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EP3347911B1 - Laststromtragende sicherung mit internem schaltelement - Google Patents

Laststromtragende sicherung mit internem schaltelement Download PDF

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Publication number
EP3347911B1
EP3347911B1 EP16822640.5A EP16822640A EP3347911B1 EP 3347911 B1 EP3347911 B1 EP 3347911B1 EP 16822640 A EP16822640 A EP 16822640A EP 3347911 B1 EP3347911 B1 EP 3347911B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuse
contact
load current
insulating material
iso
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP16822640.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3347911A1 (de
Inventor
Rainer Durth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP3347911A1 publication Critical patent/EP3347911A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3347911B1 publication Critical patent/EP3347911B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/041—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges characterised by the type
    • H01H85/048—Fuse resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/055—Fusible members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/44—Structural association with a spark-gap arrester
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus
    • H01H2085/0283—Structural association with a semiconductor device

Definitions

  • a fuse is known in which a fuse wire is caused by a targeted heating of the neighborhood for melting.
  • Previous fuses are designed to switch when overcurrent.
  • German patent DE 10 2014 215 282 B3 shows the German patent DE 10 2014 215 282 B3 a combined surge protection device with an integrated spark gap and with a series-connected fuse.
  • Previous fuses switch off reliably only at greatly increased currents. This is due to the triggering behavior. If, in the case of previous fuses, the protection level is set too low, the fuse will trip even in the event of temporary overcurrent, eg when charging capacitive loads or when switching on motors. Therefore, previous backups in terms of overcurrent are rather generous (over-) dimensioned.
  • the object is achieved by a load current-carrying fuse with internal switching element.
  • the load-carrying fuse has a protective element, wherein the protective element has a first connection for connection to a first potential of a supply network and a second connection, which can be connected via a device to be protected with a second potential of the supply network.
  • the protective element has a fusible conductor, which connects the first terminal and the second terminal of the protective element, wherein the protective element further comprises a third terminal, which is connectable to the second potential of the supply network and which is adjacent, but electrically isolated to the fusible conductor.
  • the fusible conductor has a constriction in the region of the adjacent connection, wherein the constriction is configured in this way in that the fusible conductor has an electrically conductive flux in the region of the constriction, the flux having a lower softening point than the fusible conductor itself.
  • the fuse element further comprises an internal switching element which internally monitors the protection element and can effect a selective turn-off, the internal switching element being a voltage-sensitive element connected to one terminal to the first terminal and having another terminal adjacent to the overvoltage-sensitive element, but is electrically isolated from the fusible conductor and adjacent but electrically isolated from the third terminal.
  • phase N, L of an alternating voltage network the invention is not limited thereto but can be used in any configuration of an electrical supply network, be it a direct current network, a single-phase or multi-phase alternating voltage network.
  • a load current-carrying fuse 1 according to the invention with an internal switching element has a protective element F.
  • the protection element F has a first connection FA1 for connection to a first potential L of a supply network and a second connection FA2, which can be connected via a device Z to be protected to a second potential N of the supply network.
  • the device to be protected could also be a power generating device, such as a power plant. be a wind turbine or a solar system.
  • the protective element F has a fuse D, which connects the first terminal FA1 and the second terminal FA2 of the protective element F, wherein the protective element F further comprises a third terminal FA3, which is connectable to the second potential N of the supply network and the adjacent, but is electrically isolated from the fusible conductor D, wherein the fusible conductor D in the region of the adjacent terminal FA3 has a constriction E, wherein the constriction is configured so that the fusible conductor D in the constriction E a having electrically conductive flux SM, wherein the flux SM has a lower softening point than the fusible conductor D itself.
  • the load-carrying fuse further has an internal switching element that monitors the protection element F internally and can bring about a targeted shutdown, wherein the internal switching element is a voltage-sensitive element TVS, which is connected to a terminal to the first terminal FA1, and another terminal FA4 of the overvoltage-sensitive element TVS adjacent, but electrically isolated to the fusible conductor D and adjacent, but electrically isolated to the third terminal FA3 is arranged.
  • the internal switching element is a voltage-sensitive element TVS, which is connected to a terminal to the first terminal FA1, and another terminal FA4 of the overvoltage-sensitive element TVS adjacent, but electrically isolated to the fusible conductor D and adjacent, but electrically isolated to the third terminal FA3 is arranged.
  • the load-carrying fuse 1 can be designed so that even longer-term overcurrents lead to a safe separation.
  • constriction E is thermally overloaded so that the fusible conductor melts at the constriction E and an arc arises, which in turn commutes to the third supplied port FA3 in the vicinity of the constriction E, so that the device to be protected Z is relieved of electricity, the current deletes and the device to be protected Z has disconnected from the network.
  • the device Z to be protected is relieved of the deletion integral of the protective element F and finally isolated safely isolated from the network.
  • the amount of overload of the device Z to be protected is in a range in which the device Z to be protected is not destroyed directly, but a change in its electrical properties is to be expected.
  • the fusible conductor D in the region of the bottleneck on an electrically conductive flux SM diffuses when heated in the Schmelzeiter and reduces its conductivity. Since the electrically conductive flux SM is arranged in the region of the bottleneck, due to the fact that there is now a higher electrical resistance, a correspondingly faster heating is to be expected here.
  • This technique allows an improved triggering of the protective element F.
  • the aging process of the bottleneck E can be suitably adjusted.
  • the aging of the constriction E can be used specifically to bring the fuse with low long-lasting overcurrents to trigger.
  • the protection levels can be further reduced without endangering plant availability.
  • the fusible conductor at least in the region of the narrowed E - as in Fig. 2a shown - a perforation (or perforation series) P or - as in FIG. 2b shown - several perforations P (or perforation rows) P on.
  • a perforation or perforation series
  • a perforation row or perforation rows
  • the cage E can have a perforation in which the flux SM is located.
  • the process of diffusing into the melt conductor D can be accelerated.
  • the in-diffusion leads to a change in the electrical resistance (increase), so that the heat conversion increases locally and favors an early separation.
  • the voltage-sensitive element is shown as Transient Voltage Suppressor Diode (TVS).
  • TVS Transient Voltage Suppressor Diode
  • the invention is not on this limited and it can be used any form of a voltage-sensitive element, in particular other electrical / electronic components, such as a thermally non-linearly-variable resistor, such as a NTC (Negative Temperature Coefficient Thermistor) or a PTC (Positive Temperature Coefficient Thermistor) , a suppressor diode, or a gas discharge or even bimetal switch.
  • NTC Negative Temperature Coefficient Thermistor
  • PTC Physical Temperature Coefficient Thermistor
  • suppressor diode or a gas discharge or even bimetal switch.
  • these elements may also be provided in any suitable parallel or series connection.
  • a time-delaying device is integrated (dead time), which is provided with respect to the internal switching element TVS, for example by low-pass-forming elements, for example a resistor R and a capacitor C.
  • Load peaks are intercepted by switching on motors or when loading capacitive loads, i. the currents go back so far within the dead time that the triggering condition no longer exists.
  • the load-carrying fuse 1 is arranged in a pressure-resistant and / or insulating housing.
  • the fusible conductor is then often only in a partial area, namely the part which is closest to the third terminal FA3 - i. usually at the bottleneck E - melted. More distant areas are preserved, since the arc can not stably burn until there, due to the increasing length.
  • the fuse element D and the third terminal FA3 of the fuse element in the normal operating state are electrically separated by an insulating material ISO, wherein the third terminal and the insulating material ISO are arranged such that an ignition adjacent to the insulating material ISO to an at least superficial degradation of the insulating material ISO, in such a way that the surface loses its insulating property and allows a current flow between the fuse element D and the third terminal FA3.
  • the melting time D (shown with longitudinal hatching) without bottleneck E is shown.
  • the fuse wire D is separated from the third terminal FA 3 (shown by oblique hatching) by an insulating material ISO (shown as a white layer).
  • a fourth connection FA4 (illustrated with cross-hatching) is provided, wherein the third contact and the fourth contact FA4 can in turn be separated by an (identical or different) insulating material ISO.
  • the sequence of the fourth contact FA4 and the third contact FA3 may also be chosen differently, i. also the fourth contact FA4 can be arranged adjacent to the fuse element D.
  • the different contacts FA3, FA4 and the fusible conductor D may be made of thin metal foils or plates, for example.
  • the different elements can be embedded in an insulating border (shown in dotted lines).
  • any ignition i. also lead an ignition of FA4 to the fuse element D to a corresponding (superficial) degradation of the (previously) insulating material ISO.
  • the insulating material ISO a plastic or a composite material with low CTI value, for example, phenolic resin (PF resins), polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), epoxy resin-filled glass fiber composites such as FR4 or the like.
  • CTI values - also known as tracking resistance - are determined according to IEC 60112, for example.
  • Exemplary materials are assigned to the insulating group IIIa and / or insulating group IIIb.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuses (AREA)

Description

  • Elektrische Lasten sind zu sichern.
  • Dabei kommen je nach Art des Versorgungsnetzes als auch je nach Art der Last unterschiedliche Sicherungselemente zur Anwendung.
  • Insbesondere in Gleichstromnetzen stellt die Abtrennung ein großes Problem dar, da im Gegensatz zu Wechselstromnetzen keine periodischen Nulldurchgänge vorhanden sind, sodass eventuelle Schaltlichtbögen nicht ohne weiteres zum Verlöschen kommen.
  • Beispielsweise ist aus der internationale Patentanmeldung WO 2014 / 065 763 A2 eine Sicherung bekannt, bei der ein Schmelzdraht durch eine gezielte Erwärmung der Nachbarschaft zum Schmelzen veranlasst wird.
  • In der Vergangenheit wurden daher vielartige Sicherungen mit ausgeklügelten Verfahren zur Unterdrückung von Lichtbögen entworfen.
  • Bisherige Sicherungen sind darauf ausgelegt bei einem Überstrom zu schalten.
  • Es ist jedoch eine zunehmende Nachfrage nach Sicherungselementen zu verzeichnen, die auch bei einem moderaten Strom zuverlässig zur Auslösung gebracht werden können.
  • Beispielsweise zeigt das Deutsche Patent DE 10 2014 215 282 B3 ein kombiniertes Überspannungsschutzgerät mit einer integrierten Funkenstrecke und mit einer hierzu in Reihe geschalteten Schmelzsicherung.
  • Bisherige Sicherungen schalten erst bei stark erhöhtem Strömen zuverlässig ab. Dies ist dem Auslöseverhalten geschuldet. Wird nämlich bei bisherigen Sicherungen der Schutzpegel zu niedrig angesetzt, kommt es auch bei kurzzeitigem Überstrom, wie z.B. beim Laden kapazitiver Lasten oder beim Einschalten von Motoren, bereits zu einem Auslösen der Sicherung. Daher sind bisherige Sicherungen in Bezug auf den Überstrom eher großzügig (über-) dimensioniert.
  • Andererseits treten immer mehr Anwendungsfälle auf, bei denen eine kontinuierliche leichte Überlastung gegeben ist, die zwar gefährlich ist, aber nicht als Überstrom erkannt wird.
  • Bei Netzen mit begrenzten Kurzschlussströmen, wie z.B. PV-Anlagen, bei denen der Betriebsstrom lediglich ca. 10% unterhalb des Kurzschlussstroms liegt, sind die Ströme bei einem Kurzschluss so gering, dass normale Schmelzsicherungen nicht auslösen.
  • Bei PV- und Windkraft-Anlagen kommt erschwerend hinzu, dass die Ströme im Teillastbetrieb (z.B. leichte Bewölkung, mäßiger Wind) soweit unterhalb des Maximalstromes der Anlage liegen, dass ein dann auftretender Kurzschlussstrom im Bereich und unterhalb des Nennstromwertes der entsprechenden Sicherung liegt.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Es wäre daher wünschenswert, eine kostengünstige laststromtragende Sicherung bereitstellen zu können, die auch in dem genannten Fall ein zuverlässiges Ausschalten ermöglichen kann.
    • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine laststromtragende Sicherung mit internem Schaltelement. Die laststromtragende Sicherung weist ein Schutzelement auf, wobei das Schutzelement einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einem ersten Potential eines Versorgungsnetzes und einen zweiten Anschluss aufweist, der über eine zu schützendes Gerät mit einem zweiten Potential des Versorgungsnetzes verbindbar ist. Das Schutzelement weist einen Schmelzleiter auf, der den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss des Schutzelements verbindet, wobei das Schutzelement weiterhin einen dritten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Potential des Versorgungsnetzes verbindbar ist und der benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter angeordnet ist. Der Schmelzleiter weist im Bereich des benachbarten Anschlusses eine Engstelle auf, wobei die Engstelle so ausgestaltet ist, dass der Schmelzleiter im Bereich der Engstelle ein elektrisch leitendes Schmelzmittel aufweist, wobei das Schmelzmittel einen geringeren Erweichungspunkt als der Schmelzleiter selbst aufweist. Das Sicherungselement weist weiterhin ein internes Schaltelement auf, das das Schutzelement intern überwacht und eine gezielte Ausschaltung herbeiführen kann, wobei das interne Schaltelement ein spannungssensitives Element ist, dass mit einem Anschluss mit dem ersten Anschluss verbunden ist und dass ein weiterer Anschluss des überspannungssensitiven Elements benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter und benachbart, aber elektrisch isoliert zum dritten Anschluss angeordnet ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
    • Kurzdarstellung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
  • Es zeigt
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße aststromtragende Sicherung mit internem Schaltelement in einer schematischen Darstellung,
    Fig. 2a
    einen Aspekt der Erfindung,
    Fig. 2b
    einen weiteren Aspekt der Erfindung,
    Fig. 3
    noch einen weiteren Aspekt der Erfindung, und
    Fig. 4
    einen beispielhaften Aufbau von Kontakten und Schmelzleitern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
    Ausführliche Beschreibung
  • Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
  • Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
  • Obwohl im folgenden Bezug auf Phasen N, L eines Wechselspannungsnetzes genommen wird, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern kann in jeglicher Ausgestaltung eines elektrischen Versorgungsnetzes - sei es ein Gleichspannungsnetz, ein Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselspannungsnetz - Verwendung finden.
  • In allgemeinster Form weist eine erfindungsgemäße laststromtragende Sicherung 1 mit internem Schaltelement ein Schutzelement F auf.
  • Das Schutzelement F weist einen ersten Anschluss FA1 zur Verbindung mit einem ersten Potential L eines Versorgungsnetzes und einem zweiten Anschluss FA2 auf, der über ein zu schützendes Gerät Z mit einem zweiten Potential N des Versorgungsnetzes verbindbar ist.
  • Obwohl in der Beschreibung nunmehr auf ein zu schützendes Gerät Z Bezug genommen wird, ist damit nicht notwendigerweise eine elektrische Last gemeint. In gleicher Weise könnte das zu schützende Gerät auch eine Stromerzeugungseinrichtung, wie z.B. eine Windkraft- oder einer Solaranlage sein.
  • Das Schutzelement F weist einen Schmelzleiter D auf, der den ersten Anschluss FA1 und den zweiten Anschluss FA2 des Schutzelements F verbindet, wobei das Schutzelement F weiterhin einen dritten Anschluss FA3 aufweist, der mit dem zweiten Potential N des Versorgungsnetzes verbindbar ist und der benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter D angeordnet ist, wobei der Schmelzleiter D im Bereich des benachbarten Anschlusses FA3 eine Engstelle E aufweist, wobei die Engstelle so ausgestaltet ist, dass der Schmelzleiter D im Bereich der Engstelle E ein elektrisch leitendes Schmelzmittel SM aufweist, wobei das Schmelzmittel SM einen geringeren Erweichungspunkt als der Schmelzleiter D selbst aufweist.
  • Die laststromtragende Sicherung weist weiterhin ein internes Schaltelement auf, das das Schutzelement F intern überwacht und eine gezielte Ausschaltung herbeiführen kann, wobei das interne Schaltelement ein spannungssensitives Element TVS ist, das mit einem Anschluss mit dem ersten Anschluss FA1 verbunden ist, und das einen weiteren Anschluss FA4 des überspannungssensitiven Elements TVS benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter D und benachbart, aber elektrisch isoliert zum dritten Anschluss FA3 angeordnet ist.
  • Mittels der Ausgestaltung der Engstelle kann die laststromtragende Sicherung 1 so ausgestaltet werden, dass auch längerfristige Überströme zu einem sicheren Abtrennen führen.
  • Ist der Überstrom sehr hoch, wie bei einem Kurzschluss, so wird das Sicherungselement im Bereich der Engstelle E unmittelbar aufschmelzen und damit auslösen.
  • D.h. die Engstelle E wird thermisch so überlastet, dass der Schmelzleiter an der Engstelle E schmilzt und ein Lichtbogen entsteht, der wiederum auf den dritten zugeführten Anschluss FA3 in der Nachbarschaft der Engstelle E kommutiert, so dass das zu schützende Gerät Z stromtechnisch entlastet wird, den Strom löscht und das zu schützende Gerät Z vom Netz getrennt hat. Somit wird das zu schützende Gerät Z vom Löschintegral des Schutzelementes F entlastet und schlussendlich sicher isoliert von Netz getrennt.
  • Im zweiten Fall der Überlastung bewegt sich die Höhe der Überlastung des zu schützenden Gerätes Z in einem Bereich in dem das zu schützende Gerät Z zwar nicht direkt zerstört wird, jedoch eine Änderung seiner elektrischen Eigenschaften zu erwarten ist.
  • Hierzu weist der Schmelzleiter D im Bereich der Engstelle ein elektrisch leitendes Schmelzmittel SM auf. Das elektrisch leitende Schmelzmittel SM diffundiert bei Erwärmung in den Schmelzeiter ein und reduziert dessen Leitfähigkeit. Da das elektrisch leitende Schmelzmittel SM im Bereich der Engstelle angeordnet ist, ist hier auf Grund der Tatsache, dass hier nun ein höherer elektrischer Widerstand vorliegt, mit einer entsprechend schnelleren Erwärmung zu rechnen.
  • Diese Technik erlaubt ein verbessertes Auslösen des Schutzelementes F. Durch geeignete Dimensionierung, Materialwahl und Geometrie der Engstelle sowie eine gezielte Beeinflussung der Einwirkdauer der Temperatur kann der Alterungsprozess der Engstelle E geeignet eingestellt werden.
  • D.h. die Alterung der Engstelle E kann gezielt dazu verwendet werden die Sicherung bei geringen langanhaltenden Überströmen zum Auslösen zu bringen.
  • Andererseits steht über das interne Schaltelement TVS noch eine weitere Auslösemöglichkeit zur Verfügung. Bei dieser wird die Spannung über dem Schmelzleiter D ausgewertet. Hieraus ergibt sich ein Rückschluss auf den Strom, der durch den Schmelzleiter D fließt. Hat die Spannung die charakteristische Spannung zum Schalten des spannungssensitiven Elements TVS erreicht, kommt es analog zum Fall des Überstromes zu einer Zündung im Bereich der Engstelle E.
  • D.h. mittels geeigneter Wahl der Schaltspannung kann wie zuvor Einfluss auf den Schaltpunkt genommen werden. So können auch Überströme, die bei klassischen Sicherungselementen noch nicht zum Auslösen geführt haben, zu einem Schalten genutzt werden.
  • Hierdurch können die Schutzpegel weiter gesenkt werden, ohne dass eine Anlagenverfügbarkeit gefährdet wäre.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung, welche in den Figuren 2a und 2b gezeigt ist, weist der Schmelzleiter zumindest im Bereich der Engstellte E - wie in Fig. 2a gezeigt - eine Perforation (oder Perforationsreihe) P oder - wie in Figur 2b gezeigt - mehrere Perforationen P (oder Perforationsreihen) P auf. Natürlich können auch an anderen Stellen auf dem Schmelzeiter D entsprechende Perforationen angeordnet sein, wie z.B. aus Figur 2a ersichtlich. Dabei ist die Struktur der Perforation P nur beispielhaft kreisförmig. Sie kann auch andere Ausformungen annehmen.
  • Besonders vorteilhaft kann die Engestelle E eine Perforation aufweisen, in der das Schmelzmittel SM befindlich ist. Hierdurch kann der Prozess des Eindiffundierens in den Schmelzleiter D beschleunigt werden. Das Eindiffundieren führt zu einer Veränderung des elektrischen Widerstandes (Erhöhung), sodass der Wärmeumsatz lokal ansteigt und eine baldige Abtrennung begünstigt.
  • In der Abbildung 1 ist das spannungssensitive Element als Transient Voltage Suppressor Diode (TVS) dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und es kann jegliche Form eines spannungssensitiven Elements Verwendung finden, insbesondere auch andere elektrische / elektronische Bauteile, wie z.B. ein thermisch nicht-linear-veränderlicher Widerstand, wie z.B. ein NTC (Negative Temperature Coefficient Thermistor) oder ein PTC (Positive Temperature Coefficient Thermistor), eine Suppressordiode, oder ein Gasableiter oder aber auch Bimetallschalter. Natürlich können diese Elemente auch in jeder beliebigen geeigneten Parallel- oder Reihenschaltung vorgesehen sein.
  • In Abbildung 3 ist ein weiterer Aspekt der Erfindung dargestellt. Hier ist zusätzlich zum internen Schaltelement TVS eine zeitverzögernde Einrichtung integriert (Totzeit), die bezogen auf das interne Schaltelement TVS, z.B. durch tiefpassbildende Elemente, beispielsweise einen Widerstand R und einen Kondensator C, bereitgestellt wird.
  • Hiermit können z.B. Lastspitzen durch Einschalten von Motoren oder aber beim Laden von kapazitiven Lasten abgefangen werden, d.h. die Ströme gehen innerhalb der Totzeit soweit zurück, dass die Auslösebedingung nicht mehr vorliegt.
  • Bevorzugt ist die laststromtragende Sicherung 1 in einem druckfesten und/oder isolierenden Gehäuse angeordnet.
  • Bei kleinen Kurzschlussströmen ist zwar eine Zündung zwischen dem drittem Anschluss FA3 und dem Schmelzleiter D möglich, es kann aber sein, dass der dann brennende Lichtbogen aber instabil ist. D.h. es könnte zu einem Fall kommen, in dem der Lichtbogen verlischt ohne dass der Schmelzleiter vollständig unterbrochen wäre.
  • Der Schmelzleiter ist dann häufig nur in einem Teilbereich, nämlich dem Teil, der dem dritten Anschluss FA3 am nächsten liegt - d.h. in der Regel an der Engstelle E - angeschmolzen. Weiter entfernt liegende Bereiche sind erhalten, da der Lichtbogen bis dorthin, aufgrund der zunehmenden Länge, nicht stabil brennen kann.
  • Erklärt werden kann dieses Verhalten insbesondere bei Wechselstromnetzen dadurch, dass bei den geringen Kurzschlussstrom-Werten die Energie zum Aufschmelzen des Schmelzleiters D nicht innerhalb einer Halbwelle aufgebracht werden kann.
  • Um ein stabileres Brennen des Lichtbogens, insbesondere auch bei Wechselstrom, zu ermöglichen, wird eine flächige Annäherung des Schmelzleiters D an den dritten Anschluss FA3 vorgeschlagen. Hierdurch wird zunächst einmal sichergestellt, dass auf der vollständigen Breite des Schmelzleiters D ein definierter Abstand zum dritten Anschluss FA3 herrscht.
  • In Abbildung 4 ist hierzu ein weiterer Aspekt gemäß einer Ausführungsform dargestellt.
  • Hier sind der Schmelzleiter D und der dritte Anschluss FA3 des Sicherungselementes im Normal-Betriebszustand elektrisch durch ein isolierendes Material ISO getrennt, wobei der dritte Anschluss und das isolierende Material ISO so angeordnet sind, dass ein Zünden benachbart zum isolierenden Material ISO zu einer zumindest oberflächlichen Degradierung des isolierenden Materials ISO führt, dergestalt, dass die Oberfläche ihre isolierende Eigenschaft verliert und einen Stromfluss zwischen dem Schmelzleiter D und dem dritten Anschluss FA3 zulässt.
  • Dabei ist der Schmelzeiter D (dargestellt mit Längsschraffur) ohne Engstelle E dargestellt. Der Schmelzleiter D ist von dem dritten Anschluss FA 3 (dargestellt mit Schrägschraffur) durch ein isolierendes Material ISO (dargestellt als weiße Schicht) getrennt. Weiterhin ist noch ein vierter Anschluss FA4 (dargestellt mit Querschraffur) vorgesehen, wobei der dritte Kontakt und der vierte Kontakt FA4 wiederum durch ein (gleiches oder andersartiges) isolierendes Material ISO getrennt sein können. Die Abfolge des vierten Kontaktes FA4 und des dritten Kontaktes FA3 kann auch anders gewählt sein, d.h. auch der vierte Kontakt FA4 kann benachbart zum Schmelzleiter D angeordnet sein. Die unterschiedlichen Kontakte FA3, FA4 und der Schmelzleiter D können beispielsweise aus dünnen Metallfolien oder Platten hergestellt sein. Die unterschiedlichen Elemente könne in einer isolierenden Einfassung (gepunktet dargestellt) eingebunden sein.
  • Dabei tritt im Falle einer Triggerung mittels des dritten Anschlusses FA3 oder des vierten Anschlusses FA4 (soweit vorhanden) ein Lichtbogen zum Schmelzleiter D hin auf, der das in der Nachbarschaft befindliche isolierende Material ISO (zwischen D und FA3) beschädigt, so dass dieses nun auf Grund seines geringen CTI-Wertes (CTI Wert von FR4 z.B. circa 150 V) und der durch den Lichtbogen erzeugten (lokalen oberflächlichen) Degradierung (beispielsweise Verrußung, Verkohlung) nun dazu führt, dass ein (kleiner) Lichtbogen weiter aufrecht erhalten wird (bzw. bei einem Wechselspannungsbetrieb auch nach einem Nulldurchgang der Phase wieder erneut zündet), der sich quasi von der Entstehungsstelle fort entlang der Grenzfläche (in beide Richtungen) frisst, so dass am Ende der Schmelzleiter D aufgetrennt wird.
  • Obwohl hier eine Zündung zwischen FA4 und FA3 angenommen ist, kann jede Zündung, d.h. auch eine Zündung von FA4 zum Schmelzleiter D zu einer entsprechenden (oberflächlichen) Degradierung des (zuvor) isolierenden Materials ISO führen.
  • Dabei kann das isolierende Material ISO einen Kunststoff bzw. ein Verbundmaterial mit niedrigem CTI-Wert, beispielsweise Phenolharz (PF-Harze), Polyetheretherketon (PEEK), Polyimid (PI), Epoxydharz-gefüllte Glasfaserverbundwerkstoffe, wie z.B. FR4 oder dergleichen aufweisen. CTI-Werte - auch als Kriechstromfestigkeit bekannt - werden z.B. nach IEC 60112 ermittelt. Beispielhafte Werkstoffe sind der Isolierstoffgruppe IIIa und/oder Isolierstoffgruppe IIIb zugeordnet.
    • Bezugszeichenliste
  • Laststromtragende Sicherung 1
    Zu schützendes Gerät Z
    Schutzelement F
    Geräteanschluss ZA1, ZA2
    Schutzelement-Anschluss FA1, FA2, FA3, FA4
    Potential L, N
    Schmelzleiter D
    Engstelle E
    Schmelzmittel SM
    überspannungssensitives Element TVS
    isolierendes Material ISO

Claims (8)

  1. Laststromtragende Sicherung mit internem Schaltelement
    • aufweisend ein Schutzelement (F),
    • wobei das Schutzelement (F) einen ersten Anschluss (FA1) zur Verbindung mit einem ersten Potential (L) eines Versorgungsnetzes und einen zweiten Anschluss (FA2) aufweist, der über ein zu schützendes Gerät (Z) mit einem zweiten Potential (N) des Versorgungsnetzes verbindbar ist,
    • wobei das Schutzelement (F) einen Schmelzleiter (D) aufweist, der den ersten Anschluss (FA1) und den zweiten Anschluss (FA2) des Schutzelements (F) verbindet,
    • wobei das Schutzelement (F) weiterhin einen dritten Anschluss (FA3) aufweist, der mit dem zweiten Potential (N) des Versorgungsnetzes verbindbar ist und der benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter (D) angeordnet ist,
    • wobei der Schmelzleiter (D) im Bereich des benachbarten dritten Anschlusses (FA3) eine Engstelle (E) aufweist, wobei die Engstelle so ausgestaltet ist, dass der Schmelzleiter (D) im Bereich der Engstelle (E) ein elektrisch leitendes Schmelzmittel (SM) aufweist,
    • wobei das Schmelzmittel (SM) einen geringeren Erweichungspunkt als der Schmelzleiter (D) selbst aufweist,
    • wobei die laststromtragende Sicherung weiterhin ein internes Schaltelement aufweist, das das Schutzelement (F) intern überwacht und eine gezielte Ausschaltung herbeiführen kann,
    • wobei das interne Schaltelement (TVS) mit einem Anschluss mit dem ersten Anschluss (FA1) verbunden ist, und dass ein weiterer Kontakt (FA4) des interne Schaltelements (TVS) benachbart, aber elektrisch isoliert zum Schmelzleiter (D) und benachbart, aber elektrisch isoliert zum dritten Anschluss (FA3) angeordnet ist,
    • wobei das interne Schaltelement (TVS) ein Transient Voltage Suppressor Diode oder ein Bimetallschalter, oder ein thermisch nicht-linear-veränderlicher Widerstand, oder ein Gasableiter oder deren Reihen und Parallelschaltung aufweist.
  2. Laststromtragende Sicherung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Engestelle (E) eine Perforation aufweist, in der das Schmelzmittel (SM) befindlich ist.
  3. Laststromtragende Sicherung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum internen Schaltelement eine zeitverzögernde Einrichtung integriert ist, die dem spannungssensitiven Element (TVS) vorgeschaltet ist.
  4. Laststromtragende Sicherung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das interne Schaltelement (TVS) in einem druckfesten Gehäuse angeordnet ist.
  5. Laststromtragende Sicherung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzleiter (D) und der dritte Anschluss (FA3) des Sicherungselementes im Normal-Betriebszustand elektrisch durch ein isolierendes Material (POM) getrennt sind, wobei der dritte Anschluss (FA3) und das isolierende Material (ISO) so angeordnet sind, dass ein Zünden benachbart zum isolierenden Material (ISO) zu einer zumindest oberflächlichen Degradierung des isolierenden Materials (ISO) führt, dergestalt, dass die Oberfläche ihre isolierende Eigenschaft verliert und einen Stromfluss zwischen dem Schmelzleiter (D) und dem dritten Anschluss (FA3) zulässt.
  6. Laststromtragende Sicherung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material (ISO) einen Kunststoff oder ein Verbundmaterial mit niedrigem CTI-Wert aufweist.
  7. Laststromtragende Sicherung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material (ISO) Polyetheretherketon (PEEK), Polyimid (PI), Epoxydharz-gefüllte Glasfaserverbundwerkstoffe aufweist.
  8. Laststromtragende Sicherung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material (ISO) FR4 aufweist.
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