Strombegrenzende Sicherung. Die.Erfindung bezieht. sich auf eine strombe grenzende Sicherung mit einem Schmelizleiter, der durch einen im Sicherungsgehäuse unter gebrachten, von Quarzsand umgebenen Metall streifen . gebildet ist..
Derartige Sicherungen führen die Unterbrechung von KurzSChlul'.')- strömen herbei, bevor diese den höchsten Wert zu erreichen vermögen, den der zu schützende Stromkreis hervorzubringen ver- ma-. Der Strom, den eine derartige Sicherung hindurchlässt, mag als Durchlassstrom be zeichnet werden.
Der Durchlassstrom verläuft unmittelbar nach Auftreten eines Kurz- schhusses im wesentlichen wie der Kurzschluss- strom. Er fängt an vom Kurzschlussstrom er heblich abzuweichen, wenn Schmelzen und Verdampfen des Schmelzleiters einsetzt.
Nach dem an die Stelle eines Teils oder des ganzen Schmelzleiters ein im Quarzsand brennender Lichtbogen getreten ist, verläuft der Durch lassstrom weit niedriger als der Kurzschluss- strom, der in dem betreffenden Stromkreis ohne das Vorhandensein einer strombegren zenden Sicherung auftreten würde. Durch diese Begrenzung des Kurzschlussstromes wird die thermisehe und elektrodvnamisehe Beanspruchung aller elektrischen Maschinen, Transformatoren, Apparate und Geräte,
die in dem betreffenden Stromkreis liegen, her abgesetzt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine viel erheblichere Herabsetzung der thermischen und elektrodynamischen Be anspruchung aller in einem Stromkreis liegen- den elektrischen Maschinen, Transformatoren, Apparate und Geräte zu ermöglichen, als mit Hilfe der vorbekannten strombegrenzenden Sicherungen geschehen konnte.
Bei einer jeden vorbekannten, strombe grenzenden Sicherung einer gegebenen Bau art besteht eine bestimmte -\Vechselbeziehung zwischen Grenzstrom, kleinstem AbschmeL-- strom und Nennstrom einerseits und dem Höchstwert des Durchlassstromes anderseits. Je höher der Grenzstrom, der kleinste Ab schmelzstroin und der Nennstrom,
desto höher der Höchswert des Durchlassstromes. Infolge dessen werden elektrische Maschinen, Trans formatoren, Apparate und Geräte, die für hohe Nennstromstärken ausgelegt sind,
selbst beim Vorsehen von strombegrenzenden Siehe rungen durch das Auftreten hoher DuTchlass- ströme thermisch und elektrodynamisch in unwirtschaftlich hoher Weise beansprucht. Bei Anwendung von strombegrenzenden Sicherungen gemäss der Erfindung kann die mechanische und, thermische Festigkeit von in dem betreffenden Stromkreis angeordneten elektrischen Maschinen, Transformatoren,
Apparaten und Geräten erheblich herabgE;- setzt werden, was eine erhebliche Verbilli- gung der Übertragung, Verteilung und An wendung von elektrischer Energie zur Folge hat.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der den Schmelzleiter der Sicherung bildende Metallstreifen zwei querschnitts- verschiedene Quersehnittsschwächungen auf weist, von denen die Schwächung grösseren Querschnitts den minimalen Schmelzstrom und die Schwächung kleineren Querschnitts den Höchstwert des Durchlassstromes der Sicherung bestimmt.
Die Zeichnung stellt einige Ausführung@- beispiele der Erfindung und sie erläuternde Kennlinien dar, und zwar ist Fig. 1 im wesentlichen ein Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel; Fig.2 ein Querschnitt gemäss 2-2 der Fig.1; Fig.3 eine Vorderansicht eines Schmelz leiters, der für Sicherungen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Bauart bestimmt ist;
Fig. 4 ist im wesentlichen ein Längsschnitt durch eine Sicherung, die eine Vielzahl von Schmelzleitern der in den Fig.1 und 2 dar gestellten Bauart umfasst; Fig. 5 ist ein Querschnitt gemäss 5-5 der Fig. 4; Fig.6 ist eine vergleichende Darstellung der Wirkungsweise von Sicherungen gemäss dein vorbekannten Stand der Technik und einer erfindungsgemässen Sicherung;
Fig. 7ca und 7b stellen das Verhalten von Sicherungen der in Fig. 1 und 2 und Fig. 4 und 5 dargestellten Bauart unter normalen Last verhältnissen dar;
Fig. 8a und 8b stellen das Verhalten von Sicherungen der in Fig. 1 und 2 und Fig.4 und 5 dargestellten Bauart beim Auftreten von kurzschlussartigen Überströmen dar;
in Fig. 9 sind Höchstwerte von Durchlassströ- men als Ordinaten und die Höchstwerte jener Kurzschlussströme, die beim Ersatz der Siche rung durch einen massiven Kupferleitergrossen Querschnitts auftreten würden, als Abszissen aufgetragen, und zwar bezieht sich die eine der in Fig.9 dargestellten Kennlinien auf vor bekannte strombegrenzende Sicherungen einer gewissen Bauart und.
die andere Kennlinie auf eine strombegrenzende Sicherung grund sätzlich der gleichen Bauart, deren Schmelz leiter jedoch mit einer zusätzlichen, den Höchstwert des Durchlassstromes herabsetzen den Querschnittsverjüngung versehen ist; Fig. 10 ist eine Schar von Kennlinien, die sieh auf eine vorbekannte Bauart von strombegrenzenden Sicherungen beziehen, und zwar sind in der genannten Figur als Ordina ten Ansprechzeiten und als Abszissen Strom stärken-beide im logarithmischen Massstab- aufgetragen:
Fig. 11 ist eine der Fig. 10 wesensgleiche Darstellung, bezieht sich indessen auf eine Anzahl von Sicherungen, welche die gleiche Nennstromstärke aber verschiedene Höchst werte von Durchlassströmen aufweisen, und in Fig.12 sind als Ordinaten die Zeiten vom Auftreten des Überstromes bis zu seiner Unterbrechung in Sekunden in Abhängigkeit vom Überstrom in Prozenten des Nennstromes aufgetragen, und zwar bezieht sieh eine Kenn linie in Fig.12 auf eine vorbekannte strom begrenzende Sicherung einer gewissen Bauart und die andere Kennlinie auf eine strombe grenzende Sicherung grundsätzlich der glei chen Bauart,
deren Schmelzleiter jedoch mit einer zusätzlichen, den Höchstwert des Durch lassstromes herabsetzenden Querschnittsschwä- ehung versehen ist.
In allen Figuren sind einander ent sprechende Bauteile mit den gleichen Bezugs zeichen versehen.
Die Fig. 1 und 2 beziehen sieh auf eine Sicherung, in welcher der Schmelzleiter durch einen einzigen, in sieh einheitlichen Metallstreifen gebildet ist, der zwei quer schnittsverschiedene Quersehnittsverjüngun- gen aufweist.
In Fig.l und 2 bezeichnet das Bezugs zeichen 1 ein rohrförmiges Sicherungsgehäuse aus einem geschichteten Isolierstoff, in dem der bandförmige Schmelzleiter 2 aus Silber untergebracht ist. Der Schmelzleiter 2 kann aus einem andern Metall als Silber bestehen, doch verdient Silber den Vorzug. Der Schmelzleiter 2 ist mit einer Vielzahl von äquidistanten, kreisförmigen Perforationen 2z versehen. Ein Teil des Gehäuses 1 ist mit Quarzsand 3 geeigneter Korngrösse gefüllt.
Das rechte Ende des Sicherungsgehäuses 1 ist mit einem unter dem Einfluss von Hitze gasabgebenden körnigen Löschmittel 3a, bei- spielsweise chemisch reinem Kalk gefüllt. Da nur ein geringer Bruchteil der C esamtlänge des Schmelzleiters 2 in dem gasabgebenden Löschmittel 3a eingebettet ist, so bleibt der im Sicherungsgehäuse 1. entwickelte Gasdruck innerhalb der durch dessen mechanische Festigkeit gegebenen Grenzen.
Derjenige Teil des Schmelzleiters 2, der von dem gasabgebenden Löschmittel 3a um geben ist, kann, falls erwünscht, mit einem legierungsbildenden Element 5, etwa der Niete aus Zinn, versehen sein. Zinn hat einen geringeren Schmelzpunkt als Silber und bil det mit Silber eine Legierung, die einen geringeren Schmelzpunkt hat als Silber. Falls die Zinniete 5 in eine der Perforationen 2a eingefügt ist, so wird der Schmelzvorgang im allgemeinen beim Auftreten kleiner, lange anhaltender Überlasten an der Stelle des Schmelzleiters 2 eingeleitet, an der die Zinn- niete 5 vorgesehen ist.
Wenn die Zinniete 5 oder eine ähnliche Metallauflage nicht vorge sehen ist, so wird der Schmelzvorgang im all gemeinen beim Auftreten geringer, lange an haltender Überlasten an den Querschnitts schwächungen 2c, 2c eingeleitet, die sich im Bereich der Mitte des Schmelzeinsatzes 2, seit lich der Perforationen 2a befinden. Jede der Quersehnittsschwächungen 2e, 2c besteht aus zwei einander parallel geschalteten Strom pfaden. Nach Verdampfen dieser beiden Strompfade treten zwei kurze, einander par allele Lichtbogen an ihre Stelle. Da einander parallele Lichtbogen unstabil sind, wird einer der beiden Lichtbogen alsbald erlöschen.
Unmittelbar darauf erlischt der andere Licht bogen dank der Kühlwirkung des ihn um gebenden Quarzsandes.
Es ist wichtig, ein Mischen der körnigen Löschmittel 3 und 3a zu verhüten. Zu diesem Zweck ist zwischen den beiden Löschmitteln 3 imd 3a eine sie trennende Querscheidewand 4 vorgesehen.
Die lichte Weite des Sicherungsgehäuses 1. ist verhältnismässig gering und liegt in der Crössenordnung des Zweifachen der Breite des Schmelzleiters 2.
Diese erhebliche Herab- seTzung des Volumens des Sicherungsgehäuses, verglichen mit demjenigen vorbekannter strombegrenzender Sicherungen, ist darauf zurückzuführen,
dass die Sicherung gemäss den Fig. 1 und 2 die Schaltarbeit ('i2 <I>r</I> dt in welchem Ausdruck i den Lichtbogenstrom und r den Widerstand. des Lichtbogens be deuten - und den Höchstwert des Durchlass- stromes drastisch herabsetzen.
Anderseits ist die Wandstärke des Sicherungsgehäuses 1 be trächtlich, um es in die Lage zu versetzen, den in ihm entwickelten hohen Innendrucken standzuhalten. Die beiden Enden des Siche rungsgehäuses sind durch Anschlussglieder in Gestalt von Verschlusskappen 6a, 6b abge schlossen.
Der Schmelzleiter 2 ist. mit den Verschlusskappen 6a., 6b in geeigneter Weise, etwa durch Punktsehweissung, stromleitend verbunden. Die Versehlusskappen Ecu, <I>6b</I> weisen einen Umfangswulst auf, der in das Sicherungsgehäuse 1 hineingedrückt, ist, um die Verschlusskappen an ihm festzuhalten.
Der Schmelzleiter 2 ist ferner mit einer Querschnittsschwächung 2b versehen, die un weit seines linken Endes (Fig.1.) vorgesehen ist. Die Querschnittsschwächung 2b hat einen geringeren Querschnitt als die Querschnitts schwächung, die durch die Strompfade 2c, 2c zu jeder der beiden Seiten einer jeden der Perforationen 2a gebildet sind. Die axiale Länge der Querschnittsschwächung 2b ist recht gering und dies beschränkt die Wärme menge, die an der Stelle dieser Querschnitts schwächung erzeugt wird.
Da die geometrische Konfiguration der rechten und linken Hälfte des Schmelzleiters 2 verschieden ist, so sind auch die thermischen Eigenschaften der bei den Hälften des Schmelzleiters 2 verschieden. Der Grenzstrom und der geringste Abschmelz- strom sind überwiegend durch die rechte Hälfte des Schmelzleiters bestimmt.
Angenommen, dass die Zinniete 5 fort gelassen worden sei, dann wird der Schmelz vorgang beim Auftreten lange anhaltender geringer überlasten an einer der Querschnitts schwächungen 2e, 2c im Bereich der Mitte des Schmelzleiters 2 eingeleitet. Die Querschnittsschwäehung 2b ist durch zwei seitliche Ausstanzungen 7 des Schmelz leiters 2 -und einen zwisehen ihnen verbleiben den Steg gebildet.
Der Schmelzleiter 2 hat eine solche geo nietrische Konfiguration und seine Umgebung weist solche thermische Eigenschaften auf, da.ss beim Auftreten kurzschlussartiger Ströme der Temperaturanstieg an der Querschnitts schwächung2brascher ist als an der Vielzahl.von in Reihe geschalteten Querschnittsschwächun- gen 2c, 2c, während beim Auftreten verhält nismässig geringer lange anhaltender Über lasten der Temperaturanstieg an der Vielzahl von in Reihe geschalteten Querschnittsschwä- chungen 2e,
2c rascher ist als an der zuerst genannten Querschnittssehwächung.
Beim Auftreten von verhältnismässig ge ringen, lange anhaltenden Überlasten ist das Verhältnis der an der Querschnittsverjüngung 2b erzeugten Wärmemenge zu der an der genannten Querschnittsschwächung 2b durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvek tion zerstreuten Wärmemenge annähernd eins, was namentlich auf die Kürze der Quer- sehnittsschwächung 2b und die Grösse der ihr unmittelbar benachbarten Metallmassen,
ein schliesslich der Verschlusskappe 6a und der Grösse der Oberfläche dieser Metallmassen zurückzuführen ist. Daher ist beim Auftreten verhältnismässig geringer, lange anhaltender überlasten der an der Querschnittsschwä- chung 2b vor sieh gehende Temperaturanstieg verhältnismässig gering im Vergleich zu dem Temperaturanstieg, der an den Querschnitts schwächungen 2c, 2c vor sich geht, in bezug auf die das Verhältnis von erzeugter zu zer streuter Wärmemenge weit mehr von eins abweicht als in bezug auf die Querschnitts schwächung 2b.
Daher werden der Abschmelz- vorgang und die Liehtbogenbildung stets an der heissesten. der in Reihe geschalteten Quer- sehnittsschwächungen 2e, 2c auftreten, wenn die Überlast gering, aber von langer Dauer ist, beispielsweise wenn sie den geringsten Schmelzstrom nur um weniges überschreitet.
Das Verhalten der Sicherung ist völlig ver- schieden, wenn der Überstrom hoch und der Anstieg desselben rasch sind, beispielsweise wenn der Überstrom ein Kurzschlussstrom ist.
Dann ist der Temperaturanstieg an der Quer schnittsschwächung 2b so rasch, dass dieselbe in einem geringen Bruchteil einer Halbwelle zum Abschmelzen kommt, weni die Sicherung in einem Wechselstromkreis angeordnet ist. Wenn die Sicherung in einem Gleichstrom kreis liegt, wird die Q.uersehnittsschwäehung 2b in einer Zeitspanne gleicher Grössen ordnung absehmelzen. Die Zeitspanne zwi schen dem Auftrete:
. des Überstromes und seiner völligen Unterbrechung durch Lö schung des Liehtbogens in der Sicherung ist sowohl im Wechselstrom- als im Gleichstrom fall in der Grössenordnung von wenigen Millisekunden, etwa 2 bis 10 Millisekunden. Der Strom, der zum Abschmelzen und Verdampfen der Querschnittsschwächung 2b erforderlich ist, ist der Höehswert des D.urch- lassstromes der Sicherung.
Die Verdampfung der Querschnittsschwäehun:g 2b leitet eine spontane Verdampfung des überwiegenden Teils des Schmelzleiters 2 ein, der sich an der rechten Seite der Quersehnittsschwäehung 2b befindet (Fig.1) .
Wenn der Überstrom verhältnismässig ge ring ist und die Zinniete 5 weggelassen wurde, so werden der Schmelzvorgang und die Lieht bogenbildung an einer der Querschnitts,- schwä,ehungen 2c, 2c eingeleitet, die sich in der Nähe der Mitte des Schmelzleiters 2 be finden. Hieran anschliessend erfolgt Ab schmelzen und Lichtbogenbildung an den benachbarten Querschnittsschwächungen 2c, 2e. Die Bildung einer Vielzahl von kleinen in Reihe liegenden Lichtbögen bewirkt eine schnellere Erhöhung der gesamten Bogenspan nung und des gesamten Bogenwiderstandes als beim Vorhandensein nur eines Licht bogens möglich ist.
Wenn die Zinniete 5 in den Schmelzleiter 2 eingesetzt ist, so wird beim Auftreten gerin ger, lange anhaltender Überlasten die Unter brechung des Schmelzleiters 2 an der Stelle eingeleitet, an der sich die Niete 5 befindet. Die Länge des an der Unterbrechungsstelle gebildeten Lichtbogens wä@ehst in dem Mass als das an den Fusspunkten des Lichtbogens be findliche Metall verdampft.
Da der Schmelz leiter links von der Stelle, an der der Unter breehungsvorg.ang eingeleitet wird, eine höhere Temperatur hat als rechts von dieser Stelle, so ist. die Wachstumsgeschwindigkeit des Lichtbogens in linker Richtung eine höhere.
Wenn man einen Schmelzleiter 2 der Art. anwendet, wie ihn die Fig.1 und 3 zeigen, in (lem aber das Vorsehen der Zinsniete 5 oder eines ähnlichen Legierungsbildners unter lassen ist, so kann man einen kritischen Strom wert bestimmen, für den und bei Gberschrei- tung desselben der Absehmelzvorgang an der Querschnittssehwächung 2b anstatt an einer der Querschnittsschwächungen 2e, 2c einge leitet wird. Der genannte kritische Stromwert ist. ein verhältnismässig hoher Überstrom.
Es gibt ferner eine kritische Wachstumsgeschwin- digke'it für einen kurzschlussartigen Strom, bei deren Erreichung und Überschreitung der Abschmelzvorgang an der Querschnitts- sehwächung 2b anstatt an der Quersehnitts- .,;ehwäehung 2e, 2e in der Mitte des Sehmelz- leiters eingeleitet wird.
Beim Auftreten lange anhaltender Überlasten, deren Grösse geringer ist als der kritische Wert, bei dessen Auftre ten der Unterbrechungsvorgang an der Quer- sehnittssehwächung 2b eingeleitet wird, mag der Unterbrechungsvorgang an der,der Quer schnittssehwächung 2b unmittelbar benach barten Quersehnittsschwäehitng 2e, 2c einge leitet werden.
Weitere Herabsetzung der Uberla.st führt zu einer progressiven Ver lagerung der Einleitungsstellle des Unter brechungsvorganges von links nach rechts, bis beim Auftreten des minimalen Abschmelz- stromes der Unterbrechungsvorgang an der Quersehnittssehwäehung 2e, 2c eingeleitet wird, die annähernd in der Mitte des .Schmelz leiters 2 liegt.
Eine ähnliche progressive Verlagerung der den Unterbrechungsvorgang einleitenden Stelle des Schmelzleiters 2 kann auch dann beobachtet werden, wenn der Schmelzleiter mit einer Zinniete 5 oder einem mehr oder minder gleichartigen Legierungsbildner ver sehen ist.
Der in Fig.3 dargestellte bandförmige Schmelzleiter besteht aus Silber und weist acht entlang seiner Längsae'hse angeordnete Perforationen 2a auf, deren Durchmesser 1,15 Millimeter beträgt. Der Abstand zwischen den Perforationen beträgt 5,075 Millimeter. Die gesamte Länge des Schmelzleiters beträgt 8,125 Zentimeter, seine Breite 2,15 Millimeter und seine Stärke 0,075 Millimeter. Nach Ein fügung des Schmelzleiters; in dass Sicherungs gehäuse 1 wurde die Länge des ersteren auf 5 Zentimeter herabgesetzt.
Die axiale Länge der Querschnittsschwäehung 2b, welche den Höchstwert des Durchlassstromes bestimmt, beträgt 0,775 Millimeter und ihre Breite 0,25 Millimeter.
Das Verhältnis des Quer schnittes bzw. .der Breite der Quersehnitts- schwächung 2b zum Querschnitt bzw. der Breite des Schmelzleiters 2 isst 1:8;6. Dieses Verhältnis ist ziemlich kritisch und es emp fiehlt sich, bei Sicherungen der in den Fig.I. und 2 dargestellten Bauart mit Verhältnissen im Bereich von 1:8 bis 1:9 -zu arbeiten.
Der Abstand zwischen dem linken Ende des Schmelzleiters 2 und dem Mittelpunkt der Quers@chnittsssehwächung 2b und der Abstand zwischen dem rechten Ende des Schmelzleiters 2 und der letzten Perforation 2a, die: an der rechten Seite des Schmelzleiters :gelegen ist, betragen je 2,03 Zentimeter. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Querschnitts schwächung 2b und dem Mittelpunkt der ihm unmittelbar benachbarten Perforation 2a be trägt 5,075 Millimeter.
Das Verhältnis des Querschnittes der Querschnittsschwächung 2b zum Querschnitt eines jeden Paares von par allelen Strompfaden 2e, 2c ist 1:4.
Die Teile 2b', 2b' des Schmelzleibers 2 befinden sich unmittelbar neben der Quer- schnittssehwächung 2b an -entgegengesetzten Seiten derselben. Die Teile 2c', 2c' des Schmelzleiters 2 befindlen sich unmittelbar neben den Querschnittssehwäehungen '2c, 2c an entgegengesetzten Seiten derselben. Der Querschnitt der Querschnittsschwächungen 2b bestimmt den höchsten Durchlassstrom der Sicherung, in welcher der Schmelzleiter ange ordnet ist.
Der Querschnitt der benachbarten Teile 2b', 2b' des Schmelzleiters und ihre Länge und diejenigen Teile der Sicherung, mit denen die Querschnittssehwächung 2b in enger\Värmeaustalrs-chbeziehung sticht, na mentlich die Versehlusskappe 6a, verursachen eine schnelle und intensive Kühlung der Quer- schnittssehwächung 2b, wenn der Schmelz leiter verhältnismässig geringen Strömen bzw.
Überlasten unterworfen ist. Ungeachtet der Tatsache, dass der Querschnitt der Quer- sehnittssehwäehungen 2c, 2c viermal so gross ist als der Querschnitt der Querschnitts- schwächung 2b, steigt die Temperatur der ersteren beim Auftreten von verhältnismässig geringen Überlasten schneller als diejenige der letzteren.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die zwischen den Querschnittsschwächun- gen 2e, 2c liegenden Teile 2c' des Sehmelz- leiters 2 eine- nur geringe Kühlwirkung- aus üben, da. jeder von ihnen durch, zwei Querschnittsschwächilngen beheizt wird. Die axial äussern Teile des Schmelzleiters 2, die an den Querschnittsschwächungen 2e, 2c eine doppelte Punktbeheizung erfahren, bilden wirksame thermische Isolatoren für den axial innern Teil des Schmelzleiters.
Aus diesem Grunde steigt die Temperatur der axial innern Teile des Schmelzleiters verhältnis- mässig rasch in Übereinstimmung mit der Zunahme einer verhältnismässig geringen Überlast.
Anders ausgedrückt, die Tatsache, dass der Schmelzleiter 2 der Sicherung mit einer Vielzahl von Querschnittsschwächungen 2c, 2c versehen ist, verringert den Tempera turabfall zwischen der Mitte und den äussern Enden des Schmelzleiters -Lund die Kleinheit des genannten Temperaturabfalls hat zur Folge, dass die Temperatur in der Mitte des Schmelzleiters rasch im Einklang mit dem Anwachsen einer geringen Überlast anwächst.
Dies führt zum Ansprechen der Sicherung im Bereich der Mitte des Schmelzleiters 2, wenn unzulässige, verhältnismässig geringe über lasten auftreten.
Beim Auftreten kurzsehlussartiger Ströme spielen Wärmeaustauschvorgänge keine oder eine nur untergeordnete Rolle und deshalb kommt es in diesem Fall zum Abschmelzen und Verdampfen der Querschnittsschwä- chung 2b, bevor irgendeine andere Stelle des Schmelzleiters 2 seine Schmelztemperatur erreicht.
Bei der Sicherung gemäss den Fig. 1 und 2 besteht der Schmelzleiter aus einem einzi gen, in sich einheitlichen Metallstreifen. Es ist indessen. möglich, den Schmelzleiter aus zwei in Reihe geschalteten Streifenteilen zu bilden, von denen ein Streifenteil eine oder mehrere, den minimalen Schmelzstrom der Sicherung bestimmende Querschnittsschwä- chungen verhältnismässig grossen und der andere Streifenteil eine den Höchstwert des Durchlassstromes der Sicherung bestimmende Querschnittsschwächungen verhältnismässig kleinen Querschnitts aufweist.
In Fig. 6 stellt der Linienzug Ir den Nennstrom einer strombegrenzenden Siche rung dar, und hr",@@ ist der Scheitelwert des Stromes Ir. Der Linienzug<I>I</I> deutet einen völlig asymmetrischen Kurzschlussstrom. an. Der Kurzschlussstrom I entsteht im Zeit punkt To und seine ursprüngliche Wachstums geschwindigkeit ist in Fig. 6 durch eine Tangente an den Linienzug I im Punkt r" dargestellt.
Wenn in dem Stromkreis eine strombegrenzende Sicherung irgendeiner vor bekannten Bauart vorgesehen ist, so be stimmt der Querschnitt der Stelle geringsten Querschnitts des Schmelzleiters sowohl den Höchstwert des Durehlassstromes als auch den Nennstrom, Grenzstrom und minimalen Abschmelzstrom. Der Nennstrom, Grenzstrom und minimale Abschmelzstrom hängen von der Bauart der Sicherung im allgemeinen, das heisst von vielen Faktoren ab und ändern sich von Prototyp zu Prototyp, doch einer der Faktoren, welche jeweils den Nennstrorrr,
Grenzstrom und minimalen Schmelzstrom bestimmen, ist der Querschnitt der Stelle ge ringsten Querschnitts des Schmelzleiters. Hin gegen hängt der Höchstwert des Durehlass- st-romes überwiegend nur vom Querschnitt der Stelle geringsten Querschnitts des Schmelz leiters ab. Daher besteht für eine Sicherung gegebener Bauart ein unabänderliches Ver hältnis zwischen dem Nennstrom und dein Höchstwert des Durchlassstromes, das heisst jede Änderung des einen bewirkt auch eine Änderung des andern.
Genauer ausgedrückt, jedwede Erhöhung des Nennstromes, Grenz stromes und des minimalen Abschmelzstromes bewirkt auch eine Erhöhung des Höchst wertes des Durehlassstromes.
In Fig. 6 deutet der Linienzug Il den Durehlassstrom einer Sicherung bekannter Bauart an, in welcher der Nennstrom, Grenz strom und der minimale Schmelzstrom einer seits und der Höchst-,vert des, Durehlassstromes anderseits voneinander abhängen. Der Durch lassstrom steigt von T" zu T2 im wesentlichen in der gleichen. Weise an, in der er ansteigen würde, wenn die Sicherung durch einen massiven Kupferklotz grossen Querschnitts ersetzt, wäre.
Im Zeitpunkt T2 fängt der Durehlassstrom von seinem Scheitelwert I1maX zu null hin abzunehmen. Der Strom wird im Zeitpunkt- T3 zu: null. Der Zeitpunkt. T3 liegt etwas vor dem Zeitpunkt, in welchem der Kurzschlussstrom auf natürliche Weise dureh den Nullwert hindurchgehen würde.
Beim Vorhandensein einer Sicherung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauart, das heisst einer Sicherung mit voneinander unab hängigem Nennstrom und Höchstwert des Durchlassstromes, die den gleichen Nennstrom Ir besitzt, tritt Schmelzen und Verdampfen des Schmelzleiters bereits in einem früheren Zeitpunkt ein und der Durehlassstrom er reicht bereits im Zeitpunkt T, seinen Höchst wert Der Durchlassstrom beginnt.
im Zeitpunkt T1 abzusinken und. erreicht seinen Nullwert spätestens im Zeitpunkt T3, meist jedoch etwas früher. Offenbar ist Zlmax 4 Ilmax und dies ermöglicht es, in dem Stromkreis elektrische Maschinen, Transformatoren, Ap parate und Geräte anzuordnen, welche gerin gere Anforderungen in bezug auf thermische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen elektrodynamische Kraftwirkungen stellen als bisher erforderlich war.
Derartige elektrische Maschinen, firansformatoren, Apparate und Geräte mögen nicht in der Lage sein, Stoss beanspruchungen nach Art des Durchlass- stromes I, einer normalen strombegrenzenden Sicherung standzuhalten und ihre Verwen dung ist an die Anwendung von strombegren zenden Sicherungen geknüpft, die es ermögli chen, den Nennstrom und den maximalen Durchlassstrom der ,
Sicherung unabhängig voneinander festzulegen.
Es ist offenbar, dass bei Sicherungen der zuletzt genannten Art Hand in Hand mit der Herabsetzung .des Durchlassstromes eine Her absetzung der Schaltarbeit erfolgt, was wie- derum eine entsprechende Herabsetzung des Volumens von Quarzsand bedeutet, das zur Zerstreuung der in Wärme umgesetzten Schaltarbeit erforderlich ist.
Die Herab setzung des Volumens des Quarzsandes ermög licht eine Herabsetzung des Volumens des Sicherungsgehäuses bzw. eine Herabsetzung aller äussern Abmessungen der Sicherung.
Die Fig. 7a und 7b stellen die Abhängig keit der Temperatur der Querschnitts schwächung 2b und einer der Querschnitts sehwäehungen 2e, 2c im Bereich der Mitte des Schmelzleiters von der Dauer der Be lastung einer Sicherung gemäss den Fig. 1 und 2 mit einem Strom konstanter Stärke dar. Zur Zeit null befinden sich die Querschnitts schwächung 2b und die Querschnittss:chwä- chungen 2c, 2c auf der gleichen Temperatur, nämlich der Temperatur des Raumes, in dem sieh die Sicherung befindet.
Diese Temperatur ist in den Fig. 7a und 7b als Nulltemperatur erachtet worden. Nach Schliessen des Strom- kreises beginnt die Temperatur der Quer schnittsschwächungen 2b und 2c, 2c zu stei gen, und zwar steigen beide entsprechend zwei voneinander abweichenden Exponentialkur- ven. Der Temperaturanstieg der Querschnitts schwächung 2b verhältnismässig geringen Querschnittes ist langsamer als der Tempera turanstieg der Querschnittsschwächungen 2e, 2c grösseren Querschnitts.
Es wurde ange nommen, dass die Sicherung einer zulässigen Belastung unterworfen wird und daher er reichen die Exponentialkurven, welche den Temperaturanstieg an den Querjschnitts- schw ächungen 2b und 2e, 2c wiedergeben, niemals die Schmelztemperatur des Metalleu, aus dem der Schmelzleiter 2 besteht..
Angenommen, dass die Belastung der Sicherung erhöht werde. Dann steigen die Temperaturen der Quersehnittsschwächungen 2b und 2e, 2c rascher als zuvor an, aber die Temperatur der Querschnittsschwächung 2b bleibt hinter derjenigen der Querschnitts- sehwächung 2c, 2c zurück und letztere mag den Schmelzpunkt. des Schmelzleitermetalles erreichen, während erstere den Schmelzpunkt unter Umständen niemals erreichen mag.
In den Fig.8a und 8b wurde angenom men, dass die Sicherung im Zeitpunkt t = 0 einer gewissen Belastung unterworfen ist, die das Bestehen einer gewissen Temperatur an der Querschnittsschwäehung 2b und das Be stehen einer andern und höhernTemperatur an der Querschnittsschwächung2c, 2c verursacht.. Es wurde angenommen, dass in Zeitpunkt T,, ein kurzsehlussartiger Strom auftritt.
Infolge dessen steigen vom Zeitpunkt. T5 angefangen die Temperaturen der Querschnittsschwä.chun- gen 2b und 2e, 2e rasch an, und zwar ist der Temperaturanstieg an der Querschnitts- sehwäehung 2b rascher, da ihr Querschnitt kleiner und ihr Ohmseher Widerstand grösser ist und da sich der Vorgang so rasch abspielt, dass Wäxnneaitstausehvorgänge bei ihm keine praktische Bedeutung haben.
Nach einem Zeitintervall von 4t1 Mikrosekunden nach Auftreten des kurzsehlussartigen Stromes erreicht die Quersehnittsschwäehung 2b ihre Schmelztemperatur f und dies leitet den sieh normalerweise vollziehenden Unterbrechungs vorgang ein. Wenn die Temperatur der Quer schnittsschwächung 2e, 2c mit, ihrer ursprüng lichen Wachstumsgeschwindigkeit ansteigen würde, so würde die Querschnittsschwächung 2c, 2e ihre Schmelztemperatur nach dem Zeit intervall dte Mikrosekunden erreichen.
<I>A</I> t, <I>> A</I> t, Tatsächlich dauert es jedoch länger als t@@ bis die Querschnittssehwächung 2e, 2c des Schmelzleiters die Schmelztemperatur er- reicht.
Dies ist insbesondere darauf zurück zuführen, dass die Verdampfung des Schmelz leiters, die am Ende des Zeitintervalls dtl einsetzt, zu einer erheblichen Erhöhung des Widerstandes der Sicherung und einer ent sprechenden Herabsetzung des durch die Sicherung fliessenden Stromes führt. Wegen dieser Herabsetzung der Stromstärke nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit.
der Tempera tur der Querschnittsschwäehung@ 2e, 2c am Ende des Zeitintervalles dtl ab und es dauen t 4t'2 anstatt dt2 Mikrosekunden bis die Quer schnittsschwächung 2e, 2c ihre Schmelztempe ratur erreicht.
<I>4</I> t'2 > d t2 Es ist von erheblicher Bedeutung für das richtige Arbeiten der Sicherung, dass die Querschnittsschwächung 2b, welche den Höchstwert des Durchlassstromes bestimmt, unmittelbar neben einem der Ansehlussglieder bzw. unmittelbar neben einer der Kappen<I>6r1,</I> 6b (Fig. 1) der Sicherung angeordnet. ist und sich abseits der Mittelzone der Sicherung be findet.
Wenn sieh die Quersehnittssehwä- chung 2b verhältnismässig nahe einem der axial äussern Enden des Schmelzleiters be findet, so wird deren Kühlung infolge der verhältnismässigen Nähe der kühlen Kappen 6cc, 6b und der verhältnismässigen Entfernung des heissen Mittelteils des Schmelzleiters 2 eine gute sein.
Die Kühlwirkung, welche die benachbarte Endkappe auf die Querschnitts- schwü.ehung 2b ausübt, hängt von der Tempe ratur des umgebenden Raumes ab, doch ist sie stets hoch genug, um das Temperatur niveau der Quersehnittssehwäehung 2b unter dem Temperaturniveau aller Querschnitts- sehwächungen 2c, 2c zu halten, solange der Strom, der durch die Sicherung hindurch fliesst, nicht kurzschlussartiger Natur ist.
In Fällen, in denen Sicherungen mit Nennstromstärken in der Grössenordnung von vielen hunderten Ampere zu einigen tausend Ampere erforderlich sind, ist es möglich, eine Vielzahl von Sicherungen gemäss den Fig.1 und 2 in Parallelschaltung zu einer baulichen Einheit zusammenzufassen. Die Fig. 4 und<B>5</B> beziehen sieh auf eine zusammengesetzte Sicherung dieser Art.
In den Fig.4 und 5 bezeichnen die Be zugszeichen 8a und 8b zwei massive Kupfer- scheiben, die mit Messerkontakten versehen sirrcl, die sich zur Einführung in einen Siche rungshalter eignen.
Die Kupferscheiben sind mit im wesentlichen zylindrischen, napfarti- gen Vertiefungen 1.0a, 10a', 10a", lOa', 10a"" bzw. 10b, 10b', 10b", 10b<B>"</B>, 10b"" <B>....</B> versehen.
Die Sichening umfa.sst eine Vielzahl von Einheiten, von denen eine jede mit der in Fig.1 und 2 dargestellten Sicherung völlig übereinstimmt und deren Darstellung in den Fig.4 und 5 aus diesem Grund verhältnis mässig schematisch gehalten ist.
In den Fig.4 und 5 bezeichnet 1 das rohrförmige -ungsgehäuse der Einzelsicherungen, -'ieliei <B>C</B> -artig- aus. denen aufgebaut die Hochstromsicherun ist. Die Versehlusskappen gbaukasten der Einzelsicherung führen die Bezugszeichen 6a und 6b.
Jedes Paar von Verschlusskappen ist in ein Paar der napfartigen Vertiefungen 10a, 10b; 10a', 10b'; 10a", 10b"; usw. unter Druck eingeführt, um den elektrischen und thermi schen Übergangswiderstand möglichst gering zu halten. Ein körniges Kühlmittel 11 füllt die Zwischenräume zwischen den Gehäusen 1 der Einzelsicherungen aus.
Das Kühlmittel 11 stellt einen wirksamen Schutz gegen die Wir kengen der heissen Liehbogengase für den Fall dar, dass eines der Gehäuse 1 bersten sollte oder für den Fall, dass die heissen Gase ohne Zerstörung eines Gehäuses 1 an den Enden desselben austreten sollten. Der Isolier- mantel 12 umhüllt die Kupferscheiben 8a, 8b, die zwischen ihnen angeordneten Einzelsiche rungen und das zwischen den Einzelsicherun gen befindliche körnige Kühlmittel 11.
Der Schmelzleiter 2 einer jeden Einzelsicherung ist mit einer Quersehni@ttsschwächung 2b ver sehen, die . den Höchstwert des Durchlass- stromes der betreffenden Einzelsicherung be stimmt.
Der Schmelzleiter 2 einer jeden Siche rung weist überdies eine Vielzahl von kreis förmigen Perforationen 2a auf, die eine Viel zahl von reihenparallelen Strompfaden er zeugen, von denen ein jedes Paar von paral- lelen Strompfaden 2e, 2c einen grösseren Querschnitt besitzt als die den Höchstwert des Durchlassstromes bestimmende Quer- schnittsschwächung 2b.
Die Querschnitts schwächungen 2b befinden sich unmittelbar neben den Verschlusskappen 6a und letztere sind unter erheblichem Druck in die unmittel- bar benachbarte Kupferscheibe 8a eingepresst. Infolgedessen übt die Kupferscheibe 8a wäh rend des normalen Betriebes und beim Be stehen geringer Überlasten eine erhebliche Kühlwirkung auf die Querschnittssehwäehun- gen 2b aller Einzelsicherungen aus.
In Fig. 9 ist die Abhängigkeit der Höchst- werte von Durchlassströmen von der Kurz schlussstromstärke dargestellt. Die Stärke der Kurzschlussströme wurde in Effektivampere gemessen. Die Massstäbe beider Koordinaten achsen sind logarithmisch.
Die obere Kenn linie bezieht sich auf eine im wesentlichen gemäss den Fig.4 und 5 ausgebildete Siche rung, in der jedoch die den Höchstwert des Durchlassstromes bestimmenden Querschnitts schwächungen 2b der Schmelzleiter 2 fortge lassen wurden. Der Nennstrom der betreffen den Sicherung betrug 200 Ampere.
Die untere Kennlinie der Fig.9 bezieht sich auf eine Sicherung der gleichen Bauart mit einem Nennstrom von 200 Ampere, die jedoch den Höchstwert des Durchlassstromes bestimmende Querschnittsschwächungen 2b an jedem Schmelzleiter 2 zusätzlich zu dessen Quer- schnittsverschwächungen 2e, 2c aufweist. Während der Höchstwert des Durchlassstro- mes der zuerst genannten Sicherungsart weit grösser als 3000 Ampere ist,
wenn sich die Sicherung in einem Stromkreis befindet, der einen Kurzs.chlussstrom von 2000 Effektiv ampere hat, so ist der Höchstwert des Dureh- lassstromes der zuletzt genannten Sicherung lediglich in der Grössenordnung von 1500 Ampere.
Die Kennlinie der Sicherung, die Schmelzleiter mit den Höchstwert des Durch- l.assstromes bestimmenden Querschnittsschwä- chungen 2c und zusätzlichen Querschnitts- verjüngungen 2e, 2c zur Unterbrechung von Überlasten aufweist, verläuft innerhalb des ganzen Bereiches von Kurzschlussströmen unterhalb der Kennlinie der Sicherung,
deren Schmelzleiter nicht mit Querschnittssehwä- chungen 2b versehen ist.
Fig.10 veranschaulicht die Strom-Zeit- Kennlinien einer vorbekannten strombegren zenden Sicherung. Es geht aus dieser Figur ohne weiteres hervor, da.ss zwecks Erzielung von Selektivität die Anwendung von Siche rungen verschiedener Nennstromstärke erfor derlich ist.
Fig.11 veranschaulicht die Strom-Zeit- Kennlinien von vier Sicherungen der in Fig. 1, 2, 4 und 5 dargestellten Bauart und zeigt, dass vier Sicherungen, welche den deichen Nennstrom haben, selektiv abzu schalten vermögen, wenn der sie durchflie- ssende Strom 135% oder mehr des Nenn- stromes beträgt.
Anders ausgedrückt, durch Änderung der Querschnittsschwächung 2b in einer Zahl sonst identischer Sicherungen ist es möglich, den durch die Sicherungen bewirk ten Schutz zu staffeln und die Abschaltung auf den fehlerbehafteten Teil der Leitung zu beschränken.
Von den beiden Kennlinien, die in Fig.12 dargestellt sind, bezieht sich die obere auf eine vorbekannte strombegrenzende Sicherung und die untere auf eine Sicherung, die es er möglicht, die Höchstwerte der Durchlassströme und den minimalen Schmelzstrom unabhängig voneinander festzulegen.
Die zuerst genannte Kennlinie ist eine der in Fig.10 dargestellten Schar und die zuletzt genannte Kennlinie eine der in Fig.1.1 dargestellten Schar.