DE19824851A1 - Sicherung - Google Patents

Abstract

Zwecks sicherer Unterbrechung des Strompfades auf der ganzen Länge von Sicherungselementen (4a, 4b) weisen dieselben jeweils mit Abstand auf einem Streifen (5) aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. Silber, in Kapseln (8) angeordnete Abbrandkörper auf, welche durch einen durchgehenden Zündfaden (9) verbunden sind, so daß die Zündung eines Abbrandkörpers die Zündung der übrigen auslöst. Die Abbrandkörper können in einer Vertiefung eines zentralen Stützkörpers angebracht sein, über welche der Streifen (5) läuft. Sie bestehen aus einem Explosivstoff mit einer Zündtemperatur von 245 DEG C, der beim Abbrand 480 J/g Energie abgibt, so daß eine Temperatur von ca. 2000 DEG C erreicht wird und zu Löschgas, überwiegend Stickstoff, umgesetzt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Sicherung für den Mittel- und Hochspannungsbereich. Derartige Sicherungen sollen sowohl kurze, starke Überstromstösse, wie sie z. B. in Folge von Kurzschlüssen auftreten als auch langdauernde schwache Überströme unterbrechen.

Stand der Technik

Aus der US-A-4 638 283 ist eine gattungsgemässe Sicherung bekannt, welche mehrere über ihre Länge verteilte Abbrandkörper aus brennbarem Material aufweist, welche bei bestimmten Überströmen gezündet werden. Die Zündung erfolgt mittels eines Zündkreises aus in Reihe geschalteten, jeweils in einen der Abbrandkörper eingebetteten Widerstandselementen, die dabei durchschmelzen, wobei die entstehenden Lücken durch Lichtbögen überbrückt werden. Diese Ausbildung des Zündkreises kompliziert den Aufbau der Sicherung beträchtlich und schafft neben den Sicherungselementen eine weitere Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen derselben, deren Einfluss auf die Funktion der Sicherung nicht für alle Fälle deutlich überblickbar ist. Der Zündkreis kann ausserdem ein rasches, sicheres und einigermassen gleichzeitiges Ansprechen der Abbrandkörper nicht gewährleisten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemässe Sicherung derart auszubilden, dass bei Auftreten eines Überstroms der Strompfad rasch und auf einfache und zuverlässige Weise auf einer grossen Länge unterbrochen und dadurch der Überstrom schnell und sicher unterdrückt wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Sicherung geschaffen, bei welcher das über die Länge der Sicherung verteilte Abbrandelement rasch auf seiner gesamten Länge gezündet wird und mindestens ein Sicherungselement ebenfalls im wesentlichen auf seiner ganzen Länge oder an mehreren über seine Länge verteilten Stellen aufschmilzt oder aufreisst, so dass sich in sehr kurzer Zeit ein langer Lichtbogen bildet oder eine grössere Zahl kürzerer Lichtbögen, was in jedem Fall einen raschen Anstieg des Widerstands zur Folge hat und die Löschung des Lichtbogens und Unterdrückung des Überstroms beschleunigt.

Vorzugsweise wird die Wirkung des Abbrandelements dadurch verstärkt, dass als Abbrandmaterial ein Explosivstoff verwendet wird, der zu einem hohen Prozentsatz zu Löschgas, vorzugsweise überwiegend Stickstoff umgesetzt wird. Dadurch wird die Unterbrechung der Strompfade durch mechanische Einwirkung auf die Sicherungselemente verstärkt und der auf diese Unterbrechung folgende Lichtbogen rascher unterdrückt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele dargestellt, die lediglich der Erläuterung der Erfindung dienen. Es zeigen

Fig. 1a schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Sicherung gemäss einer ersten Ausführungsform, wobei das Gehäuse geschnitten ist,

Fig. 1b einen Schnitt längs B-B in Fig. 1a,

Fig. 1c vergrössert eine Draufsicht auf ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b,

Fig. 1d vergrössert einen Schnitt längs D-D in Fig. 1c,

Fig. 2a vergrössert eine Draufsicht auf ein Sicherungselement einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 2b vergrössert einen Schnitt längs B-B in Fig. 2a,

Fig. 3a vergrössert eine Draufsicht auf ein Sicherungselement einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer dritten Ausführungsform,

Fig. 3b vergrössert einen Schnitt längs B-B in Fig. 3a,

Fig. 4a schematisch eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Sicherung gemäss einer vierten Ausführungsform, wobei das Gehäuse geschnitten ist und

Fig. 4b einen Schnitt längs B-B in Fig. 4a.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die erfindungsgemässe Sicherung weist in einem zylindrischen Gehäuse 1, das z. B. aus Keramik bestehen kann, einen in der Achse angeordneten Stützkörper 2 auf, welcher ebenfalls aus Keramik oder auch aus Kunststoff oder einem Verbundstoff oder sonst einem geeigneten elektrisch isolierenden Material bestehen kann und rohrförmig mit radial abstehenden Rippen ausgebildet ist. An den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 sind ein erster elektrischer Anschluss und ein zweiter elektrischer Anschluss angeordnet, die als Kappen 3a,b aus Metall ausgebildet sind. Die Kappen 3a,b sind durch zwei parallele, schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewickelte gleiche Sicherungselemente 4a,b elektrisch leitend verbunden.

Gemäss einer ersten Ausführungsform bestehen die Sicherungselemente 4a,b jeweils (Fig. 1c,d) aus einem Streifen 5 aus einem geeigneten schmelzbaren elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung oder auch aus Kupfer oder Aluminium. Der Streifen 5 weist in regelmässigen Abständen Verengungen 6 auf, welche durch einander gegenüberliegende halbkreisförmige Ausnehmungen gebildet werden.

Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verengungen 6 ist jeweils ein Abbrandkörper 7 aus Explosivstoff auf dem Streifen 5 angeordnet. Er ist in einer zylindrischen Kapsel 8 angeordnet, welche aus einem festen, inerten Material besteht, z. B. Metall, etwa Stahl oder Aluminium, Keramik oder auch Kunststoff und füllt sie vollständig aus. Gegen den Streifen 5 weist die Kapsel 8 einen Wandabschnitt auf, der verhältnismässig dünn ist, jedenfalls dünner als die übrigen Wandabschnitte. Aufeinanderfolgende Abbrandkörper 7 sind durch Abschnitte eines Fadens, insbesondere eines Zündfadens 9 verbunden, der über die gesamte Länge des Streifens 5 mittig auf demselben befestigt und derart durch die Kapseln 8 gezogen ist, dass er jeweils mit dem Abbrandkörper 7 in Kontakt ist. Der Zündfaden 9 besteht ebenfalls aus einem brennbaren Material, insbesondere einem Material, das sehr rasch abbrennt wie z. B. Nitrozellulose und verbindet so die Abbrandkörper 7 zu einem zusammenhängenden Abbrandelement 10, das sich parallel zum jeweiligen Sicherungselements 4a,b im wesentlichen über die gesamte Länge desselben erstreckt. Da sowohl die Abbrandkörper 7 als auch der Zündfaden 9 aus elektrisch isolierendem Material bestehen, beeinflusst das Abbrandelement die elektrischen Eigenschaften der Sicherung nicht.

Es sind verschiedene Abwandlungen des Sicherungselements gemäss der ersten Ausführungsform möglich. So kann etwa jeder Abbrandkörper im Bereich einer Verengung des Streifens angeordnet sein. Die Kapsel des Abbrandkörpers kann auf ihrer dem Streifen zugewandten Seite offen sein oder ein Loch aufweisen, das z. B. düsenartig ausgebildet ist. Schliesslich können auch die Verengungen selbst, jedenfalls bei zwischen denselben angeordneten Abbrandkörpern, auf andere Weise, z. B. durch Ausstanzen mittiger Löcher im Streifen hergestellt sein. Entscheidend ist, dass eine lokale Verringerung des Querschnitts gewährleistet ist.

Kurze, starke Überströme führen zu einem Durchschmelzen eines der Sicherungselemente 4a,b an einer oder mehreren der Verengungen 6, so dass kurze Lichtbögen entstehen. Dies führt zu einer Zündung des Zündfadens 9, der die Zündung der Abbrandkörper 7 des jeweiligen Abbrandelements 10 auslöst. Langdauernde geringe Überströme führen zu einer Aufheizung der Sicherungselemente 4a,b auf die Zündtemperatur des Explosivstoffs und auf diese Weise zur Zündung eines der Abbrandkörper 7 an einer Stelle, von der sich der Abbrand dann durch den Zündfaden 9 rasch über das Abbrandelement 10 ausbreitet. In jedem Fall dauert die Ausbreitung des Abbrandes auf das ganze Sicherungselement 4a,b gewöhnlich weniger als 100 ms.

Der Explosivstoff sollte eine verhältnismässig tiefe Zündtemperatur aufweisen, vorzugsweise nicht höher als ca. 300°C und eine verhältnismässig hohe Energieabgabe beim Abbrand, vorzugsweise mindestens 200 J/g. Die Streifen 5 können dann so dimensioniert werden, dass der Widerstand bei Nennstrom gering ist und im Normalbetrieb keine hohen Verluste auftreten, aber die Sicherung bei einem bestimmten Vielfachen des Nennstroms dennoch sicher anspricht. Dank der hohen Energiedichte werden Abbrandtemperaturen von ca. 2'000°C erreicht, was zu einem raschen Schmelzen des Materials der Streifen 5 führt. Wegen des explosionsartigen Ablaufs der Verbrennung wird die wärmebedingte Zerstörung der Streifen 5 durch mechanische Einwirkung des Explosivstoffs auf dieselben unterstützt. Diese Wirkung wird dadurch begünstigt, dass der dem Streifen 5 zugewandte Wandabschnitt der Kapsel 8 verhältnismässig dünn ist, so dass die Explosion des Explosivstoffs vor allem nach dieser Seite hin wirksam wird.

Zum Einsatz in der erfindungsgemässen Sicherung geeignete für die Umwelt unschädliche Explosivstoffe, deren Reaktionsprodukte einen hohen Anteil an Stickstoff aufweisen, sind vor allem von sogenannten airbags, die als Sicherheitseinrichtungen in Kraftfahrzeugen weit verbreitet sind, bekannt. Ein Beispiel ist 21NaN₃ + KNO₃ + 4Fe₂O₃ + 2,5SiO₂, das bei der Explosion in 10,5Na₂O + 0,5K₂0 + 4Fe + 2,5SiO₂ + 4FeO + 32N₂ umgesetzt wird. Dieser Explosivstoff enthält keine Halogene und ist auch sonst umweltfreundlich. Ein weiteres Beispiel eines geeigneten Explosivstoffs ist eine Mischung von 71,6% SrNiO₃, 3,77% V6MO15O60, 3% Paraffin, 21,6% Guanidin-5,5'-Azotetrazolat, das in 8,2% CO₂, 31,1% H₂O, 43,7% N₂ und 15,6% SrCO₃ umgesetzt wird.

Der zuletzt genannte Stoff weist eine Zündtemperatur von ca. 245°C auf und gibt bei seiner Umsetzung eine Energie von 480 J/g ab. Er wird ausserdem mit hohem Wirkungsgrad in Löschgas, insbesondere Stickstoff umgesetzt, was die rasche Löschung des nach der Unterbrechung der Sicherungselemente 4a,b sich bildenden Lichtbogens begünstigt. Vorzugsweise sollte die Umsetzung des Explosivstoffs zu Löschgas mindestens 0,2 l/g betragen, wobei der Anteil an Stickstoff an demselben bei mindestens 30 Mol-% liegt. Zur Unterstützung der Lichtbogenlöschung ist das Innere des Gehäuses 1 mit einem dieselbe begünstigenden Material, z. B. Quarzsand aufgefüllt.

Bei Zündung des Abbrandelements an einem der parallelen Sicherungselemente 4a,b löst die Erhöhung der Strombelastung am verbleibenden binnen kurzer Zeit auch dort die Zündung des Abbrandelements aus. Es ist jedoch auch möglich, die Abbrandelemente beider Sicherungselemente 4a,b z. B. durch einen Zündfaden oder mehrere derselben zu verbinden.

Gemäss einer zweiten Ausführungsform (Fig. 2a,b) sind die Sicherungselemente 4a,b jeweils als geschlossenes Rohr 11 ausgebildet, welches in regelmässigen Abständen geklemmt und gleichzeitig gestreckt ist, so dass es Verengungen 6 bildet, welche das Rohr 11 in aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt, deren jeder eine Portion Explosivstoff enthält, die einen Abbrandkörper 7 bildet. Lediglich ein Zündfaden 9 erstreckt sich über die gesamte Länge des Rohres 11 und verbindet die Abbrandkörper 7 zu einem zusammenhängenden Abbrandelement 10.

Gemäss einer dritten Ausführungsform sind die Sicherungselemente 4a,b wie in Fig. 3a,b dargestellt ausgebildet. Hier ist der Streifen 5 gefaltet, umgeschlagen und gepresst, so dass er ein Rohr 11 bildet, das einen sich über seine gesamte Länge erstreckenden Hohlraum umschliesst. Dieser enthält ein durchgehendes Abbrandelement 10 konstanten Querschnitts, das aus Explosivstoff und vorzugsweise einem parallel im Hohlraum angeordneten, sich über die gesamte Länge des Streifens 5 erstreckenden Zündfaden 9 besteht, auf den jedoch auch verzichtet werden kann. Parallel zum Rohr 11 läuft ein Randstreifen 12, der aus dem dreifach übereinanderliegenden gefalteten Material des Streifens 5 gebildet ist. Der Streifen 5 weist ebenfalls in regelmässigen Abständen aufeinanderfolgende, durch halbkreisförmige Ausnehmungen im Randstreifen 12 gebildete Verengungen 6 auf.

Gemäss einer vierten Ausführungsform (Fig. 4a,b) weisen die Rippen des Stützkörpers 2 an ihren Aussenseiten in axialer Richtung durchgehende Nuten 13 auf, in welchen die Abbrandkörper 7 angeordnet sind. Die zwei Sicherungselemente 4a,b sind wiederum jeweils als Streifen 5 ausgebildet, welcher in regelmässigen Abständen, und zwar jeweils an den Stellen, an welchen er eine der Nuten 13 kreuzt, mit Verengungen 6 versehen ist. An den gleichen Stellen sind auch die Abbrandkörper 7 in den Nuten 13, d. h. unter den Verengungen 6 angeordnet. Sie sind ähnlich ausgebildet wie gemäss der ersten Ausführungsform, doch weisen sie an der dem Streifen 5 zugewandten Aussenseite jeweils eine düsenartige Öffnung auf, deren Durchmesser etwa der Breite des Streifens 5 in der Mitte der Verengung 6 entspricht, gegen die sie gerichtet sind. Die in einer der Nuten 13 angeordneten Abbrandkörper sind jeweils durch einen Zündfaden 9 verbunden, mit dem zusammen sie ein im wesentlichen über die Länge der Sicherung sich erstreckendes zusammenhängendes Abbrandelement 10 bilden. Im Gegensatz zu den übrigen Ausführungsformen, wo ein Abbrandelement jeweils eng verbunden mit einem Sicherungselement parallel läuft, berühren sich die Sicherungselemente 4a,b und die Abbrandelemente 10 jeweils nur im Bereich der Verengungen 6 bzw. der Abbrandkörper 7.

Es ist natürlich möglich, alle die in den verschiedenen Nuten angeordneten Abbrandkörper durch weitere Zündfäden oder durch Durchziehen eines einzigen Zündfadens miteinander zu einem einzigen Abbrandelement zu verbinden. Desgleichen ist es möglich, statt der Nuten für jeden der Abbrandkörper eine ihn knapp umschliessende Vertiefung im Stützkörper vorzusehen. In diesem Fall kann, vor allem, wenn der Streifen die Vertiefung vollständig zudeckt, auf eine Kapsel verzichtet werden und der Abbrandkörper z. B. als gepresste Explosivstofftablette ausgebildet sein.

In jedem Fall können die gleichen Explosivstoffe verwendet werden wie bei den anderen Ausführungsformen. Die Auslösung verläuft ebenfalls entsprechend. Ein wesentlicher Vorteil der vierten Ausführungsform liegt dagegen darin, dass die Abbrandkörper 7 auf dem Stützkörper 2 abgestützt sind und ein Entweichen von Gas oder ein Ausweichen des Abbrandkörpers 7 in die dem Streifen 5 abgewandte Richtung nicht möglich ist. Die Einwirkung der Explosion auf denselben ist daher besonders konzentriert, so dass er rasch und wirksam unterbrochen wird.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Stützkörper

3

a, bKappen

4, 4

a, bSicherungselemente

5

Streifen

6

Verengung

7

Abbrandkörper

8

Kapsel

9

Zündfaden

10

Abbrandelement

11

Rohr

12

Randstreifen

13

Nut

Claims (14)

1. Sicherung mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss sowie mit mindestens einem Sicherungselement (4a, 4b) aus elektrisch leitendem schmelzbarem Material, welches den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet und mit einem zündbaren Abbrandelement (10) aus elektrisch nichtleitendem Abbrandmaterial, welches im wesentlichen über die gesamte Länge der Sicherung verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (10) über seine Länge zusammenhängend ausgebildet ist.

2. Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abbrand des Abbrandmaterials mindestens 200 J/g Wärme freigesetzt wird.

3. Sicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial eine Zündtemperatur von höchstens 300°C aufweist.

4. Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial mindestens zum Teil ein Explosivstoff ist.

5. Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandmaterial insbesondere zu mindestens 0,2 l/g in Löschgas umgesetzt wird.

6. Sicherungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschgas zu mindestens 30 Mol-% aus Stickstoff besteht.

7. Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement eine Mehrzahl über die Länge des mindestens einen Sicherungselements (4a, 4b) verteilte voneinander beabstandete Abbrandkörper (7) umfasst, welche durch brennbare Fadenabschnitte verbunden sind.

8. Sicherungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abbrandkörper (7) in einer Kapsel (8) aus festem inertem Material angeordnet ist.

9. Sicherungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kapsel (8) auf dem Sicherungselement (4a, 4b) angeordnet ist und demselben gegenüber offen oder von ihm lediglich durch einen Wandabschnitt getrennt ist, dessen Stärke geringer ist als diejenige der übrigen Wandabschnitte.

10. Sicherungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (10) hinsichtlich seiner Zusammensetzung über seine Länge im wesentlichen gleichmässig ausgebildet ist.

11. Sicherungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbrandelement (10) über seine Länge mindestens annähernd konstanten Querschnitt aufweist.

12. Sicherung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (4a, 4b) ein sich mindestens annähernd über seine Länge erstreckendes Rohr (11) umfasst, welches das Abbrandelement (10) umschliesst.

13. Sicherung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Stützkörper (2) aus elektrisch isolierendem Material aufweist und jeder Abbrandkörper (7) zwischen einem Sicherungselement (4a, 4b) und dem Stützkörper (2) angeordnet ist.

14. Sicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbrandkörper (7) jeweils in einer Vertiefung im Stützkörper (2) angeordnet ist, über welche ein Sicherungselement (4a, 4b) geführt ist.