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Bezeichnung: Hochspannungs-Hochleistungs-
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sicherung Die Erfindung betrifft eine Hochsnannungs-Hochleistungssicherung
mit einem oder mehreren Schmelzleitern und einer Schlagstiftvorrichtung zur Betätigung
eines Lastschalters, die von einem als Schmelzleiter ausgebildeten Haltedraht bis
zur Auslösung unter Spannung gehalten wird, wobei der Haltedraht als Zuleitung einen
Hilfsschmelzleiter aufweist.
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Bisher werden derartige Sicherungen hauptsächlich als Teilbereichssicherungen
eingesetzt, was gleichbedeutend damit ist, daß eine Abschaltung nur bei Uberströmen
oberhalb des kritischen 1min verlangt wird, während kleinere Überströme durch andere
Systeme abgeschaltet werden. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, diesen Teilbereichs-
sicherungen
Vollbereichseigenschaften zu verleihen,so daß auch überströmte zwischen dem INenn
und dem Imin im Zusammenspiel mit Lastschaltern beherrscht werden.
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Eine Hochspannungs-Hochleistungssicherung mit Vollbereichseigenschaften
ist z.B. in der DE-OS 19 20 825 beschrieben.
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Bei diesem Sicherungstyp wird die Erwärmung der Sicherung infolge
von Uberströmen unterhalb des 1min' der noch zur Abschaltung der Sicherung führt,ausgenutzt,
um zu einer Schaltfunktion zu kommen. Infolge dieser Erwärmung wird nämlich eine
Weichlotverbindung gelöst, die den Schlagstift einer Schlagstiftvorrichtung freisetzt.
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Zum einen ist ein derartiges Abschaltsystem für niedrige Uberströme
sehr träge, mit dek Folge, daß keine definierte Abschaltung erfolgt, sondern nur
eine zeitlich kaum voraussehbare Abschaltung, so daß z.B. keine I-t-Kurve aufgestellt
werden kann. Zum anderen hängt die Auslösung stark von der Umgebungstemperatur ab.
Gekapselte Sicherungen unterliegen einer viel höheren Erwärmung als freiliegend
angeordnete Sicherungen, so daß von daher eine äußere Beeinflussung der Ansprechzeit
bei vorgegebener Uberlastung vorhanden ist. Auch die Einbaulage beeinflußt die Abschaltung,
da gewöhnlich die Sicherungen an ihrem oberen Ende wärmer sind als an ihrem unteren
Ende. Darüberhinaus stehen nur wenige Lote in bestimmten Temperaturbereichen zur
Verfügung, so daß eine Abstimmung der Sicherung auf bestimmte Lastfälle besonders
schwierig ist.
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Hinzu kommt, daß diese Weichlote zum Fließen neigen, so daß ständig
die Gefahr einer vorzeitigen Fehlauslösung des Schlagstiftes besteht, obwohl von
der eigentlichen Belastung her kein Grund zur Abschaltung vorhanden ist.
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Diese Nachteile versucht die Sicherung gemäß der DE-OS 14 63 655 zu
vermeiden. Statt einer thermisch ausgelösten Schlagstiftvorrichtung wird in dieser
letztgenannten Schrift ein Haltedraht für den Schlagstift durch Abschmelzen infolge
eines Uberstromes gelehrt, wobei die I-t-Kurve des Ilaltedrahtes jeweils unterhalb
der I-t-Kurve
des aus einem oder mehreren Schmelz leitern bestehenden
Hauptsystemes liegt. Doch auch diese Art einer Vollbereichssicherung hat sich in
der Praxis nicht bewährt.
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Denn hierbei muß in Abhängigkeit vom Nennstrom der Sicherung die Dimensionierung
des Haltedrahtes erfolgen, d.h.
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bei Sicherung mit einem kleinen Nennstrom und demzufolge kleinem 1
muß der Haltedraht sehr dünn werden. Die min mechanische Festigkeit des Haltedrahtes
nimmt also mit kleiner werdenden Sicherungsnennströmen ab. Das hat zur Folge, daß
nur entsprechend schwache Auslösefedern für die Schlagstiftvorrichtung ausgewählt
werden können, die z.B.
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den Anforderungen nach IEC 282-1 nicht genügen. Keiesfalls werden
die für die Auslösung von Lastschaltern erforderlichen Federkräfte von 50 - 120
N von derartigen Federn erreicht, so daß zumindest bei Sicherungen mit einem niedrigeren
Nennstrom keine ausreichende Sicherung für die Auslösung bei geringen Überströmen
vorhanden ist.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Hochspannungs-Hochleistungssicherung
mit Vollbereichseigenschaften vorzuschlagen, bei der unabhängig vom Nennstrom der
Sicherung eine starke Feder innerhalb der Schlagstiftvorrichtung und damit eine
sichere Auslösung bei überströmen unterhalb des I vorhanden ist.
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min Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der
Hilfsschmelzleiter gegenüber den Schmelz leitern bzw.
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umgekehrt so ausgewählt sind, daß bei einem Uberstrom unterhalb von
1min der Sicherung der infolge des Spannungsabfalls über dem Haltedraht fließende
Strom letzteren schmelzen läßt, und daß der Haltedraht bezüglich seiner Festigkeit
nach den Erfordernissen einer kräftigen Schlagstiftvorrichtung gestaltet ist.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer Belastung
der Sicherung im Überstrombereich unterhalb des 1min ein Spannungsabfall an dem
Hauptschmelzleiter bzw.
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an den Hauptschmelzleitern eintritt, der sich durch einen
verstärkten
Stromfluß über den Hilfsschmelzleiter bemerkbar macht. Bei entsprechender Dimensionierung
des Hilfsschmelzleiters gegenüber den Hauptschmelzleitern bzw. der Hauptschmelzleiter
gegenüber dem Hilfsschmelzleiter kann über dem Haltedraht ein Spannungsabfall erzielt
werden, der einen definierten "Steuerstrom" hervorruft, mit der Folge, daß der Haltedraht
sicher durchschmilzt.
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Nach der erfindungsgemäßen Lehre ändert sich also mit variablem Nennstrom
der Sicherung nicht mehr die Dimensionierung des Haltedrahtes, sondern letzterer
wird im wesentlichen mit konstanter Festigkeit ausgebildet, die sich ausschließlich
nach den Erfordernissen der Haltekraft für die Auslösefelder richtet. Erst wenn
diese Größe festliegt, werden die elektrischen Größen gewählt, mit anderen Worten,
erst dann wird der Werkstoff, die Stärke und die Länge jeweils des Hilfsschmelzleiters
ausgewählt.
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In dieser Weise ist stets eine kräftige Schlagstiftvorrichtung vorhanden,
die unabhängig von der Nennbelastung der Sicherung ist und die bei geringeren überströmen
unterhalb des Imin eine sichere Auslösung des beigeordneten Lastschalters bewirkt.
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Als Werkstoff für den Auslösedraht hat sich z.B. ein Chrom-Nickel-Stahl
mit der Werkstoffbezeichnung X12CrNi 17/7 K+A und für den Hilfsschmelzleiter reines
Kupfer als sehr brauchbar erwiesen. Dabei beträgt die Stärke des Haltedrahtes ca.
0,25 mm, während der Querschnitt des Hilfsschmelzleiters sich nach dem Nennstrom
der Sicherung richtet, wobei z.B.
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ein Durchmesser von 0,18 mm bei reinem Kupfer und 0,20 -0,25 mm bei
einem Hilfsschmelzleiter zur Anwendung kommt, der aus einer Kupfer-Nickel-Legierung
besteht. In üblicher Weise verläuft der Hilfsschmelzleiter ebenfalls innerhalb eines
Löschmittels, wozu z.B. Sand verwendet wird, denn auch der aus dem Hilfsschmelzeliter
und dem Haltedraht gebildete Leiter muß für sich gesehen selbstlöschende Eigenschaften
aufweisen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Leitung
über den Haltedraht und den Hilfsschmelzleiter mit Hilfe von zwei antiparallel geschalteten
Z-Dioden unterbrochen ist, die bei dem vorgegebenen Spannungsabfall durchschalten.
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Mit dieser wichtigen Weiterbildung wird zunächst folgender Vorteil
gegenüber herkömmlichen Vollbereichssicherungen erzielt. Die Hauptschmelzleiter
sind im normalen Betrieb die einzig leitende Verbindung zwischen den beiden Kappen
der Sicherung bzw. zwischen den beiden Zuleitungen zu den Hauptschmelzleitern, so
daß ohne Beeinflussung durch die Charakteristik des Hilfsschmelzleiters eine sehr
genaue I-t-Kurve festgelegt werden kann. Dadurch ergibt sich e-ine Qualitätsverbeserung
im Ansprechen, die bisher nur durch einen erhöhten Fertigungsaufwand erzielbar ist.
Selbstverständlich wird bei einem Überstrom oberhalb des Imin auch das die Z-Dioden
enthaltende Hilfssystem ansprechen, es beeinflußt jedoch die Ausschaltung durch
das Hauptsystem gar nicht, da es innerhalb der Löschzeit des Hauptschmelzleitersystems
anspricht, so daß die vorgegebenen Werte entlang der I-t-Kurve auch tatsächlich
erreicht werden.
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Die Z-Dioden, deren doppelte Ausbildung in antiparalleler Schaltung
wegen des beinahe ausschließlich abgesicherten Wechselstromes erforderlich sind,
können zwischen dem Hilfsschmelzleiter und dem Haltedraht oder zwischen dem Filfsschmelzleiter
und der entsprechenden Sicherungskappe bzw. -zuleitung angeordnet sein. Statt Z-Dioden
können auch sonstige Dioden, Diacs, Thyristoren, Triacs und Varistoren bzw. VDR-Widerstände
benutzt werden, und zwar in alleiniger Verwendung oder in Kombination miteinander
in Abstimmung auf die Sicherung. Die bevorzugte Anordnung der Z-Dioden oder der
anderen genannten Bauteile liegt jedoch zwischen der einen Sicherungskappe und dem
Hilfsschmelzleiter, da sich hier die kälteste Stelle der Sicherung befindet, die
für die Schaltgenauigkeit der Z-Dioden vorteilhaft ist.
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Die Auslösung der mit Dioden o.ä. ausgestatteten Sicherung gemäß der
Weiterbildung der Erfindung erfolgt so exakt, daß je nach Betreiberwunsch die Auslösung
in dem gesamten Bereich nahe 1Nenn bis nahe unterhalb Imin vor Abschaltung min des
Hauptschmelzleitersystems erfolgen kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn zum
Beispiel kurzlebige Störungen im Uberstrombereich nicht zur Auslösung des Schlagstiftes
führen sollen oder im anderen Fall die nachgeschaltete Anlage keinesfalls höher
als mit dem Nennstrom der Sicherung belastet -werden soll.
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Da die Sicherungen in den selteneren Fällen mit dem tatsächlichen
Nennstrom der Sicherung betrieben werden, ist es sogar möglich, die Dioden so auszulegen,
daß eine Auslösung bereits unterhalb des Sicherungsnennstromes bei einem beliebigen,
vom Betreiber gewünschten Stromwert erfolgt.
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Sollte der Betreiber möglichst kalte, verlustarme Sicherungen für
seinen Betrieb wünschen, besteht hier die Möglichkeit, Sicherungen mit dickeren
Schmelzleitern - und somit größerem Imin - zu verwenden, da die Auslösung des Schlagstiftes
bei jedem vom Betreiber gewünschten Stromwert erfolgen kann.
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Im Auslösefall fließt unabhängig von der gewählten Konzeption ein
relativ starker Strom durch den Hilfsschmelzleiter und vor allen Dingen durch den
Haltedraht, so daß dieser sicher geschmolzen wird. Der Hilfsschmelzleiter kann dann
sehr niederohmig ausgebildet werden, mit der Folge, daß er einen nur sehr geringen
Durchmesser aufeist und demnach auch stets löschfähig ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der
Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine
Querschnittsansicht durch das eine Ende einer Hochspannungs-Hochleistungssicherung
mit Vollbereichseigenschaften unter Einschluß einer Schlagstiftvorrichtung gemäß
der Erfindung,
Fig. 2 eine Ansicht gemäß Fig. 1 eines weiteren
Ausführungsbeispiels dieses Sicherungstyps und Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht
durch zinke HH-Sicherung gem. der Erfindung unter Verwendung von Z-Dioden.
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In der Fig 1 ist das eine Ende einer Hochspannungs-Hochleistungssicherung
mit Vollbereichseigenschaften dargestellt, soweit das zur Erläuterung der Erfindung
notwendig ist. Am Ende eines üblicherweise als Sicherungskörper dienenden Keramikrohres
1 ist eine Metallkappe 2 aufgesetzt, die wiederum eine Schlagstiftvorrichtung 3
trägt. Sie besteht im wesentliche aus einem Einsatz 5, der einen von einem Federteller
gehaltenen Schlagstift 6 und eine Schraubefeder7 aufnimmt. Die Schraubenfeder 7
befindet sich in einem gespannten Zustand, der durch einen Haltedraht 9 aufrechterhalten
wird. Der Haltedraht 9 ist an einem Sockel 8 aus Isolierstoff befestigt, durch den
mindestens eine Elektrode hindurchführt. An dieser Elektrode ist ein Hilfsschmelzleiter
10 angeschlossen, während die Mitte des Haltedrahtes 9 in einen Haken am unteren
Ende des Shlagstiftes 6 eingehängt ist. Letzterer hat über die Schraubenfeder 7
Kontakt mit dem Einsatz 5, so daß für die elektrischen Werte lediglich die halbe
Länge des Haltedrahtes 9 von Bedeutung ist.
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Im äußeren Erscheinungsbild ist die erfindungsgemäße Sicherung den
bisherigen Vollbereichssicherungen sehr ähnlich, da dieselben Bauteile verwendet
werden, jedoch in unterschiedlicher Dimensionierung und mit unterschiedlichen elektrischen
Werten. Die Fig. ist also gedanklich zu ergänzen durch einen oder mehrere Hauptschmelzleiter,
die auf einen Wickelkern aufgewickelt sind- Das Innere der Sicherung ist mit Sand
oder einem sonstigen Löschmittel gefüllt, was im Bereich des Hilfsschmelzleiters
angedeutet ist
In der Fig. 2 ist eine Variante der Sicherung gemäß
Fig. 1 dargestellt. Statt einer gespannten Feder wird bei dieser Sicherung der Schlagstift
6' von einer Gas-Treibpatrone im Auslösefall vorangetrieben, wobei in etwa dieselben
Treibkräfte für den Schlagstift 6' aufgebracht werden. Die Gas-Treibpatrone 4 bedarf
ebenfalls eines minimalen Stromes, um den Treibvorgang auszulösen, so daß für die
Auslösung dieser Sicherung im Uberstrombereich unterhalb des I .
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mln der Sicherung ein bestimmter Steuerstrom infolge des Spannungsabfalls
über der Patrone erreicht sein muß. In beiden Fällen wird der hervorschnellende
Schlagstift 6 bzw. 6' dazu benutzt, einen Lastschalter zu betätigen, der in der
Regel auch die restlichen beiden Phasen abschaltet, wenn die Sicherung in ein Drehstromnetz
eingegliedert ist. In der Fig. 2 sind entsprechende Teile mit denselben, indizierten
Bezugsziffern versehen, es ist also ebenfalls ein Einsatz 5' und ein Hilfsschmelzleiter
10' vorhanden.
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In der Fig. 3 ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sicherung
schematisch im Querschnitt dargestellt.
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Auf die Enden eines Keramikrohres 1 sind Metallkappen 12 aufgesetzt,
von denen die eine eine Schlagstiftvorrichtung 13 trägt. Diese Schlagstiftvorrichtung
13 ist ähnlich der gemäß Fig. 1 aufgebaut, so daß Offenbarungslücken aufgrund der
schematischen Darstellung durch die Fig. 1 geschlossen werden können.
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Der Schlagstift wird über einen Federteller im Auslösefall von einer
Feder 14 vorangetrieben, die in der Darstellung mit Hilfe eines Haltedrahtes 15
im gespannten Zustand gehalten ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen
dem Haltedraht 16 und dem Schlagstiftende keine elektrische Verbindung vorhanden.
Das eine Ende des Haltedrahtes 16 ist an einer elektrisch isolierten Durchführung
15 befestigt, während das andere Ende des Haltedrahtes 16 mit dem Einsatz elektrisch
verbunden ist.
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Innerhalb des Keramikrohres 1 ist eine Wickelkörper 18 angeordnet,
auf deneinHauptschmelzleiter 19 aufgewickelt ist, dessen Enden jeweils an den Kappen
12 elektrisch leitend angebracht sind. Durch das Innere des Wickelkörpers 18 läuft
ein Hilfsschmelzleiter 20 hindurch, dessen eines Ende über Z-Dioden 21 mit der unteren
Kappe 12 und dessen anderes Ende mit dem Haltedraht 16 elektrisch verbunden ist.
Das Keramikrohr 1 ist im übrigen mit einem Löschmittel gefüllt, beispielsweise mit
Sand.
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Der Haltedraht 16 weist z.B. eine Stärke von 0,26 mm auf und besteht
aus einem Chrom-Nickel-Stahl mit der Bezeichnung X12CrNi17/7K+A, während der Hilfsschmelzleiter
aus Kupfer oder Silber besteht und einen Durchmesser von 0,18 mm oder weniger aufweist.
Die Z-Dioden 21 sind z.B. bis 0,5 W belastbar.
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Im Falle eines überstromes deutlich oberhalb des Nennstromes jedoch
noch unterhalb des 1min der Sicherung kommt es über den Hauptschmelzleiter 19 zu
einem Spannungsabfall, der sich als Potential zwischen der unteren Kappe 12 und
dem Ende des Hilfsschmelzleiters 20 bemerkbar macht. Bei einem vorgegebenen überstrom,
der vorausberechnet oder durch Experimente bestimmt ist,schalten die Z-Dioden bei
sitiver sowie negativer Amplitudeilage durch, so daß durch den Hilfsschmelzleiter
20 und den Haltedraht 16 ein Strom fließt.
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Dieser ist aufgrund der Dimensionierung des Hilfsschmelzleiters so
bemessen, daß der Haltedraht 16 in weniger als einer Zehntel-Sekunde durchschmilzt,
wodurch der Schlagstift 6 freigegeben oder durch die Feder 14 vorangetrieben wird.
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Aufgrund der gewählten Durchschaltspannung für die Z-Dioden ist also
das Durchschmelzen des Haltedrahtes 16 jeweils sichergestellt, wenn überhaupt über
diesen Strompfad ein Strom fließt. Zweifel bezüglich der Löschsicherheit dieses
Strompfades sind wegen des sehr dünnen Hilfsschmelzleiters unangebracht, allenfalls
ist die Löschfähigkeit wieder für extreme Uberströme interessant, die bereits zu
einer Unterbrechung des Hauptschmelzleiters 19 führen. Hierbei werden
die
Dioden jedoch mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit elektrisch durchschlagen
und eine Gefährdung der Löschung ist so gut wie ausgeschlossen.
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Selbstverständlich kann auch bei dem Sicherungstyp gemäß Fig. 3 statt
des Federantriebes eine Gas-Treibpatrone gem.
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Fig. 2 vorgesehen sein, die zu denselben Ausschaltbedingungen führt
wie das vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiel.
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