EP3852125B1 - Triggerable fuse for low voltage applications - Google Patents
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- EP3852125B1 EP3852125B1 EP21161292.4A EP21161292A EP3852125B1 EP 3852125 B1 EP3852125 B1 EP 3852125B1 EP 21161292 A EP21161292 A EP 21161292A EP 3852125 B1 EP3852125 B1 EP 3852125B1
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Definitions
- the invention relates to a triggerable fuse for low-voltage applications for protecting devices that can be connected to a supply network, in particular overvoltage protection devices, consisting of at least one fuse conductor located between two contacts and arranged in a housing and with a trigger device for the controlled disconnection of the fuse conductor in the event of malfunctions or overload conditions connected device, with an extinguishing agent being introduced into the housing.
- overvoltage protection devices consisting of at least one fuse conductor located between two contacts and arranged in a housing and with a trigger device for the controlled disconnection of the fuse conductor in the event of malfunctions or overload conditions connected device, with an extinguishing agent being introduced into the housing.
- fuses are used as backup protection for surge arresters in the so-called shunt branch.
- An appropriate fuse must ensure protection in the event of a short circuit.
- the DE 42 11 079 A1 shows such a solution in which a pyrotechnic charge is ignited when the current flowing through the current conductor of the fuse and detected by a current detection device has a strength that is greater than a predeterminable threshold value.
- the DE 10 2008 047 256 A1 discloses a high-voltage fuse with a controllable drive for a shear rod, which destroys several bottlenecks.
- the control can be carried out depending on the residual current from a separate controller.
- the DE 10 2014 215 279 A1 discloses a fuse for a device to be protected, which is connected in series with the fuse.
- the melting of a fusible conductor is determined by its material and geometric properties, so that depending on the material and/or geometry of the fusible conductor, a respective amount of heat Q is necessary to evaporate the fusible conductor.
- the DE 10 2014 215 279 A1 on a further development of a fuse in such a way that additional contacts are provided, one of the additional contacts representing a trigger contact in order to activate the fuse element directly or indirectly by initiating a Short circuit to cause melting.
- the fusible conductor can have a predetermined breaking point in the area of one of the further contacts.
- the fusible conductor is surrounded at least in sections with an extinguishing medium, in particular with sand.
- the DE 10 2015 112 141 A1 shows a circuit breaker with a connecting element which is axially tensile-loaded via two springs and can be cut or torn.
- the additional axial tensile load ensures a rapid increase in the separation distance after the connecting element has been separated by a separating device.
- a circuit breaker which comprises two sections of connecting elements connected electrically in series, which are separated either by a mechanical movement of a release element or electrically when the circuit breaker is triggered.
- CH 410137 A the US 2,400,408 A and the WO 2014/158328 A1 referred.
- the object of the invention to provide a further developed triggerable fuse for low-voltage applications for the protection of devices that can be connected to a supply network, in particular surge protection devices, the fuse being in addition to the melting integral value based on the fuse rating when required and depending on expected currents, in particular Short-circuit currents can be triggered specifically.
- a known destruction of the fusible conductor due to the action of mechanical forces should be used.
- the triggering i.e. the control to disconnect the fusible conductor in the event of a malfunction, should either be carried out by a higher-level control unit and, in the event that the fuse is integrated as backup protection in surge protection devices, by the surge protection device.
- the triggerable fuse should also be able to trip based on measured network impedance values.
- the structure of the fuse to be created should be inexpensive, the fuse should have a high switching capacity and a small design. By specifying values for the formation of additional bottlenecks, the possibility of a specifically adjustable safety-protection characteristic curve can be realized.
- a triggerable fuse is used, which is particularly suitable for low-voltage applications to protect devices that can be connected to a supply network, in particular surge protection devices.
- the fuse consists of at least one fuse conductor located between two contacts and arranged in a housing.
- a trigger device is provided for the controlled separation of the fusible conductor in the event of malfunctions or overload conditions of the connected device, with an extinguishing agent being introduced into the housing.
- the fuse according to the invention has at least one fusible conductor with several narrow points in series, which ensures the passive function of a conventional electrical NH fuse.
- the fuse has at least one additional, special bottleneck per fuse conductor, which does not affect the passive function of the fuse and which can be activated by triggering regardless of the current load. This special bottleneck is destroyed by mechanical tearing, cutting, punching or punching out or cutting a solder connection.
- an area free of extinguishing agent is formed in the housing such that the at least one fusible conductor is exposed in at least one section.
- a mechanical separating element can be introduced into the extinguishing agent-free area via an access in the housing in order to mechanically destroy the at least one fusible conductor independently of its fusible integral, depending on the trigger device.
- the separating element is designed as a blade or cutting edge.
- the separating element itself can be driven in the direction of the fusible conductor by a bridge igniter.
- the mechanical energy for moving the separating element can also be provided by a shape memory alloy or other media that change shape or volume.
- the trigger device has a detection and evaluation unit as well as a control for the exemplary bridge igniter and a power supply and has at least one control input.
- the passive characteristic of the fuse element of the fuse can be interrupted at any time, approx. > 10 ms, by the detection and evaluation device. Only the area of adiabatic melting remains unaffected.
- the associated I 2 t value is coordinated with the consumer to be protected via the fuse conductor dimensioning in a known manner.
- the solution according to the invention also enables the interruption of very small currents far below the passive nominal current strength of the fusible conductor and also a current-free interruption. This means that an interruption can occur independently of the current flow, for example when there is a measured change in impedance.
- the evaluation and recording unit can take changes in the network into account when determining the current protection characteristic. This is advantageous when there is a changing number of consumers or a changing network output from energy producers.
- Criteria such as pressure, temperature, light, magnetic fields, electric fields or similar can be fed in and taken into account via additional sensors at additional inputs.
- the triggerable fuse according to the invention is particularly suitable as an arrester back-up fuse for series connection with surge arresters in low-voltage applications.
- the fuse according to the invention is designed in particular for use with spark gaps and can be designed according to these special features.
- the proposed principle is suitable for both DC and AC voltage applications and also allows use, for example, in the series branch.
- controllable fuse can be used in a common housing of a surge protection device in series with a spark gap or a varistor.
- the fuse protects the surge protection device before, during or even after an overload and isolates it from the network.
- a triggerable fuse which aims at a defined mechanical cutting of a special, additional constriction of a fuse fuse element after activation of a trigger.
- the additional bottleneck is structurally coordinated with existing passive current bottlenecks, that is, classic safety bottlenecks.
- Quartz sand for example, is suitable as an extinguishing medium, particularly for high switching powers.
- the variant described below solves the problem of creating a fuse that combines the advantages of a classic current-limiting fuse with those of an activatable, quasi-intelligent fuse with only one cutting blade, a small size and a simple activator.
- the fuse When functioning passively, the fuse does not increase the protection level of the downstream arrester and, when activated, does not generate any voltage above the designated protection level of the respective connected surge protection device.
- the solution in this regard is based on one or more parallel fuse fuse conductors, which are arranged within an extinguishing medium.
- the fuse conductors have several conventional electrical, i.e. current bottlenecks in series, the number of which corresponds to the usual design for the corresponding nominal voltage of the fuse.
- the fusible conductors extend primarily in a straight line axially through the fuse body.
- the structure and functionality of such a fuse and the bottlenecks correspond to those of conventional fuses with high short-circuit currents or virtual melting times of approx. ⁇ 10 ms.
- the at least one fusible conductor preferably has at least one further special mechanical constriction between the usual current constrictions mentioned, which can be severed by at least one actuator and a cutting blade or a similar means.
- the cutting blade as a separating element is preferably made of an insulating material or provided with an insulating coating. This insulating cutting blade leads to an extension of the isolating distance between the interrupted fusible conductor. The resulting isolating distance is capable of achieving a dielectric strength of at least 2.5 kV, preferably 4-6 kV.
- the additional bottleneck according to the invention according to further embodiments of the invention differs from known, usual bottlenecks by the measures described below.
- the geometric or mechanical additional bottleneck has a residual cross-section that is higher than that of the usual bottlenecks.
- the melting integral value (I 2 t value) of the bottleneck is dimensioned so that it is equal to or minimally higher than the switch-off integral of the fuse. This design means that the bottleneck does not respond to short-circuit currents.
- the geometric constriction and the cutting blade are located in an area without extinguishing medium.
- This area is preferably separated from the areas with extinguishing medium and the electrical bottlenecks with thin webs on both sides.
- the width of this area is essentially limited to the blade width and twice the fusible conductor thickness.
- the fusible conductor or conductors are guided through the insulation web in such a way that preferably no further sealing to the separation area is necessary in order to prevent the penetration of an extinguishing medium, for example quartz sand.
- an extinguishing medium for example quartz sand.
- the insulating bars can be made of ceramic, vulcanized fiber or polymers with or without gas release (POM).
- the wall thickness is preferably ⁇ 1 mm.
- the width of the cutting blade is preferably higher than the fusible conductor width, but at least wider than the additional mechanical constriction.
- the blade has a stroke that goes beyond the expansion range of the fusible conductor when cutting.
- the distance of the shortest connection between a fuse conductor cut without current is ⁇ 4 mm. In the event of an arc switch-off, the distance is extended due to the fusible conductor erosion. Measures to extend the sliding distance can be provided on the blade.
- the blade can form an insulating gap with a fixed or deformable counterpart.
- the arc can extend quite quickly from the cutting area into the area with extinguishing agent.
- the pressure development and thus the housing load in the cutting area is therefore low.
- the high extinguishing capacity is guaranteed by the narrow areas in the two areas with extinguishing agent, for example compacted quartz sand.
- the material of the additional constriction in the cutting area is available to extend the arc. Through the choice of material for the blade and the insulation webs or web walls, comparatively good cooling of the arc can also be achieved in this area.
- the fuse conductor routing and the impedance do not differ from conventional fuses, which means that the voltage drop in pulse currents can be limited. Due to the passive behavior of the additional bottleneck in the event of a short circuit, the voltage level of the fuse can be limited and it is possible to maintain the protection level of the arrester.
- the fuse Due to the possibility of quickly extending the arc when cutting just one bottleneck in the area with compacted extinguishing agent or so-called “stone sand", the fuse can be activated even with high short-circuit currents, which ensures both passive and active functionality.
- the fuse can be activated even at high currents with virtual melting times ⁇ 10 ms. This means that the fuse can be interrupted after a short time in a practically de-energized state, with small currents well below the rated current and even with high residual currents in the kA range. Likewise, almost any time/current characteristic curve can be implemented according to the respective requirements.
- the fusible conductors it is possible to separate the fusible conductors simultaneously with greater effort or one after the other with less effort using a single actuator.
- the direction of movement can be straight or circular or eccentric.
- the blades can also be designed differently to suit this type of movement.
- the invention proposes using a simple igniter, that is, a so-called bridge igniter, without its own explosive power.
- a simple igniter that is, a so-called bridge igniter
- the pressure wave that arises during ignition is used in the manner of a piston/cylinder principle to separate the mechanical or geometric bottleneck of the fusible conductor or conductors.
- the blade shaft itself can be guided in the piston or connected to the piston or attached to a projectile guided in the piston.
- the blade can therefore be arranged very close to the fusible conductor. However, a distance can also be selected to increase the impulse of the blade if there is sufficient space or the drive is located outside.
- the piston and also the blade can preferably be additionally guided.
- the mentioned projectile sits loosely in the butt.
- In the piston cavity there is an igniter or bridge igniter, which fills the piston cavity.
- the cavity is sealed from the projectile over a distance in the direction of movement, which corresponds at least to the movement path until the fusible conductor or conductors are severed. This ensures that the seal to the projectile in the piston is only removed after the bottleneck has been severed.
- the fuse fuse conductors are preferably rigidly attached to the fuse housing with a bottom cap and an end cap.
- the isolation of the cutting area from the extinguishing agent area on both sides serves as additional guidance for the fusible conductors in the narrow cutting area.
- the guide in the bushings of the sealing plates is designed in such a way that the fusible conductor or conductors, when positioned transversely to the blade, are allowed to deform slightly in the direction of the blade movement when the blade hits it. It has been shown that this slight deformation requires less effort than a rigid fuse conductor guide. When separating the fusible conductors are bent on both sides between the insulation and the blade. Alternatively, punching is also possible with appropriate blade design and necessary force.
- the force effect of the actuator is essentially based on the thermal expansion of the gas surrounding the bridge igniter. After opening the piston, this minimally heated amount of gas can easily relax within a very small volume, i.e. possibly directly in the cutting area, so that no reinforcement of the fuse housing, the caps or a vent or similar need to be provided.
- actuators with slower response times can also be used.
- shape memory alloys or other volume-changing materials are conceivable here.
- the highest requirements for coordination between the force required to cut or separate a bottleneck are tied to the required pulse current carrying capacity, at which no separation of the fuse fuse element should be caused.
- the loads on varistor-based arresters are lower than on lightning surge current arresters based on spark gaps.
- a maximum load of 100 kA 10/350 ⁇ s is assumed for lightning rods. In standard alternating current networks, this means a load of 25 kA 10/350 ⁇ s for the individual spark gap.
- the fuse element of a fuse should meet the above requirement in the application described. This applies to both the usual electrical bottlenecks and the additional mechanical or geometric bottlenecks described.
- this requirement corresponds approximately to a fuse with a rated current of 315 A.
- the rated voltage of the fuse a voltage in the range of the line-to-line voltage of the network in which the arresters are used is often selected. This means that the fuse should be suitable for a voltage of 400 volts in a standard 230/400 volt network.
- the arrester back-up fuse does not generate an arc voltage that is above the protection level of the arrester.
- the bottlenecks of NH fuses one can be used for each bottleneck A voltage of approx. 300 volts can be expected.
- a further solution variant according to the invention is based on a controllable fuse, in particular for use as an arrester backup fuse, with this variant causing a defined tearing of a fuse fuse conductor using a special, additional bottleneck.
- This approach is therefore aimed at a space-saving and cost-effective embodiment of a triggerable fuse, which is based on the defined tearing of a special additional bottleneck of a fuse fuse element in the extinguishing medium after activating a trigger.
- the remaining properties of an otherwise passive, fully functional backup are not affected.
- the special features of this solution approach lie in the simplicity of the trigger and the coordination of the additional, geometric bottlenecks with the classic, well-known safety bottlenecks.
- the expansion of the fusible conductor occurs predominantly at an additional mechanical, i.e. geometric, predetermined breaking point.
- the additional mechanical predetermined breaking point also known as a tension point, must be coordinated and dimensioned in conjunction with the known electrical bottlenecks.
- the cross section of this is smaller than that of the electrically relevant bottlenecks.
- the mechanical bottleneck does not respond before the electrical bottlenecks under all current loads, including transient loads, but rather with a time delay or at higher loads.
- the relevant embodiment of the invention is therefore based on one or more parallel fuse fuses in an extinguishing medium.
- the fuse conductors have several conventional constrictions in series, the number of which corresponds to a usual design for the corresponding nominal voltage of the fuse.
- the fusible conductors extend primarily in a straight line axially through the fuse body.
- the fusible conductor or conductors preferably have at least one further, special narrow point between the known constrictions mentioned, which can be torn by an actuator.
- the actuator used also requires a defined extension of the interrupted fusible conductor.
- the resulting total isolating distance achieves a dielectric strength of at least 2.5 kV.
- the additional bottleneck differs from the usual bottlenecks in the following features.
- the additional mechanical or geometric bottleneck has a residual cross-section that is significantly smaller than that of the usual bottlenecks.
- the melting integral value of the constriction is equal to or even greater than that of the usual known constrictions during the period of transient pulse current loads, in particular the current pulse form 8/20 ⁇ s and 10/350 ⁇ s.
- the force of the actuator therefore acts almost exclusively on the additional bottleneck according to the invention.
- the expansion of the usual, well-known bottlenecks as a result of the force exerted by the actuator is negligible.
- the mechanical bottleneck is designed in comparison to the electrical bottlenecks in such a way that it generally does not respond to mains frequency loads. However, the area of the bottleneck is available for extending the arcs from the normal bottlenecks.
- the dimensions of the mechanical bottleneck are therefore significantly smaller than the known bottlenecks.
- the constriction is designed in such a way that uneven current distribution can be largely avoided, even with steep current increases.
- the bottleneck is ideally designed as a tapering of the band on both sides over the entire width with a length of ⁇ 500 ⁇ m, optimally ⁇ 100 ⁇ m. In such a design with usual punched outs or continuous recesses, these are realized in such a way that the recesses are similarly short and the width of the recesses does not exceed twice the length.
- the aim of the proposed measures is to ensure that the current density distribution in the fusible conductor and the constrictions is as uniform as possible, even under pulse current loads, with very good and almost distortion-free heat dissipation from the area of the geometric constriction.
- the Fig. 1 shows a basic arrangement of an embodiment according to the invention, which consists of a detection and evaluation unit 1, a control 2, a power supply 3 and the triggerable, controllable fuse 4.
- the control unit 2 has an additional external control input 5.
- the detection and evaluation unit 1 has several measuring inputs 8 and an input for current measurement 6 and for voltage measurement 7.
- Additional sensors can be connected to inputs 8.
- the signal to the fuse 4 can be wired or wireless with a separate supply to the ignition device (bridge igniter).
- the Fig. 2 shows an exemplary structure of a triggerable fuse with cutting element 13 in section.
- this representation corresponds to the classic structure of known NH fuses with an extinguishing agent in the form of quartz sand and an additional area for activating a bridge igniter 14.
- the fuse 4 according to the invention has two connection caps 9, two fusible conductors 10, two areas 11 with an extinguishing agent, for example quartz sand, and an area 12 free of extinguishing agent.
- a cutting pawl 13 can be inserted into the extinguishing agent-free area 12 to separate the fusible conductors 10.
- the cutting blade 13 is accelerated in the direction of the fusible conductor 10 and cuts it.
- a stop area can be provided in the area free of extinguishing agent in the path of movement of the cutting blade 13. This stop area serves to dampen the Impact and thus protection of the housing wall and the blade. In addition, this area can be used for gap-like arc constriction.
- the stop area can be realized, for example, by a soft or elastic or porous plastic with or without gas release. Alternatively, damping is also possible in a tapering, gap-like area made of insulation material.
- the bridge igniter 14 is activated via control lines 15, which are connected to the control 2 (see Fig. 1 ) can be connected directly.
- the bridge igniter 14 is located in a housing 16, the housing 16 having a piston 17 driven by the bridge igniter 14, which is connected to a separating element 13.
- the extinguishing agent-free area 12 is designed as a channel that is sealed off from the extinguishing agent 11.
- the channel has side walls 18, which can also serve to guide the separating element 13.
- the Fig. 3 shows an example of the time/current characteristic of an arrangement according to the invention.
- the adiabatic heating of the fuse conductors of the gG fuses can be up to > 5 ms depending on the fuse conductor design.
- the passive fusible conductor of fuse A for example, has a nominal current of approx. 315 A.
- Fuse B has a significantly lower nominal current of 100 A, but with almost the same adiabatic melting integral (I 2 t value).
- the pulse current carrying capacity which is important for use in combination with a surge protection device, for example, is comparable for both fuses.
- the fusible conductor B In order to achieve such a characteristic curve, the fusible conductor B must be designed accordingly or additionally aged.
- the behavior of the proposed protective device is determined by the passive melting behavior of the fuse's fuse conductor.
- the time until the fuse conductor is actively interrupted can be limited as desired, for example from 10 ms to the passive melting time.
- the time/current characteristic curve can therefore be designed in any way below the passive time/current characteristic curve of the fuses. This means that it is also possible to set maximum current flow durations and maximum current flow levels within a wide range.
- the exemplary area with a variable characteristic is limited by the dashed lines below the passive characteristics of the fusible conductors A and B. This makes it possible to adapt well to various protection tasks.
- the Fig. 4 shows a fusible conductor 1A for a capsule fuse with constrictions 2A, which are designed to be longer than known electrical constrictions in order to achieve short melting times with small overcurrents. This leads to an advantageous reduction in the rated current of the fuse.
- the length of the constrictions corresponds approximately to the distance of the immediate cross section of the fusible conductor 1A between the constrictions. Between the bottlenecks there is an additional bottleneck 3A for cutting the fusible conductor with a lower degree of modulation than the bottlenecks 2A.
- the size, the geometry of the fuse housing, the number of fuse conductors, etc. can be varied as desired.
- the connections A and B can of course also be on one side of the housing 6A according to Fig. 5 lay.
- housings made of insulating material electrically conductive housings with one or two insulated entries for the fusible conductor or conductors can also be implemented.
- the fusible conductor design can use strips, wires, tubes or the like.
- the routing of the fusible conductors and the positioning of the connections must be designed in such a way that the forces, the current levels and, in particular, the protection level of the entire arrangement are maintained when exposed to transient pulses.
- the inductive voltage drop across the fuse arrangement must be limited to values ⁇ 300 V, if possible ⁇ 200 V for loads greater than 25 kA. To reduce the inductance, it is possible to design the fusible conductor guide in a bifilar manner.
- Fig. 6 shows a basic arrangement of two fusible conductors 1A with two opposing blades 4A, each with an actuator (not shown for simplicity).
- the housing also serves as connection A.
- the other connection B is led out of the housing 6A in isolation.
- the coaxial arrangement reduces the inductive voltage drop.
- Fig. 7 represents a portion of the arrangement accordingly Fig. 2 after a separation without the effects of arcing.
- the Fig. 8a shows an arrangement in which the fusible conductors are cut simultaneously and crosswise.
- the Fig. 8b shows a simultaneous cutting of the fusible conductor with a vertical orientation to the fusible conductor.
- the actuator 5a and the cutting blade are integrated directly into the fuse housing to save space.
- FIG. 9 A cutting element with two offset blades 4A is shown in cross section, which enables the cutting of two fusible conductors 1A with a short stroke.
- a blade 4A or an actuator 5A is used to cut a fusible conductor 1A. This enables short stroke paths, a counter-rotating movement of the blades and, if designed appropriately, a partial gap formation directly between the blades 4A if no additional insulation section with or without an extinguishing function or an area with extinguishing agent is provided.
- a cutting element with two blades 4A and rotary movement is shown, which can be enforced by an appropriate guide and with only one actuator.
- the blade 4A can be guided in one part in such a way that a good gap formation is possible.
- the Fig. 12 shows an embodiment in which a further fuse fuse conductor 13A, which can also be designed in wire form, for example, is not interrupted by the separating device.
- the wire can be contacted at the main connections or directly or indirectly at the main fusible conductors.
- the wire is preferably surrounded by an erasing medium 14A. If the main fusible element is interrupted, the current commutates to the wire, which means that arcing in the cutting area can be largely avoided and a high dielectric strength can be achieved after complete separation.
- the interruption occurs through another fusible conductor, which has a very low nominal current strength, in particular below the nominal current strength of the network.
- the wire-shaped fusible conductor 13A can be interrupted directly or indirectly with a time delay, if necessary with the same cutting edge, in order to enable current to pass through at 0 A. Indirect interruption is possible in the event of a mechanical displacement or destruction of a carrier on or by the wire.
- a fusible conductor on a carrier 15A it is possible to use a fusible conductor on a carrier 15A accordingly Fig. 13 to carry out. It is also possible to move an SMD fuse.
- the cutting or separating arrangement according to the invention can be located in parallel with a horn spark gap 16A, which is short-circuited, for example, with a fuse wire 17A of low current rating.
- a fuse wire 17A of low current rating When the main fusible conductor is severed, the current commutates on the fuse wire 17A, which ignites the horn spark gap 16A, which in turn extinguishes the current in a quenching chamber 18A in a current-limiting manner.
- the cutting device 4A can be located directly in the ignition area of a horn spark gap 16A.
- the horn spark gap 16A is short-circuited by a safety tape 1A, if necessary with a bottleneck or a defined I 2 t value, and is located directly in the main path.
- the securing tape can be guided outside the cutting area between the diverging electrodes.
- the cutting or separating blade is designed in such a way that the arc that arises when the strip is interrupted is moved in the direction of the extinguishing chamber and an insulation gap corresponding to the desired dielectric strength is created in the horn spark gap Fig. 15 arises.
- the blade is at least predominantly made of insulating material or is held or embedded in insulating material.
- the blade After cutting the fusible conductor, the blade is moved forward for several millimeters, so that the distance between the cut fusible conductor remains is greater than 3 mm, but preferably more than 5 mm.
- the blade can also be guided laterally next to the diverging electrodes of the horn spark gap in grooves 19A made of insulating material, thereby avoiding a lateral arc flashover.
- the fusible conductor is thermally separated or moved out of the area between the two electrodes in such a way that an isolating path is created.
- the blade can also be provided with a mechanical pretension, which allows penetration into the area of the diverging electrodes even without activating the actuator.
- Such embodiments are known from the field of separation devices, among other things for varistors.
- Fig. 16 shows an arrangement with an actuator 5A with a short but variable stroke.
- piezoceramics or similar can be used as an actuator here.
- the fusible conductor 1A is guided transversely in two insulation parts 20A, which are designed like a punch.
- the actuator By moving the actuator, it is possible to carry out a defined modulation of the constriction 3A of the fusible conductor even after installation and thus to optionally change the characteristic curve of the fuse. It is also possible to completely cut through the fusible conductor if the signal to the actuator 5A is appropriate.
- the constriction can be cut and embossed by several actuators according to the number of fusible conductors or for several constrictions per fusible conductor. This makes it possible to modify identical fuses for different applications after they have been manufactured.
- the stamped or embossed parts are preferably made of a material that supports arc extinction, for example Ceramic, polymer or similar.
- the punching area can also be sealed off from the extinguishing agent area by insulation plates 9A. With thinner fusible conductors 1A, this insulation is not absolutely necessary if the extinguishing agent has the appropriate grain size.
- the activation of the fuse according to the invention depends on the actuators selected.
- activation of shape memory alloys or bridge detonators can take place via a current.
- the electricity can be obtained, for example, from the nearby network or a separate energy storage device.
- bridge igniters the small amount of energy required can also be provided galvanically isolated by a transformer.
- the trigger level for activating the fuse is designed so that activation is possible using several criteria.
- Actively controllable switches can be used here, which have internal evaluation electronics or an external control option. In the simplest case, these switches can also be means that react directly to physical variables and are provided in parallel to the controllable switch. Such switches can react to limit values or changes in temperature, pressure, current, voltage, optical signals, volume or the like or combinations thereof. Electronic, mechanical, voltage-switching and also impedance-changing components can also be used as switches.
- FIG. 17 A further embodiment of the invention shows a fusible conductor 1B with usual constrictions 2B in the form of elongated recesses. Between these usual recesses there is an area with an undiminished cross section 3B, which in this case is of a similar length to the recesses. An exemplary embodiment of an additional mechanical bottleneck 4B is formed within this area. This bottleneck 4B is realized as a diamond-shaped recess with a short overall length.
- Such a design has the advantage, particularly when using the fuse according to the invention in the cross branch, that in the event of a short-circuit load, there is no additional arc voltage due to simultaneous arc formation with respect to the additional and the known ones Constrictions are caused, which means that the voltage load on the consumer to be protected remains controllable.
- the short bottleneck can be implemented without any significant lengthening of the fusible conductor and without a relevant reduction in the material of the fusible conductor, which is necessary for controlled arc extension. Due to the explained design, the bottleneck does not lead to additional pressure or temperature stress on the fuse housing.
- the mechanical pull constriction can also be provided at other positions of the fusible conductor, for example immediately in front of the first electrical constriction in the pull direction of the actuator.
- the free fusible conductor length in the area filled with extinguishing agent may need to be extended in accordance with the desired actively switchable short-circuit currents.
- the mechanical bottleneck therefore does not necessarily have to be located in the middle of the fusible conductor.
- the above allows the activation of the fuse even at high currents with virtual melting times ⁇ 10 ms, even if only one bottleneck is separated.
- the fuse according to the invention can therefore be interrupted practically in a current-free state, at small currents well below the rated current and even high fault currents in the kA ampere range after a short time. Almost any time/current characteristic curve can also be implemented depending on the requirements.
- strain relief on the fusible conductor or partial fixation of the fusible conductor in the so-called "stone sand" is also possible. This allows the force to be directed specifically to a single bottleneck.
- the Fig. 18 shows a fusible conductor 1B for a capsule fuse with constrictions 2B, which are designed to be longer than usual constrictions in order to achieve short melting times with small overcurrents. In this case, however, the distance of the undiminished cross section 3B of the fusible conductor between the constrictions corresponds at least to the length of the constriction.
- Figure 19 shows an embodiment in which the further mechanical bottleneck 4B according to the invention is introduced between the normal bottlenecks 2B.
- this constriction is unsuitable as a usual constriction and does not support its passive function when switching off short circuits.
- the bottleneck does not respond to these loads, which means that no additional arc voltage is generated. The function is therefore limited to the active control of the fuse.
- the length of the bottleneck is at least a factor of 4, but ideally greater than 10, less than the length of the usual, known bottlenecks.
- the usual known bottlenecks are longer than 4 mm. Better conditions result from a length of ⁇ 150 ⁇ m to lengths of > 2 mm for common, known bottlenecks.
- the cross section of the constriction according to the invention is at least a factor of 20% smaller, ideally more than 50% smaller than the normal constriction.
- the usual, normal bottlenecks have a degree of modulation of approx. 2 to the undiminished cross section. This relatively low degree of modulation makes sense in small sizes due to the small metal content required.
- the tensile force required to tear the bottlenecks is a maximum of 80%, but ideally ⁇ 60%, based on the forces that cause normal bottlenecks to tear.
- the overall fusible conductor for soft copper is stretched by at most 3 mm, preferably less than 1 mm. This corresponds to ⁇ 5% of the total length of the fusible conductor.
- the possible stroke distance within the safety device is limited to at least twice the distance required to safely tear the mechanical bottleneck and is designed accordingly. However, the path can also be made longer to achieve sufficient dielectric strength.
- the expansion can be further reduced.
- the 20a to 20c show design variants of the additional mechanical bottleneck.
- a fusible conductor 1B with four normal constrictions 2B with a modulation degree of 2 is shown.
- the length of the constrictions is 4 mm, which means that the nominal current can be reduced to approx. 160 A.
- the heating of the bottlenecks at a load of 25 kA 10/350 ⁇ s is approx. 700°C, although there is still sufficient aging stability.
- the mechanical predetermined breaking point 4B is dimensioned so that it can be produced using the simplest punching processes and at the same time as the normal, known bottlenecks.
- the length is, for example, 0.5 mm. However, the cross section of the transversely arranged elongated holes is reduced by 20% compared to the normal narrow areas. Under impulse loads, the temperature of this constriction is the same as the temperature of the other constrictions.
- FIG. 20b A bottleneck 4B is shown with the same overall length, but with a diamond-shaped geometry.
- the diamonds significantly shorten the area of the minimum remaining cross-section compared to the total length.
- the remaining cross section can be reduced to 60% of the remaining bottlenecks at the same temperature.
- the reduction in the force required to destroy the mechanical bottleneck is in the same range.
- the design of such bottlenecks or similar bottlenecks is limited solely by the technology and costs for reproducible production.
- a bottleneck design 4B can take place, which is limited to thickness modulation.
- the fusible conductor 1B is not shown in this illustration in a top view of the width of the fusible conductor.
- the view refers to the thickness of the fusible conductor 1B in side view.
- the cross section and the required force can be reduced to approx. 40% compared to the normal constrictions in the case of pulse currents with the same heating.
- the remaining thickness in the constriction area which is uniform across the width of the fusible conductor, is approximately only a third of the total length of the constriction.
- Fig. 20c discloses a design which allows a sufficiently uniform current density distribution for pulse currents with very strong cooling of the bottleneck.
- the heating of the bottleneck in the case of pulse currents can therefore be achieved despite the smaller residual cross-section and sufficiently Force reduction can also be well below normal constrictions if this is beneficial for the overall function.
- the assumed same temperature increase for pulse currents, in which the response of the bottlenecks is to be avoided, leads to higher temperatures at the normal bottlenecks for line-frequency currents, whereby the formation of arcs can be avoided with passive behavior at the pulling bottleneck.
- Fig. 21a and b an exemplary structure of an NH fuse in capsule design is shown in detail.
- the Fig. 21a shows the normal state and the Fig. 21b the triggered state.
- the fuse preferably has an insulating housing 5B, two main fusible conductors 1B, and a metal end cap 6B on both sides for connection, on which the fusible conductors 1B are contacted.
- the fuse has a version for at least one or two control connections 8B for activating the igniter 7B.
- the control connections 8B can be led out axially or radially from the housing or the end caps of the fuse. Wireless activation is also possible for larger versions.
- the ignition device designed for example as a bridge igniter 7B, is located in a small cavity 9B surrounded by a projectile 10B, which is guided in a type of piston 11B.
- a projectile 10B which is guided in a type of piston 11B.
- two fusible conductors 1B are firmly connected to the projectile 10B, each with a central mechanical constriction 4B.
- connection can be positive or non-positive, for example by soldering, welding or clamping.
- the fusible conductors are preferably clamped under pressure between a conical region of the projectile 10B and a further conical part 12B.
- the clamping force increases further, so that the clamping force can be released Clamp connection is not possible.
- the parts can be cylindrical and the fusible conductors can be shaped as half-shells.
- the fusible conductors are located in a space 13B filled with extinguishing agent. Quartz sand is the preferred extinguishing agent. Preferably all bottlenecks in the fusible conductors are surrounded by the extinguishing agent.
- the piston 11B is located in an intermediate part 14B, which delimits the space with extinguishing agent from a cavity 15B above the projectile 10B.
- the intermediate part 14B can consist of an insulating part or partially or completely made of electrically conductive material.
- the intermediate part 14B can be cup-shaped and rest on the housing part 5B with an edge.
- a substantially annular part 16B can be provided, on which the fusible conductors 1B are contacted by the end cap 6B.
- a current flow between the fusible conductors 1B and the end cap 6B via the intermediate part 14B can be prevented by a suitable choice of material or an insulation layer.
- the end cap 6B and the parts 5B and 14B as well as 16B are designed in such a way that the fuse is finally closed by pressing on the end cap 6B.
- the two fusible conductors 1B are implemented above the piston 11B and the projectile 10B in the extinguishing agent-free space 15B with areas angled relative to the axis.
- the angled areas of the fusible conductors are bent in the opposite direction with minimal effort when moving in the extinguishing agent-free space. Bending the bands does not require pressure equalization in a small volume without extinguishing agent, as the air is not displaced into a closed space.
- the advantage of this embodiment is that no additional interruption or contacting of the fusible conductor or conductors is necessary for contacting the fusible conductor and the isolating distance extension.
- the fusible conductor strips used as examples can be guided through the fuse over a short distance with very low impedance and without additional deflections or movements. Overall, a very low-resistance fusible conductor material is used despite the relatively high elongation at break of such materials.
- the impedance of the arrangement is low, so that even with high current gradients and high currents, the ohmic and inductive voltage drop across the fuse and thus the influence on the protection level of the arrangement is small. With 25 kA 8/20 ⁇ s pulses, the voltage drop is ⁇ 300 V, preferably less than 200 V.
- the projectile can also be connected directly or indirectly to the connection caps using a transverse connection tape, a flexible cable, a multiple contact system or similar.
- the fusible conductor area ends at the projectile.
- a fusible conductor 1B has an im Substantially U-shaped section 18B.
- the fusible conductor itself is guided through two plate-like bushings 19B and 20B.
- the feedthrough is implemented, for example, as a first fixed plate 19 and is located in the area of the U-shaped section of the fusible conductor.
- the second plate 20B is movable and is located in the transition area to an axial fusible conductor area. Between the two plates, the fusible conductor runs at an acute angle to the second plate 20B.
- the tensile force acts directly as a tearing force on the mechanical bottleneck 4B.
- the tensile force can be realized via a shape memory element 22B attached directly or indirectly to the second plate, for example by heating it directly or indirectly.
- the plates 21B and 19B seal off the U-shaped area of the fusible conductor with the movable plate 20B from the penetration of extinguishing agent.
- Areas 23B and 24B are filled with extinguishing agent.
- the majority of the usual constrictions of the fusible conductor are located in area 23B.
- the mechanical bottleneck 4B is located in area 24B.
- the Fig. 22a shows the described arrangement in normal operation and Fig. 22b the condition after the bottleneck is interrupted.
- the activation of the fuse depends on the selected actuators. For example, activation can take place using shape memory alloys or on the bridge igniters via a current.
- the electricity can come from the adjacent network but also from a separate storage.
- bridge igniter it is possible to provide the required energy in a galvanically isolated manner using a transformer.
- the trigger circuit for activation is designed so that this can be done using several criteria. As already explained, actively controllable switches or switches that react directly to physical variables can be used.
- a tensile force to the fusible conductor which is located in the extinguishing agent to the quartz sand, is also possible with permanent spring force.
- a tensile force is applied to a mechanical bottleneck, but rather a tensile force to a soldering point, which can be released, for example, by a reaction film (exothermic reaction) within 1 ms.
- the extension requires a stroke that includes the length of the soldering path and the required separation distance.
- the fuse has a housing 5B with connection caps 6B.
- the fusible conductor 1B is divided into two areas, which are connected to one another by a solder 25B.
- a reaction film 26B with exothermic heat generation is arranged in the area of the connection.
- the reaction of the foil can be triggered via an auxiliary fuse or a spark generator 27B.
- the control takes place via one or two connecting lines 8B.
- the connection point is in the area of the fuse with extinguishing agent 13B. This area is separated from an extinguishing agent-free area 15B by a feedthrough 28B. In this area there is a spring 29B, which mechanically biases the fusible conductor 1B. After loosening the solder connection 25B, the fusible conductor 1B is bent in the area 15B (dashed position) and pulled through the area 15B, so that there is a sufficiently long separation distance between the two remaining fusible conductor parts.
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Description
Die Erfindung betrifft eine triggerbare Schmelzsicherung für Niederspannungsanwendungen zum Schutz von an ein Versorgungsnetz anschließbaren Einrichtungen, insbesondere Überspannungsschutzgeräten, bestehend aus mindestens einem, zwischen zwei Kontakten befindlichen, in einem Gehäuse angeordneten Schmelzleiter sowie mit einer Triggereinrichtung zum gesteuerten Auftrennen des Schmelzleiters bei Fehlfunktionen oder Überlastzuständen der jeweils angeschlossenen Einrichtung, wobei im Gehäuse ein Löschmittel eingebracht ist.The invention relates to a triggerable fuse for low-voltage applications for protecting devices that can be connected to a supply network, in particular overvoltage protection devices, consisting of at least one fuse conductor located between two contacts and arranged in a housing and with a trigger device for the controlled disconnection of the fuse conductor in the event of malfunctions or overload conditions connected device, with an extinguishing agent being introduced into the housing.
Konventionelle Schmelzsicherungen werden in großen Stückzahlen und bei vielen Anwendungsfällen eingesetzt, um einen Überstrom- oder Kurzschlussschutz für Kabel und Leitungen aber auch für angeschlossene Betriebsmittel sicherzustellen.Conventional fuses are used in large quantities and in many applications to ensure overcurrent or short-circuit protection for cables and lines but also for connected equipment.
Darüber hinaus werden Sicherungen als Backup-Schutz für Überspannungsableiter im sogenannten Querzweig eingesetzt. Hier muss eine entsprechende Sicherung den Schutz im Kurzschlussfall gewährleisten.In addition, fuses are used as backup protection for surge arresters in the so-called shunt branch. An appropriate fuse must ensure protection in the event of a short circuit.
Durch den zunehmenden Einsatz und die Integration regenerativer Energiequellen in Versorgungssätzen treten zunehmend volatile Kurzschlusswerte an den Installationsorten der Betriebsmittel je nach Einspeisesituation auf. Dies kann die Konsequenz nach sich ziehen, dass die erforderlichen Schmelz- bzw. Ausschaltintegrale die Sicherungen über einen weiten Bereich variiert werden müssen. Unter Umständen kann die gewählte Sicherung nicht mehr den Schutz unter allen denkbaren Einspeisebedingungen sicherstellen. Grundsätzlich ist hier der Einsatz von Leistungsschaltern mit Auslösecharakteristik eine Alternative, jedoch sind diese Schalter wesentlich teurer als Sicherungen und insofern bereits aus Kostengründen nicht für alle Anwendungen geeignet.Due to the increasing use and integration of renewable energy sources in supply sets, increasingly volatile short-circuit values occur at the installation locations of the equipment, depending on the feed-in situation. This can have the consequence that the required melting or switching off integrals of the fuses have to be varied over a wide range. Under certain circumstances, the selected fuse can no longer ensure protection under all conceivable feed-in conditions. In principle, the use of circuit breakers with tripping characteristics is an alternative, but these switches are significantly more expensive than fuses and are therefore not suitable for all applications for cost reasons.
Die speziellen Eigenschaften einer Schmelzsicherung ermöglichen grundsätzlich nur sehr geringe Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich einer Variation oder einer Einstellung des Schutzbereiches der Sicherung.The special properties of a fuse generally only allow very limited design options in terms of varying or adjusting the protection area of the fuse.
Um den Einsatzbereich von Sicherungen anpassen und erweitern zu können, wurde bereits vorgeschlagen, den Stromleiter eines elektrischen Sicherungselementes mit Hilfe einer pyrotechnisch betriebenen Trennvorrichtung zu durchtrennen. Die
Die
Die
Bezogen auf die Dimensionierung von Schmelzsicherungen verweist die
Besondere Anforderungen gelten für den Fall, in dem das von der Sicherung zu schützende Gerät eine Überspannungsschutzeinrichtung ist, denn diese soll kurzfristig hohe Ströme passieren lassen, ohne dass die Schmelzsicherung auslöst, zugleich aber auch bei gering andauernden Federströmen, wie sie zum Beispiel bei einer Schädigung der Überspannungsschutzeinrichtung oder als Netzfolgestrom auftreten können, frühzeitig abschalten. Die erste der genannten Anforderungen führt häufig zu hohen Bemessungsstromwerten der Sicherung. Die zweite der genannten Anforderungen ist nur mit geringen Nennstromwerten sinnvoll zu realisieren.Special requirements apply in the case in which the device to be protected by the fuse is a surge protection device, because this is intended to allow high currents to pass for a short time without the fuse tripping, but at the same time also with low-permanent spring currents, such as those caused by damage of the overvoltage protection device or as a mains follow current, switch it off early. The first of the requirements mentioned often leads to high rated current values of the fuse. The second of the requirements mentioned can only be meaningfully implemented with low nominal current values.
Unter Beachtung dieser Problematik verweist die
Die
Aus der
Zum Stand der Technik sei noch auf die
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte triggerbare Schmelzsicherung für Niederspannungsanwendungen zum Schutz von an ein Versorgungsnetz anschließbaren Einrichtungen, insbesondere Überspannungsschutzgeräten, anzugeben, wobei die Sicherung zusätzlich zum Schmelzintegralwert bezogen auf den Sicherungsnennwert bei Bedarf und in Abhängigkeit von zu erwartenden Strömen, insbesondere Kurzschlussströmen, gezielt ausgelöst werden kann. Dabei soll auf eine an sich bekannte Zerstörung des Schmelzleiters durch Einwirkung mechanischer Kräfte zurückgegriffen werden.From the above, it is the object of the invention to provide a further developed triggerable fuse for low-voltage applications for the protection of devices that can be connected to a supply network, in particular surge protection devices, the fuse being in addition to the melting integral value based on the fuse rating when required and depending on expected currents, in particular Short-circuit currents can be triggered specifically. In this case, a known destruction of the fusible conductor due to the action of mechanical forces should be used.
Die Triggerung, das heißt die Ansteuerung zum Auftrennen des Schmelzleiters bei Fehlfunktion, soll entweder von einer übergeordneten Steuereinheit übernommen werden und für den Fall, dass die Sicherung als Backup-Schutz in Überspannungsschutzgeräten integriert wird, von dem Überspannungsschutzgerät übernommen werden. Die triggerbare Schmelzsicherung soll darüber hinaus in der Lage sein, auf der Basis gemessener Netzimpedanzwerte auszulösen.The triggering, i.e. the control to disconnect the fusible conductor in the event of a malfunction, should either be carried out by a higher-level control unit and, in the event that the fuse is integrated as backup protection in surge protection devices, by the surge protection device. The triggerable fuse should also be able to trip based on measured network impedance values.
Der Aufbau der zu schaffenden Sicherung soll kostengünstig sein, die Sicherung soll ein hohes Schaltvermögen und eine kleine Bauform besitzen. Über die Vorgabe von Werten zur Ausbildung zusätzlicher Engstellen ist die Möglichkeit einer gezielt einstellbaren Sicherungs-Schutzkennlinie zu realisieren.The structure of the fuse to be created should be inexpensive, the fuse should have a high switching capacity and a small design. By specifying values for the formation of additional bottlenecks, the possibility of a specifically adjustable safety-protection characteristic curve can be realized.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine triggerbare Schmelzsicherung gemäß Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is solved by a triggerable fuse according to
Es wird demnach zur Lösung der Aufgabe auf eine triggerbare Schmelzsicherung zurückgegriffen, die insbesondere für Niederspannungsanwendungen zum Schutz von an ein Versorgungsnetz anschließbaren Einrichtungen, insbesondere Überspannungsschutzgeräten, geeignet ist. Die Schmelzsicherung besteht aus mindestens einem, zwischen zwei Kontakten befindlichen, in einem Gehäuse angeordneten Schmelzleiter. Weiterhin ist eine Triggereinrichtung zum gesteuerten Auftrennen des Schmelzleiters bei Fehlfunktionen oder Überlastzuständen der jeweils angeschlossenen Einrichtung vorgesehen, wobei im Gehäuse ein Löschmittel eingebracht ist.To solve the problem, a triggerable fuse is used, which is particularly suitable for low-voltage applications to protect devices that can be connected to a supply network, in particular surge protection devices. The fuse consists of at least one fuse conductor located between two contacts and arranged in a housing. Furthermore, a trigger device is provided for the controlled separation of the fusible conductor in the event of malfunctions or overload conditions of the connected device, with an extinguishing agent being introduced into the housing.
Die erfindungsgemäße Sicherung verfügt über mindestens einen Schmelzleiter mit mehreren Engstellen in Reihe, wodurch die passive Funktion einer üblichen elektrischen NH-Sicherung gewährleistet ist. Zusätzlich weist die Sicherung pro Schmelzleiter mindestens eine zusätzliche, spezielle Engstelle auf, welche die passive Funktion der Sicherung nicht beeinträchtigt und die durch eine Triggerung unabhängig von der Strombelastung aktiviert werden kann. Diese spezielle Engstelle wird durch mechanisches Zerreißen, Zerschneiden, Stanzen bzw. Ausstanzen oder Auftrennen einer Lotverbindung zerstört.The fuse according to the invention has at least one fusible conductor with several narrow points in series, which ensures the passive function of a conventional electrical NH fuse. In addition, the fuse has at least one additional, special bottleneck per fuse conductor, which does not affect the passive function of the fuse and which can be activated by triggering regardless of the current load. This special bottleneck is destroyed by mechanical tearing, cutting, punching or punching out or cutting a solder connection.
Gemäß einem Erfindungsgedanken ist im Gehäuse ein löschmittelfreier Bereich derart ausgebildet, dass der mindestens eine Schmelzleiter in mindestens einem Abschnitt freiliegt.According to an inventive idea, an area free of extinguishing agent is formed in the housing such that the at least one fusible conductor is exposed in at least one section.
Über einen Zugang im Gehäuse ist ein mechanisches Trennelement in den löschmittelfreien Bereich einbringbar, um in Abhängigkeit von der Triggereinrichtung den mindestens einen Schmelzleiter unabhängig von seinem Schmelzintegral mechanisch zu zerstören.A mechanical separating element can be introduced into the extinguishing agent-free area via an access in the housing in order to mechanically destroy the at least one fusible conductor independently of its fusible integral, depending on the trigger device.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Trennelement als Klinge oder Schneide ausgebildet.In one embodiment of the invention, the separating element is designed as a blade or cutting edge.
Das Trennelement selbst kann von einem Brückenzünder in Richtung Schmelzleiter angetrieben werden.The separating element itself can be driven in the direction of the fusible conductor by a bridge igniter.
Die mechanische Energie zum Bewegen des Trennelementes kann ebenso durch eine Formgedächtnislegierung oder andere form- bzw. volumenändernde Medien bereitgestellt werden.The mechanical energy for moving the separating element can also be provided by a shape memory alloy or other media that change shape or volume.
Die Triggereinrichtung weist eine Erfassungs- und Bewertungseinheit sowie eine Ansteuerung für den beispielhaften Brückenzünder und eine Energieversorgung auf und besitzt mindestens einen Steuereingang.The trigger device has a detection and evaluation unit as well as a control for the exemplary bridge igniter and a power supply and has at least one control input.
Durch die Erfassungs- und Bewertungseinrichtung kann die passive Kennlinie des Schmelzleiters der Sicherung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, ca. > 10 ms, unterbrochen werden. Ausschließlich der Bereich des adiabatischen Schmelzens bleibt unbeeinflusst. Der damit zusammenhängende I2t-Wert ist mit dem zu schützenden Verbraucher über die Schmelzleiterdimensionierung in bekannter Weise abgestimmt.The passive characteristic of the fuse element of the fuse can be interrupted at any time, approx. > 10 ms, by the detection and evaluation device. Only the area of adiabatic melting remains unaffected. The associated I 2 t value is coordinated with the consumer to be protected via the fuse conductor dimensioning in a known manner.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch die Unterbrechung sehr kleiner Ströme weit unterhalb der passiven Nennstromstärke des Schmelzleiters und ebenso eine stromfreie Unterbrechung. Damit kann auch eine Unterbrechung unabhängig vom Stromfluss bereits beispielsweise bei einer gemessenen Impedanzänderung erfolgen.The solution according to the invention also enables the interruption of very small currents far below the passive nominal current strength of the fusible conductor and also a current-free interruption. This means that an interruption can occur independently of the current flow, for example when there is a measured change in impedance.
Die Auswerte- und Erfassungseinheit kann aufgrund der kontinuierlichen Messung und bei Auslegung als lernfähiges System Änderungen im Netz bei der Festlegung der momentanen Schutzkennlinie berücksichtigen. Dies ist vorteilhaft bei einer wechselnden Anzahl von Verbrauchern oder einer wechselnden Netzleistung durch Energieerzeuger.Due to the continuous measurement and when designed as a learning system, the evaluation and recording unit can take changes in the network into account when determining the current protection characteristic. This is advantageous when there is a changing number of consumers or a changing network output from energy producers.
Bekannte Grundfunktionen zur Auslösung wie Strom, Spannung, deren Anstiege bzw. auch deren zeitabhängiges Verhalten, aber auch externe Steuersignale können neben der Impedanzbewertung zur Steuerung der Triggerfunktion genutzt werden. Beim Schutz von Überspannungsschutzgeräten können auch Spannungszeitflächen und in der Kombination mit einer Strombewertung auch zeitliche Entwicklungen der Leistung bzw. des Energieumsatzes als Auslösekriterien genutzt werden.Well-known basic functions for triggering such as current, voltage, their increases or their time-dependent behavior, but also external control signals can be used in addition to the impedance evaluation to control the trigger function. When protecting surge protection devices, voltage time areas can also be used in combination with a Electricity evaluation and temporal developments in performance or energy turnover can also be used as trigger criteria.
Kriterien wie Druck, Temperatur, Licht, Magnetfelder, elektrische Felder oder ähnliches können über weitere Sensoren an zusätzlichen Eingängen eingespeist und berücksichtigt werden.Criteria such as pressure, temperature, light, magnetic fields, electric fields or similar can be fed in and taken into account via additional sensors at additional inputs.
Wie dargelegt, ist die erfindungsgemäße triggerbare Schmelzsicherung insbesondere als Ableitervorsicherung zur Reihenschaltung mit Überspannungsableitern im Niederspannungsanwendungsbereich geeignet.As explained, the triggerable fuse according to the invention is particularly suitable as an arrester back-up fuse for series connection with surge arresters in low-voltage applications.
Hierbei ist die erfindungsgemäße Sicherung insbesondere für die Anwendung mit Funkenstrecken ausgebildet und entsprechend dieser Besonderheiten auslegbar. Grundsätzlich ist das vorgeschlagene Prinzip sowohl für Gleichspannungs- als auch Wechselspannungsanwendungen geeignet und gestattet auch eine Nutzung beispielsweise im Längszweig.The fuse according to the invention is designed in particular for use with spark gaps and can be designed according to these special features. In principle, the proposed principle is suitable for both DC and AC voltage applications and also allows use, for example, in the series branch.
Durch die geringe Bauform kann die ansteuerbare Sicherung in einem gemeinsamen Gehäuse eines Überspannungsschutzgerätes in Reihe zu einer Funkenstrecke oder einem Varistor eingesetzt werden.Due to its small design, the controllable fuse can be used in a common housing of a surge protection device in series with a spark gap or a varistor.
Die Sicherung schützt das Überspannungsschutzgerät vor, bei oder gegebenenfalls auch nach einer Überlastung und trennt selbiges vom Netz ab.The fuse protects the surge protection device before, during or even after an overload and isolates it from the network.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindungslehre wird eine triggerbare Sicherung vorgeschlagen, welche auf einem definierten mechanischen Zerschneiden einer speziellen, zusätzlichen Engstelle eines Sicherungsschmelzleiters nach Aktivierung eines Auslösers abzielt.According to a further basic idea of the invention, a triggerable fuse is proposed, which aims at a defined mechanical cutting of a special, additional constriction of a fuse fuse element after activation of a trigger.
Erfindungsgemäß erfolgt eine konstruktive Abstimmung der zusätzlichen Engstelle zu bereits vorhandenen passiven Stromengstellen, das heißt klassischen Sicherungsengstellen. Als Löschmedium ist beispielsweise Quarzsand, insbesondere bei hohen Schaltleistungen geeignet.According to the invention, the additional bottleneck is structurally coordinated with existing passive current bottlenecks, that is, classic safety bottlenecks. Quartz sand, for example, is suitable as an extinguishing medium, particularly for high switching powers.
Mit der nachstehend beschriebenen Variante wird die Aufgabe gelöst, eine Sicherung zu schaffen, welche die Vorteile einer klassischen strombegrenzenden Sicherung mit denen einer aktivierbaren, quasi intelligenten Sicherung mit nur einer Schneidklinge bei kleiner Baugröße und einfachem Aktivator kombiniert. Die Sicherung führt bei passiver Funktion nicht zu einer Erhöhung des Schutzpegels des nachgeordneten Ableiters und erzeugt bei Aktivierung keine Spannung oberhalb des ausgewiesenen Schutzpegels des jeweiligen verschalteten Überspannungsschutzgerätes.The variant described below solves the problem of creating a fuse that combines the advantages of a classic current-limiting fuse with those of an activatable, quasi-intelligent fuse with only one cutting blade, a small size and a simple activator. When functioning passively, the fuse does not increase the protection level of the downstream arrester and, when activated, does not generate any voltage above the designated protection level of the respective connected surge protection device.
Die diesbezügliche Lösung beruht auf einem oder mehreren parallelen Sicherungsschmelzleitern, die innerhalb eines Löschmediums angeordnet sind.The solution in this regard is based on one or more parallel fuse fuse conductors, which are arranged within an extinguishing medium.
Die Schmelzleiter besitzen mehrere, konventionelle elektrische, das heißt Stromengstellen in Reihe, deren Anzahl der üblichen Auslegung für die entsprechende Nennspannung der Sicherung entspricht.The fuse conductors have several conventional electrical, i.e. current bottlenecks in series, the number of which corresponds to the usual design for the corresponding nominal voltage of the fuse.
Entsprechend bekannter NH-Sicherungen erstrecken sich die Schmelzleiter vorwiegend geradlinig axial durch den Sicherungskörper. Der Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Sicherung und der Engstellen entspricht bei hohen Kurzschlussströmen bzw. virtuellen Schmelzzeiten von ca. < 10 ms denen von üblichen Sicherungen.According to known NH fuses, the fusible conductors extend primarily in a straight line axially through the fuse body. The structure and functionality of such a fuse and the bottlenecks correspond to those of conventional fuses with high short-circuit currents or virtual melting times of approx. < 10 ms.
Der mindestens eine Schmelzleiter verfügt bevorzugt zwischen den erwähnten üblichen Stromengstellen über mindestens eine weitere spezielle mechanische Engstelle, welche durch mindestens einen Aktor und eine Schneidklinge oder ein ähnliches Mittel durchtrennt werden kann.The at least one fusible conductor preferably has at least one further special mechanical constriction between the usual current constrictions mentioned, which can be severed by at least one actuator and a cutting blade or a similar means.
Die Schneidklinge als Trennelement ist bevorzugt aus einem isolierenden Material bestehend oder mit einem isolierenden Überzug versehen. Diese isolierende Schneidklinge führt zu einer Verlängerung der Trennstrecke zwischen dem unterbrochenen Schmelzleiter. Die entstehende Trennstrecke ist in der Lage, eine Spannungsfestigkeit von mindestens 2,5 kV, bevorzugt 4-6 kV zu realisieren.The cutting blade as a separating element is preferably made of an insulating material or provided with an insulating coating. This insulating cutting blade leads to an extension of the isolating distance between the interrupted fusible conductor. The resulting isolating distance is capable of achieving a dielectric strength of at least 2.5 kV, preferably 4-6 kV.
Die erfindungsgemäße, zusätzliche Engstelle gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung unterscheidet sich von bekannten, üblichen Engstellen durch die nachstehend geschilderten Maßnahmen.The additional bottleneck according to the invention according to further embodiments of the invention differs from known, usual bottlenecks by the measures described below.
Die geometrische oder mechanische zusätzliche Engstelle besitzt einen Restquerschnitt, welcher höher ist, als der der üblichen Engstellen. Der Schmelzintegralwert (I2t-Wert) der Engstelle ist so dimensioniert, dass er gleich oder minimal höher als das Ausschaltintegral der Sicherung ist. Diese Auslegung bewirkt, dass die Engstelle bei Kurzschlussströmen nicht anspricht.The geometric or mechanical additional bottleneck has a residual cross-section that is higher than that of the usual bottlenecks. The melting integral value (I 2 t value) of the bottleneck is dimensioned so that it is equal to or minimally higher than the switch-off integral of the fuse. This design means that the bottleneck does not respond to short-circuit currents.
Der Bereich der zusätzlichen Engstelle steht jedoch zur Verlängerung der Lichtbögen zur Verfügung.However, the area of the additional bottleneck is available to extend the arcs.
Die geometrische Engstelle und die Schneidklinge befinden sich in einem Bereich ohne Löschmedium.The geometric constriction and the cutting blade are located in an area without extinguishing medium.
Dieser Bereich wird bevorzugt beidseitig mit dünnen Stegen von den Bereichen mit Löschmedium und den elektrischen Engstellen abgetrennt.This area is preferably separated from the areas with extinguishing medium and the electrical bottlenecks with thin webs on both sides.
Die Breite dieses Bereiches ist auf die Klingenbreite und die doppelte Schmelzleiterdicke im Wesentlichen begrenzt.The width of this area is essentially limited to the blade width and twice the fusible conductor thickness.
Der oder die Schmelzleiter sind durch den Isolationssteg geführt derart, dass bevorzugt keine weitere Abdichtung zum Trennbereich notwendig ist, um das Eindringen eines Löschmediums, zum Beispiel Quarzsand, zu verhindern.The fusible conductor or conductors are guided through the insulation web in such a way that preferably no further sealing to the separation area is necessary in order to prevent the penetration of an extinguishing medium, for example quartz sand.
Die Isolierstege können aus Keramik, Vulkanfiber oder aber auch aus Polymeren mit oder ohne Gasabgabe (POM) gefertigt sein. Die Wandstärke beträgt bevorzugt < 1 mm.The insulating bars can be made of ceramic, vulcanized fiber or polymers with or without gas release (POM). The wall thickness is preferably <1 mm.
Die Breite der Schneidklinge ist bevorzugt höher als die Schmelzleiterbreite, jedoch mindestens breiter als die zusätzliche mechanische Engstelle.The width of the cutting blade is preferably higher than the fusible conductor width, but at least wider than the additional mechanical constriction.
Die Klinge besitzt einen Hubweg, welcher über den Dehnbereich des Schmelzleiters beim Trennen hinausgeht. Die Strecke der kürzesten Verbindung zwischen einem stromlos geschnittenen Schmelzleiter liegt bei ≥ 4 mm. Bei einer Lichtbogenabschaltung verlängert sich die Strecke durch den Schmelzleiterabbrand. An der Klinge können Maßnahmen zur Gleitstreckenverlängerung vorgesehen sein. Die Klinge kann mit einem festen oder deformierbaren Gegenstück einen Isolierspalt bilden.The blade has a stroke that goes beyond the expansion range of the fusible conductor when cutting. The distance of the shortest connection between a fuse conductor cut without current is ≥ 4 mm. In the event of an arc switch-off, the distance is extended due to the fusible conductor erosion. Measures to extend the sliding distance can be provided on the blade. The blade can form an insulating gap with a fixed or deformable counterpart.
Bei aktiver Abschaltung kann sich der Lichtbogen aus dem Schneidbereich in den Bereich mit Löschmittel recht schnell verlängern. Die Druckentwicklung und somit die Gehäusebelastung im Schneidbereich ist daher gering. Bei passiver Funktion ist das hohe Löschvermögen durch die Engstellen in den beiden Bereichen mit Löschmittel, zum Beispiel verdichteter Quarzsand, gewährleistet.When the shutdown is active, the arc can extend quite quickly from the cutting area into the area with extinguishing agent. The pressure development and thus the housing load in the cutting area is therefore low. With passive function, the high extinguishing capacity is guaranteed by the narrow areas in the two areas with extinguishing agent, for example compacted quartz sand.
Das Material der zusätzlichen Engstelle im Schneidbereich steht für eine Verlängerung des Lichtbogens zur Verfügung. Durch die Materialwahl der Klinge und der Isolationsstege oder Stegwände kann auch in diesem Bereich eine vergleichsweise gute Kühlung des Lichtbogens realisiert werden.The material of the additional constriction in the cutting area is available to extend the arc. Through the choice of material for the blade and the insulation webs or web walls, comparatively good cooling of the arc can also be achieved in this area.
Durch die platzsparende Ausführung und die geringe Beeinflussung des passiven Sicherungsverhaltens können geringe Baugrößen realisiert werden. Die Schmelzleiterführung und die Impedanz unterscheiden sich nicht von üblichen Sicherungen, wodurch der Spannungsabfall bei Impulsströmen begrenzbar ist. Durch das passive Verhalten der zusätzlichen Engstelle bei Kurzschluss kann die Spannungshöhe der Sicherung begrenzt werden und es ist möglich, den Schutzpegel des Ableiters einzuhalten.Small sizes can be achieved thanks to the space-saving design and the low influence on the passive safety behavior. The fuse conductor routing and the impedance do not differ from conventional fuses, which means that the voltage drop in pulse currents can be limited. Due to the passive behavior of the additional bottleneck in the event of a short circuit, the voltage level of the fuse can be limited and it is possible to maintain the protection level of the arrester.
Durch die Möglichkeit der schnellen Verlängerung des Lichtbogens beim Schneiden nur einer Engstelle in dem Bereich mit verdichtetem Löschmittel oder sogenannten "Stone-Sand", kann die Sicherung auch bei hohen Kurzschlussströmen angesteuert werden, wodurch sowohl eine passive als auch aktive Funktionsweise gewährleistet ist.Due to the possibility of quickly extending the arc when cutting just one bottleneck in the area with compacted extinguishing agent or so-called "stone sand", the fuse can be activated even with high short-circuit currents, which ensures both passive and active functionality.
Obiges gestattet bei einer Auftrennung von nur einer Engstelle die Aktivierung der Sicherung bereits bei hohen Strömen mit virtuellen Schmelzzeiten < 10 ms. Somit kann die Sicherung praktisch im stromfreien Zustand, bei kleinen Strömen weit unterhalb der Nennstromstärke und selbst bei hohen Fehlerströmen im kA-Bereich bereits nach einer geringen Zeit unterbrochen werden. Ebenso kann eine nahezu beliebige Zeit/Strom-Kennlinie entsprechend der jeweiligen Anforderungen realisiert werden.If only one bottleneck is separated, the above allows the fuse to be activated even at high currents with virtual melting times < 10 ms. This means that the fuse can be interrupted after a short time in a practically de-energized state, with small currents well below the rated current and even with high residual currents in the kA range. Likewise, almost any time/current characteristic curve can be implemented according to the respective requirements.
Bei einer Ausführungsvariante mit mehreren Schmelzleitern besteht die Möglichkeit, die Schmelzleiter gleichzeitig mit höherem Kraftaufwand oder nacheinander mit geringerem Kraftaufwand mit einem einzigen Aktor zu trennen. Die Bewegungsrichtung kann dabei gerade oder aber auch kreis- oder exzenterförmig sein. Ebenso können die Klingen dieser Bewegungsart entsprechend unterschiedlich ausgestaltet werden.In an embodiment variant with several fusible conductors, it is possible to separate the fusible conductors simultaneously with greater effort or one after the other with less effort using a single actuator. The direction of movement can be straight or circular or eccentric. The blades can also be designed differently to suit this type of movement.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Schmelzleiter mit jeweils einer Klinge und einem Aktor separat zu trennen. Dies erlaubt auch eine gegenläufige bzw. überlappende Bewegung der Klinge, wobei die Klingen gleichzeitig der Spaltbildung dienen können.Alternatively, it is possible to separate the fusible conductors separately, each with a blade and an actuator. This also allows the blade to move in opposite directions or overlapping, whereby the blades can also serve to form gaps.
Um bei Bedarf eine rasche Abschaltung zu realisieren, wird ein geeigneter Aktor nebst schneller Fehlererfassung realisiert.In order to implement a quick shutdown if necessary, a suitable actuator is implemented along with rapid error detection.
Zur Vermeidung von sprengstoffrelevanten Zündeinrichtungen oder Gasgeneratoren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen einfachen Anzünder, das heißt einen sogenannten Brückenzünder, ohne eigene Sprengkraft zu nutzen. Um trotzdem eine hinreichende Kraftwirkung zu erzielen, wird die Druckwelle, welche bei der Zündung entsteht, nach Art eines Kolben-/Zylinderprinzips genutzt, um die mechanische oder geometrische Engstelle des oder der Schmelzleiter zu zertrennen.In order to avoid ignition devices or gas generators relevant to explosives, the invention proposes using a simple igniter, that is, a so-called bridge igniter, without its own explosive power. In order to still achieve a sufficient force effect, the pressure wave that arises during ignition is used in the manner of a piston/cylinder principle to separate the mechanical or geometric bottleneck of the fusible conductor or conductors.
Hierfür kann beispielsweise der Klingenschaft selbst im Kolben geführt werden bzw. mit dem Kolben verbunden sein oder an einem im Kolben geführten Projektil befestigt werden.For this purpose, for example, the blade shaft itself can be guided in the piston or connected to the piston or attached to a projectile guided in the piston.
Die Klinge kann insofern sehr dicht am Schmelzleiter angeordnet sein. Es ist jedoch auch eine Distanz zur Erhöhung des Impulses der Klinge bei ausreichendem Platz oder außerhalb liegenden Antrieb wählbar. Kolben aber auch Klinge können bevorzugt zusätzlich geführt werden. Das erwähnte Projektil sitzt lose im Kolben. Im Kolbenhohlraum befindet sich ein Anzünder bzw. Brückenzünder, welcher den Kolbenhohlraum ausfüllt. Der Hohlraum ist gegenüber dem Projektil über eine Strecke in Bewegungsrichtung abgedichtet, welche mindestens den Bewegungsweg bis zum Durchtrennen des oder der Schmelzleiter entspricht. Somit ist gewährleistet, dass die Abdichtung zu dem Projektil im Kolben erst nach dem Zertrennen der Engstelle aufgehoben wird.The blade can therefore be arranged very close to the fusible conductor. However, a distance can also be selected to increase the impulse of the blade if there is sufficient space or the drive is located outside. The piston and also the blade can preferably be additionally guided. The mentioned projectile sits loosely in the butt. In the piston cavity there is an igniter or bridge igniter, which fills the piston cavity. The cavity is sealed from the projectile over a distance in the direction of movement, which corresponds at least to the movement path until the fusible conductor or conductors are severed. This ensures that the seal to the projectile in the piston is only removed after the bottleneck has been severed.
Die Sicherungsschmelzleiter sind, wie bei passiven Sicherungen üblich, bevorzugt starr mit einer Unterkappe und einer Endkappe am Sicherungsgehäuse befestigt. Die beidseitige Abschottung des Schneidbereiches von dem Löschmittelbereich dient als zusätzliche Führung der Schmelzleiter im engen Schneidbereich.As is usual with passive fuses, the fuse fuse conductors are preferably rigidly attached to the fuse housing with a bottom cap and an end cap. The isolation of the cutting area from the extinguishing agent area on both sides serves as additional guidance for the fusible conductors in the narrow cutting area.
Die Führung in den Durchführungen der Abschottungsplatten ist dabei so gestaltet, dass der oder die Schmelzleiter bei Querlage zur Klinge sich beim Auftreffen der Klinge leicht in Richtung der Klingenbewegung deformieren dürfen. Es hat sich gezeigt, dass diese leichte Deformierung einen geringeren Kraftaufwand benötigt, als eine starre Schmelzleiterführung. Beim Trennen der Schmelzleiter werden diese zwischen der Abschottung und der Klinge beidseitig gebogen. Alternativ ist auch eine Ausstanzung bei entsprechender Klingengestaltung und notwendigen Krafteinwirkungen möglich.The guide in the bushings of the sealing plates is designed in such a way that the fusible conductor or conductors, when positioned transversely to the blade, are allowed to deform slightly in the direction of the blade movement when the blade hits it. It has been shown that this slight deformation requires less effort than a rigid fuse conductor guide. When separating the fusible conductors are bent on both sides between the insulation and the blade. Alternatively, punching is also possible with appropriate blade design and necessary force.
Die Kraftwirkung des Aktors beruht im Wesentlichen auf der thermischen Ausdehnung des vom Brückenzünder umgebenden Gases. Diese minimal erhitzte Gasmenge kann sich nach dem Öffnen des Kolbens innerhalb eines sehr kleinen Volumens, also gegebenenfalls direkt im Schneidbereich, problemlos entspannen, so dass keine Verstärkung des Sicherungsgehäuses, der Kappen oder eine Entlüftung oder ähnliches vorgesehen werden muss.The force effect of the actuator is essentially based on the thermal expansion of the gas surrounding the bridge igniter. After opening the piston, this minimally heated amount of gas can easily relax within a very small volume, i.e. possibly directly in the cutting area, so that no reinforcement of the fuse housing, the caps or a vent or similar need to be provided.
Sind in der Schutzkonzeption für das eingesetzte Überspannungsschutzgerät bzw. den angeschlossenen Verbrauchern längere Abschaltzeiten hinreichend, können auch Aktoren mit langsameren Reaktionszeiten verwendet werden. Beispielsweise sind hier Formgedächtnislegierungen oder andere volumenändernde Materialien denkbar. Die höchsten Anforderungen an eine Abstimmung zwischen benötigter Kraft zum Zerschneiden oder Zertrennen einer Engstelle sind gebunden an die erforderliche Impulsstromtragfähigkeit, bei welcher keine Auftrennung des Sicherungsschmelzleiters bewirkt werden soll.If longer switch-off times are sufficient in the protection concept for the surge protection device used or the connected consumers, actuators with slower response times can also be used. For example, shape memory alloys or other volume-changing materials are conceivable here. The highest requirements for coordination between the force required to cut or separate a bottleneck are tied to the required pulse current carrying capacity, at which no separation of the fuse fuse element should be caused.
Die Belastungen bei Ableitern auf Varistorbasis sind gegenüber einem Blitzstoßstromableiter auf der Basis von Funkenstrecken geringer. Im Allgemeinen wird bei Blitzableitern von einer maximalen Belastung mit 100 kA 10/350 µs ausgegangen. Bei üblichen Wechselstromnetzen bedeutet dies für die einzelne Funkenstrecke eine Belastung mit 25 kA 10/350 µs. Der Schmelzleiter einer Sicherung sollte bei der beschriebenen Anwendung der obigen Anforderung genügen. Dies betrifft sowohl die üblichen elektrischen Engstellen als auch die beschriebene, zusätzliche mechanische oder geometrische Engstelle.The loads on varistor-based arresters are lower than on lightning surge current arresters based on spark gaps. In general, a maximum load of 100
Bei einer üblichen NH-Sicherung entspricht diese Anforderung ca. einer Sicherung mit einer Nennstromstärke von 315 A. Bezüglich der Nennspannung der Sicherung wird häufig eine Spannung im Bereich der verketteten Spannung des Netzes, in denen die Ableiter eingesetzt werden, gewählt. Damit sollte die Sicherung in einem üblichen 230/400 Volt-Netz für eine Spannung von 400 Volt geeignet sein. Die Ableitervorsicherung erzeugt bei einer Abschaltung keine Lichtbogenspannung, welche oberhalb des Schutzpegels des Ableiters liegt. Bei einer Gestaltung der Engstellen von NH-Sicherungen kann pro Engstelle mit einer Spannung von ca. 300 Volt gerechnet werden. Aus diesen Anforderungen ergibt sich eine Anzahl von minimal drei und maximal fünf üblicher bekannter Engstellen für eine solche Sicherung, wodurch ein üblicher Schutzpegel von ca. 1,5 kV im Allgemeinen nicht überschritten wird.For a standard NH fuse, this requirement corresponds approximately to a fuse with a rated current of 315 A. With regard to the rated voltage of the fuse, a voltage in the range of the line-to-line voltage of the network in which the arresters are used is often selected. This means that the fuse should be suitable for a voltage of 400 volts in a standard 230/400 volt network. When the arrester is switched off, the arrester back-up fuse does not generate an arc voltage that is above the protection level of the arrester. When designing the bottlenecks of NH fuses, one can be used for each bottleneck A voltage of approx. 300 volts can be expected. These requirements result in a minimum of three and a maximum of five known known bottlenecks for such a fuse, which means that a typical protection level of approx. 1.5 kV is generally not exceeded.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösungsvariante geht von einer ansteuerbaren Sicherung, insbesondere für die Anwendung als Ableitervorsicherung aus, wobei bei dieser Variante ein definiertes Zerreißen eines Sicherungsschmelzleiters unter Nutzung einer speziellen, zusätzlichen Engstelle erfolgt.A further solution variant according to the invention is based on a controllable fuse, in particular for use as an arrester backup fuse, with this variant causing a defined tearing of a fuse fuse conductor using a special, additional bottleneck.
Es zielt also dieser Ansatz auf eine platzsparende und kostengünstige Ausführungsform einer triggerbaren Sicherung, welche auf dem definierten Zerreißen einer speziellen zusätzlichen Engstelle eines Sicherungsschmelzleiters im Löschmedium nach Aktivieren eines Auslösers beruht. Die übrigen Eigenschaften einer ansonsten passiv voll funktionsfähigen Sicherung werden nicht beeinträchtigt. Die Besonderheiten dieses Lösungsansatzes liegen in der Einfachheit des Auslösers und der Abstimmung der zusätzlichen, geometrischen Engstelle zu den klassischen, bekannten Sicherungsengstellen.This approach is therefore aimed at a space-saving and cost-effective embodiment of a triggerable fuse, which is based on the defined tearing of a special additional bottleneck of a fuse fuse element in the extinguishing medium after activating a trigger. The remaining properties of an otherwise passive, fully functional backup are not affected. The special features of this solution approach lie in the simplicity of the trigger and the coordination of the additional, geometric bottlenecks with the classic, well-known safety bottlenecks.
Beim Ausüben von Zugkräften an einem oder mehreren Schmelzleitern werden alle vorhandenen Engstellen, das heißt das gesamte Schmelzleiterband und die Befestigung des Bandes gedehnt. Die Dehnlänge kann bei Schmelzleitern von 5-8 cm Länge leicht mehrere Millimeter bis zum Reißen insbesondere bei Kupferschmelzleitern betragen.When tensile forces are exerted on one or more fusible conductors, all existing bottlenecks, i.e. the entire fusible conductor band and the fastening of the band, are stretched. For fusible conductors with a length of 5-8 cm, the stretch length can easily be several millimeters until they break, especially for copper fusible conductors.
Soll eine Trennstrecke von ca. 3 mm geschaffen werden, kann der notwendige Hubweg bereits deutlich über 10 mm liegen, was zu einer unerwünschten Vergrößerung eines solchen Bauelementes führt.If a separation distance of approx. 3 mm is to be created, the necessary stroke distance can already be well over 10 mm, which leads to an undesirable increase in the size of such a component.
Um die Dehnung zu begrenzen, besteht die Möglichkeit, den Schmelzleiter partiell gegenüber dem Gehäuse oder dem Löschmittel (Sand) zu fixieren. Alternativ besteht die Möglichkeit, das Löschmittel partiell zu verfestigen.In order to limit the expansion, it is possible to partially fix the fusible conductor in relation to the housing or the extinguishing agent (sand). Alternatively, it is possible to partially solidify the extinguishing agent.
Im Unterschied zu den vorstehend erläuterten Maßnahmen erfolgt gemäß der erfindungsgemäßen Lehre die Dehnung am Schmelzleiter überwiegend an einer zusätzlichen mechanischen, das heißt geometrischen Sollbruchstelle.In contrast to the measures explained above, according to the teaching according to the invention, the expansion of the fusible conductor occurs predominantly at an additional mechanical, i.e. geometric, predetermined breaking point.
Die gesamte Verlängerung liegt daher nur wenig über der notwendigen Reißdehnung der Sollbruchengstelle und der angestrebten Trennstrecke.The entire extension is therefore only slightly above the necessary elongation at break of the predetermined breaking point and the desired separation distance.
Die zusätzliche mechanische Sollbruchstelle, auch als Zugengstelle bezeichnet, ist in Verbindung mit den bekannten elektrischen Engstellen abzustimmen und zu dimensionieren.The additional mechanical predetermined breaking point, also known as a tension point, must be coordinated and dimensioned in conjunction with the known electrical bottlenecks.
Damit die mechanische Engstelle eine deutlich geringere Zugfestigkeit besitzt, ist der Querschnitt dieser geringer als derjenige der elektrisch relevanten Engstellen. Somit ist jedoch sicherzustellen, dass trotz des geringeren Querschnittes bei gleicher Strombelastung die mechanische Engstelle nicht vor den elektrischen Engstellen bei allen Strombelastungen, auch transienten Belastungen, anspricht, sondern zeitverzögert bzw. bei höheren Belastungen.So that the mechanical bottleneck has a significantly lower tensile strength, the cross section of this is smaller than that of the electrically relevant bottlenecks. However, it must be ensured that despite the smaller cross-section with the same current load, the mechanical bottleneck does not respond before the electrical bottlenecks under all current loads, including transient loads, but rather with a time delay or at higher loads.
Die diesbezügliche Ausführungsform der Erfindung beruht also auf einem oder mehreren parallelen Sicherungsschmelzleitern in einem Löschmedium. Die Schmelzleiter besitzen mehrere konventionelle Engstellen in Reihe, deren Anzahl einer üblichen Auslegung für die entsprechende Nennspannung der Sicherung entspricht.The relevant embodiment of the invention is therefore based on one or more parallel fuse fuses in an extinguishing medium. The fuse conductors have several conventional constrictions in series, the number of which corresponds to a usual design for the corresponding nominal voltage of the fuse.
Gemäß üblichen NH-Sicherungen erstrecken sich die Schmelzleiter vorwiegend geradlinig axial durch den Sicherungskörper. Der oder die Schmelzleiter verfügen bevorzugt zwischen den erwähnten bekannten Engstellen über mindestens eine weitere, spezielle Engstelle, die durch einen Aktor zerrissen werden kann.According to conventional NH fuses, the fusible conductors extend primarily in a straight line axially through the fuse body. The fusible conductor or conductors preferably have at least one further, special narrow point between the known constrictions mentioned, which can be torn by an actuator.
Der eingesetzte Aktor bedingt des Weiteren eine definierte Verlängerung des unterbrochenen Schmelzleiters. Die entstehende Gesamt-Trennstrecke realisiert eine Spannungsfestigkeit von mindestens 2,5 kV.The actuator used also requires a defined extension of the interrupted fusible conductor. The resulting total isolating distance achieves a dielectric strength of at least 2.5 kV.
Die zusätzliche Engstelle unterscheidet sich von den üblichen Engstellen durch die nachstehenden Merkmale.The additional bottleneck differs from the usual bottlenecks in the following features.
Die zusätzliche, mechanische oder geometrische Engstelle besitzt einen Restquerschnitt, welcher deutlich geringer ist, als der der üblichen Engstellen. Der Schmelzintegralwert der Engstelle ist im Zeitraum von transienten Impulsstrombelastungen, insbesondere der Stromimpulsform 8/20 µs und 10/350 µs, gleich oder sogar größer als derjenigen der üblichen bekannten Engstellen.The additional mechanical or geometric bottleneck has a residual cross-section that is significantly smaller than that of the usual bottlenecks. The melting integral value of the constriction is equal to or even greater than that of the usual known constrictions during the period of transient pulse current loads, in particular the
Darüber hinaus ist die mechanische Festigkeit gegenüber der Kraftrichtung des Aktors deutlich kleiner als die mechanische Festigkeit der übrigen, bekannten Engstellen.In addition, the mechanical strength relative to the direction of force of the actuator is significantly smaller than the mechanical strength of the other known bottlenecks.
Die Kraft des Aktors wirkt insofern nahezu nur auf die erfindungsgemäße, zusätzliche Engstelle. Die Dehnung der üblichen, bekannten Engstellen infolge der Krafteinwirkung des Aktors ist vernachlässigbar.The force of the actuator therefore acts almost exclusively on the additional bottleneck according to the invention. The expansion of the usual, well-known bottlenecks as a result of the force exerted by the actuator is negligible.
Die mechanische Engstelle wird gegenüber den elektrischen Engstellen so gestaltet, dass diese bei netzfrequenten Belastungen im Allgemeinen nicht mit anspricht. Der Bereich der Engstelle steht jedoch der Verlängerung der Lichtbögen von den normalen Engstellen zur Verfügung.The mechanical bottleneck is designed in comparison to the electrical bottlenecks in such a way that it generally does not respond to mains frequency loads. However, the area of the bottleneck is available for extending the arcs from the normal bottlenecks.
Die mechanische Engstelle ist also von ihren Abmessungen her deutlich kleiner ausgeführt als die bekannten Engstellen. Bei bandförmigen Schmelzleitern ist die Engstelle so gestaltet, dass auch bei steilen Stromanstiegen eine ungleichmäßige Stromverteilung weitestgehend vermieden werden kann. Die Engstelle wird hierzu idealerweise als beidseitige Verjüngung des Bandes über die vollständige Breite mit einer Länge < 500 µm, optimal < 100 µm ausgeführt. Bei einer solchen Ausgestaltung mit üblichen Ausstanzungen bzw. durchgängigen Ausnehmungen sind diese so realisiert, dass die Ausnehmungen ähnlich kurz sind und die Breite der Ausnehmungen die Länge nicht über das Doppelte überschreiten.The dimensions of the mechanical bottleneck are therefore significantly smaller than the known bottlenecks. In band-shaped fusible conductors, the constriction is designed in such a way that uneven current distribution can be largely avoided, even with steep current increases. For this purpose, the bottleneck is ideally designed as a tapering of the band on both sides over the entire width with a length of < 500 µm, optimally < 100 µm. In such a design with usual punched outs or continuous recesses, these are realized in such a way that the recesses are similarly short and the width of the recesses does not exceed twice the length.
Prinzipiell sind auch weitere Gestaltungsvarianten möglich. Ziel der vorgeschlagenen Maßnahmen ist eine möglichst gleichmäßige Stromdichteverteilung im Schmelzleiter und den Engstellen selbst bei Impulsstrombelastung bei einer sehr guten und nahezu verzugsfreien Wärmeableitung aus dem Bereich der geometrischen Engstelle.In principle, other design variants are also possible. The aim of the proposed measures is to ensure that the current density distribution in the fusible conductor and the constrictions is as uniform as possible, even under pulse current loads, with very good and almost distortion-free heat dissipation from the area of the geometric constriction.
Vorstehendes sichert selbst bei raschen Stromimpulsbelastungen bis < 1 ms einen geringeren Temperaturanstieg innerhalb der mechanischen Engstelle mit geringerem Querschnitt als in den üblichen elektrischen Engstellen mit höherem Querschnitt.The above ensures, even with rapid current pulse loads of up to <1 ms, a lower temperature increase within the mechanical constriction with a smaller cross-section than in the usual electrical constrictions with a higher cross-section.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Grundanordnung, bestehend aus Erfassungs- und Bewertungseinheit, Ansteuerung, Energieversorgung und triggerbarer Sicherung; -
Fig. 2 einen beispielhaften Aufbau einer triggerbaren Sicherung im Schnitt; -
Fig. 3 eine beispielhafte Zeit/Strom-Kennlinie einer erfindungsgemäßen triggerbaren Sicherung; -
Fig. 4 einen beispielhaften Schmelzleiter für eine Kapselsicherung mit Engstellen, welche zur Erzielung kurzer Schmelzzeiten bei kleinen Überströmen länger als bekannte, übliche Engstellen ausgestaltet sind; -
Fig. 5 eine Bauform mit nicht geradlinigem Schmelzleiter, sondern mit einer winkeligen Führung des Schmelzleiters mit den Anschlüssen A und B; -
Fig. 6 eine prinzipielle Anordnung mit zwei Schmelzleitern und gegenläufigen Klingen mit jeweils einem Aktor; -
Fig. 7 einen Teilbereich der Anordnung gemäßFig. 2 nach einer Trennung ohne Lichtbogeneinwirkung; -
Fig. 8a eine Anordnung, bei welcher die Schmelzleiter gleichzeitig und quer geschnitten werden; -
Fig. 8b eine Darstellung des gleichzeitigen Schneidens der Schmelzleiter mit vertikaler Ausrichtung zum Schmelzleiter; -
Fig. 9 ein Schneidelement mit zwei versetzten Klingen im Querschnitt, welches das Schneiden von zwei Schmelzleitern quer mit kurzem Hubweg ermöglicht; -
Fig. 10 jeweils Klinge und Aktor zum Schneiden eines Schmelzleiters mit kurzen Hubwegen und gegenläufiger Bewegung der Klingen; -
Fig. 11 ein Schneidelement mit zwei Klingen und rotatorischer Bewegung, welche durch eine entsprechende Führung und nur einem Aktor erzwungen werden kann; -
Fig. 12 eine Ausführungsform, bei welcher ein weiterer Sicherungsschmelzleiter, welcher beispielsweise drahtförmig ausgeführt werden kann, durch die Trenneinrichtung nicht unterbrochen wird; -
Fig. 13 eine Alternative zu einem Draht mit einem Schmelzleiter auf einem Träger; -
Fig. 14 eine Schneidanordnung parallel zu einer Hörnerfunkenstrecke, welche mit einem Sicherungsdraht geringer Nennstromstärke kurzgeschlossen ist, und wobei beim Durchtrennen des Hauptschmelzleiters der Strom auf den Sicherungsdraht kommutiert, welcher die Hörnerfunkenstrecke zündet, die dann den Strom in einer Löschkammer löscht; -
Fig. 15 eine Weiterbildung einer Schneid- und Trennklinge; -
Fig. 16 eine Anordnung mit einem Aktor mit kurzem, jedoch variablen Hubweg; -
Fig. 17 einen Schmelzleiter mit bekannten Engstellen in Form von länglichen Ausnehmungen, wobei zwischen den bekannten Engstellen ein Bereich mit unvermindertem Querschnitt vorgesehen ist und innerhalb dieses Bereiches eine Zusatzengstelle in Form mehrerer rautenförmiger Ausnehmungen mit kurzer Gesamtlänge ausgeführt ist; -
Fig. 18 einen Schmelzleiter für eine Kapselsicherung mit Engstellen, welche zur Erzielung kurzer Schmelzzeiten bei kleinen Überströmen anders gestaltet sind als übliche, bekannte Engstellen; -
Fig. 19 eine Ausführungsform, bei welcher zwischen üblichen, bekannten Engstellen die erfindungsgemäße zusätzliche mechanische Engstelle 4 eingebracht ist; -
Fig. 20a-c verschiedene Gestaltungsvarianten der zusätzlichen, erfindungsgemäßen mechanischen Engstelle; -
Fig. 21a undb ein beispielhafter Aufbau einer NH-Sicherung in Kapselbauform (ausschnittsweise) mit A im Normalzustand und B ausgelöst; -
Fig. 22a undb eine Ausführungsform für eine Verwendung von Formgedächtnislegierungen mit spezieller Nutzung der Zugkraft; -
Fig. 23 eine Ausführungsform, bei der die Zugkraft an einer Lotstelle wirkt, welche beispielsweise durch eine Reaktionsfolie mit exothermer Reaktion innerhalb kürzester Zeit, das heißt im Millisekunden-Bereich, gelöst werden kann.
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Fig. 1 a block diagram of a basic arrangement, consisting of a detection and evaluation unit, control, energy supply and triggerable fuse; -
Fig. 2 an exemplary structure of a triggerable fuse in section; -
Fig. 3 an exemplary time/current characteristic of a triggerable fuse according to the invention; -
Fig. 4 an exemplary fusible conductor for a capsule fuse with constrictions, which are designed to be longer than known, usual constrictions in order to achieve short melting times with small overcurrents; -
Fig. 5 a design with a not rectilinear fusible conductor, but with an angled guide of the fusible conductor with connections A and B; -
Fig. 6 a basic arrangement with two fusible conductors and opposing blades, each with an actuator; -
Fig. 7 a portion of the arrangementFig. 2 after a separation without arc exposure; -
Fig. 8a an arrangement in which the fusible conductors are cut simultaneously and transversely; -
Fig. 8b a representation of the simultaneous cutting of the fusible conductors with vertical orientation to the fusible conductor; -
Fig. 9 a cutting element with two offset blades in cross section, which enables the cutting of two fusible conductors transversely with a short stroke; -
Fig. 10 Each blade and actuator for cutting a fusible conductor with short strokes and opposite movement of the blades; -
Fig. 11 a cutting element with two blades and rotational movement, which can be enforced by an appropriate guide and only one actuator; -
Fig. 12 an embodiment in which a further fuse fuse conductor, which can be designed in the form of a wire, for example, is not interrupted by the separating device; -
Fig. 13 an alternative to a wire with a fusible conductor on a support; -
Fig. 14 a cutting arrangement parallel to a horn spark gap, which is short-circuited with a fuse wire of low nominal current, and wherein when the main fusible conductor is severed, the current commutates to the fuse wire, which ignites the horn spark gap, which then extinguishes the current in a quenching chamber; -
Fig. 15 a further development of a cutting and separating blade; -
Fig. 16 an arrangement with an actuator with a short but variable stroke path; -
Fig. 17 a fusible conductor with known constrictions in the form of elongated recesses, an area with an undiminished cross-section being provided between the known constrictions and an additional constriction in the form of several diamond-shaped recesses with a short overall length being designed within this area; -
Fig. 18 a fuse conductor for a capsule fuse with constrictions, which are designed differently than usual, known constrictions to achieve short melting times with small overcurrents; -
Fig. 19 an embodiment in which the additionalmechanical bottleneck 4 according to the invention is introduced between usual, known bottlenecks; -
Fig. 20a-c different design variants of the additional mechanical bottleneck according to the invention; -
Fig. 21a andb an exemplary structure of an NH fuse in capsule design (partial) with A in the normal state and B triggered; -
Fig. 22a andb an embodiment for using shape memory alloys with special use of tensile force; -
Fig. 23 an embodiment in which the tensile force acts on a soldering point, which can be solved, for example, by a reaction film with an exothermic reaction within a very short time, that is to say in the millisecond range.
Die
Die Ansteuereinheit 2 weist einen zusätzlichen externen Steuereingang 5 auf.The
Die Erfassungs- und Bewertungseinheit 1 besitzt mehrere Messeingänge 8 und einen Eingang zur Strommessung 6 sowie zur Spannungsmessung 7.The detection and
An die Eingänge 8 können weitere Sensoren angeschlossen werden.Additional sensors can be connected to
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen Kommunikationseingang für externe Messeinrichtungen vorzusehen.It is also possible to provide a communication input for external measuring devices.
Die Signalabgabe zur Sicherung 4 kann leitungsgebunden aber auch kabellos bei separater Versorgung der Zündeinrichtung (Brückenzünder) erfolgen.The signal to the
Die
Diese Darstellung entspricht bezogen auf die Sicherung dem klassischen Aufbau bekannter NH-Sicherungen mit einem Löschmittel in Form von Quarzsand und einen ergänzenden Bereich zur Aktivierung eines Brückenzünders 14.In terms of the fuse, this representation corresponds to the classic structure of known NH fuses with an extinguishing agent in the form of quartz sand and an additional area for activating a
Die erfindungsgemäße Sicherung 4 weist zwei Anschlusskappen 9, zwei Schmelzleiter 10, zwei Bereiche 11 mit einem Löschmittel, zum Beispiel Quarzsand, und ein löschmittelfreien Bereich 12 auf. In dem löschmittelfreien Bereich 12 kann eine Schneidklinke 13 zur Trennung der Schmelzleiter 10 eingebracht werden.The
Die Schneidklinge 13 wird bei Aktivierung des Brückenzünders 14 in Richtung der Schmelzleiter 10 beschleunigt und durchtrennt diesen.When the
Im Bewegungsweg der Schneidklinge 13 kann im löschmittelfreien Bereich ein Stoppbereich vorgesehen sein. Dieser Stoppbereich dient der Dämpfung des Aufpralles und somit dem Schutz der Gehäusewand sowie der Klinge. Zusätzlich kann dieser Bereich zur spaltartigen Lichtbogenabschnürung genutzt werden. Der Stoppbereich kann beispielsweise durch einen weichen bzw. elastischen oder porösen Kunststoff mit oder ohne Gasabgabe realisiert werden. Alternativ ist eine Dämpfung auch in einem sich verjüngenden, spaltartigen Bereich aus Isolationsmaterial möglich.A stop area can be provided in the area free of extinguishing agent in the path of movement of the
Die Aktivierung des Brückenzünders 14 erfolgt hierbei über Steuerleitungen 15, welche mit der Ansteuerung 2 (siehe
Der Brückenzünder 14 ist in einer Umhausung 16 befindlich, wobei die Umhausung 16 einen vom Brückenzünder 14 getriebenen Kolben 17 aufweist, welcher mit einem Trennelement 13 in Verbindung steht.The
Der löschmittelfreie Bereich 12 ist als zum Löschmittel 11 abgeschotteter Kanal ausgebildet. Der Kanal weist Seitenwände 18 auf, welche auch zur Führung des Trennelementes 13 dienen können.The extinguishing agent-
Die
Die Kennlinien sind aufgrund der Übersichtlichkeit vereinfacht nur im Zeitbereich von ca. 4 ms bis 10 s dargestellt. Ergänzend wurde der prinzipielle Verlauf im Zeitbereich bis ca. 4 ms dargestellt.For reasons of clarity, the characteristic curves are only shown in a simplified manner in the time range of approx. 4 ms to 10 s. In addition, the basic course in the time range up to approx. 4 ms was shown.
Die adiabatische Erwärmung von Schmelzleitern der gG-Sicherungen kann bis > 5 ms je nach Schmelzleitergestaltung betragen. Der passive Schmelzleiter der Sicherung A besitzt beispielsweise eine Nennstromstärke von ca. 315 A. Die Sicherung B besitzt eine deutlich niedrigere Nennstromstärke von 100 A, bei jedoch nahezu gleichem adiabatischen Schmelzintegral (I2t-Wert).The adiabatic heating of the fuse conductors of the gG fuses can be up to > 5 ms depending on the fuse conductor design. The passive fusible conductor of fuse A, for example, has a nominal current of approx. 315 A. Fuse B has a significantly lower nominal current of 100 A, but with almost the same adiabatic melting integral (I 2 t value).
Aufgrund dieses Wertes ist die Pulsstromtragfähigkeit, welche beispielsweise für die Anwendung in Kombination mit einem Überspannungsschutzgerät von Bedeutung ist, für beide Sicherungen vergleichbar. Um eine derartige Kennlinie zu erreichen, muss der Schmelzleiter B entsprechend gestaltet oder zusätzlich gealtert werden.Due to this value, the pulse current carrying capacity, which is important for use in combination with a surge protection device, for example, is comparable for both fuses. In order to achieve such a characteristic curve, the fusible conductor B must be designed accordingly or additionally aged.
Im adiabatischen Zeitbereich wird das Verhalten der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung durch das passive Schmelzverhalten des Schmelzleiters der Sicherung bestimmt.In the adiabatic time range, the behavior of the proposed protective device is determined by the passive melting behavior of the fuse's fuse conductor.
Bei kleineren Strömen und theoretisch längeren passiven Schmelzzeiten der jeweiligen Sicherung A oder B kann die Zeit bis zur aktiven Unterbrechung des Schmelzleiters beispielsweise von 10 ms bis zur passiven Schmelzzeit beliebig begrenzt werden. Die Zeit/Strom-Kennlinie kann somit unterhalb der passiven Zeit/Strom-Kennlinie der Sicherungen beliebig gestaltet sein. Somit ist in einem weiten Bereich auch die Einstellung von maximalen Stromflussdauern und maximalen Stromflusshöhen möglich. Der beispielhafte Bereich mit variabler Kennlinie wird durch die gestrichelten Linien unterhalb der passiven Kennlinien der Schmelzleiter A und B begrenzt. Hierdurch ist eine gute Anpassung an verschiedene Schutzaufgaben möglich.With smaller currents and theoretically longer passive melting times of the respective fuse A or B, the time until the fuse conductor is actively interrupted can be limited as desired, for example from 10 ms to the passive melting time. The time/current characteristic curve can therefore be designed in any way below the passive time/current characteristic curve of the fuses. This means that it is also possible to set maximum current flow durations and maximum current flow levels within a wide range. The exemplary area with a variable characteristic is limited by the dashed lines below the passive characteristics of the fusible conductors A and B. This makes it possible to adapt well to various protection tasks.
Die
Um optimale Löscheigenschaften bei einer einfachen Quarzsandfüllung als Löschmittel zu erreichen, ist bei hohen zu beherrschenden Impulsströmen und dem damit verbundenen hohen Metallanteil eine Aufteilung des Schmelzleiters in mehrere Schmelzleiter von Vorteil. Für die erfindungsgemäß relevanten Anforderungen sind zwei gleichgestaltete Schmelzleiter von Vorteil.In order to achieve optimal extinguishing properties with a simple quartz sand filling as an extinguishing agent, it is advantageous to divide the fusible conductor into several fusible conductors when the pulse currents have to be controlled and the associated high metal content is present. For the requirements relevant to the invention, two fusible conductors of the same design are advantageous.
Grundsätzlich kann die Baugröße, die Geometrie des Sicherungsgehäuses, die Anzahl der Schmelzleiter usw. beliebig variiert werden. Neben einer geraden Schmelzleiterführung und beidseitigem Anschluss an gegenüberliegende Stirnseiten können die Anschlüsse A und B selbstverständlich auch auf einer Seite des Gehäuses 6A gemäß
Neben Gehäusen aus Isolationsmaterial sind auch elektrisch leitende Gehäuse mit einer oder zwei isolierten Einführungen für den oder die Schmelzleiter realisierbar.In addition to housings made of insulating material, electrically conductive housings with one or two insulated entries for the fusible conductor or conductors can also be implemented.
Die Schmelzleitergestaltung kann auf Bänder, Drähte, Rohre oder dergleichen zurückgreifen.The fusible conductor design can use strips, wires, tubes or the like.
Die Führung der Schmelzleiter und die Positionierung der Anschlüsse sind so zu gestalten, dass bei einer Belastung mit transienten Impulsen die Kräfte, die Stromhöhen und insbesondere auch der Schutzpegel der Gesamtanordnung eingehalten wird. Der induktive Spannungsabfall an der Sicherungsanordnung ist auf Werte < 300 V, möglichst < 200 V bei Belastungen größer 25 kA zu beschränken. Zur Reduzierung der Induktivität besteht die Möglichkeit, die Schmelzleiterführung auch bifilar auszugestalten.The routing of the fusible conductors and the positioning of the connections must be designed in such a way that the forces, the current levels and, in particular, the protection level of the entire arrangement are maintained when exposed to transient pulses. The inductive voltage drop across the fuse arrangement must be limited to values < 300 V, if possible < 200 V for loads greater than 25 kA. To reduce the inductance, it is possible to design the fusible conductor guide in a bifilar manner.
Das Gehäuse dient dabei gleichzeitig als Anschluss A. Der weitere Anschluss B wird isoliert aus dem Gehäuse 6A herausgeführt. Die koaxiale Anordnung reduziert den induktiven Spannungsabfall.The housing also serves as connection A. The other connection B is led out of the
In der
Die
In
Gemäß
In
Die
Der Draht kann an den Hauptanschlüssen oder auch direkt oder indirekt an den Hauptschmelzleitern kontaktiert werden.The wire can be contacted at the main connections or directly or indirectly at the main fusible conductors.
Der Draht ist bevorzugt mit einem Löschmedium 14A umgeben. Im Fall der Unterbrechung des Hauptschmelzleiters kommutiert der Strom auf den Draht, wodurch eine Lichtbogenbildung im Schneidbereich weitestgehend vermeidbar ist und eine hohe Spannungsfestigkeit nach vollständiger Abtrennung realisierbar ist.The wire is preferably surrounded by an erasing medium 14A. If the main fusible element is interrupted, the current commutates to the wire, which means that arcing in the cutting area can be largely avoided and a high dielectric strength can be achieved after complete separation.
Die Unterbrechung erfolgt durch einen weiteren Schmelzleiter, welcher eine sehr geringe Nennstromstärke, insbesondere unterhalb der Nennstromstärke des Netzes, besitzt.The interruption occurs through another fusible conductor, which has a very low nominal current strength, in particular below the nominal current strength of the network.
Der beispielsweise drahtförmige Schmelzleiter 13A kann zeitversetzt gegebenenfalls mit der gleichen Schneide gegebenenfalls direkt oder indirekt unterbrochen werden, um einen Stromdurchgang bei 0 A zu ermöglichen. Ein indirektes Unterbrechen ist bei einer mechanischen Verschiebung oder Zerstörung eines Trägers auf oder durch den Draht möglich. Alternativ zu einem Draht ist es möglich, einen Schmelzleiter auf einem Träger 15A entsprechend
Die erläuterte Grundanordnung ist mit weiteren Modifikationen zur Unterbrechung von hohen Kurzschlussströmen geeignet.The basic arrangement explained is suitable, with further modifications, for interrupting high short-circuit currents.
Die Schneid- oder Trennanordnung gemäß der Erfindung kann sich parallel zu einer Hörnerfunkenstrecke 16A befinden, welche beispielsweise mit einem Sicherungsdraht 17A geringer Nennstromstärke kurzgeschlossen ist. Beim Durchtrennen des Hauptschmelzleiters kommutiert der Strom auf dem Sicherungsdraht 17A, welcher die Hörnerfunkenstrecke 16A zündet, die wiederum strombegrenzend den Strom in einer Löschkammer 18A löscht.The cutting or separating arrangement according to the invention can be located in parallel with a
Eine derartige Anordnung ist in der
Die Anforderungen bezüglich der Stromkommutierung und die Rückzündungsgefahr sind hier geringer als bei einer Parallelschaltung zu einer Sicherung kleiner Nennstromstärke. Möglich ist auch eine Zündung eines Lichtbogens direkt unterhalb des Einlaufbereiches oder auch direkt in einer Lichtbogenkammer. Die Anforderung bezüglich der Stromkommutierung und Rückzündung ist in diesem Fall bereits höher als bei der klassischen Hörnerfunkenstrecke, jedoch geringer als bei einer parallelen Sicherung einer Nennstromstärke. Bei derartigen Anordnungen kann auf die an die Schneideinrichtung angrenzenden löschmittelgefüllten Bereiche verzichtet werden, wodurch die Impedanz und der Platzbedarf im Hauptpfad reduziert ist.The requirements regarding current commutation and the risk of reignition are lower here than with a parallel connection to a fuse with a small nominal current. It is also possible to ignite an arc directly below the inlet area or directly in an arc chamber. In this case, the requirements regarding current commutation and restriking are already higher than with the classic horn spark gap, but lower than with a parallel fuse of a rated current. With such arrangements, the extinguishing agent-filled areas adjacent to the cutting device can be dispensed with, which reduces the impedance and the space requirement in the main path.
Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die Schneideinrichtung 4A sich direkt im Zündbereich einer Hörnerfunkenstrecke 16A befinden. Die Hörnerfunkenstrecke 16A wird dabei durch ein Sicherungsband 1A gegebenenfalls mit einer Engstelle oder definierten I2t-Wert kurzgeschlossen und befindet sich direkt im Hauptpfad.In a further embodiment, the
Das Sicherungsband kann hierbei außerhalb des Schneidbereiches zwischen den divergierenden Elektroden geführt sein.The securing tape can be guided outside the cutting area between the diverging electrodes.
Die Schneid- oder Trennklinge ist dabei so gestaltet, dass der Lichtbogen, welcher bei der Unterbrechung des Bandes entsteht, in Richtung der Löschkammer bewegt wird und in der Hörnerfunkenstrecke eine Isolationsstrecke entsprechend der gewünschten Spannungsfestigkeit gemäß
Hierzu wird die Klinge zumindest überwiegend aus Isolationsmaterial gefertigt oder in Isolationsmaterial gefasst bzw. eingebettet.For this purpose, the blade is at least predominantly made of insulating material or is held or embedded in insulating material.
Die Klinge wird nach dem Trennen des Schmelzleiters mehrere Millimeter weitergeführt, so dass die Distanz zwischen den geschnittenen Schmelzleiterresten größer 3 mm, jedoch bevorzugt mehr als 5 mm beträgt.After cutting the fusible conductor, the blade is moved forward for several millimeters, so that the distance between the cut fusible conductor remains is greater than 3 mm, but preferably more than 5 mm.
Die Klinge kann zudem seitlich neben den divergierenden Elektroden der Hörnerfunkenstrecke in Nuten 19A aus Isolationsmaterial geführt werden, wodurch ein seitlicher Lichtbogenüberschlag vermieden wird.The blade can also be guided laterally next to the diverging electrodes of the horn spark gap in grooves 19A made of insulating material, thereby avoiding a lateral arc flashover.
Neben der Aktivierung durch den Aktor 5A kann zudem vorgesehen werden, dass der Schmelzleiter thermisch aufgetrennt bzw. aus dem Bereich zwischen den beiden Elektroden so verschoben wird, dass eine Trennstrecke entsteht. Die Klinge kann hierbei zusätzlich mit einer mechanischen Vorspannung versehen sein, welche das Eindringen in den Bereich der divergierenden Elektroden auch ohne Aktivierung des Aktors erlaubt. Derartige Ausführungsformen sind aus dem Bereich der Abtrennvorrichtungen unter anderem für Varistoren bekannt.In addition to the activation by the
Die erläuterten Anordnungen und Ausführungsformen sind auch mit anderen internen oder externen Aktoren betätigbar.The arrangements and embodiments explained can also be actuated with other internal or external actuators.
Hier sind auch Anordnungen mit Federspeichern möglich.Arrangements with spring accumulators are also possible here.
Der Schmelzleiter 1A wird in diesem Fall quer in zwei Isolationsteilen 20A geführt, welche stanzenähnlich ausgebildet sind. Durch die Bewegung des Aktors ist es möglich, eine definierte Modulierung der Engstelle 3A des Schmelzleiters auch nach dem Einbau durchzuführen und somit die Kennlinie der Sicherung wahlweise zu verändern. Auch ist ein vollständiges Durchtrennen des Schmelzleiters bei entsprechender Höhe des Signals zum Aktor 5A möglich.In this case, the
Bei mehreren Schmelzleitern kann das Durchtrennen und Prägen der Engstelle durch mehrere Aktoren entsprechend der Schmelzleiteranzahl bzw. auch für mehrere Engstellen pro Schmelzleiter durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, baugleiche Sicherungen für verschiedene Anwendungen nach deren Fertigung zu modifizieren. Die Stanz- bzw. Prägeteile sind bevorzugt aus einem Material, welches die Lichtbogenlöschung unterstützt, zum Beispiel Keramik, Polymer oder ähnliches. Der Stanzbereich kann bei sehr feinen körnigen Löschmitteln zusätzlich vom Löschmittelbereich durch Isolationsplatten 9A abgeschottet werden. Bei dünneren Schmelzleitern 1A ist diese Abschottung bei entsprechender Körnung des Löschmittels nicht zwingend notwendig.If there are several fusible conductors, the constriction can be cut and embossed by several actuators according to the number of fusible conductors or for several constrictions per fusible conductor. This makes it possible to modify identical fuses for different applications after they have been manufactured. The stamped or embossed parts are preferably made of a material that supports arc extinction, for example Ceramic, polymer or similar. For very fine granular extinguishing agents, the punching area can also be sealed off from the extinguishing agent area by
Die Aktivierung der erfindungsgemäßen Sicherung hängt von den gewählten Aktoren ab. Beispielsweise kann die Aktivierung bei Formgedächtnislegierungen oder Brückenzündern über einen Strom erfolgen. Der Strom kann beispielsweise aus dem anliegenden Netz oder einem separaten Energiespeicher gewonnen werden. Bei Brückenzündern kann die geringe benötigte Energie auch galvanisch getrennt durch einen Übertrager bereitgestellt werden.The activation of the fuse according to the invention depends on the actuators selected. For example, activation of shape memory alloys or bridge detonators can take place via a current. The electricity can be obtained, for example, from the nearby network or a separate energy storage device. With bridge igniters, the small amount of energy required can also be provided galvanically isolated by a transformer.
Der Auslösegrad für die Aktivierung der Sicherung wird so gestaltet, dass eine Aktivierung mit Hilfe mehrerer Kriterien möglich ist. Hier können aktiv ansteuerbare Schalter genutzt werden, welche über eine interne Auswerteelektronik bzw. eine externe Steuermöglichkeit verfügen. Im einfachsten Fall können diese Schalter auch direkt auf physikalische Größen reagierende Mittel sein, welche parallel zum ansteuerbaren Schalter vorgesehen sind. Derartige Schalter können auf Grenzwerte oder Änderungen von Temperatur, Druck, Strom, Spannung, optische Signale, Volumen oder dergleichen oder deren Kombinationen reagieren. Als Schalter sind ebenso elektronische, mechanische, spannungsschaltende aber auch impedanzändernde Bauteile einsetzbar.The trigger level for activating the fuse is designed so that activation is possible using several criteria. Actively controllable switches can be used here, which have internal evaluation electronics or an external control option. In the simplest case, these switches can also be means that react directly to physical variables and are provided in parallel to the controllable switch. Such switches can react to limit values or changes in temperature, pressure, current, voltage, optical signals, volume or the like or combinations thereof. Electronic, mechanical, voltage-switching and also impedance-changing components can also be used as switches.
Die
Eine solche Gestaltung besitzt insbesondere bei der Nutzung der erfindungsgemäßen Sicherung im Querzweig den Vorteil, dass bei Kurzschlussbelastung keine zusätzliche Lichtbogenspannung durch eine zeitgleiche Lichtbogenentstehung bezüglich der zusätzlichen und der bekannten Engstellen verursacht wird, wodurch die Spannungsbelastung des zu schützenden Verbrauchers kontrollierbar bleibt.Such a design has the advantage, particularly when using the fuse according to the invention in the cross branch, that in the event of a short-circuit load, there is no additional arc voltage due to simultaneous arc formation with respect to the additional and the known ones Constrictions are caused, which means that the voltage load on the consumer to be protected remains controllable.
Die kurze Engstelle kann ohne nennenswerte Verlängerung des Schmelzleiters und ohne relevante Reduzierung des Materials des Schmelzleiters, welcher für eine kontrollierte Lichtbogenverlängerung notwendig ist, realisiert werden. Die Engstelle führt aufgrund der erläuterten Auslegung auch nicht zu einer zusätzlichen Druck- bzw. Temperaturbelastung des Sicherungsgehäuses.The short bottleneck can be implemented without any significant lengthening of the fusible conductor and without a relevant reduction in the material of the fusible conductor, which is necessary for controlled arc extension. Due to the explained design, the bottleneck does not lead to additional pressure or temperature stress on the fuse housing.
Die relativ mittige Position der zusätzlichen mechanischen Engstelle umgeben von Löschmedium, zum Beispiel üblichem Quarzsand, führt bei der Zerstörung der Engstelle zu einem vergleichsweise hohen Löschvermögen, da neben der guten Kühlung und der mechanischen Verlängerung auch eine beidseitige Verlängerung des Lichtbogens bis in den Bereich der normalen Engstellen durch Lichtbogenabbrand recht schnell erfolgen kann.The relatively central position of the additional mechanical constriction surrounded by extinguishing medium, for example common quartz sand, leads to a comparatively high extinguishing capacity when the constriction is destroyed, since in addition to the good cooling and the mechanical extension, the arc is also extended on both sides into the normal range Constrictions can occur quite quickly due to arc burn-off.
Grundsätzlich kann die mechanische Zug-Engstelle auch an anderen Positionen des Schmelzleiters, beispielsweise unmittelbar vor der ersten elektrischen Engstelle in Zugrichtung vom Aktor vorgesehen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die freie Schmelzleiterlänge im Löschmittel gefüllten Bereich entsprechend der gewünschten aktiv schaltbaren Kurzschlussströme gegebenenfalls verlängert werden muss. Die mechanische Engstelle muss demnach nicht zwingend mittig im Schmelzleiter befindlich sein.In principle, the mechanical pull constriction can also be provided at other positions of the fusible conductor, for example immediately in front of the first electrical constriction in the pull direction of the actuator. However, it should be noted that the free fusible conductor length in the area filled with extinguishing agent may need to be extended in accordance with the desired actively switchable short-circuit currents. The mechanical bottleneck therefore does not necessarily have to be located in the middle of the fusible conductor.
Vorstehendes gestattet es selbst bei der Auftrennung von nur einer Engstelle die Aktivierung der Sicherung bereits bei hohen Strömen mit virtuellen Schmelzzeiten < 10 ms. Somit kann die erfindungsgemäße Sicherung praktisch im stromfreien Zustand, bei kleinen Strömen weit unterhalb der Nennstromstärke und selbst hohe Fehlerströme im kA Ampere-Bereich nach geringerer Zeit unterbrechen. Auch kann eine nahezu beliebige Zeit/Strom-Kennlinie je nach Anforderung realisiert werden.The above allows the activation of the fuse even at high currents with virtual melting times < 10 ms, even if only one bottleneck is separated. The fuse according to the invention can therefore be interrupted practically in a current-free state, at small currents well below the rated current and even high fault currents in the kA ampere range after a short time. Almost any time/current characteristic curve can also be implemented depending on the requirements.
Alternativ zu einer freien Schmelzleiterführung und einer Zugwirkung auf den gesamten Schmelzleiter sind auch Zugentlastungen am Schmelzleiter bzw. die partielle Fixierung des Schmelzleiters im sogenannten "Stone-Sand" möglich. Damit kann die Kraft gezielt auf eine einzelne Engstelle gelenkt werden.As an alternative to a free fusible conductor guide and a tensile effect on the entire fusible conductor, strain relief on the fusible conductor or partial fixation of the fusible conductor in the so-called "stone sand" is also possible. This allows the force to be directed specifically to a single bottleneck.
Bei der Verwendung von groben bzw. kantigem Löschsand kann es sinnvoll sein, die üblichen, normalen elektrischen Engstellen zwischen Aktor und mechanischer Zug-Engstelle beispielsweise mit einer Isolationsfolie zu versehen, so dass die zusätzliche Reibung verringert wird.When using coarse or angular extinguishing sand, it may make sense to provide the usual, normal electrical bottlenecks between the actuator and the mechanical tension bottleneck with an insulating film, for example, so that the additional friction is reduced.
Die
Dies führt bereits zu einer vorteilhaften Absenkung der Nennstromstärke der Sicherung. Bei einer aktiven Sicherung erhöht sich die Dehnung dieser Engstellen bei einer Zugbelastung und die Anforderungen an die mechanische, zusätzliche Engstelle steigen. Um optimale Löscheigenschaften bei einer einfachen Quarzsandfüllung zu erzielen, ist bei hohen zu beherrschenden Pulsströmen und dem damit verbundenen hohen Metallanteil eine Aufteilung des Schmelzleiters in mehrere Schmelzleiter vorteilhaft. Von Vorteil sind hier zwei gleichgestaltete Schmelzleiter.This already leads to an advantageous reduction in the rated current of the fuse. With active securing, the expansion of these constrictions increases under a tensile load and the demands on the mechanical, additional constriction increase. In order to achieve optimal extinguishing properties with a simple quartz sand filling, it is advantageous to divide the fusible conductor into several fusible conductors when there are high pulse currents to be controlled and the associated high metal content. Two identically designed fusible conductors are an advantage here.
Die Länge der Engstelle ist um mindestens den Faktor 4, idealerweise jedoch größer 10 geringer ausgeführt als die Länge der üblichen, bekannten Engstellen.The length of the bottleneck is at least a factor of 4, but ideally greater than 10, less than the length of the usual, known bottlenecks.
Bei einer mechanischen Engstelle mit einer maximalen Länge von beispielsweise 500 µm sind die üblichen bekannten Engstellen länger als 4 mm. Bessere Verhältnisse ergeben sich bei einer Länge von < 150 µm zu Längen von > 2 mm bei üblichen, bekannten Engstellen.For a mechanical bottleneck with a maximum length of, for example, 500 µm, the usual known bottlenecks are longer than 4 mm. Better conditions result from a length of < 150 µm to lengths of > 2 mm for common, known bottlenecks.
Der Querschnitt der Engstelle gemäß der Erfindung ist mindestens um den Faktor 20 % kleiner, idealerweise mehr als 50 % kleiner als die normale Engstelle. Die üblichen, normalen Engstellen besitzen einen Modulationsgrad von ca. 2 zum unverminderten Querschnitt. Dieser relativ geringe Modulationsgrad ist aufgrund der notwendigen geringen Metallanteile bei kleinen Baugrößen sinnvoll.The cross section of the constriction according to the invention is at least a factor of 20% smaller, ideally more than 50% smaller than the normal constriction. The usual, normal bottlenecks have a degree of modulation of approx. 2 to the undiminished cross section. This relatively low degree of modulation makes sense in small sizes due to the small metal content required.
Für kleine Sicherungsbauformen wird aufgrund der Begrenzung des Verhältnisses Schmelzleitermaterial und Löschmedium für den Schmelzleiter üblicherweise aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen zurückgegriffen.For small fuse designs, due to the limitation of the ratio of fusible conductor material and extinguishing medium for the fusible conductor, copper or copper alloys are usually used.
Die benötigte Zugkraft der Engstellen zu deren Zerreißen beträgt höchstens 80 %, jedoch idealerweise < 60 % bezogen auf die Kräfte, die zu einem Zerreißen normaler Engstellen führen.The tensile force required to tear the bottlenecks is a maximum of 80%, but ideally < 60%, based on the forces that cause normal bottlenecks to tear.
Bis zum Zerreißen der mechanischen Engstelle erfolgt höchstens eine Dehnung des Gesamtschmelzleiters bei weichem Kupfer um 3 mm, bevorzugt kleiner 1 mm. Dies entspricht < 5 % der Gesamtlänge des Schmelzleiters.Until the mechanical constriction is torn, the overall fusible conductor for soft copper is stretched by at most 3 mm, preferably less than 1 mm. This corresponds to <5% of the total length of the fusible conductor.
Bei Kupfer wird zum Zerreißen der mechanischen Engstelle bei rautenförmiger Gestaltung eine Dehnung von ca. 40 % benötigt. Die üblichen Engstellen dehnen sich selbst bei einer Einzellänge von 4 mm hierbei in der Summe nur um < 8 %, der unverminderte Querschnitt des Schmelzleiters dehnt sich nur um einen Wert < 1 %. Bei kürzeren Engstellen kann die Dehnung noch stärker auf die mechanische Engstelle trotz Kraftwirkung auf die Gesamtlänge des Schmelzleiters beschränkt werden. Dies erlaubt auch bei ungünstigem Material eine vollständige Integration in eine übliche, kleine Sicherungsbaugröße.With copper, an elongation of approx. 40% is required to tear the mechanical bottleneck in a diamond-shaped design. The usual constrictions only expand by a total of <8%, even with an individual length of 4 mm, while the undiminished cross section of the fusible conductor only expands by a value of <1%. In the case of shorter constrictions, the expansion can be limited even more to the mechanical constriction despite the force acting on the total length of the fusible conductor. This allows complete integration into a standard, small fuse size, even with unfavorable materials.
Der mögliche Hubweg innerhalb der Sicherung wird mindestens auf den doppelten Weg begrenzt, welcher zum sicheren Zerreißen der mechanischen Engstelle benötigt wird und entsprechend ausgelegt. Der Weg kann jedoch zur Erzielung einer hinreichenden Spannungsfestigkeit auch länger ausgeführt werden.The possible stroke distance within the safety device is limited to at least twice the distance required to safely tear the mechanical bottleneck and is designed accordingly. However, the path can also be made longer to achieve sufficient dielectric strength.
Durch eine Begrenzung der Zugkraft auf nur einen Bereich des Schmelzleiters mit der mechanischen Engstelle kann die Dehnung weiter reduziert werden.By limiting the tensile force to only one area of the fusible conductor with the mechanical bottleneck, the expansion can be further reduced.
Die
In
In
Gemäß
Die Variante gemäß
In
Die Sicherung besitzt bevorzugt ein isolierendes Gehäuse 5B, zwei Hauptschmelzleiter 1B, beidseitig zum Anschluss je eine metallische Endkappe 6B, an der die Schmelzleiter 1B kontaktiert sind.The fuse preferably has an insulating
Die Sicherung weist bei kleiner Baugröße für die Aktivierung des Anzünders 7B eine Ausführung für mindestens eine oder zwei Steueranschlüsse 8B auf. Die Steueranschlüsse 8B können axial aber auch radial aus dem Gehäuse bzw. den Endkappen der Sicherung herausgeführt werden. Bei größeren Ausführungen ist auch eine drahtlose Aktivierung möglich.With a small size, the fuse has a version for at least one or two control connections 8B for activating the
Die Zündeinrichtung, ausgebildet zum Beispiel als Brückenzünder 7B, befindet sich in einem kleinen Hohlraum 9B umgeben von einem Projektil 10B, welches in einer Art Kolben 11B geführt wird. Am Projektil 10B sind in diesem Fall zwei Schmelzleiter 1B mit jeweils einer mittigen, mechanischen Engstelle 4B fest verbunden.The ignition device, designed for example as a
Die Verbindung kann hierbei form- oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Klemmen erfolgen.The connection can be positive or non-positive, for example by soldering, welding or clamping.
Bevorzugt werden die Schmelzleiter zwischen einem konischen Bereich des Projektils 10B und einem weiteren konischen Teil 12B unter Druck verklemmt. Bei der Beaufschlagung des Projektils 10B mit einer Kraft bei Betätigung des Brückenzünders 7B erhöht sich die Klemmkraft weiter, so dass ein Lösen der Klemmverbindung nicht möglich ist. Bei kleinem Bauraum können die Teile zylindrisch geformt sein und die Schmelzleiter als Halbschalen geformt werden.The fusible conductors are preferably clamped under pressure between a conical region of the projectile 10B and a further conical part 12B. When the projectile 10B is subjected to a force when the
Unterhalb des Kolbens 11B befinden sich die Schmelzleiter in einem löschmittelgefüllten Raum 13B. Als Löschmittel wird bevorzugt Quarzsand eingesetzt. Bevorzugt alle Engstellen der Schmelzleiter sind vom Löschmittel umgeben.Below the
Der Kolben 11B ist in einem Zwischenteil 14B befindlich, welches den Raum mit Löschmittel von einem Hohlraum 15B oberhalb des Projektils 10B abgrenzt.The
Das Zwischenteil 14B kann als Isolationsteil oder auch partiell oder vollständig aus elektrisch leitendem Material bestehen.The intermediate part 14B can consist of an insulating part or partially or completely made of electrically conductive material.
Das Zwischenteil 14B kann napfförmig gestaltet sein und auf dem Gehäuseteil 5B mit einem Rand aufliegen.The intermediate part 14B can be cup-shaped and rest on the
Zwischen dem Zwischenteil 14B und der Endkappe 6B kann ein im Wesentlichen ringförmiges Teil 16B vorgesehen sein, an welchem die Schmelzleiter 1B durch die Endkappe 6B kontaktiert werden.Between the intermediate part 14B and the end cap 6B, a substantially annular part 16B can be provided, on which the
Ein Stromfluss zwischen den Schmelzleitern 1B und der Endkappe 6B über das Zwischenteil 14B kann bei Bedarf durch eine geeignete Materialwahl oder eine Isolationsschicht unterbunden werden.If necessary, a current flow between the
Die Endkappe 6B und die Teile 5B und 14B sowie 16B sind so gestaltet, dass durch das Aufpressen der Endkappe 6B die Sicherung final verschlossen ist.The end cap 6B and the
Im Bereich des Teiles 14B unterhalb des Kolbens 11B erfolgt eine gegenüber dem Löschmittel wirksame Abdichtung, welche auch bei Bewegung der Schmelzleiter keine Entdichtung des Löschmediums erlaubt.In the area of the part 14B below the
Die beiden Schmelzleiter 1B sind oberhalb des Kolbens 11B und des Projektils 10B im löschmittelfreien Raum 15B mit gegenüber der Achse abgewinkelten Bereichen realisiert.The two
Bei der Bewegung des Projektils 10B in den löschmittelfreien Raum 15B wird die abdichtende Führung zwischen Projektil 10B und Kolben 11B erst nach Zertrennen des Schmelzleiters an der mechanischen Engstelle 4B aufgehoben.When the projectile 10B moves into the extinguishing agent-free space 15B, the sealing guidance between the projectile 10B and the
Den abgetrennten Zustand zeigt
Die abgewinkelten Bereiche der Schmelzleiter werden bei der Bewegung im löschmittelfreien Raum quasi in die Gegenrichtung mit minimalem Kraftaufwand umgebogen. Das Umbiegen der Bänder erfordert keinen Druckausgleich in einem kleinen Volumen ohne Löschmittel, da die Luftverdrängung nicht gegen einen abgeschlossenen Raum erfolgt. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass für die Kontaktierung der Schmelzleiter und der Trennstreckenverlängerung keine zusätzliche Unterbrechung oder Kontaktierung des oder der Schmelzleiter notwendig wird.The angled areas of the fusible conductors are bent in the opposite direction with minimal effort when moving in the extinguishing agent-free space. Bending the bands does not require pressure equalization in a small volume without extinguishing agent, as the air is not displaced into a closed space. The advantage of this embodiment is that no additional interruption or contacting of the fusible conductor or conductors is necessary for contacting the fusible conductor and the isolating distance extension.
Die beispielhaft eingesetzten Schmelzleiterbänder können sehr niederimpedant und ohne zusätzliche Umlenkungen oder Bewegungen auf kurzem Weg durch die Sicherung geführt werden. Es wird insgesamt ein sehr niederohmiges Schmelzleitermaterial trotz relativ hoher Reißdehnung derartiger Materialien eingesetzt. Die Impedanz der Anordnung ist gering, so dass auch bei hoher Stromsteilheit und hohen Strömen der ohmsche und induktive Spannungsabfall über der Sicherung und somit der Einfluss auf den Schutzpegel der Anordnung gering ist. Bei 25 kA 8/20 µs Impulsen beträgt der Spannungsabfall < 300 V, bevorzugt kleiner 200 V.The fusible conductor strips used as examples can be guided through the fuse over a short distance with very low impedance and without additional deflections or movements. Overall, a very low-resistance fusible conductor material is used despite the relatively high elongation at break of such materials. The impedance of the arrangement is low, so that even with high current gradients and high currents, the ohmic and inductive voltage drop across the fuse and thus the influence on the protection level of the arrangement is small. With 25
Alternativ zur erläuterten Anordnung kann auch das Projektil mit querliegenden Anschlussband, einer flexiblen Leitung, einem multiplen Kontaktsystem oder ähnlichem mit den Anschlusskappen direkt oder indirekt verbunden werden. Der Schmelzleiterbereich endet in diesem Fall am Projektil.As an alternative to the arrangement explained, the projectile can also be connected directly or indirectly to the connection caps using a transverse connection tape, a flexible cable, a multiple contact system or similar. In this case, the fusible conductor area ends at the projectile.
Beim Einsatz von Formgedächtnislegierungen oder volumenändernden Materialien kann ein ähnlicher Aufbau, wie oben beschrieben, verwendet werden, wobei auf die Abdichtung zwischen Projektil und Kolben verzichtet werden kann. Im Falle der Verwendung von Formgedächtnislegierungen ist bei Nutzung der Zugkraft auch eine Ausführungsform entsprechend den
In den
Zur Vereinfachung wird die Funktionsweise gemäß den
Die Durchführung ist beispielsweise als erste feste Platte 19 realisiert und befindet sich im Bereich des U-förmigen Abschnittes des Schmelzleiters. Die zweite Platte 20B ist beweglich und im Übergangsbereich zu einem axialen Schmelzleiterbereich befindlich. Zwischen den beiden Platten verläuft der Schmelzleiter zur zweiten Platte 20B in einem spitzen Winkel.The feedthrough is implemented, for example, as a first fixed plate 19 and is located in the area of the U-shaped section of the fusible conductor. The second plate 20B is movable and is located in the transition area to an axial fusible conductor area. Between the two plates, the fusible conductor runs at an acute angle to the second plate 20B.
Nach dem U-förmigen Bereich und der zweiten Platte 20B sowie einer weiteren Platte 21B zur Abschottung zum Löschmittel, befindet sich die mechanische, zusätzliche Engstelle 4B. Zwischen den beiden Platten ist in der Sicherung kein Löschmittel und keine Engstelle vorhanden.After the U-shaped area and the second plate 20B and a further plate 21B for sealing off the extinguishing agent, there is the additional
Bei Beaufschlagung der zweiten Platte 20B mit einer Zugkraft in Richtung der U-förmigen Umlenkung, wirkt die Zugkraft unmittelbar als Reißkraft auf die mechanische Engstelle 4B. Die Zugkraft kann über ein direkt oder indirekt an der zweiten Platte befestigtes Formgedächtniselement 22B, beispielsweise durch dessen direkte oder indirekte Aufheizung, realisiert werden.When the second plate 20B is subjected to a tensile force in the direction of the U-shaped deflection, the tensile force acts directly as a tearing force on the
Die Platten 21B und 19B schotten den U-förmigen Bereich des Schmelzleiters mit der beweglichen Platte 20B vor dem Eindringen von Löschmittel ab.The
Die Bereiche 23B und 24B sind mit Löschmittel gefüllt.
Im Bereich 23B befindet sich die Mehrzahl der üblichen Engstellen des Schmelzleiters. Im Bereich 24B befindet sich die mechanische Engstelle 4B. Die
Beim Ziehen an der Platte 19B drückt diese auf den Bereich der U-förmigen Schmelzleiterführung. Der Schmelzleiter wird dabei zwischen den Platten verklemmt und eine weitere Bewegung führt zu einer unmittelbaren Belastung der mechanischen Engstelle mit einer hinreichenden Zugkraft, welche die mechanische Engstelle 4B überlastet.When you pull on the
Die Aktivierung der Sicherung hängt von den gewählten Aktoren ab. Beispielsweise kann die Aktivierung mittels Formgedächtnislegierungen oder an den Brückenzündern über einen Strom erfolgen. Der Strom kann aus dem anliegenden Netz aber auch aus einem separaten Speicher gewonnen werden. Auch hier ist bei einem Brückenzünder die Möglichkeit gegeben, die benötigte Energie galvanisch getrennt durch einen Übertrager bereitzustellen.The activation of the fuse depends on the selected actuators. For example, activation can take place using shape memory alloys or on the bridge igniters via a current. The electricity can come from the adjacent network but also from a separate storage. Here too, with a bridge igniter it is possible to provide the required energy in a galvanically isolated manner using a transformer.
Der Auslösekreis für die Aktivierung ist so ausgeführt, dass diese mit Hilfe mehrerer Kriterien erfolgen kann. Einsetzbar sind, wie bereits erläutert, aktiv ansteuerbare Schalter oder aber auch Schalter, die auf physikalische Größen unmittelbar reagieren.The trigger circuit for activation is designed so that this can be done using several criteria. As already explained, actively controllable switches or switches that react directly to physical variables can be used.
Das Anlegen einer Zugkraft am Schmelzleiter, der sich im Löschmittel zum Quarzsand befindet, ist auch mit permanenter Federkraft möglich. Bei einer Ausführungsform gemäß
Gemäß
Claims (14)
- A triggerable fuse (4) for low-voltage applications for the protection of devices adapted to be connected to a power supply system, consisting of at least one fuse element (10) located between two contacts and arranged within a housing (6A), andcomprising a triggering device for the controlled disconnection of the fuse element (10) in the event of malfunctions or overload conditions of the respectively connected device,an extinguishing agent (11) being introduced in the housing (6A),the at least one fuse element (10) including a multitude of electrical constrictions (2B, 3B), which are designed for the rated load of a respective fuse (A, B),characterized in thatat least one further, additional geometric constriction (4B) is provided which, when subjected to tensile stress, is adapted to be disconnected by rupturing as a function of the triggering device, andwherein the at least one further, additional geometric constriction (4B), despite a smaller cross-section at an identical current load, will not respond before the electrical constrictions (2B, 3B) at all current loads, but in a time-delayed manner or at higher loads.
- The triggerable fuse according to claim 1, characterized in that the at least one geometric constriction has a residual cross-section which is smaller than the residual cross-section of the electrical constrictions.
- The triggerable fuse according to claim 1 or 2, characterized in that the triggering device controls an actuator.
- The triggerable fuse according to claim 3, characterized in that the actuator consists of a piston the movement of which is triggered by a bridge igniter, in particular wherein the bridge igniter is located in a cavity and surrounded by a projectile which is guided in the piston, preferably wherein two fuse elements are firmly connected to a respective central geometric constriction at the projectile.
- The triggerable fuse according to claim 3 or 4, characterized in that the actuator causes a defined extension of the interrupted fuse element, so that a resulting total isolating distance realizes a dielectric strength of at least 2.5 kV.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the fuse element has a plurality of conventional electrical constrictions in series, the number of which corresponds to the usual design for the respective rated voltage of the fuse.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the at least one further, additional geometric constriction is provided between the electrical constrictions.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the triggerable fuse is based on a defined rupturing of the at least one further, additional geometric constriction of the fuse element in the extinguishing agent after activation of a trigger.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the at least one further, additional geometric constriction is a geometric predetermined breaking point, in particular wherein the at least one further, additional geometric constriction is a tensile constriction.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the melting integral value of the at least one further, additional geometric constriction in the time period of transient pulse current loads is equal to or even greater than that of the electrical constrictions, in particular wherein the at least one further, additional geometric constriction has a residual cross-section which is distinctly smaller than that of the electrical constrictions.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the mechanical strength of the at least one further, additional geometric constriction in relation to the direction of force of the actuator is distinctly smaller than the mechanical strength of the electrical constrictions.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the at least one further, additional geometric constriction is configured to be distinctly smaller in terms of its dimensions than the electrical constrictions.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the length of the at least one further, additional geometric constriction is configured to be less than the length of the electrical constriction by at least a factor of 4, in particular greater than a factor of 10.
- The triggerable fuse according to any of the preceding claims, characterized in that the at least one further, additional geometric constriction is unsuitable as an electrical constriction.
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