TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Schlagmeldersystem für eine
Hochspannungssicherung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein
solches Schlagmeldersystem weist verschiedene Funktionen auf. Zum einen sorgt
dieses System dafür, dass in irgendeiner Weise, sei es optisch, akustisch und/oder
elektrisch, gemeldet wird, dass die Hochspannungssicherung aufgrund der von der
Sicherung geführten Ströme und/oder der vorherrschenden Umgebungstemperatur
ausgelöst hat. Zum anderen kann das System auch dazu benutzt werden, um in
einem Stromkreis mit einer Schalter-Sicherungs-Kombination den im Kreis
fliessenden Strom durch Auslösen des Schalters zu unterbrechen. Unter
Hochspannung sind hierbei Nennspannungen grösser 1 kV zu verstehen,
insbesondere aber Nennspannungen bis ca. 100 kV. Die Erfindung betrifft auch
eine Hochspannungssicherung mit diesem Schlagmeldersystem und ein Schalter-Sicherungs-System
mit dieser Sicherung.
STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von
Schlagmeldersystemen Bezug, wie er in der Firmenschrift HTB - 11/97 "HH-Sicherungseinsätze
mit Temperaturbegrenzer" der Fa. SIBA Sicherungen-Bau
GmbH, Borker Strasse 22, D-44534 Lünen beschrieben ist. Ein in dieser
Veröffentlichung beschriebenes Schlagmeldersystem wird in Sicherungen für
Mittelspannungs-Schaltanlagen, d.h. bei Nennspannungen von typischerweise 10,
20 oder 30 kV, eingesetzt und weist ein zylindersymmetrisch ausgeführtes
Gehäuse auf, in dem eine vorgespannte Schraubenfeder und ein im Inneren der
Schraubenfeder geführter und die Vorspannung aufnehmender Stift aus
thermoplastischem Material angeordnet sind. Ein nach oben weisendes Ende der
vorgespannten Feder ist abgestützt auf einem unteren Ende eines bolzenförmigen
Schlagmelders, dessen oberes Ende aus dem Gehäuse geführt ist. Ein parallel zu
einem Schmelzdraht der Sicherung geschalteter hochohmiger Widerstandsdraht ist
in wärmeleitender Weise um das Gehäuse geführt. Der thermoplastische Stift wirkt
als Schmelzaktivator, welcher oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur
schmilzt und hierbei eine Entspannung der Feder und damit ein Auslösen des
Schlagmelders bewirkt. Der Schmelzaktivator kann zum einem dadurch aktiviert
werden, dass die Temperatur in der Sicherung durch sicherungsinterne Einflüsse,
wie langandauernde Überströme, oder externe Einflüsse, wie Wärmezufuhr durch
die Schaltanlage oder durch Strahlung, über die Grenztemperatur angehoben wird.
Zum anderen kann der Schmelzaktivator auch dadurch aktiviert werden, dass beim
Begrenzen eines in der Sicherung fliessenden Stroms der vom niederohmigen
Schmelzdraht der Sicherung in den hochohmigen Widerstandsdraht
kommutierende Strom den Schmelzaktivator rasch auf die Grenztemperatur
aufheizt.
Der die Aktivierung des vorbekannten Schlagmeldersystems bewirkende Aktivator
besteht aus thermoplastischem Material. Ein Thermoplast weist jedoch im
allgemeinen einen sehr breiten Temperaturbereich aufweist, in dem zunächst
durch Erweichen und später durch Kristallitschmelzen die Festigkeitseigenschaften
des Materials allmählich reduziert werden. Daher ist ein breites Streuverhalten
beim Auslösen dieses Schlagmeldersystems nicht mit Sicherheit auszuschliessen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, löst die Aufgabe, ein
Schlagmeldersystem der eingangs genannten Art anzugeben, welches mit
einfachen Mitteln ein sicheres Auslösen einer Hochspannungssicherung in einem
verhältnismässig schmalen Temperaturbereich ermöglicht.
Beim Schlagmeldersystem nach der Erfindung wird die Vorspannkraft der Feder
aufgenommen durch einen als Wicklung ausgeführten Abschnitt des hochohmigen
Widerstandsdrahts, welcher unter Bildung der Vorspannung zumindest einmal um
ein bewegbares Ende der Feder geführt ist, und welcher zumindest teilweise in
wärmeleitendem Kontakt mit dem Material des Aktivators steht. Durch diese
Massnahmen wird ein Streuen beim Auslösen des Schlagmeldersystems
wesentlich reduziert, da der Aktivator nun nicht mehr die Haltekraft für die
vorgespannte Feder aufzubringen hat, sondern nur noch die Haltekraft durch
Entfernen der Drahtwicklung aufheben muss. Da beim Erfindungsgegenstand
diese beiden Funktionen entkoppelt sind, muss der Aktivator nun nicht mehr eine
zum Fixieren der vorgespannten Feder ausreichend grosse Festigkeit aufweisen.
Der Aktivator kann daher unabhängig von seiner Festigkeit aus einem Werkstoff
bestehen, welcher in einem schmalen Temperaturbereich einen das Aufheben der
Haltekraft der vorgespannten Feder bewirkenden Phasenübergang ausführt. Es
wird so mit einfachen Mitteln ein nur geringer Streuung unterworfenes Auslösen
des Schlagmeldersystems erreicht.
Weist der Aktivator ein Hochenergiematerial auf mit einer oberhalb der
Grenztemperatur freisetzbaren Energiemenge, die ausreicht, um die Drahtwicklung
aufzuschmelzen, so lässt sich eine Grenztemperatur erreichen, welche allenfalls
um ca. ± 10°C schwankt. Eine dementsprechend geringe Streubreite weist dann
das mit einem solchen Aktivator versehene Schlagmeldersystem nach der
Erfindung auf. Besonders geeignete Hochenergiematerialien enthalten einen
Brennstoff, wie insbesondere ein Guanidin oder ein Guanidinderivat, einen bei
Erreichen der Grenztemperatur mit dem Brennstoff unter Freisetzung der Energie
reagierenden Oxidator, wie insbesondere ein Nitrat, Chlorat, Perchlorat und/oder
Permanganat, sowie gegebenenfalls ein Bindemittel, wie insbesondere ein Paraffin
oder ein Polymer. Diese Hochenergiematerialien sind beschrieben in DE 100 22 41
A1.
Ein besonders einfach ausgeführtes Schlagmeldersystem wird erreicht, wenn der
Aktivator die Drahtwicklung mechanisch fixiert. Nach Auslösen des Aktivators wird
die punktförmige Fixierung aufgehoben und werden die Windungen der Wicklung
unter gleichzeitigem Entspannen der Feder geöffnet. In einer für eine
Massenproduktion besonders vorteilhaften Weise ist der Aktivator punktförmig
ausgeführt und setzt die Drahtwicklung auf der Feder fest. Enthält der Aktivator
eine bei der Grenztemperatur schmelzende Legierung, insbesondere auf der Basis
Silber, Kupfer und/oder Aluminium, dotiert mit Indium und/oder Germanium, so
weist das Schlagmeldersystem nach der Erfindung wegen der lediglich um einige
°C schwankenden Schmelztemperatur eine besonders geringe Streubreite beim
Auslösen auf. Zudem kann durch Änderung der Dotierungsverhältnisse in einfacher
Weise eine Veränderung der Schmelztemperatur der Legierung und damit der
Auslösecharakteristik des Schlagmeldersystems erreicht werden. Geeignete
Legierungen sind in der vorgenannten DE 100 22 241 A1 beschrieben.
Eine besonders kompakte Ausbildung des Schlagmeldersystems nach der
Erfindung wird erreicht, wenn die Feder als Schraubenfeder ausgebildet ist und mit
einem dem bewegbaren Ende entgegengesetzt angeordneten feststehenden Ende
auf dem Gehäuse abgestützt ist, und wenn die Vorspannung von der um das
bewegbare und das feststehende Ende der Feder geführten Drahtwicklung
aufgenommen ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es
zeigt:
- Fig. 1
- eine Aufsicht auf eine geschnitten dargestellte Hochspannungssicherung
mit einem schematisch dargestellten Schlagmeldersystem nach der
Erfindung,
- Fig. 2
- eine Aufsicht auf eine teilweise geschnitten dargestellte erste
Ausführungsform des Schlagmeldersystems gemäss Fig.1, und
- Fig. 3
- eine Aufsicht auf eine teilweise geschnitten dargestellte zweite
Ausführungsform des Schlagmeldersystems gemäss Fig.1.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die
in Fig.1 dargestellte Hochspannungssicherung 1 weist ein hohlzylinderförmiges
und im allgemeinen als Keramik ausgeführtes Gehäuse 2 auf, in dem in koaxialer
Anordnung ein im allgemeinen ebenfalls aus Keramik bestehender Stützkörper 3
feststehend gehalten ist. Auf dem Stützkörper 3 sind schraubenlinienförmig
gewickelte, niederohmige Schmelzleiter 4 angeordnet, deren Enden zum einen mit
einem am unteren Ende des Gehäuses 2 befestigen, kappenförmig ausgeführten
Stromanschluss 5 verbunden sind und zum anderen mit einem am oberen Ende
des Gehäuses 2 befestigen kappenförmigen Stromanschluss 6. Der
Stromanschluss 6 weist eine Öffnung 7 auf, durch die ein in Richtung der
Gehäuseachse 8 bewegbares Teil (in Fig.1 nicht dargestellt) eines am
Stromanschluss 6 befestigten Schlagmeldersystems 9 führbar ist. Dieses Teil wirkt
mit einem mit der Hochspannungssicherung 2 in Reihe geschalteten Schalter 10
eines Schalter-Sicherungs-Systems 11 zusammen. Im Inneren des
Sicherungsgehäuses 2 ist ferner ein in das Schlagmeldersystem 9 geführter,
hochohmiger Widerstandsdraht 12 vorgesehen. Dieser Draht ist mit beiden
Stromanschlüssen 5 und 6 verbunden und somit parallel zum Schmelzleiter 4
geschaltet.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des Schlagmeldersystems sind aus den
Figuren 2 und 3 entnehmbar. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, dass das
Schlagmeldersystem in koaxialer Anordnung zur Sicherung ein im allgemeinen
metallenes Gehäuse 13 aufweist, dessen unteres Ende als Verjüngung 14 und
dessen oberes Ende als Aufweitung 15 ausgeführt ist. Im Inneren des Gehäuses
13 ist eine vorgespannte Schraubenfeder 16 angeordnet. Die Schraubenfeder 16
sitzt mit ihrem unteren Ende auf der Verjüngung 14 auf und trägt an ihrem oberen
beweglichen Ende einen als Kappe ausgebildeten Aktor 17. Die Kraft der
vorgespannten Feder 16 wird durch eine Wicklung 18 des hochohmigen
Widerstandsdrahts 12 aufgenommen, deren Windungen vom bewegbaren Ende
der Feder zu deren entgegengesetzt angeordneten feststehenden Ende geführt
sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden die beiden durch die Vorspannung
mit Kraft beaufschlagten Enden der Wicklung 18 mit einem Crimpelement 19 fixiert,
und ist im Inneren des Gehäuses 13 ein Hochenergiematerial, beispielsweise eine
Mischung von 30 Gewichtsprozent Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat, 3,5%
Gewichtsprozent Guanidinnitrat und 66,5 Gewichtsprozent Kaliumpermanganat,
aufweisender Aktivator 20 vorgesehen. Dieses Material zersetzt sich bei einer
Temperatur von ca. 177°C und setzt dabei eine Energiemenge von 862 J/g frei.
Der Aktivator 20 steht zumindest teilweise in wärmeleitendem Kontakt mit der
Drahtwicklung 18 und bettet aus fertigungstechnischen Gründen zumindest einen
Teil der Feder 16 ein.
Erwärmt sich die Sicherung 1 aufgrund externer (Fremdenergie) oder interner
(Sicherungsstrom) Einwirkungen auf ca. 177 °C, so wird das Hochenergiematerial
zersetzt und setzt nun Energie frei, welche bei geeigneter Massenbemessung
ausreicht, um die Drahtwicklung 18 aufzuschmelzen. Die Schraubenfeder 16 kann
sich nun entspannen und führt mit ihrem bewegbaren oberen Ende den Aktor 17
durch die Aufweitung 15 und die Öffnung 7 (Fig.1) aus dem Sicherungsgehäuse 2
und meldet so in optischer Weise das Ansprechen des Schlagmeldersystems 9.
Zugleich kann der Aktor 17 durch Aufschlagen auf ein Auslöseorgan des Schalter
10 dessen Öffnen und somit das Abschalten eines im Schalter-Sicherungs-Systems
fliessenden Stroms bewirken.
Ein Aktivieren des Schlagmeldersystems beim Begrenzen eines in der Sicherung 1
fliessenden Fehlerstroms wird dadurch erreicht, dass der Fehlerstrom nachdem er
den niederohmigen Draht 4 durch Aufschmelzen unterbrochen hat, in den vom
hochohmigen Widerstandsdraht 12 gebildeten Parallelpfad kommutiert und den
Draht nun stark erhitzt. Da der Aktivator 20 in wärmeleitendem Kontakt steht mit
der nun stark erhitzten Drahtwicklung 18 wird der Aktivator rasch auf die
Zersetzungstemperatur von 177 °C geführt und wird die Wicklung durch das sich
zersetzende Hochenergiematerial unter Freisetzen des beweglichen Endes der
Schraubenfeder 16 und unter Herausführen des Aktors 17 aus der Sicherung 1
zerstört.
Bei der Ausführungsform des Schlagmeldersystems gemäss Fig. 3 fixiert der
Aktivator 20 die Drahtwicklung 18 mechanisch. Dies wird erreicht durch einen
kleinen Tropfen einer bei der angestrebten Grenztemperatur schmelzenden
Legierung, beispielsweise Agln2 mit einer Schmelztemperatur von 166 °C, welche
in Form eines Punktes die Drahtwicklung 18 auf der Feder 16 festsetzt, oder
welche zwei gegeneinander verschiebbare Abschnitte der Wicklung 18 fixiert. Beim
Erreichen der Schmelztemperatur von ca.166°C wird die Drahtwicklung 18 von der
Feder 16 gelöst oder werden die verschiebbaren Wicklungsabschnitte voneinander
getrennt und können sich nun die Windungen der Wicklung 18 unter gleichzeitigem
Entspannen der Feder öffnen.
BEZUGSZEICHENLISTE
- 1
- Hochspannungssicherung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stützkörper
- 4
- niederohmiger Schmelzdraht
- 5, 6
- Stromanschlüsse
- 7
- Öffnung
- 8
- Achse
- 9
- Schlagmeldersystem
- 10
- Schalter
- 11
- Schalter-Sicherungs-System
- 12
- hochohmiger Widerstandsdraht
- 13
- Gehäuse
- 14
- Verjüngung
- 15
- Aufweitung
- 16
- Feder, Schraubenfeder
- 17
- Aktor
- 18
- Drahtwicklung
- 19
- Vercrimpung
- 20
- Aktivator