DE19600947B4

DE19600947B4 - Sicherungs-Unteranordnung

Info

Publication number: DE19600947B4
Application number: DE1996100947
Authority: DE
Inventors: John Prime
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1995-01-14
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: GB9500733D0; CN1054701C; NL1002061A1; CN1142676A; NL1002061C2; GB9526597D0; GB2297003A; DE19600947A1; GB2297003B

Abstract

Sicherungs-Unteranordnung, die einen länglichen Trägerkörper (1) aus isolierendem Material und eine Mehrzahl von schmelzbaren Leitern (2) umfasst, die von dem Trägerkörper getragen werden und sich über den Trägerkörper erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter einer oder mehrerer Gruppen benachbarter, schmelzbarer Leiter in wenigstens einem Zwischenbereich entlang ihrer Längen zusammengeführt sind, um eine Brücke (8) zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sicherungs-Unteranordnungen mit einer Mehrzahl von Sicherungsleitern. Insbesondere, wenngleich nicht notwendigerweise, ist die vorliegende Erfindung auf Hochspannungssicherungen anwendbar, bei denen die Sicherungsleiter 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 Schmelzen 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 Quarzglasträgerkörper, auf dessen äußerer Oberfläche eine Mehrzahl sich schraubenförmig erstreckender Sicherungsleiter gedruckt sind. Unter normalen Betriebsbedingungen wird der Sicherungsstrom gleichmäßig über die Mehrzahl von Sicherungsleitern verteilt. Kerben mit reduzierter 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 Schmelzen 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 Betriebscharakteristik ist wünschenswert, damit die Sicherungen mit anderen Sicherungsvorrichtungen und mit den Anforderungen eines Hochspannungssystems kompatibel sind.

EP-A-0 123 331 beschreibt Endkappen, die zur Verwendung bei Erzeugen elektrischer 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 zwischen 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 Fuse" 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 Entwurts 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.

AT 222204 offenbart Hochspannungssicherungen mit Schmelzleitern mit Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Die Schmelzleiter sind an ihren Enden durch Bandagen und eine Anzahl von separat zu den Schmelzleitern angeordneten Schmelzleiterbrücken miteinander verbunden, wobei sich sowohl diese Bandagen als auch insbesondere die Schmelzleiterbrücken zwischen benachbarten Schmelzleitern befinden. Die entsprechenden Schmelzleiter sind von einem Trägerkörper getragen und erstrecken sich über den Trägerkörper.

US 3,706,951 zeigt eine Schmelzelementanordnung für eine Sicherung. Schmelzbare Leiter erstrecken sich um einen Trägerkörper und tragen einen M-Punkt, wobei dieser Punkt allgemein aus einem Material gebildet ist, dass eine Legierung mit dem Material der Schmelzleiter unter Einfluss einer entsprechenden Temperatur bildet. Die auf diese Weise gebildete Legierung hat eine Schmelztemperatur, die geringer als die der schmelzbaren Elemente ist, so dass der Schmelzvorgang an diesem M-Punkt initiiert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine aus der AT 222204 bekannte Sicherungs-Unteranordnung dahingehend zu verbessern, dass eine deutliche Verbesserung in der Zeit-Strom-Charakteristik mit einfachen Mitteln erzielt wird, um schnell und sicher Überspannungen zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Leiter ein oder mehrerer Gruppen benachbarter, schmelzbarer Leiter in wenigstens einem Zwischenbereich entlang ihrer Länge zusammengeführt, um eine Brücke zu bilden.

Solche Sicherungen besitzen eine Ganzbereichs-Leistung mit einer Vor-Überschlagzeitcharakteristik, die das Ausräumen von niedrigen Überspannungsfehlerbedingungen innerhalb des anerkannten Standards ermöglicht, wie sie z.B. in VDE 0670/402 und ESI 12-8 dargelegt sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Sicherungs-Unteranordnung gemäß Erfindung mit einer Mehrzahl von Sicherungsleitern;
2 die Sicherungsleiter der Unteranordnung nach 1 in einem ausgerollten Zustand;
3 die relative Dimension einer Gruppe von Leitern der Unteranordnung nach 1; und
4 eine Zeit-Strom-Betriebscharakteristik der Sicherungs-Unteranordnung nach 1 und die Zeit-Strom-Betriebscharakteristik einer bekannten Mehrfachleiter-Sicherungs-Unteranordnung.
In 1 ist ein teilweiser Querschnitt einer Sicherungs-Unteranordnung zur Verwendung in einer Ganzbereichs-Hochspannungssicherung gezeigt. Die Unteranordnung umfaßt eine hohle, zylindrische Quarzglasröhre 1, auf deren äußerer Oberfläche eine Anzahl von sich schraubenförmig erstreckenden Sicherungsleitern 2 (der Klarheit wegen sind die Leiter hier nur auf der rechten Seite der Sicherungs-Unteranordnung der 1 vollständig 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 Material, wie etwa Silber.
Um unter Verwendung der Unteranordnung der 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 Kontakt mit den leitfähigen Bändern 5, 6 der Unteranordnungen bilden. Äußere elektrische Kontakte werden über die Endkappen und über die leitfähigen Bänder mit den Sicherungsleitern gebildet.
2 zeigt die Leiter 2 der Unteranordnung in einem "ausgerollten" Zustand, um ihre Geometrie deutlicher zu zeigen.
Wie aus 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 2 gezeigten Anordnung sind 15 Leiter in fünf Gruppen angeordnet. Die Stromdichte in jeder Brücke wird durch die Anzahl der sich verbindenden Leiter und die Querschnittsfläche 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.
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 Richtung 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 Überschlagscharakteristik 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 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 Wärmeverluste 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 Temperatur unterhalb derjenigen schmilzt, bei der die Silberleiter 2 alleine schmelzen würden, und das geschmolzene Zinn mit dem Silber eine Legierung bildet, die einen Schmelzpunkt unterhalb 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 Endbereichen 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 Zinnfleck 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 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 Überschlagssteuerung, die erreicht wird, wen die Sicherung bei niedrigen Strombetriebsbedingungen, also bei 1 bis 10 mal dem Nominalstrom, arbeitet. Bei herkömmlichen Mehrleiteranordnungen müssen entweder der Zinnfleck oder die Kerben in allen Leitern schmelzen, bevor ein Überschlag erfolgt. Ein zufälliges Hin- und Herschalten des Überschlags zwischen den Leitern erfolgt dann so lange, bis der letzte Leiter genügend Überschlagspannung erzeugt, um den Strom zu unterdrücken. Mit der Mehrleiterbrückenanordnung beginnt ein Überschlag, wenn eine Brücke in allen Leitergruppen geschmolzen ist. Ein Hin- und Herschalten des Überschlags wird dann innerhalb einer Leitergruppe in den Kerbenbereichen 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 Überschlagsenergie zum Löschen des Stroms.
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 Mehrleiterbrücken 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 Zinnfleck ein Silber-Zinn-Legierungsfleck sein.

Claims

Sicherungs-Unteranordnung, die einen länglichen Trägerkörper (1) aus isolierendem Material und eine Mehrzahl von schmelzbaren Leitern (2) umfasst, die von dem Trägerkörper getragen werden und sich über den Trägerkörper erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter einer oder mehrerer Gruppen benachbarter, schmelzbarer Leiter in wenigstens einem Zwischenbereich entlang ihrer Längen zusammengeführt sind, um eine Brücke (8) zu bilden.
Sicherungs-Unteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (2) jeder der Gruppen in wenigstens zwei Zwischenbereichen entlang ihrer Längen miteinander verbunden sind.
Sicherungs-Unteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gruppen aus drei schmelzbaren Leitern (2) besteht.
Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche jeder der Brücken (8) n mal der Querschnittsfläche der Kerben (9) entspricht, wobei n die Anzahl der Leiter (2) in der entsprechenden Gruppe ist.
Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der schmelzbaren Leiter (2) eine Mehrzahl von Kerben (9) entlang 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
Sicherungs-Unteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Punkt (10) aus einem Metall oder einer Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt in thermischen und elektrischem Kontakt mit einigen der Brücken (8), die zu einer Gruppe von schmelzbaren Leitern (2) gehört, verbunden ist.
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.
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 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.