NO172915B - Sikring for en vekselstroemseffektkrets - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en sikring omfattende en inngangsterminal, en første kontakt som er elektrisk koblet til inngangsterminalen, en utgangsterminal, en andre kontakt som er elektrisk koblet til utgangsterminalen, et smeltbart element som elektrisk forbinder nevnte første og nevnte andre kontakter og fullfører en normal elektrisk bane mellom inngangs- og utgangs- terminalene, og en lysbuedannende kontakt som er elektrisk koblet til en tredje terminal og elektrisk isolert fra utgangsterminalen, og plassert i forhold til den første kontakten for derved å danne en potensiell lysbuebane mellom den første kontakten og den lysebuedannende kontakten, langs hvilken bane en lysbue vil bli etablert etter at det smeltbare elementet brytes som reaksjon på en feilstrøm.

US-A-3256408 omhandler en sikring som har en inngangsterminal, en første kontakt som er elektrisk koblet til inngangsterminalen, en utgangsterminal, en andre kontakt som er elektrisk koblet til utgangsterminalen, et smeltbart element som elektrisk forbinder nevnte første og andre kontakter og som fullfører en normal elektrisk vei mellom inngangs- og utgangsterminalene, og en lysbuedannende kontakt som er elektrisk koblet til en tredje terminal som er elektrisk isolert fra utgangsterminalen og plassert i forhold til den første kontakten for derved å danne en potensiell lysbuevei mellom nevnte første kontakt og den lysbuedannende kontakten, langs hvilken bane en lysbue vil bli etablert etterat det smeltbare elementet brytes som reaksjon på feilstrøm. Denne publikasjon omhandler en likestrømskrets.

GB-A-2179508 (=EP-A-0210778) beskriver en sikring for en vekselsstrøms-effektkrets som omfatter en inngangs- og en utgangsterminal, første og andre kontakter som er elektrisk koblet til henholdsvis til inngangs og utgangsterminalene og et smeltbar element som elektrisk forbinder nevnte første og andre kontakter for å fullføre en normal elektrisk vei mellom terminalene. Kontaktene og det smeltbare elementet er omsluttet 1 et avtettet kammer som er fylt med et elektro-negativ halogenert medium, slik som svovelheksafluorid. I nærværet av en feilstrøm vil det smeltbare elementet smelte, hvilket bevirker at en gnist dannes, og lysbuen etableres mellom den første kontakten, som danner en første elektrode som har en i alt vesentlig sirkulær periferi, og en buedannende elektrode som har en ledende overflate som er innenfor kammeret og som omgir den første elektroden. En spole er forbundet mellom den lysbuedannende kontakten og den andre terminalen, og er plassert slik at når den energiseres av magnetfeltet som induseres av feilstrømmen som flyter i spolen, bevirkes lysbuen til å rotere rundt den første elektroden og bli slukket i det elektro-negative medium.

Lysbuen vil kun bli slukket på eller rundt strømnull, og sikringen vil ikke i vesentlig grad fremtvinge et strømnull på den måte som er kjent i forbindelse med konvensjonelle strøm-begrensende sikringer. Følgelig vil den fulle energi i den første strømsløyfen tillates å passere inn i feilsonen. For bruk i urbane nettverk er dette ikke en vesentlig ulempe, særlig når sammenligninger må foretas ved gjennomslipps-energiene for mange typer av kretsbrytere som nå er i bruk i slike systemer. Imidlertid, innenfor visse industri-elle anvendelser, eksempelvis for elektriske motorer, er høye gjennomslipps-energier ufordelaktige, ved at det er vanlig å koble motoren til dens tilførsel ved hjelp av kabel som er i stand til å motstå normal strøm og feilstrøm som har lav verdi, men som ikke kan motstå full systemfeil-strøm uten å få termisk eller elektrodynamisk skade. Følgelig ville det være fordelaktig dersom gjennomslipps-energien for sikringen kunne reduseres. Likeledes ville det være fordelaktig å redusere gjennomslipps-energien for andre typer av sikring, kretsbryter eller omvekslingsinnretning, som for sin operasjon baserer seg på trekkingen av en lysebue til en lysbuedannende elektrode. I det etterfølgende skal alle slike anordninger betegnes generisk som "sikringer". Et ytterligere eksempel av slik sikring er vist i DE-A-548914. Med flerfase tilførsesnett har 1 praksis i De Forente Stater generelt vært å avbryte kun en fase av en tilførsel hvis en feil oppstår på den fasen, men å opprettholde de andre fasene. I Storbritannia og andre steder er det langt mer vanlig å avbryte samtlige faser som reaksjon på en feiltilstand som opptrer på en hvilken som helst fase. Sikringen kan, som nevnt kun beskytte en enkelt fase, og den foreliggende oppfinnelse vedrører således også en sikringsanordning som vil muliggjøre i alt det vesentlige samtidig avbrudd av samtlige faser i en flerfasekrets som reaksjon på feilstrøm på kun én fase.

Den innledningsvis nevnte sikring kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved at sikringen omfatter et avtettet kammer som er fylt med et elektronegativt halogenert medium med hvilket nevnte første, andre og lysbuedannende kontakter og det smeltbare elementet ligger, idet den første kontakten har en i alt vesentlig sirkulær periferi som danner en første lysbuedannende elektrode, den lysbuedannende kontakten omfatter en andre lysbuedannende elektrode som har en ledende overflate som omgir og er radielt adskilt fra den første lysbuedannende elektroden, og en spole som er koblet i en elektrisk bane mellom den andre lysbuedannende elektroden og den tredje terminalen, slik at når sikringen kobles ved hjelp av inngangs- og utgangs- terminalene mellom tilførsels og lastledere i en vekselstrømseffektkrets og den tredje terminalen er koblet til en returleder som er elektrisk isolert fra lastlederen og når det smeltbare elementet brytes, danner den resulterende feilstrøm en lysbue mellom den første lysbuedannende elektroden og den andre kontakten, idet en rot i lysbuen deretter kommuterer fra den andre kontakten til den andre lysbuedannende elektroden, idet lysbuen roterer rundt den første lysbuedannende elektroden i det elektronegative medium og slukkes.

I den kontruksjon som er beskrevet i GB-A-2179508 er den buedannende kontakten elektrisk koblet til utgangsterminalen. Sikringen i følge den foreliggende oppfinnelse avviker ved at den buedannende kontakten er isolert av utgangsterminalen og koblet til en tredje terminal. Fordeler kan vinnes ved dette både i enfase og flerfasekretser, slik det skal forklares i det etterfølgende.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av sikringen er det fordelaktig at spolen radielt omgir kammeret, og de radielle midtplan av spolen og av omkretsen av den første lysbuedannende elektroden er i alt vesentlig sammenfallende.

Når den tredje terminalen er elektrisk koblet til en returleder, vil det lett sees at, etter at det smeltbare elementet er blitt brutt under feiltilstander, blir den feilstrøm som danner lysbuen omdirigert fra lastlederen og den tilkoblede last. Den energi som slipper gjennom fra sikringen er således blitt vesentlig redusert. Fortrinnsvis er den tredje terminals returleder koblet til jord. Ytterligere fordel kan oppnåes dersom denne returlederen kobles til jord via den impedans eller via en strømbegrens-ende sikring, slik det skal beskrives ytterligere.

Når feilstrøm erfares på en fase, vil det smeltbare elementet i sikringen i denne fasen brytes, og feilstrømmen som flyter i lysbuen føres til utgangsterminalen på sikringen av en andre fase. Denne kortsluttning oppfattes som en feil av sikringen i den andre fasen, slik at det smeltbare elementet i sikringen i andre fasen brytes, og feilstrømmen i den resulterende lysbuen føres til utgangsterminalen på den tredje fasen til å danne en ytterligere kortslutning. Således blir samtlige tre faser avbrutt som reaksjon på feilstrøm i en hvilken som helst fase.

I flerfasekretser som har annet enn tre faser, vil en sikring i henhold til oppfinnelsen bli innbefattet i hver fase, og den tredje terminalen på hver sikring vil bli koblet til utgangsterminalen på sikringen på en forskjellig fase på en slik måte at hver utgangsterminal kobles til den tredje terminalen på en forskjellig sikring.

Hvis røttene for en høy-strøms lysbue tillates til å bli stasjonær på kontaktene mellom hvilke lysbuen trekkes over en hvilken som helst tidslengde, vil der oppstå betydelig skade på de kontaktene, og faktisk kan der skje katastrofemessig ødeleggelse av hele sikringen. Følgelig foretrekkes det å innbefatte i sikringen lysbuebevegende midler som er operative når en lysbue etableres mellom den første kontakten og den lysbuedannende kontakten til å bevege en lysbuerot på overflaten av den første kontakten og bevege den andre lysbueroten på overflaten av den lysbuedannende kontakten. Fortrinnsvis er det lysbuebevegende middelet en spole som er elektrisk koblet mellom den lysbuedannende kontakten og den tredje terminalen. Som beskrevet i GB-A-2179508 vil en slik spole, når den er energisert på denne måte, bevirke rotasjon av lysbuen rundt den første kontakten. Strømmen i spolen vil selvfølgelig flyte til en returleder eller til en tilkoblet fase, i stedet for til feilstedet. I alternative løsninger kan spolen erstattes av en permanent magnet eller annen løsning som er i stand til å skape et elektromagnetisk felt.

Oppfinnelsen vil bli bedre forstått fra den etterfølgende beskrivelse av bestemte utførelseformer derav, gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger. Fig. 1 er et langsgående tverrsnitt gjennom en typisk sikring som beskrevet i GB-A-2179508. Fig. 2 viser en sikring lik den i fig. 1, men modifisert for derved å være i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 viser skjematisk sikringen i fig. 1 i en enfase^ vekselstrømskrets, og viser også strømdiagrammer innenfor kretsen. Figurene 4 til 6 er like til fig.3, men representerer forskjellige utførelsesformer av enfase-vekselstrømseffekt-kretser i henhold til oppfinnelsen som gjør bruk av sikringen i følge fig. 2. Figurene 7 til 9 viser skjematisk en trefase-vekselstrøms-ef fektkrets i henhold til oppfinnelsen, med bruk av sikringer som vist i fig. 2, ved forskjellige operasjonstrinn. Fig. 10 er et skjematisk langsgående tverrsnitt av en andre utførelsesform av sikring i henhold til oppfinnelsen.

Sikringen som er vist i fig. 1 er dannet i to deler som er vist generelt som henholdsvis 1 og 2, i det den første delen passer inn i den andre delen. Den første delen omfatter en bærer 3 som er støpt eller formet av et hvilket som helst passende isolerende materiale, og som har en inngangsterminal 4 som strekker seg gjennom bæreren og er støpt eller formet in situ deri, eller festet på en hvilken som helst annen passende måte, slik som ved hjelp av et klebemiddel. Ved enden av terminalen er der en første kontakt 5 som har en sirkulær periferi som danner en første lysbuedannende elektrode. En sylinder 6 av kopper strekker seg fra bæreren 3 til en ved monteringsblokk 7 som også er av isolerende materiale, for derved å danne et avtettet kammer 6a innenfor sylinderen. Monteringsblokken understøtter en andre kontakt 8 som er elektrisk forbundet med en utgangsterminal 9 som har en gjenget tapp 10 som strekker seg derfra. Den første og andre kontakt 5 og 8 er elektrisk forbundet ved hjelp av et smeltbart element 11. Den indre overflaten av koppersylind-eren 6 danner en lysbuedannende kontakt som ligger innvendig i kammeret og som radielt omgir og er radielt atskilt fra den første kontakten 5. Kammeret 6a er fylt med et elektronegativt medium, slik som svovelheksafluorid.

Den andre delen 2 av sikringen omfatter et isolerende hus 20 som har en hylse 21 av ledende materiale som er bundet til del av den indre overflaten derav, og forbundet med en ledende skive 22 som er i elektrisk kontakt med utgangs-terminalen 10. En spole 23 er støpt eller formet inn i blokken 24 av isolerende materiale, og den blokken er bundet til hylsen 21. En ende av spoleviklingen er elektrisk forbundet med hylsen 21, og den andre enden er elektrisk forbundet med en ring 25 som danner en spoleformer og en kort-sluttet innerste tørn av spolen. Ringen 25 er elektrisk koblet til fingre 26 som danner inngrepet med kopper-sylinderen 6 når de to sikringsdelene sammenstilles som vist i fig. 1.

Under normal drift blir en tilførselsleder koblet til inngangsterminalen 4, og en lastleder forbindes med utgangs-terminalen. Lastelederen kan befinne seg i en gjennomføring 27 som danner del av eksempelvis bryterannlegg eller en transformator, og kan festes på tappen 10. En normal strømbane etablerer seg gjennom sikringen mellom terminalene 4 og 10 ved hjelp av kontaktene 5 og 8 og det forbindende smeltbare element 11. I tilfelle av en feil som bevirker en overstrøm, vil elementet 11 smelte og en lysbue vil slå fra kontakten 5 mot kontakten 8. På grunn av magnetiske sløyfe-strømmer vil imidlertid lysbuen kommutere fra kontakten 8 på den indre overflaten av koppersyl inderen 6, hvorved det bevirkes at den lysbuedannende strømmen flyter gjennom spolen 23, og til utgangsterminalen 9. Det magnetiske feltet som induseres i spolen vil bevirke rotasjonen av lysbuen, hvilken vil bli slukket i det elektronegative medium på eller nær et strømnull.

Ytterligere detalj om sikringen som er beskrevet ovenfor og dens operasjon er gitt i GB-A-2179508.

Fig. 2 viser sikringen i fig. 1 modifisert i henhold til oppfinnelsen. Modifikasjonen omfatter å fjerne den elektriske forbindelsen mellom hylsen 21 og ringen 22, slik at hylsen er elektrisk isolert fra utgangslederen 10. I stedet for denne forbindelse blir en leder 40, formet in situ i huset 10 til å danne elektrisk kontakt med hylsen 21 og tilveiebringe en tredje terminal 41 som ligger utenfor huset. Fig. 3 illustrerer skjematisk sikringen i fig.l med en enfase-vekselstrømkilde som er koblet til inngangsterminalen 4 ved hjelp av en tilførselsleder 30, og utgangs-terminalen 9 som er koblet ved hjelp av en lastleder 31 til en elektrisk last. Hvis en feil da skulle oppstå, som allerede beskrevet, vil det smeltbare elementet smelte og lysbuestrøm flyte gjennom spolen. Diagrammene over strøm, relativt tid, viser: (a) systemets forestående strøm, (b) strøm som flyter i spolen, og (c) gjennornsluppet strøm som føres til lasten. Strømmen slukkes kun ved strømnull, og følgelig blir gjennom-slippstrømmen vesentlig den samme som systemets fremtidige strøm, slik at energien som slipper igjennom er høy. Fig. 4 viser sikringen i følge fig. 2 koblet i en enfase vekselstrømseffekt-krets. En tilførselsleder 50 er koblet til inngangsterminal 4, en lastleder 51 er koblet til utgangsterminal 9, og den tredje terminalen 41, er koblet direkte til jord. Følgelig, dersom en feiltilstand opptrer, vil feilstrømmen smelte det smeltbare elementet og den resulterende lysbuen vil kommutere på den indre overflaten av sylinderen 6 som allerede beskrevet. Lysbuestrømmen vil så flyte gjennom spolen 23 til jord, og det elektromagnetiske feltet som induseres i spolen vil bevirke lysbuen til å rotere og bli slukket ved strømnull. Strøm/tidkurvene på (a) tilførselslederen 50, (b) lastlederen 51, og (c) gjennom spolen er vist i figuren. Det vil bemerkes at systemets forestående strøm og spolestrømmen er lik de som er vist i fig. 3. Når feilstrømmen strømmer til jord i stedet til feilregionen, vil imidlertid den strøm som slipper igjennom starte med å falle mot null så snart lysbuen har kommutert på sylinderen. Følgelig blir den energi som slippes igjennom til feilen langt lavere enn den i utførelsesf ormen i følge fig. 3.

I denne utførelsesf orm som er vist i fig. 5 er den tredje terminalen 41 koblet til jord gjennom en impedans 60. Operasjon under feilbetingelser er analog med hva som allerede er beskrevet og strøm/tidkurvene er vist på (a) tilførselslederen 61, (b) lastelederen 62 og (c) i spolen. Man vil se at virkningen av impedansen er å redusere den strøm som flyter i spolen, slik det vil fremgå av spolens strøm/tidkurve. Følgelig kan en sikring som er utformet til å håndtere en gitt feilstrøm gjøres mindre robust i konstruk-sjonene enn det som ellers ville være tilfellet, henholdsvis at en sikring av en gitt konstruksjon er i stand til å håndtere en høyere feilstrøm ved å inkorporere en impedans mellom spolen og jord. Det ville bemerkes at den strøm som slipper igjennom fortsetter å være lav.

I den utførelsesform som er vist i fig. 6 er den tredje terminalen 41 i sikringen koblet til jord gjennom en strøm-begrensende sikring 70, som kan være av en hvilken som helst egnet konstruksjon, eksempelvis en vanlig patronsikring som' er i stand til å håndtere strømmer i området 2 til 20 ampere. Igjen er strøm/tidkurver vist for (a) tilførselslederen 71, (b) lastlederen 72 og (c) spolen. I denne utførelsesform vil feilstrømmen flyte gjennom spolen og strømbanen vil bli brutt meget hurtig når sikringen 70 tvinger strømmen til 0 forut for det naturlige strømnull i tilførselen. Lysbuene blir således slukket. Man vil igjen se at denne strøm som slipper igjennom er lav, og at den strøm som flyter i spolen ennå ytterligere blir redusert i forhold til det som blir oppnådd med utførelsesform i fig. 5. Som følge herav kan langt lettere sikringskontruksjoner anvendes og/eller langt høyere feilstrømmer håndteres for en gitt spolekonstruksjon.

I hver av figurene 4 til 6 er en enkel jordforbindelse vist. Det ville imidlertid forståes at returlederen for tilførselen vanligvis også vil være koblet til jord, og forbindelsen kan så være til returlederen, i stedet for direkte til jord. I andre utførelsesformer kan returlederen ikke være jordet, og jordforbindelsen kan da erstattes av en til returlederen.

Figurene 7 til 9 viser en løsning for å beskytte en trefase-strømtilførsel som har tre tilførselsledere 80 - 82, som er koblet til inngangsterminaler 83 - 85 på de respektive sikringer 86 - 88, idet de respektive utgangsterminaler 89-91 av disse er koblet til lastledere 92 - 94. Spolene 95-97 i de tre fasene er hver koblet ved hjelp av den tredje terminalen 95a til 97a i den respektive sikringen til utgangsterminalen på en hosliggende fase, slik som vist i figuren. Man antar at en feil opptrer på den fasen av utstyret som er koblet til tilførselslederen 92. Det smeltbare elementet i sikringen 86 vil smelte, hvilket bevirker en lysbue (fig. 7) som vil kommutere på den indre overflaten av sylinderen. Lysbuestrømmen vil flyte gjennom spolen 95 til utgangsterminalen 90 og lastlederen 93, og magnetfeltet som.induseres av spolen 95 vil rotere lysbuen i sikringen 86, idet lysbuen slukkes ved strømnull på den fasen. Den strøm som flyter gjennom spolen 95 til lastlederen 93, vil imidlertid bli detektert som en feilstrøm av sikringen 87, hvorved i det bevirkes at det smeltbare elementet i denne sikringen smelter, og at lysbuedannelse (fig.8) opptrer til å energisere spolen 96 og føre feil-strømmen til utgangsterminalen 91 på sikring 88 og til lastlederen 94. Lysbuen i sikring 87 vil bli dreiet og vil bli slukket ved strømnull. Den refererte strømmen i den tredje fasen vil igjen bli detektert som en feilstrøm, hvilket bevirker lysbuedannelse i sikring 88, slik som vist i fig. 9. Slukking av lysbuen i sikring 87 vil bryte strøm-veien gjennom begge sikringer 87 og 88, slik at lysbuen i sistnevnte sikring vil bli slukket i alt vesentlig samtidig med den i sikring 87. Det vil således forståes at de sammenkoblinger som er vist automatisk vil føre til avbrudd i samtlige tre faser som reaksjon på feilstrøm på en hvilken som helst enkelt fase.

De sikringer som er beskrevet så langt er ensrettede, ved at de kun vil operere riktig dersom de er koblet slik at tilførselen kobles til inngangsterminalen 4 og lasten til utgangsterminalen 9. Dersom sikringen ble feil koblet, ville den resulterende lysbuen mellom kontakten 8 og den indre overflaten av sylinderen 6, ikke bli rotert. Fig. 10 viser en modifisert form av sikring som unngår denne ulempe, og vil gi kretsvern hvis den ene eller andre av inngangs og utgangsterminalene er koblet til tilførselen, og den andre er koblet til lasten. I denne utførelsesform erstattes kontakten 8 av en sirkulær kontakt 98, av den samme diameter som kontakten 5, og begge kontakter 5 og 98 ligger aksielt innenfor det rom som avgrenses av spolen 23. En feil på én side av sikringen vil bevirke lysbuedannelse mellom kontakten 98 og sylinderen 6. Uansett vil lysbuestrøm flyte i spolen, og ettersom lysbuen ligger innenfor det magnetiske feltet som induseres, vil den dermed bli dreiet og slukket.

Det vil forståes at andre typer av sikring som baserer seg på lysbueslukking for å bryte en strømvei kan anvendes, i hver av utførelsesf ormene ifølge fig. 2 - 6, så lenge som den lysbuedannende kontakten er elektrisk isolert fra utgangs-terminalen og er elektrisk koblet til en tredje terminal, og at lignende fordeler kan oppstå ved dette. Det vil også forståes at den tredje terminalen kan være av en hvilket som helst egnet form som tillater tilkobling til, eller som allerede danner en enhetlig forbindelse med en returleder eller annen fase i en tilførsel.

Claims (5)

1. Sikring omfattende en inngangsterminal (4), en første kontakt (5) som er elektrisk koblet til inngangsterminalen (4), en utgangsterminal (9), en andre kontakt (8) som er elektrisk koblet til utgangsterminalen (9), et smeltbart element (11) som elektrisk forbinder nevnte første (5) og nevnte andre (8) kontakter og fullfører en normal elektrisk bane mellom inngangs- (4) og utgangs- (9) terminalene, og en lysbuedannende kontakt (6) som er elektrisk koblet til en tredje terminal (41) og elektrisk isolert fra utgangsterminalen (9), og plassert i forhold til den første kontakten (5) for derved å danne en potensiell lysbuebane mellom den første kontakten (5) og den lysebuedannende kontakten (6), langs hvilken bane en lysbue vil bli etablert etter at det smeltbare elementet (11) brytes som reaksjon på en feilstrøm, karakterisert ved at sikringen omfatter et avtettet kammer (6a) som er fylt med et elektronegativt halogenert medium med hvilket nevnte første (5), andre (8) og lysbuedannende (6) kontakter og det smeltbare elementet (11) ligger, idet den første kontakten (5) har en i alt vesentlig sirkulær periferi som danner en første lysbuedannende elektrode, den lysbuedannende kontakten (6) omfatter en andre lysbuedannende elektrode som har en ledende overflate som omgir og er radielt adskilt fra den første lysbuedannende elektroden, og en spole (23) som er koblet i en elektrisk bane mellom den andre lysbuedannende elektroden og den tredje terminalen (41), slik at når sikringen kobles ved hjelp av inngangs- (4) og utgangs- (9) terminalene mellom tilførsels og lastledere i en vekselstrømseffektkrets og den tredje terminalen (41) er koblet til en returleder som er elektrisk isolert fra lastlederen og når det smeltbare elementet (11) brytes, danner den resulterende feilstrøm en lysbue mellom den første lysbuedannende elektroden og den andre kontakten (8), idet en rot i lysbuen deretter kommuterer fra den andre kontakten (8) til den andre lysbuedannende elektroden, idet lysbuen roterer rundt den første lysbuedannende elektroden 1 det elektronegative medium og slukkes.

2. Sikring som angitt i krav 1, karakterisert ved at spolen (23) radielt omgir kammeret (6a), og de radielle midtplan av spolen (23) og av omkretsen av den første lysbuedannende elektroden er i alt vesentlig sammenfallende .

3. Sikring som angitt i krav 1, karakterisert ved at den tredje terminals (41) returleder er koblet til jord.

4. Sikring som angitt i krav 1, karakterisert ved at den tredje terminals (41) returleder er koblet til jord via en impedans (60).

5. Sikring som angitt i krav 1, karakterisert ved at den tredje terminals (41) returleder er koblet til jord via strømbegrensende sikring (70).