DE2121303A1 - Mit Sand gefüllte elektrische Schmelzsicherung - Google Patents

Description

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Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 29· April 1971 vA// Name d. Anm. Aktieselskabet LauT.

Knudsen, Nordisk Elektricitets Selskab

Mit Sand gefüllte elektrische Schmelzsicherung

Die Erfindung betrifft eine mit Sand gefüllte elektrische Schmelzsicherung, das heißt eine Schmelzsicherung von der Art, bei welcher die Unterbrechung des Stromes mittels eines elek- ' trischen Lichtbogens erfolgt, der in einem dicht gepackten körnigen Isoliermaterial von gleichmäßiger oder veränderlicher Korngröße abbrennt« Ein solches Material wird gewöhnlich als Sand bezeichnet, ohne Rücksicht auf seine genaue chemische Zusammensetzung.

Die Wirkungsweise von elektrischen Schmelzsicherungen kann in zwei Perioden unterteilt werden, nämlich in die Schmelz- oder Ansprechperiode, welche von dem Augenblick, in dem der Strom, zum Beispiel ein Kurzschlußstrom, zu fließen beginnt, bis zu dem Augenblick dauert, in dem das Schmelzsicherungselement schmilzt und den metallischen Stromkreis öffnet, und in die Lichtbogenperiode, welche dann bis zu dem Augenblick dauert, in dem der Strom endgültig unterbrochen ist*

Wenn das Schmelzsicherungselement schmilzt und der Lichtbogen gebildet ist, ist es für die Erzielung einer zufriedenstellenden Wirkungsweise der Schmelzsicherung wichtig, daß die parallel zum Lichtobgen erzeugte Spannung eine entsprechende Größe aufweist und behält relativ zur Spannung des Stromkreises, in dem die Schmelzsicherung angeordnet ist«,

Um eine entsprechende Größe der Spannung des Lichtbogens sicherzustellen, können zwei verschiedene Lösungen unterschieden

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werden. Die Schmelzsicherung kann in einer solchen Weise ausgebildet werden, daß eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Lichtbogen gebildet wird, oder in einer solchen Weise, daß ein langer Lichtbogen gebildet wird« Diese beiden Lösungen schließen sich aber gegenseitig nicht aus» Es gibt auch noch andere Bedingungen, welche zur Erhöhung der Spannung des Lichtbogens beitragen, wie zum Beispiel die Abkühlung durch das den Lichtbogen umgebende Füllmaterial und die Erhöhung des Drucks in dem begrenzten Raum, in den das Schmelzsicherungselement und das Füllmaterial eingeschlossen sind·

Ein langer Lichtbogen kann erzielt werden, indem ein langer zylindrischer Draht geschmolzen wird. Dieses Verfahren hat aber einige Nachteile, indem es beispielsweise eine ziemlich langsam schmelzende Schmelzsicherung ergibt. Diese Kachteile können bekanntlich durch die Verwendung eines Schmelzsicherungselementes vermieden werden, das an einer oder mehreren Stellen einen verringerten Querschnitt aufweist« üb Falle eines Überstromes wird ein solcher verringerter Querschnitt zuerst schmelzen und danach wird der Lichtbogen verlängert durch das fortschreitende Schmelzen eines immer größeren Teils des Schmelzsicherungselementes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung von Verfahren zur Förderung der Verlängerung des Lichtbogens während der Lichtbogenperiode, um dadurch die Spannung des Lichtbogens zu erhöhen und auf diese Weise die Lichtbogenperiode einer elektrischen Schmelzsicherung der erwähnten Art zu verkürzen.

Dies wird gemäß der Erfindung erzielt, indem das Schmelzsicherungselement mit einem Füllstoff umgeben wird, der aus Materialien besteht, welche eine chemische Reaktion exothermischer Art bei Temperaturen bewirken, die oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzsicherungselementes liegen·

Die Erfindung betrifft daher eine mit Sand gefüllte Schmelzsicherung, bei welcher das Schmelzsicherungselement und der das-

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selbe umgebende Sand aus solchen Materialien bestehen oder dieselben enthalten, welche wechselseitig in einem exothermischen Prozeß chemisch reagieren bei Temperaturen, die oberhalb des Schmelzpunktes des Schmelzsicherungselementes liegen. Das Schmelzsicherungselement kann überwiegend aus Aluminium oder Magnesium bestehen und das Füllmaterial kann Quarzsand sein.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schmelzsicherungselement von bekannter Ausbildung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Spannung parallel zum Lichtbogen·

Das Schmelzsicherungselement, von welchem ein Teil in Fig· 1 gezeigt ist, besteht aus einem Streifen oder Band 11 aus Netall, das an einer entsprechenden Stelle mit einem Loch 12 versehen ist, durch welches der Querschnitt verringert wird· Eine solche Verringerung stellt eine Schwächung des Schmelzsicherungselements an der betreffenden Stelle dar mit dem Effekt, daß das Schmelzsicherungselement mehr geneigt ist, an dieser Stelle zu schmelzen. Eine Schwächung des Schmlezsicherungselements kann aber auch durch irgendein anderes bekanntes Verfahren erzielt werden, beispielsweise durch örtliche Erhöhung des elektrischen Widerstandes durch Legieren, durch eine verringerte Abkühlung oder einfach durch beliebige Veränderungen der Umgebung. Beim Auftreten eines Überstromes wird das Schmelzsicherungselement zuerst an einer geschwächten Stelle schmelzen, so daß ein kurzer Lichtbogen gebildet wird·

Der gebildete kurze Lichtbogen stellt jedoch eine bestimmte Spannung Ar, und beim Durchgang des Stromes wird Energie freigegeben· Wie Fig. 2 zeigt, kann die Spannung des Lichtbogens als aus drei Teilen bestehend angesehen werden.

In unmittelbarer Nähe der Fußpunkte des Lichtbogens befinden

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sich die beiden praktisch konstanten Spannungsabfälle, der sogenannte Kathodenfall 1 und der Anodenfall 2. In dem dazwischen liegenden Lichtbogen, im Plasma, tritt ein Plasmafall 3 auf, der zur Länge des Lichtbogens annähernd proportional ist„

Die Charakteristische Eigenschaft der beiden Spannungsabfälle 1 und 2, des Kathodenfalls und des Anodenfalls, ist die Tatsache, daß sie in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Schmelzsicherungselementes erscheinen. Die mit diesen Spannungsabfällen verbundene Energie wird daher am Schmelzsicherungselement freigegeben und durch dasselbe selbst absorbiert, und zwar in der Form von Wärme, welche zu dem Teil des Schmelzsicherungselementes geleitet wird, der unmittelbar hinter der Oberfläche liegt. Das Ergebnis ist, daß dieser Teil des Schmelzsicherungselements erhitzt wird, um zu schmelzen. Da der Kathodenfall und der Anodenfall im wesentlichen konstante Werte sind, ist die freigegebene Energie proportional zu dem Strom, multipliziert« mit der abgelaufenen Zeit, oder mit anderen Worten, proportional zum Integral des Stromes über das betreffende Zeitintervall.

Wenn angenommen wird, daß die Erhitzung adiabatisch erfolgt und wenn die Wärme, die der metallische Widerstand des Schmelzsicherungselements beiträgt, vernachlässigt wird, ist die Verlängerung des Lichtbogens proportional zum Integral des Stromes über die abgelaufene Zeit. Da dies ein Naturgesetz ist, ist es durch übliche Mittel nicht möglich, die Verlängerung zu fördern. Es wurde gefunden, daß irgendeine Veränderung, die zu dem Zweck vorgenommen wird, die Geschwindigkeit zu vergrößern, mit welcher der Lichtbogen verlängert wird, von anderen Veränderungen mit der entgegengesetzten Tendenz begleitet ist.

In dem Fall, in dem es sich nur um einen einzigen Lichtbogen han delt, ist es bekannt, eine weitere Verlängerung des Lichtbogens durch mechanische Mittel zu bewirken, w beispielsweise indem die beiden Teile des Schmelzsicherungselements auseinandergezogen werden. Dies ist eine praktische Lösung für Schmelzsicherungselemente, die von Luft umgeben sind, aber nicht leicht anwendbar,

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wenn das Schmelzsicherungselement von einem dicht gepackten körnigen Material umgeben ist·

Durch die Einführung eines exothermischen chemischen Prozesses des Metalls des Schmelzsicherungselements und des dasselbe umgebenden Füllstoffes, welcher Prozeß bei Temperaturen stattfindet, die oberhalb des Schmelzpunktes des Schmelzsicherungselements liegen, wie gemäß der Erfindung vorgeschlagen wird, wird jedoch ein besonderer Energiebeitrag für das Schmelzen des Schmelzsicherungselements verfügbar sein und die Verlängerung des Lichtbogens wird infolgedessen rascher vor sich gehen. Nach dem Schmelzen des geschwächten Teils des Schmelzsicherungselementes werden die elektrische und die chemische Energie eine progressive Zerstörung des verbleibenden Teils des Schmelzsicherungselements bewirken und das elektrisch leitende Metall des Schmelzsicherungselements wird in eine elektrisch isolierte chemische Verbindung umgewandelt.

Eine Bedingung für den Erfolg der Erfindung besteht darin, daß die chemische Reaktion nicht bei irgendeinem der Temperaturwerte stattfindet, die in der Schmelzsicherung während des normalen Betriebs vorherrschen, sondern nur bei Temperaturen, die unter dem Einfluß des Lichtbogens an den Fußpunkten desselben vorhanden sind, das heißt bei Temperaturen, die oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls des Schmelzsicherungselements liegen.

Es ist nicht eine notwendige Bedingung für die Erfindung, daß das Schmelzsicherungselement eine oder mehrere geschwächte Stellen aufweist* Diese haben jedoch den praktischen Vorteil, gut definierte Ausgangspunkte für den Lichtbogen zu bilden. Die Schwächung braucht daher nur gering zu sein, beispielsweise einer Verringerung des Querschnitts um 10 bis 20 % 4. zu entsprechen. Die Schwächung soll vorzugsweise 90 % nicht überschreiten.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele genauer erklärt.

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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Schmelzsicherungselement der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet werden. Das Schmelzsicherungselement besteht im wesentlichen aus Aluminium und ist in Quarzsand eingebettet, der ein Siliziumoxyd ist. Nach der Bildung eines Lichtbogens an der geschwächten Stelle auf dem Schmelzsicherungselement wird das chemisch sehr aktive Aluminium mit dem Quarzsand reagieren« Praktische Experimente haben Fälle gezeigt, in denen die für die Zerstörung des Schmelzsicherungselements verfügbare Energie mehr als verdoppelt wird, das heißt die gleiche Verlängerung des Lichtbogens kann in weniger als der halben Zeit erzielt werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet ein Schmelzsicherungselement, das im wesentlichen aus Magnesium besteht und das in der gleichen Weise veranlaßt wird, mit einem Füllstoff aus Quarzsand zu reagieren,

Weitere Beispiele können leicht durch das Studium bekannter chemischer Reaktionen zwischen verschiedenen Metallen und Füllstoff materialien gefunden werden.

Patentansprüche :

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Claims (2)

1. Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwalt·, Köln

   Anlag· Aktenzeichen

   zur Eingab, vom 29· April 1971 vA// Nam. d. Anm. Aktleselskabet Laur.

   Knudsen, Nordlsk Elektric! te ts Selskab

   PATENT ANSP R Ü CHE

   "I.) Hit Sand gefüllte elektrische Schmelzsicherung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzsicherungselement und der dasselbe umgebende Füllstoff aus solchen Materialien bestehen oder dieselben enthalten, welche wechselseitig in einem exothermischen Prozeß chemisch reagieren bei Temperaturen, die oberhalb des Schmelzpunkts des Schmelzsicherungselements liegen·
2. 2.. Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das FUllstoffmaterial aus Quarzsand besteht·

   3« Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzsicherungselement überwiegend aus Aluminium besteht·

   4· Elektrische Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da aus Magnesium besteht·

   gekennzeichnet, daß das Schmelzsicherungselement überwiegend

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