SI25931A - Električna varovalka s talilnim elementom - Google Patents

Abstract

Pri varovalki s talilnim elementom (2), ki poteka skozi električno neprevodno cilindrično cevasto keramično ohišje (1), ki je na obeh koncih nepredušno zaprto s pokrovoma (3) iz električno prevodnega materiala, s katerima je električno povezan omenjen talilni element (2), bi bilo zaželeno s karseda preprostimi in cenenimi ukrepi zagotoviti, da bo varovalka navzlic njenim nespremenjenim zunanjim dimenzijam uporabna tudi v električnih tokokrogih z bistveno višjo nazivno električno napetostjo kot pri doslejznanih tovrstnih varovalkah, pri čemer pa bo v primeru električne preobremenitve kljub temu zmožna hitro in učinkovito prekiniti skoznjo potekajoč električni tokokrog, hkrati pa bo preprečena vsakršna mehanska poškodba ali celo porušitev omenjenega neprevodnega keramičnega ohišja (1), kar bi sicer lahko imelo za posledico nedopusten odvod potencialno generiranega obloka iz območja v notranjosti cevastega ohišja (1) v območje izven same varovalke. Po izumu je predlagano, da je na vsakem izmed obeh koncev(11) ohišja (1) varovalke med omenjenim ohišjem (1) in pokrovom (3) vstavljena pregradna stena (4) iz električno prevodnega in plastično deformabilnega materiala, na katere proti notranjosti ohišja (1) varovalke je nanešena z njo nerazstavljivo povezana plast (5) iz elastičnega električno neprevodnega materiala, pri čemer je talilni element (2) na vsakem koncu varovalke s pripadajočim električno prevodnim pokrovom (3) električno povezan preko omenjene električno prevodne stene (4) in obenem poteka tudiskozi omenjeno plast (5) iz elastičnega materiala, v območju omenjene električno neprevodne plasti (5) pa obsega vsaj en pregib ali meander (21), s katerim je v notranjosti omenjene plasti (5) sidran in varovan proti izvlečenju.

Description

Električna varovalka s talilnim elementom

Izum spada na področje elektrotehnike, in sicer k osnovnim električnim komponentam, namreč k zaščitnim komponentam, pri katerih tok teče skozi del taljivega materiala in se ob električni preobremenitvi prekine zaradi prekinitve omenjenega taljivega materiala, še zlasti pa se izum nanaša na konstrukcijsko zasnovo visokonapetostnih varovalk, pri čemer so po Mednarodni patentni klasifikaciji tovrstni izumi razvrščeni v razred H 01 H 085/042.

Pri tem je izum osnovan na problemu, kako pri varovalki s talilnim elementom, ki poteka skozi električno neprevodno cilindrično cevasto keramično ohišje, ki je na obeh koncih nepredušno zaprto s pokrovoma iz električno prevodnega materiala, s katerima je električno povezan omenjen talilni element, s karseda preprostimi in cenenimi ukrepi zagotoviti, da bo varovalka navzlic njenim nespremenjenim zunanjim dimenzijam uporabna tudi v električnih tokokrogih z bistveno višjo nazivno električno napetostjo kot pri doslej znanih tovrstnih varovalkah, pri čemer pa bo v primeru električne preobremenitve kljub temu zmožna hitro in učinkovito prekiniti skoznjo potekajoč električni tokokrog, hkrati pa bo preprečena vsakršna mehanska poškodba ali celo porušitev omenjenega neprevodnega keramičnega ohišja, kar bi sicer lahko imelo za posledico nedopusten odvod potencialno generiranega obloka iz območja v notranjosti cevastega ohišja v območje izven same varovalke.

Električne varovalke s talilnim elementom, s kakršno se ukvarja pričujoči izum, uporabljajo za zaščito visokonapetostnih električnih tokokrogov, in sicer zadnje čase povečini za zaščito tokokrogov z enosmerno električno napetostjo v zmogljivejših fotovoltaičnih elektrarnah ali podobnih visokonapetostnih sistemih, v katerih napetost pogosto znaša vsaj približno 1.500 V, električni tok pa preseže 25 A ali pogosto tudi 30 A. Tovrstne varovalke so vgrajene v primernih nosilcih in so načeloma zamenljive, zato so njihove dimenzije vnaprej določene. Z omejitvijo dimenzij je načeloma postavljena tudi omejitev glede možnosti uporabe določene varovalke pri določeni nazivni napetosti in toku. To slednje namreč ni odvisno zgolj od vrste materiala, upornosti in preseka talilnega elementa, temveč v veliki meri tudi od dogajanja ob pregorevanju talilnega elementa v primeru električne preobremenitve. Ob pregorevanju varovalke se namreč talilni element segreje vsaj do temperature tališča, nakar se vsaj v določenem območju stali in prekine. Pri tem nastajajo tudi plini, zato se v notranjosti varovalke poveča tlak. V enosmernih električnih tokokrogih pogosto se zgodi, da v notranjosti varovalke med prekinjenima odsekoma talilnega elementa po prekinitvi gori oblok, kar situacijo še znatno poslabša. Situacija postane kritična, če električno neprevodno ohišje varovalke poči ali se razleti, ker v tem primeru oblok pride v stik z okolico in lahko zaneti požar. Čeprav običajno notranjost ohišja zapolnijo z negorljivim sipkim materialom, npr. s kremenčevim peskom, se ta ob porušitvi okrova razsuje in zgubi svojo vlogo pri gašenju obloka. Električno neprevodno ohišje varovalke najpogosteje sestoji iz keramike, kije krhka in se ob pojavu zadostnega nadtlaka v notranjosti varovalke lahko popolnoma razleti. Znani pa so primeri, ko so tovrstno možnost skušali eliminirati z uporabo okrova varovalke iz kompozitnega ali duroplastičnega električno neprevodnega materiala. Vendar pa v takih primerih nastopi druga težava, ki je posledica pregrevanja in s tem karbonizacije tovrstnega materiala na notranji površini ohišja varovalke, ki je posledica gorenja obloka. Tako karbonizirana površina sicer električno neprevodnega materiala namreč postane električno prevodna, kar pomeni, da varovalka navzlic pretalitvi oz. prekinitvi talilnega elementa še vedno prevaja električni tok, zaradi česar električno tokokrog po električni preobremenitvi navzlic prisotnosti varovalke pravzaprav ostaja še naprej sklenjen.

Električna varovalka je opisana v CN 203398066 U in obsega cilindrično cevasto ohišje iz električno neprevodnega materiala, ki je na vsakem izmed svojih odprtih koncev tesno zaprto s pokrovom iz električno prevodnega materiala, preko katerega je varovalka povezljiva v vsakokraten električni tokokrog. Med omenjenima pokrovoma je v notranjosti ohišja varovalke, t.j. v svetlini cevastega ohišja, vstavljen neprekinjen talilni element, ki je na vsakem svojem koncu električno povezan s po enim izmed omenjenih električnih pokrovov. Talilni element kot tak je običajno na voljo v obliki žice ali traku iz električno prevodnega materiala vnaprej določene električne upornosti in z znano temperaturo tališča, razen tega pa je talilni element opremljen z oslabljenimi območjih, ki so izvedena v preciznih dimenzijah in v katerih naj bi bilo potemtakem zagotovljeno taljenje talilnega elementa zgolj v majhnem lokalnem območju pri vnaprej karseda natančno določenih pogojih. Temu ustrezno je potem razdalja med koncema talilnega elementa po prekinitvi razmeroma majhna, kar znatno pripomore h generiranju in gorenju obloka. Nadalje je talilni element v svetlini ohišja obdan s sipkim negorljivim materialom, npr. s kremenčevim peskom, ki naj bi preprečeval razvoj in širjenje obloka po prekinitvi talilnega elementa.

V obravnavanem primeru sta električno prevodna pokrova vsak na svojem koncu ohišja varovalke natisnjena na zunanjo površino ohišja varovalke in sta torej proti odstranitvi varovana zgolj s trenjem med zunanjo površino varovalke in na slednji nalegajočo notranjo površino vsakokratnega pokrova. Tovrstna rešitev je primerna za uporabo kvečjemu v električnih tokokrogih, pri katerih eventualna električna preobremenitev ne more biti tolikšna, da bi se med taljenjem talilnega elementa ali zaradi gorenja obloka pritisk v notranjosti varovalke lahko povečal do te mere, da bi se bodisi razpočilo ali razletelo ohišje, ali pa da bi se od ohišja ločil kateri izmed omenjenih pokrovov. V takem primeru bi namreč poškodba varovalke bodisi zaradi same eksplozije ali pa zaradi gorenja obloka lahko povzročila veliko in resno nevarnost za okolico.

Po vsej verjetnosti zavedajoč se prej opisanega tveganja je bila razvita nadaljnja varovalka, ki je opisana v CN 204289315 U, ki prav tako obsega cilindrično cevasto ohišje iz električno neprevodnega materiala, skozi katero poteka talilni element, ki je z vsakim svojim koncem električno povezan s po enim električnim pokrovom, ki pa je v tem primeru s pomočjo navoja privit na pripadajoč konec omenjenega ohišja varovalke. S tem, ko je vsakokraten pokrov na ohišje varovalke privit in ne zgolj natisnjen, načeloma dosežejo, da povezava med pokrovom in zunanjo površino ohišja lahko kljubuje večjemu povišanju pritiska v notranjosti ohišja varovalke. V takem primeru navzlic povišanju pritiska v notranjosti ohišja varovalke pokrov sicer ostane pričvrščen in tesnjen na ohišju, vendar pa ob generiranju plinov, ki ostajajo zaprti v notranjosti ohišja varovalke in pravzaprav nimajo kam, in posledično zadostnem povišanju pritiska, v končni fazi s še toliko močnejšo eksplozijo razleti ohišje varovalke.

Upoštevajoč navedeno so doslej znane varovalke glede na vsakokrat naprej določene dimenzije podvržene razmeroma strogim omejitvam glede nazivne napetosti in toka, ki jih načeloma ni možno povečevati z namenom širitve območja uporabnosti določene varovalke tudi v električnih tokokrogih z nekoliko višjimi tehničnimi zahtevami v pogledu zmogljivosti varovalke.

Izum se nanaša na električno varovalko s talilnim elementom, pri čemer tovrstna varovalka obsega cilindrično cevasto ohišje iz električno neprevodnega materiala, skozi katero je vstavljen talilni element iz električno prevodnega materiala z vnaprej znano električno upornostjo in temperaturo tališča, omenjeno ohišje pa je na vsakem svojem koncu zatesnjeno in zaprto s pomočjo tulčastega, skonca zaprtega in v aksialni smeri ohišja (1) vstran od slednjega štrlečega pokrova iz električno prevodnega materiala, s katerim je električno povezan omenjen talilni element, razen tega pa je omenjeno ohišje v notranjosti zapolnjeno s primerno količino sipkega negorljivega električno neprevodnega materiala, s katerim je obdan omenjen talilni element.

Po izumu je predvideno, daje na vsakem izmed obeh koncev ohišja varovalke med omenjenim ohišjem in pokrovom vstavljena pregradna stena iz električno prevodnega in plastično deformabilnega materiala, na katere proti notranjosti ohišja varovalke je nanešena z njo nerazstavljivo povezana plast iz elastičnega električno neprevodnega materiala, pri čemer je talilni element na vsakem koncu varovalke s pripadajočim električno prevodnim pokrovom električno povezan preko omenjene električno prevodne stene in obenem poteka tudi skozi omenjeno plast iz elastičnega električno neprevodnega materiala, v območju omenjene plasti pa obsega vsaj en pregib ali meander, s katerim je v notranjosti omenjene plasti sidran in varovan proti izvlečenju.

Pri prednostni izvedbi izuma omenjena elastična električno neprevodna plast sestoji iz silikona, namreč is silikona, ki je vsaj za določen čas odporen proti visokim temperaturam, medtem ko je izven omenjene plasti razpoložljivo območje talilnega elementa v notranjosti ohišja varovalke obdano s sipkim materialom, ki predstavlja kremenčev pesek.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje obrazložen na osnovi primera izvedbe, ki je prikazan na priloženi skici, pri čemer

Sl. 1 kaže shematično ponazorjeno visokonapetostno električno varovalko po izumu v stanju med regularno uporabo in v vzdolžnem prerezu v diametralni ravnini,

Sl. 2 pa kaže shematično ponazorjeno visokonapetostno električno varovalko po Sl. 1, tokrat v stanju po prekinitvi talilnega elementa zaradi električne preobremenitve, in sicer prav tako v vzdolžnem prerezu v diametralni ravnini.

Električna varovalka, katere zgolj eden izmed obeh koncev je ponazorjen na Sl. 1, obsega cilindrično cevasto ohišje 1 iz električno neprevodnega materiala, skozi katero je vstavljen talilni element 2 iz električno prevodnega materiala z vnaprej znano električno upornostjo in temperaturo tališča. Ohišje 1, ki je na Sl. 1 in 2 zgolj deloma ponazorjeno, je na vsakem izmed obeh koncev 11 zatesnjeno in zaprto s pomočjo tulčastega, skonca zaprtega in v aksialni smeri ohišja 1 vstran od slednjega štrlečega pokrova 3, ki sestoji iz električno prevodnega materiala. Tako oblikovana pokrova 3 skupaj z obliko samega ohišja 1 tvorita strokovnjakom znano in tudi dimenzijsko opredeljeno obliko visokonapetostne varovalke, kije kot taka strokovnjakom znana in tudi v praksi uveljavljena in široko uporabljana. Temu ustrezno je potem varovalka na odstranljiv način v območju pokrovov 3 vgradljiva v vsakokraten električni tokokrog.

Z vsakim izmed omenjenih pokrovov 3 je s svojim pripadajočim koncem električno povezan v notranjosti ohišja 1 razpoložljiv talilni element 2. Ohišje 1 je v notranjosti zapolnjeno s primemo količino sipkega negorljivega električno neprevodnega materiala 10, s katerim je obdan omenjen talilni element 2 in ki v prikazanem primeru predstavlja kremenčev pesek.

Po izumu pa je predlagano, da je na vsakem izmed obeh koncev 11 ohišja 1 varovalke med omenjenim ohišjem 1 in pokrovom 3 vstavljena pregradna stena 4 iz električno prevodnega in plastično deformabilnega materiala, na katere proti notranjosti ohišja 1 varovalke je nanešena z njo nerazstavljivo povezana plast 5 iz elastičnega električno neprevodnega materiala, ki v prikazanem primeru sestoji iz silikona, namreč is silikona, ki je vsaj za določen čas odporen proti visokim temperaturam.

Talilni element 2 je na vsakem koncu varovalke s pripadajočim električno prevodnim pokrovom 3 električno povezan preko omenjene električno prevodne stene 4, obenem pa poteka tudi skozi omenjeno plast 5 iz elastičnega materiala. Talilni element 2 v območju omenjene električno neprevodne plasti 5 obsega vsaj en pregib ali meander 21, s katerim je v notranjosti omenjene plasti 5 sidran in varovan proti izvlečenju.

Na Sl. 1 je prikazano stanje varovalke med regularno uporabo, ko je talilni element 2 neprekinjen in med pokrovoma 3 skozi pripadajoči predelni steni 4 in talilni element 2 lahko teče električni tok.

Ob preobremenitvi električnega tokokroga skozi varovalko, namreč skozi pokrova 3, predelni steni 4 in talilni element 2, se talilni element 2 segreje, pregreje in vsaj na enem mestu stali, kar privede do prekinitve talilnega elementa 2. Medtem se v notranjosti ohišja 1, ki je na obeh straneh tesno zaprto s pregradnima stenama 4 in sočasno še tudi s pokrovoma 3, tvorijo plini in poleg temperature narašča tudi pritisk. Naraščanje pritiska privede do znatne deformacije, namreč izbočenja, pregradnih sten 4, posledično pa tudi do določenega premika na pregradnih stenah 4 pričvrščenih plasti 5 vsaksebi, t.j. glede na ohišje 1 v smeri navzven.

Ker je talilni element 2 z vsakim izmed svojim koncev v obliki pregiba oz. meandra vpet v notranjosti vsakokrat pripadajoče plasti 5, se med izbočenjem pregradnih sten 4 v smeri vsaksebi in sočasnim premikom plasti 5 skupaj s stenama 4 tudi oba konca prekinjenega talilnega elementa 2 premakneta vsaksebi, s čimer se bistveno poveča vrzel med njima, temu ustrezno pa se potem zmanjša možnost nastanka obloka med obema koncema prekinjenega talilnega elementa 2.

Zahvaljujoč rešitvi po izumu se torej dobršen del energije, ki se ob električni preobremenitvi sprosti ob taljenju talilnega elementa 2, namesto za povzročanje prekomernih ali celo kritičnih mehanskih obremenitev na stičišču med ohišjem 1 in pokrovoma 3 ali pa v steni ohišja 1, potroši za deformiranje pregradnih sten 4, obenem pa se s tem samodejno doseže tudi povečanje vrzeli med preostalima odsekoma prekinjenega talilnega elementa 2, ki jo s tem lažje in bolj intenzivno zapolni omenjen sipek električno neprevoden material 10 v notranjosti ohišja 1, kar potem lahko še toliko bolj učinkovito zmanjšuje možnost formiranja obloka.

Strokovnjaku bo razumljivo, da je tako zasnovana varovalka ob nespremenjenih zunanjih dimenzijah primerna za vgradnjo v električni tokokrog, v katerem so električne obremenitve in podobne tehnične zahteve lahko občutno višje kot v tokokrogu, v katerem je vgrajena katera izmed tovrstnih varovalk iz stanja tehnike.

Claims (3)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Električna varovalka s talilnim elementom (2), obsegajoča cilindrično cevasto ohišje (1) iz električno neprevodnega materiala, skozi katero je vstavljen talilni element (2) iz električno prevodnega materiala z vnaprej znano električno upornostjo in temperaturo tališča, omenjeno ohišje (1) pa je na vsakem svojem koncu (11) zatesnjeno in zaprto s pomočjo tulčastega, skonca zaprtega in v aksialni smeri ohišja (1) vstran od slednjega štrlečega pokrova (3) iz električno prevodnega materiala, s katerim je električno povezan omenjen talilni element (2), razen tega pa je omenjeno ohišje (1) v notranjosti zapolnjeno s primemo količino sipkega negorljivega električno neprevodnega materiala (10), s katerim je obdan omenjen talilni element (2), označena s tem, da je na vsakem izmed obeh koncev (11) ohišja (1) varovalke med omenjenim ohišjem (1) in pokrovom (3) vstavljena pregradna stena (4) iz električno prevodnega in plastično deformabilnega materiala, na katere proti notranjosti ohišja (1) varovalke je nanešena z njo nerazstavljivo povezana plast (5) iz elastičnega električno neprevodnega materiala, pri čemer je talilni element (2) na vsakem koncu varovalke s pripadajočim električno prevodnim pokrovom (3) električno povezan preko omenjene električno prevodne stene (4) in obenem poteka tudi skozi omenjeno plast (5) iz elastičnega materiala, v območju omenjene električno neprevodne plasti (5) pa obsega vsaj en pregib ali meander (21), s katerim je v notranjosti omenjene plasti (5) sidran in varovan proti izvlečenju.
2. 2. Varovalka po zahtevku 1, označena s tem, da omenjena elastična električno neprevodna plast (5) sestoji iz silikona, namreč is silikona, ki je vsaj za določen čas odporen proti visokim temperaturam.
3. 3. Varovalka po zahtevku 1 ali 2, označena s tem, daje izven omenjene plasti (5) razpoložljivo območje talilnega elementa (2) v notranjosti ohišja (1) varovalke obdano s sipkim materialom (10), ki predstavlja kremenčev pesek.