DE2605179A1

DE2605179A1 - Schmelzleiter fuer sicherungen in elektrischen schaltungen

Info

Publication number: DE2605179A1
Application number: DE19762605179
Authority: DE
Inventors: Tibor Dipl Ing Csizy; Arpad Dipl Ing Karpat; Janos Dipl Ing Dr Melis; Zoltan Dipl Ing Dr Szemerey
Original assignee: VILLAMOS BERENDEZES ES KESZULE
Current assignee: VILLAMOS BERENDEZES ES KESZULE
Priority date: 1975-02-10
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1976-09-02
Also published as: IT1062872B; YU29876A; BG29877A3; US4053862A; AT344277B; SE7601376L; ATA90476A; CS209454B2; HU171195B; CH594286A5; GB1513191A; FR2300410B3; NL7601299A; FR2300410A1; DE2605179C2; DD124133A5; SU574175A3

Description

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SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MÜNCHEN DO, MARIAHILFPLATZ 2 & 3 POSTADRESSE: D-8 MÜNCHEN 35, POSTFACH 95 O1 €<O

VILLAMOS BE KßSZÜLiK I-iüVEK

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DA-I6738

10. Februar- 1976

SCHiOLZLEITER FÜR SICHERUNGEN IN ELEKTRISCHFN SCHAIZi¹UI-]GUN Priorität: 10 Februar 1975, Ungarn, Nr. VI-102?

Gegenstand der Erfindung ist ein Schmelzleiter für Sicherungen in elektrischen Schaltungen in Form eines Metallbandes, dessen Querschnitt längs einer oder mehrere: Strecken verjüngt ist.

Sicherungen für elektrische Schaltungen bestehen aus einem Schmelzleiter (oder mehreren Schmelzleitern), der zwischen zwei aneinander elektrisch anzuschließende Teile eingefügt wird.

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Bei "bekannten Sicherungen ist der Schmelzleiter ein Draht oder ein Metallband. Ist die Form ein Metallband, dann wird auf bekannte Weise der Nennstrom und das Schmelzverhalten des Schmelzleiters eingestellt, indem man den Querschnitt des ^etallbandes längs einer oder mehrerer - gleicher - Strecken verjüngt.

Träges oder -schnelles Schmelzverhalten kann erreicht v/erden, wenn eine Strecke des Bandes mit einem Metall oder einer Metallegierung niedrigen Schmelzpunkt überzogen wird, welche bei überstrom schmelzen und im Schmelzzustand in das Metallband diffundieren, dessen Widerstand erhöhen, was eine lokale Erwärmung and ein zeitabhängiges Schmelzen bewirkt. Ein Nachteil dieser Methoden besteht darin, daß bei mehrfacher Überlastung das Schmelzverhalten des Schmelzleiters sich - der allmählichen Diffusion zufolge ·=- ver&ndert, die Eigenschaften des Schmelzleiters sich also während des Betriebes verschlechtern.

Diese Eigenschaften der zum Schutz von elektrischen Schaltungen entwickelten Schmelzsicherungen werden im allgemeinen mit drei Kennlinien angegeben. Die Zeit-Strom-Kennlinie zeigt die Abhängigkeit der Schmelz-(Betätigungs)zeit vom Laststrom; die Schmelzsicherungen können demnach gemäß dreier Haupttypen sortiert werden, nämlich als träge, schnelle und superschnelle Typen. Sicherungen mit träger Kennlinie werden üblich angewendet, wenn kurzzeitige hohe Stromstöße im Betrieb vorkommen, während&eren die Sicherung, nicht abschmelzen darf, hingegen von .einer gewissen Stromstärke, an, insbesondere bei Kurzschlüssen, ein schnelles Ansprechen erforderlich ist«, Um diesen entgegengesetzten Anforderungen bestmöglich nachkommen zu können, wurden die sogenannten träge-schnellen Schmelzleiter entwickelt. Dieser Typ sollte auch in Kombination mit Unterbrecher-Schaltern, z. B. Leitungs-Schutzschaltern anwendbar sein können. Zur Zeit weichen aber die Kennlinien dieser Typen noch sehr von denen der

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Unterbrecher ab, so daß die Unterbrecher nur mit Sicherungen für viel niedrigere Nennstronrwerte kombiniert werden können, als welche Nenristroiiiwerte - den Netzkenndaten zufolge - zulässig wäre.

Schnellwirkende Sicherungen v/erden im allgemeinen zum Schutz des Netzes angewendet. Bei diesem Einsatz ist die Bedeutung der Sicherung für den Berührungsschutz sehr wichtig; bekanntlich besteht eine Normbestimmung, der gemäß in Netzen mit Nulleitern der Schutz innerhalb 5 s ansprechen muß. Dieser Anforderung kann z. Z.. nur dann nachgekommen werden, wenn Sicherungen eingesetzt werden, deren Nennstromwert weit unter dem im Nets zugelassenen Nennstrom liegt. .

Superschnelle Sicherungen wurden vor allem zum Schutz von Halbleitern entwickelt, aber auch dieser Typ kann erst beim 3-4—fachen des ^ennst romwert es als superschnell wirkend betrachtet werden.

Über ?ine weitere wichtige Eigenschaft der Schmelz-

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sicherungen unterrichtet die I t-Kennlinie, die Funktion zwischen Joule-Integral und unbeeinflußtem Kurzschluß-Strom; deren Aussage bezieht sich auf die thermische Beanspruchung der zu schützenden Schaltung bei Kurzschluß und ermöglicht bei der Planung der Schaltung die Auswahl der entsprechenden Sicherung für das zu schützende System. Aus dieser Kennlinie ist auch die mögliche Koordination mit Leitungsnchutzschaltern ersichtlich, d.h„ man kann ermitteln welche Nennstromstärke eine Schmelzsicherung haben muß, die an einen Leitungsschutzschalter mit gegebenem nominalem kurzschluß-Schaltvermögen angepaßt werden kann.

Die dritte wichtige Eigenschaft der Schmelzsicherungen wird in der Strombegrenzungskennlinie angezeigt, welche die Größe des Unterbrechungsstroms in Abhängigkeit vom unbeeinflußten Kurzschlußstrom darstellt. Sowohl über.die thermischen, als auch über die dynamischen Belastungen der ■zu schützenden Schaltung können dieser Kennlinie wichtige

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Informationen entnommen werden*

Von den "bisher angeführten Eigenschaften kommt dem Verlauf der Anfangsstrecke (kleine Stromwerte) der Zeit-Strom Kennlinie eine besondere Bedeutung zu. Um die in diesem Bereich sehr störende Wirkungsunsicherheit zu "beseitigen, wurde es zur Praxis - und heutzutage ist es auch NormbeStimmung -, daß die für einen gewissen Nennstromwert bestimmte Sicherung beim 1,2-1,3-fachen des Hennstromwertes noch nicht abschmelzen darf.

Außerdem muß noch ein sehr wichtiger Faktor in Betracht gezogen v/erden. Die Schmelzleiter für Sicherungen mit schnellem (superschnellem) Schmelzverhalton werden in der ganzen Welt aus Silber angefertigt, weil von allen gut leitenden Metallen die niedrigste Schmelztemperatur und Verdampfungswärme eben beim Silber bestehen.

Werden die vorangehend kurz umrissenen Eigenschaften der Schmelzsicherungen nun für die praktischen Anforderungen bewertet, treten folgende Erwägungen in den Vordergrund: / 1. Die Zeit-Strom Kennlinie der Sicherungen für schnelles Schmelz· verhalt en erweist, daß diese nur als schnell zu betrachten sind, wenn der Laststrom das ^--7-fache des Nennstroms erreicht; beträgt er nur das Zweifache des Nennstroms, dann erhöht sich die Schmelzzeit schon zur Größenordnung der Minute^. Insbesondere zum Schutz von' Halbleitern wäre es erwünscht, die Kennlinie für die schnelle Sicherung derart zu gestalten, daß die Schmelzzeit beim Zweifachen des Nennstroms mindestens zwei Größenordnungen kurzer ist, als es bei z. Z. erwerblichen Sicherungen der Fall ist und doch gewährleistet sei, daß beim 1,2-1,3-fachen des Nennstroms ein Abschmelzen überhaupt nicht erfolgt oder höchstens erst nach langzeitiger derartiger Belastung,

2« Z. Z. muß für schnelle Sicherungen Silber benutzt werden. Es wäre aber erwünscht, dieses durch das viel billigere

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Kupfer ersetzen zu können«

3. Die diffusionsfähigen Legierungen, die man zur Eiiifjteilung der trägerschnellen Charakteristik anwendet, verleihen dem Schmelzleiter die nachteilige Eigenschaft, daß nach längerer Benützungszeit - der unvermeidlichen Diffusion zufolge -. der Widerstand und andere Kenndaten des Schmelzleiters sich verändern und dieser nach gewisser ^eit schon bei nominaler Belastung abschmilzt«, Es wäre zweckmäßig, den träge-schnellen Verlauf ohne einen Diffusionsprozeß zu erzielen.

4. Untersuchungen bezüglich der Koordinierbarkeit von Unterbrechern und Schmelzsicherungen haben erwiesen, daß eine ansehnliche Abweichung zwischen deren Kennlinien besteht, so daß ζ. Ζ. eine ideale Koordination dieser Geräte nicht t erzielt werden kann; ferner ist bei träge-schnellen Sicherungen der Wert des Joule-Integrals so hoch, daß das nominale Kurzschluß-Schaltvermögen der Unterbrecher eine Koordination nur mit Sicherungen erlaubt, deren Nennstronrwert viel niedriger liegt als der im Netz sonst zugelassene Nennstrom. -Entweder muß also die ^Netzkapazität erhöht werden, was aber im Landesmaßstab eine ungemeine finanzielle Belastung bedeutet (Milliarden der Währungseinheit), oder aber es muß eine Schmelzsicherung entwickelt werden, deren Joule-Integral im Kurzschluß viel niedriger liegt, als das der z. Z. erwerblichen.

Um die Zielsetzungen gemäß den vorangehenden Punkten 1 bis 4 erfüllen zu können, wurde eine neue Schmelzleiter-Konstruktion. entwickelt.

Dieser neue Schmelz! eiter für Sicherungen in elektrischen Schaltungen· hat die Form eines Metallbandes, dessen Querschnitt längs einer oder mehrerer Strecken verjüngt ist und unterscheidet sich von den bekannten Typen darin, daß mindestens eine verjüngte Strecke durch einen metallischen Nebenschluß überbrückt ist und die Befestigung

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zwischen Metallband und Nebenschluß in einer Bindung besteht« deren Lösung durch die bei vorbestimmter Stromstärke im Schmelzleiter erzeugte Wärme bewirkt wird.

Bei-einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Schmelzleiters erfolgt die - durch bei vorbestimmter Stromstärke im Schmelzleiter erzeugte Wärme lösbare - Bindung, welche Metallband und Nebenschluß aneinander befestigt, über eine Kammer, welche mittels Verlobung von Metallband und Nebenschluß oder auf andere geeignete Weise abgeschlossen wird und deren Inneres mit einem Stoff (z.B. Jod, Schwefel) gefüllt ist, dessen Siedepunkt niedriger liegt, als der Schmelzpunkt des die Kammer abschließenden Bindemittels (z.B. Lötzinn).

Die Füllung der Kammer kann zweckmäßig auch einen weiteren Stoff (z.B. Zink) enthalten, dessen Schmelzpunkt niedriger liegt als der genannte Siedepunkt (z.B. des Schwefeis), welcher Siedepunkt niedriger liegt, als der Schmelzpunkt des die Kammer abschließenden Bindemittels (z.B. Hartlötung).

Bei· . Sclimelzleitern mit mehreren Verjüngungen im Metallband wird zweckmäßig diejenige Verjüngung durch den genannten Nebenschluß überbrückt j welche dem Ende des ^etallbandes zunächst liegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben.

In Fig. 1 ist eine beispielsweise Ausführung des Schmelzleiters 1 gezeigt. Den genauen Wert des ^Kenn~ stroms bestimmen die Abmaße der Verjüngungen 2 und 3. . Die Verjüngung 4 führt zu einem Querschnitt, der kleiner ist," als der Querschnitt in den Verjüngungen 2 und 3, so daß an dieser Stelle das Abschmelzen auch bei Strömen unter dem Nennwert kurzzeitig erfolgt.

' Dieser kleine Querschnitt wird aber durch den Nebenschluß 5 überbrückt, (s. Fig. 2). Dieser besteht aus gut leitendem Metall und ist am breiten Teil 6 mit

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einer Ausbuchtung (Kappe) versehen, z« B. in einer Tiefdruckpresse. Vom Rand der Kappe an ist der ^iNebenschluß dem Bogen 7 entsprechend verformt und dem Bogen folgt der gerade -Teil 9·

Fig. 3 zeigt, in welcher Weise der Nebenschluß 5 mit dem Schmelzleiter 1 "· verbunden wird. Der Bogen 7 des Nebenschlusses überbrückt die Verjüngung 4· und ist am Rand 8 der Kappe 6 und am geraden Teil 9 des Nebenschlusses 5 am Schmelzleiter 1 angelötet. Es wird ein Lötmaterial mit entsprechendem.Schmelzpunkt benutzt. Die Abmaße des Randes 8 im Nebenschluß und der geraden Strecke 9 sind so gewählt, daß - unter Beachtung der Diffusionseigenschaften des Lötstoffes - der Übergangswiderstand der gelöteten Flächen wesentlich niedr5 ger ist als der Widerstand des Bogens 7 des ^ebenschltisses 5·

Bevor der ^ebenschltiß 5 an ^en Schmelzleiter 1 anmontiert wird, wird in der Kajjpe 6 der in flüssigem oder festem Zustand befindliche Stoff 10 (z.B. Jod oder Zink + Schwefel) untergebracht (dieser Stoff 10 wird im weiteren Starter genannt). Als Starter wird ein Stoff angewendet, der bei einer vorbestimmten Temperatur ~ und zwar innerhalb .eines sehr engen Temperaturbereichs - vom festen oder flüssigen Zustand in den Dampfzustand oder den Gaszustand umwechselt und infolge der so entstehenden ansehnlichen Raumerweiterung in der Kappe 6 einen großen Druck erzeugt.

Das zur Verbindung Von Schmelzleiter 1 und Nebenschluß 5 benutzte Lötmaterial muß so gewählt werden, daß sein Schmelzpunkt höher liegt als die Temperatur, bei der der Starter verdampft oder den Gaszustand annimmt. Unter Beachtung der Eestigkeitseigenschaften der Randfläche der Kappe 6 und des Lötmaterials kann gewährleistet werden, daß bei der plötzlichen Druckveränderung, die vom Starter verursacht wird, weder der Schmelzleiter, noch der Nebenschluß Formveränderungen erleidet, sondern statt dessen die Ablösung .des Nebenschlusses vom Schmelzleiter

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erfolgt.

Die Abmaße des Nebenschlusses 5, insbesondere beim. Bogen 7, werden -lurch die Anforderung bestimmt, daß bis sum 1,2-1,5-fachen des ^ennstroms die Temperatur, die den Starter umgibt, niedriger sei, als diejenige, bei der die Zustandsveränderung des Starters erfolgt.

In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Betriebstemperatur bei Nennstrom und der Temperatur, bei der sich der Aggregatzustand des Starters verändert, kann das Verhältnis (der Quotient) vom kleinsten Schmelzstrom und Nennstrom in einem weiten Bereich verändert werden. In Fig. 4 ist die Zeit-ßtrom Kennlinie für Schmelzleiter dargestellt, wie sie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt wurden. Die Kurve 11 bezieht sich auf den Verlauf im Querschnitt der Verjüngung 4- des Schmelzleiters 1, wie er in Fig. ι gezeigt ist. Die Kurve 12 hingegen zeig⁴, den Verlauf in den Querschnitten der Verjüngungen 2 und 3. Letzteres Verhalten entspricht dem der konventionellen, für Nermstrom. I ausgelegten, z.B. schnellen Sicherungen. Kurve 13 zeigt die Gesamtzeit, die - in Abhängigkeit vom Laststrom - notwendig ist, um sowohl die Veränderung des Aggregatzustands des Starters als auch die darauffolgende Ablösung des Nebenschlusses zu vollenden. A_us der Abbildung ist ersichtlich, daß die Schmelzzeit für das Zweifache des-^ennstroms bei konventionellen schnellen Sicherungen in der Größenordnung 100 s beträgt. Bei derselben Strombelastung ist die Bet^atigungszeit des Starters kleiner als" 1 s, und diese Zeit wird nur unwesentlich erhöht durch die Schmelzzeit gemäß Kurve 11, innerhalb welcher die Verjüngung - nach Ablösung des Nebenschlusses 5 - durchschmilzt. Die resultierende Abschmelzzeit wird also um zwei Größenordnungen verkürzt (der konventionellen gegenüber).

^ Die resultierende Zeit-Strom Kennlinie des mit Nebenschluß kombinierten Schmelzleiters 1 schmiegt sich -

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- annähernd - an die Kennlinie des Starters an, und zwar solange, bis die kritische Strombelastung I₁ gemäß Punkt 14- Fig. 4- erreicht ist. Überschreitet der Laststrom den.kritischen Wert 1^, dann wird diese Kennlinie der Kurve 12 gleich, denn dann beträgt die Schmelzzeit in den Verjüngungen 2 und 5 weniger, als. die für die Funktion des Starters notwendige Zeit. . · '

Bei gewissen Verteilungen der Bogenspamiung kann es notwendig sein, zwei oder mehr Verjüngungen mittels Nebenschluß zu überbrücken.

Das Startmaterial kann auch aus zwei oder mehr Komponenten bestehen.

Fig. 5 zeigt das Schmelzverhalten eines Schmelzleiters, bei dem der Starter beispielsweise aus zwei Komponenten -besteht. ^lne Komponente ist bei normalen Betriebsströmen (also -der Betriebstemperatur des Schmelzleiters) im festen Zustand. Die Differenz zwischen dem Schmelzpunkt dieser F :mrponer..to und der normalen Betriebstemperatur und auch die Menge dieser Komponente ist so gewählt, daß zur Erwärmung und zur völligen Einschmelzung dieser Komponente' eine Wärmemenge notwendig sei, welche bei dein ■ k-fachen (k = 1, 2, 3, ..·) des Nennstroms I nach der vorgeschriebenen, erwünschten Verzögerungszeit angehäuft wird. Wenn die Temperatur dieser Komponente den Schmelzpunkt erreicht hat, verändert sie sich solange nicht, bis die Gesamtmenge dieser Komponente geschmolzen ist. In diesem Temperatur(bzw. Strom-)-bereich hat der in Kurve 16 der Fig. 5 gezeigte Schmelzverlauf einen tragen Charakter.

Die andere Komponente des Zweikomponenten-Startera

ist so gewählt, daß der Siedepunkt oder Zündwärmepunkt etwas höher als der Schmelzpunkt der ersten Komponente, die Verdämpfungswärme aber möglichst klein ist. Nachdem die erste Komponente geschmolzen ist, erhöht sich wieder die Temperatur des Starters; wenn sie den Siedepunkt

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oder den Zündwärniepunkt der zweiten Komponente erreicht, ' wird diese Komponente schnell verdunsten oder entflammen und der Nebenschluß löst sich vom Schmelzleiter ab. In diesem Temperatur-Cbzw. Strom-)-bereich hat der Schmelzverlauf der Sicherung gemäß Kurve 16 einen schnellen Charaktere

Kurve 15 in Fig. 5 zeigt den Schmelzverlauf des Schmelzleiters ohne Nebenschluß.

Die Kennlinie 16 schmiegt sich ideal an die Kennlinie der Unterbrecher an, darum können diese Sicherungen optimal an die Unterbrecher angepaßt werden.

Fig· _ 6 zeigt das Joule-Integral in Abhängigkeit vom unbeeinflußten Kurzschlußstrom für einen Leitungs-Schutz schalt er mit I5OO A Schaltvermögen (Kurve 17)₅ für eine konventionelle träge-schnelle Sicherung mit ^O A Nennwert (Kurve 16)·,. für einen ^--^-Schmelzleiter der mit einem Zweikomponenten-Starter versehen ist (Kurve 19) und einen loO-A-Scumelzleiter, der gleichfalls mit einem Zweikomponenten-Starter versehen ist. Aus der Abbildung ist ersiehtich, daß die Belastung des Netzes ein Mehrfaches der z. Z. üblichen Belastung betragen kann, wenn mit dem Leitungs-Schutzschalter eine Sicherung koordiniert ist, die mit einem Schmelzleiter mit Zweikomponenten-Starter bestückt ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Schmelzleiter für Sicherungen in elektrischen Schaltungen in Form eines ^iVtetallbandes, dessen querschnitt längs einer oder mehrerer Strecken verjüngt ist, dadurch geke-nnzeichnet , daß mindestens eine verjüngte Strecke durch einen metallischen Nebenschluß überbrückt ist und die Befestigung zwischen Metallband und .Nebenschluß in einer Bindung besteht, deren Lösung durch die bei vorbestimmter Stromstärke· im Schmelzleiter erzeugte "Wärme bewirkt wird.

. 2. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet , daß die - durch bei vorbestimmter Stromstärke im Schmelzleiter erzeugte Warme lösbare Bindung, welche Metallband und Nebenschluß aneinander befestigt, über eine Kammer erfolgt, welche mittels Verlötung von·Metallband und Nebenschluß oder auf andere geeignete Weise abgeschlossen wird und deren Inneres mit einem Stoff gefüllt ist, fassen Siedepunkt niedriger liegt als der Schmelzpunkt des die Kammer abschließenden Bindemittels.

3. Schmelzleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Füllung der Kammer außerdem auch einen Stoff enthält, dessen Schmelzpunkt niedriger liegt als der genannte Siedepunkt, welcher Siedepunkt niedriger liegt als der Schmelzpunkt des die Kammer abschließenden Bindemittels.

M-.. Schmelzleiter nach Anspruch 1 bis 3j mit mehreren verjüngten Strecken, im Metallband, dadurch gekennzeichnet , daß diejenige verjüngte Strecke mit Nebenschluß überbrückt wird, welche dem &nde &^es tallbandes zunächst liegt.

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