Rippen 4 des Stützkörpers 2 mehrere Abbrandelemente 8 angeordnet, und zwar so, dass jedes derselben von den in diesem Fall zwei schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewundenen Sicherungselementen 6 ein Mal gekreuzt wird, die in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Abbrandelemente 8 jedoch voneinander beabstandet sind. Die Rippen 4 können an den Aussenseiten mit Nuten 10 versehen sein, welche die Abbrandelemente 8 aufnehmen. Die Abbrandelemente 8 können jedoch (Fig. 7d) auch etwas breiter und flach ausgebildet und lediglich auf die Aussenseiten der Rippen 4 aufgelegt sein.
    Natürlich gibt es weitere mögliche Anordnungen der Abbrandelemente. Z. B. können sie den Stützkörper in mehreren axial aufeinanderfolgenden Ringen umgeben. Die Sicherungselemente können statt als Streifen als Drähte, vorzugsweise mit in regelmässigen Abständen aufeinanderfolgenden Einschnürungen ausgebildet sein usw..
    Bei Auftreten eines grossen Ueberstroms, der mindestens dem Fünffachen des Nennstroms entspricht und den Abschaltstrom bei vorgegebener Spannung gemäss IEC 282-1 erreicht - derartige Ueberströme werden vor allem von Kurzschlüssen ausgelöst -, schmilzt das mindestens eine Sicherungselement 6 an den Verengungen 7 sehr rasch durch, so dass eine Reihe kürzerer Lichtbögen entsteht. Durch die Addition der Fusspunktspannungen der vielen seriellen Lichtbögen wird die Spannung der Sicherung über die Systemspannung getrieben und der Lichtbogen erlischt.
    Bei einem kleinen Überstrom, gewöhnlich etwa ab dem 1,1-fachen des Nennstroms - es sind jedoch auch die thermischen Verhältnisse zu berücksichtigen -, erwärmt sich dagegen das mindestens eine Sicherungselement 6 verhältnismässig rasch auf die Zündtemperatur der Abbrandmasse, was mindestens bei den mit demselben in Kontakt stehenden Teilen des Abbrandelementes 8 eine so ausreichende Freisetzung von Sauerstoff durch den Oxidator auslöst, dass die Verbrennung in Gang kommt. Die dadurch verursachte lokale Wärmefreisetzung führt dann sehr rasch zur Zündung des gesamten Abbrandelements oder gegebenenfalls der Mehrzahl von Abbrandelementen. Dadurch wird das Sicherungselement bzw. werden die Sicherungselemente auf der ganzen Länge ) aufgeschmolzen, so dass sich ein langer Lichtbogen bildet. Nach dem Abbrennen des Abbrandmaterials gibt derselbe viel Wärme an das umgebende Löschmedium ab. Dadurch kühlt sich das Plasma ab und der Widerstand des Lichtbogens nimmt zu, bis seine Spannung die Systemspannung erreicht und der Lichtbogen erlischt.
    Die Sicherung spricht also schon bei kleinen Überströmen sicher an, unterbricht aber auch grosse Überströme zuverlässig. Sie stellt mithin eine vielseitig einsetzbare Mehrbereichssicherung dar.
    Bezugszeichenliste
    1
    Gehäuse
    2
    Stützkörper
    3
    Grundkörper
    4
    Rippe
    5a,b
    Kappe
    6
    Sicherungselement
    7
    Verengung
    8
    Abbrandelement
    9
    Schrumpfschlauch
    10
    Nut

    Claims (21)

    1. Sicherung mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss sowie mit mindestens einem Sicherungselement (6) aus elektrisch leitendem schmelzbaren Material, welches den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet und mit einem zündbaren Abbrandelement (8), das aus einem Abbrandmaterial besteht, welches einen Brennstoff und einen Oxidator enthält, welche bei Erreichen einer Zündtemperatur unter Freisetzung von Wärme miteinander reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündtemperatur höchstens 260°C beträgt und dass der Anteil des Oxidators im Abbrandmaterial überstöchiometrisch ist.
    2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein Guanidin oder ein Guanidinderivat enthält, und insbesondere im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe zusammengesetzt ist: Guanidin, GZT, Guanidinazetat, Guanidinnitrat.
    3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff einen Zusatzstoff umfasst, welcher aus mindestens einem der folgenden Stoffe besteht: Mg, Al, Zr, Hf, Th.
    4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator im wesentlichen aus mindestens einem Stoff aus einer der folgenden Stoffgruppen zusammengesetzt ist: Nitrate, Chlorate, Perchlorate, Permanganate.
    5. Sicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe besteht: KNO3, NaNO3, NH4NO3, KClO4, NaClO4, KMnO4.
    6. Sicherung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator ein Metalloxid enthält, welches mit mindestens einem Bestandteil des Zusatzstoffs eine thermitische Reaktion eingeht.
    7. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis zwischen Oxidator und Brennstoff um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise mindestens 10 überstöchiometrisch ist.
    8. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial ein Bindemittel wie z. B. Paraffin oder einen Thermoplasten, vorzugsweise Polyethylen oder ein Elastomer, vorzugsweise Silikon oder einen elastisch modifizierten Duroplasten enthält.
    9. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial so zusammengesetzt ist, dass bei seinem Abbrand mindestens 200 J/g, vorzugsweise mindestens 300 J/g Wärme freigesetzt wird.
    10. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial so zusammengesetzt ist, dass bei seinem Abbrand eine Temperatur von mindestens 1'700°C erreicht wird.
    11. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sicherungselement (6) beabstandet aufeinanderfolgende Verengungen (7) aufweist.
    12. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbrandelement (8) sich im wesentlichen über die ganze Länge der Sicherung erstreckt und das mindestens eine Sicherungselement (6) über seine ganze Länge wenigstens stellenweise mit einem Abbrandelement (8) in Kontakt ist.
    13. Sicherung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sicherungselement (6) im wesentlichen über seine ganze Länge durchgehend mit einem Abbrandelement (8) in Kontakt ist.
    14. Sicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (8) als durchgehende Schicht auf dem Sicherungselement (6) ausgebildet ist.
    15. Sicherung nach den Ansprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (6) an den Verengungen (7) vollständig von Abbrandmaterial umgeben ist.
    16. Sicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (8) schlauchartig ausgebildet ist und das Sicherungselement (6) umgibt.
    17. Sicherung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (6) und das Abbrandelement (8) gemeinsam von einem Schlauch umgeben sind.
    18. Sicherung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbrandelement (8) bandartig ausgebildet ist, und sich derart im wesentlichen über die ganze Länge der Sicherung erstreckt, dass es das mindestens eine Sicherungselement (6) kreuzt, insbesondere mehrmals kreuzt.
    19. Sicherung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbrandelement (8) ein Trägerband umfasst, auf welches Abbrandmaterial aufgebracht ist.
    20. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Stützköper (2) mit im wesentlichen radial abstehenden Rippen (4) umfasst, welche das mindestens eine Sicherungselement (6) kreuzen und das mindestens eine Abbrandelement (8) derart an der Aussenseite einer Rippe (4) angeordnet ist, dass es mit dem mindestens einen Sicherungselement (6) in Kontakt ist.
    21. Sicherung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (8) jeweils in einer an der Aussenseite der Rippe (4) angebrachten Nut (10) angeordnet ist.
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