DE19600947A1 - Sicherungsvorrichtungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sicherungsvorrichtungen mit einer Mehrzahl von Sicherungsleitern. Insbesondere, wenngleich nicht notwendigerweise, ist die vorliegende Erfindung auf Hochspannungssicherungen anwendbar, bei denen die Siche­ rungsleiter auf einem röhrenförmigen, isolierenden Träger aufgedruckt sind.

Wenn es erforderlich ist, "Ganzbereichs"-Sicherungen zur Verfügung zu stellen, also Sicherungen, die in der Lage sein müssen, alle Ströme zu blockieren, die ein Schmel­ zen der Sicherungsleiter bewirken, haben Sicherungen, für die die Betriebsgeschwindigkeit nicht kritisch ist und deren Typ in EP-A-0 117 582 beschrieben ist, beträchtlichen Erfolg gefunden. Diese Sicherungen umfassen im allgemeinen einen zylindrischen Quarzglasträ­ gerkörper, auf dessen äußerer Oberfläche eine Mehrzahl sich schraubenförmig erstrecken­ der Sicherungsleiter gedruckt sind. Unter normalen Betriebsbedingungen wird der Siche­ rungsstrom gleichmäßig über die Mehrzahl von Sicherungsleitern verteilt. Kerben mit redu­ zierter Dicke sind in jedem der Leiter vorgesehen, so daß bei niedrigen Überströmen, also bei Strömen im Bereich von 1 bis 10 mal dem Nominalstrom, die Kerben einzeln Schmel­ zen und die gesamten Sicherung nur dann durchbrennt, wenn der Überstrom über eine bestimmte Zeitperiode, zum Beispiel von mehr als einer Sekunde, gehalten wird. Diese inverse Betriebsscharakteristik ist wünschenswert, damit die Sicherungen mit anderen Siche­ rungsvorrichtungen und mit den Anforderungen eines Hochspannungssystems kompatibel sind.

EP-A-0 123 331 beschreibt Endkappen, die zur Verwendung bei Erzeugen elek­ trischer Verbindungen mit einer Sicherung des in EP-A-0 117 582 beschriebenen Typs geeignet sind. Die Sicherung ist so entworfen, daß sie eine gewünschte Beziehung Zwi­ schen einem gewünschten Überstrom und der Sicherungszeit besitzt.

Ein Computer-basierendes Modell zur Vorhersage des oben diskutierten Typs ist in einem Artikel mit dem Titel "Analogue Simulations of Heat Flow in a High Voltage Fu­ se" von J.G.J. Sloot in Proceedings of the Third International Conference on Electrical Fuses and their Applications, 11. bis 13. Mai 1987, dargestellt.

Während die oben erwähnte Computersimulationstechnik bei der Optimierung des Entwurfs von Mehrleitersicherungen helfen kann, bleibt es schwierig, solche Sicherungen herzustellen, die Zeit-Spannungs-Betriebscharakteristiken besitzen, die mit anerkannten Standards übereinstimmen. Insbesondere bleibt es schwierig, eine Sicherung zu erzeugen, in der das Ausräumen eines Fehlerzustands in dem Niederspannungs-Anschlußbereich eines Verteilungstransformators ausreichend schnell ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile bekannter Mehr­ leitersicherungen auszuräumen oder wenigstens zu verringern. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Sicherungen zur Verfügung zu stellen, die eine Ganzbereichs-Leistung mit einer Vor-Überschlagzeitcharakteristik besitzen, die das Aus­ räumen von niedrigen Überspannungsfehlerbedingungen innerhalb der anerkannten Stan­ dards ermöglicht, wie sie zum Beispiel in VDE 0670/402 und ESI 12-8 dargelegt sind.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ganzbereichssiche­ rung zur Verfügung zu stellen, die eine vorhersagbare Überschlag-Rückbrenncharakteristik während der Überschlagperiode des Sicherungsbetriebs besitzt.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den beigefügten Patentansprüchen definierte Sicherungsvorrichtung gelöst.

Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Sicherungs-Unteranordnung zur Verfügung gestellt, die einen länglichen Trägerkörper aus isolierendem Material und eine Mehrzahl von schmelzbaren Leitern umfaßt, die von dem Trägerkörper getragen werden und sich über den Trägerkörper erstrecken, wobei die Lei­ ter einer oder mehrerer Gruppen benachbarter, schmelzbarer Leiter in wenigstens einem Zwischenbereich entlang ihrer Längen miteinander verbunden sind, um eine Brücke zu bilden.

Vorzugsweise sind die Leiter jeder der Gruppen in wenigstens zwei Zwischenberei­ chen entlang ihrer Längen und noch besser in zwei Zwischenbereichen miteinander verbun­ den.

Vorzugsweise besteht jede der Gruppen aus wenigsten drei schmelzbaren Leitern und noch besser aus drei schmelzbaren Leitern.

Vorzugsweise entspricht die Querschnittsfläche jeder der Brücken n mal der Quer­ schnittsfläche der Kerben, wobei n die Anzahl der Leiter in der entsprechenden Gruppe ist.

Vorzugsweise besitzt jeder der schmelzbaren Leiter eine Mehrzahl von Kerben entlang seiner Länge, wobei jede Kerbe ein Bereich mit reduziertem Querschnitt ist. Die Kerben sind so angeordnet, daß sie vor dem Schmelzen der Körperbereiche der schmelz­ baren Leiter schmelzen.

Vorzugsweise ist ein Punkt aus einem Metall oder einer Metallegierung mit niedri­ gem Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Zinn-Silber, in thermischen und elektrischem Kontakt mit einigen der Brücken und noch besser mit wenigstens einer der Brücken, die zu einer Gruppe von schmelzbaren Leitern gehört, verbunden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Sicherungs-Unteranordnung nach dem obigen, ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, ist der Trägerkörper im wesentlichen röhrenförmig, zum Beispiel ein hohler Zylinder, und besteht vorzugsweise aus Quarzglas. Vorzugsweise erstrecken sich die Leiter schraubenförmig um die äußere Ober­ fläche der Röhre. Die Leiter können durch ein Siebdruckverfahren auf die Oberfläche der Röhre gedruckt sein.

Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Sicherung zur Verfügung gestellt, welche umfaßt: eine Sicherungs-Unteranordnung nach dem obigen, ersten Gesichtspunkt der Erfindung, die in einem äußeren Gehäuse enthalten ist, ein Füllmaterial, das in dem Gehäuse enthalten ist und im wesentlichen die Unteranord­ nung umgibt, und ein Paar von elektrischen Kontaktvorrichtungen, die einen Kontakt mit den jeweiligen Enden der Mehrzahl von schmelzbaren Leitern bilden, um zu ermöglichen, daß elektrische Verbindungen mit der Sicherung gebildet werden.

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sicherungs-Unteranordnung mit einer Mehrzahl von Sicherungsleitern.

Fig. 2 zeigt die Sicherungsleiter der Unteranordnung der Fig. 1 in einem ausgeroll­ ten Zustand.

Fig. 3 zeigt die relativen Dimensionen einer Gruppe von Leitern der Unteranord­ nung der Fig. 1.

Fig. 4 zeigt die Zeit-Strom-Betriebscharakteristik der Sicherungs-Unteranordnung der Fig. 1 und auch die Zeit-Strom-Betriebscharakteristik einer bekannten Mehrfachleiter- Sicherungs-Unteranordnung.

In Fig. 1 ist ein teilweiser Querschnitt einer Sicherungs-Unteranordnung zur Ver­ wendung in einer Ganzbereichs-Hochspannungssicherung gezeigt. Die Unteranordnung umfaßt eine hohle, zylindrische Quarzglasröhre 1, auf deren äußerer Oberfläche eine An­ zahl von sich schraubenförmig erstreckenden Sicherungsleitern 2 (der Klarheit wegen sind die Leiter hier nur auf der rechten Seite der Sicherungs-Unteranordnung der Fig. 1 voll­ ständig gezeigt) angeordnet ist. Die Leiter erstrecken sich zwischen gegenüberliegenden Endbereichen 3, 4 der Quarzröhre und sind in der Praxis mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Quarzröhre aufgebracht, wie es zum Bespiel in NL-A-88 01 355 beschrieben ist. NL-A-88 01355 legt auch ein Verfahren zum Erhöhen der Dicke der gedruckten Leiter durch Elektroplatieren offen, um die Spannungskapazität zu erhöhen. Die Leiter 2 sind neben jedem Ende der Röhre 1 in einem Band aus leitfähigem Material 5, 6 miteinander verbunden, das gleichzeitig mit den Leitern auf der Röhre durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht wird. Die Bänder 5, 6 und die Leiter 2 bestehen aus einem schmelzbaren Mate­ rial, wie etwa Silber.

Um unter Verwendung der Unteranordnung der Fig. 1 eine Sicherung herzustellen, wird die Unteranordnung in einem zylindrischen, äußeren Gehäuse angeordnet, das an beiden Enden durch Endkappen (nicht gezeigt) geschlossen ist, die einen elektrischen Kon­ takt mit den leitfähigen Bändern 5, 6 der Unteranordnungen bilden. Äußere elektrische Kontakte werden über die Endkappen und über die leitfähigen Bänder mit den Sicherungs­ leitern gebildet.

Fig. 2 zeigt die Leiter 2 der Unteranordnung in einem "ausgerollten" Zustand, um ihre Geometrie deutlicher zu zeigen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Sicherungsleiter 2 in eine Mehrzahl von Gruppen von drei benachbarten Sicherungsleitern 2 geformt, und jede Gruppe ist in zwei Bereichen nahe den jeweiligen Enden der Leiter verbunden, um "Brücken" 8 zu bilden. In der speziel­ len, in Fig. 2 gezeigten Anordnung sind 15 Leiter in fünf Gruppen angeordnet. Die Strom­ dichte in jeder Brücke wird durch die Anzahl der sich verbindenden Leiter und die Quer­ schnittsfläche der Brücke bestimmt, sie beträgt jedoch typischerweise das dreifache der normalen Stromdichte in jedem Leiter und ist ungefähr die gleiche Stromdichte wie in den regulären Kerben in jedem Leiter. Die Länge jeder Brücke ist deutlich größer als die der Kerben 9, und die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung von den Brückenmitten weg ist wesentlich geringer als bei einer Kerbe.

Fig. 3 zeigt in größerem Detail einen Endbereich einer der Leitergruppen 2, die die in der Figur in Millimeter angegebenen Dimensionen besitzt. Die Dicke (in radialer Rich­ tung bezüglich der Quarzröhre) des Leiters beträgt typischerweise 6 bis 50 µm, und der Abstand zwischen benachbarten Leitern ist wenigsten so groß wie die Breite der Leiter, also 1,0 mm und mehr.

Kerben sind in der Unteranordnung jedes Leiters 2 geformt, um die Überschlags­ charakteristik zu verbessern und die Strom-Zeit-Charakteristik der Unteranordnung zu ändern. Die Kerben besitzen eine Breite zwischen der Hälfte und einem Fünftel der Breite des Körpers des entsprechenden Leiters, zum Beispiel 0,25 mm wie in Fig. 2 gezeigt. Die Kerben 9 liegen in der Länge zwischen 0,5 mm und 2,5 mm und es gibt zwischen 2 und 12 Kerben in jedem Leiter 2.

Das Vorhandensein von Brücken 8 für jede der Gruppen von Leitern 2 verbessert auch die Zeit-Strom-Leistung der Unteranordnung. Mit der oben beschriebenen Geometrie tritt bei Vor-Überschlagszeiten, also der Zeit, die es dauert, bis alle Brücken schmelzen, von typischerweise weniger als 1 ms der Überschlagsbeginn gleichzeitig sowohl bei den Kerben 9 als auch den Brücken 8 auf. Für Vor-Überschlagszeiten von typischerweise 1 ms bis 1 Sekunde tritt der Überschlagsbeginn wegen des geringen Wärmeverlusts von den Mittelpunkten der Brücken verglichen mit dem Wärmeverlust von den Kerben an den Brücken 8 vor den Kerben 9 auf. Die Periode zwischen dem Überschlagsbeginn an den Brücken und an den Kerben nimmt mit zunehmender Vor-Überschlagszeit zu (die Wärme­ verluste nehmen mit der Zeit zu), was zu einer deutlichen Verbesserung in der Zeit- Strom- Charakteristik der Unteranordnung führt.

Das Anbringen eines Punktes aus Zinn 10 (bekannt als "Zinnfleck" oder als "M- Effekt") an der Mitte einer Brücke 8 verbessert die Vor-Überschlagscharakteristik für Zeiten, die sich einer Stunde nähern. Dies kommt daher, daß ein Zinnfleck bei einer Tempe­ ratur unterhalb derjenigen schmilzt, bei der die Silberleiter 2 alleine schmelzen würden, und das geschmolzene Zinn mit dem Silber eine Legierung bildet, die einen Schmelzpunkt un­ terhalb derjenigen von Silber besitzt. Für Vor-Überschlagszeiten, die sich der minimalen Schmelzbedingung nähern, ändert sich die Form des thermischen Gradienten entlang eines Leiters 2, wenn die Wärmeübertragung auf die Sicherungsendanschlüsse zunimmt, wobei die Temperatur in der Nähe des Sicherungsmittelpunktes maximal ist und zu den Endberei­ chen hin abfällt. Durch Anordnen des Zinnflecks über den Brücken und in der Nähe der Sicherungsenden wird eine längere Vor-Überschlagszeit erhalten, als man mit einem Zinn­ fleck an dem Sicherungsmittelpunkt erhalten würde, wie es bei herkömmlichen Mehrleiter- Sicherungs-Unteranordnungen der Fall ist, was das Erreichen von höheren Nominalströmen ermöglicht.

Die Anordnung des Zinnflecks in der Nähe der Sicherungsenden ermöglicht, daß die Kerbenbereiche höhere Temperaturen erreichen, als sie sonst erreichen würden, bevor ein Schmelzen der Zinnflecken eintreten würde. Dies unterstützt bekanntermaßen den Überschlag-"Rückbrenn"-Vorgang, indem die Überschlagsenergie verringert wird, die zum Schmelzen des Silbers erforderlich ist, wodurch die Überschlagsleistung verbessert wird.

In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Zinnfleck an einer Brücke jeder Gruppe von Leitern 2 abwechselnd zwischen jedem Ende der Sicherungs-Unteranord­ nung aufgebracht.

Ein weiterer Vorteil der Mehrleiter-Brückenkonfiguration ist die verbesserte Über­ schlagssteuerung, die erreicht wird, wen die Sicherung bei niedrigen Strombetriebsbedin­ gungen, also bei 1 bis 10 mal dem Nominalstrom, arbeitet. Bei herkömmlichen Mehrleiter­ anordnungen müssen entweder der Zinnfleck oder die Kerben in allen Leitern schmelzen, bevor ein Überschlag erfolgt. Ein zufälliges Hin- und Herschalten des Überschlags zwi­ schen den Leitern erfolgt dann so lange, bis der letzte Leiter genügend Überschlagsspan­ nung erzeugt, um den Strom zu unterdrücken. Mit der Mehrleiterbrückenanordnung be­ ginnt ein Überschlag, wenn eine Brücke in allen Leitergruppen geschmolzen ist. Ein Hin- und Herschalten des Überschlags wird dann innerhalb einer Leitergruppe in den Kerben­ bereichen andauern, bis der Überschlag zu einer anderen Leitergruppe gezwungen wird. Dieser Vorgang dauert an, bis die letzte Leitergruppe den Strom löscht.

Dieser Zwei-Schritt-Vorgang bietet eine bessere Kontrolle der Zufallsnatur des Hin- und Herschaltvorgangs und verringert die in dem "letzten" Leiter entwickelte Über­ schlagsenergie zum Löschen des Stroms.

Fig. 4 zeigt die Zeit-Strom-Charakteristik der Mehrleitersicherung (A) des in EP-A- 0 117 582 beschriebenen Typs und der Sicherung (B), die die oben beschriebenen Mehr­ leiterbrücken verwendet. Es ist offensichtlich, daß bei einem vorgegebenen Überstrom in dem Bereich unterhalb etwa 500 A die Verwendung der Leiterbrücken die Zeit-Strom- Kurve linearisiert und die Vor-Überschlagszeit um bis zu einer Größenordnung verringert.

Es ist klar, daß Modifikationen an dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann der Trägerkörper flach anstelle von röhrenförmig sein. Auch kann der Zinn­ fleck ein Silber-Zinn-Leglerungsfleck sein.

Claims (8)

1. Sicherungs-Unteranordnung, die einen länglichen Trägerkörper (1) aus isolieren­ dem Material und eine Mehrzahl von schmelzbaren Leitern (2) umfaßt, die von dem Trä­ gerkörper getragen werden und sich über den Trägerkörper erstrecken, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiter einer oder mehrerer Gruppen benachbarter, schmelzbarer Leiter in wenigstens einem Zwischenbereich entlang ihrer Längen miteinander verbunden sind, um eine Brücke (8) zu bilden.

2. Sicherungs-Unteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (2) jeder der Gruppen in wenigstens zwei Zwischenbereichen entlang ihrer Längen miteinander verbunden sind.

3. Sicherungs-Unteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gruppen aus drei schmelzbaren Leitern (2) besteht.

4. Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jeder der Brücken (8) n mal der Querschnitts­ fläche der Kerben (9) entspricht, wobei n die Anzahl der Leiter (2) in der entsprechenden Gruppe ist.

5. Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der schmelzbaren Leiter (2) eine Mehrzahl von Kerben (9) ent­ lang seiner Länge besitzt, wobei jede Kerbe ein Bereich mit reduziertem Querschnitt ist, wobei die Kerben so angeordnet sind, daß sie vor dem Schmelzen der Körperbereiche der schmelzbaren Leiter schmelzen.

6. Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Punkt (10) aus einem Metall oder einer Metallegierung mit niedri­ gem Schmelzpunkt in thermischen und elektrischem Kontakt mit einigen der Brücken (8), die zu einer Gruppe von schmelzbaren Leitern (2) gehört, verbunden ist.

7. Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) im wesentlichen röhrenförmig ist und sich die Leiter (2) schraubenförmig um die äußere Oberfläche der Röhre erstrecken.

8. Sicherung mit einem äußeren Gehäuse, einer Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einem Füllmaterial, das in dem Gehäuse enthalten ist und im wesentlichen die Unteranordnung umgibt, und einem Paar von elektrischen Kon­ taktvorrichtungen, die einen Kontakt mit den jeweiligen Enden der Mehrzahl von schmelz­ baren Leitern bilden, um zu ermöglichen, daß elektrische Verbindungen mit der Sicherung gebildet werden.