DE3042830C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine überstromfeste Hochspannungs­ sicherung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche überstromfeste Hochspannungssicherung ist aus der ASEA-Zeitschrift von 1972, Seiten 86 bis 90 bekannt. Während für die Schmelzelemente üblicherweise ein verhältnismäßig hoch­ schmelzendes Metall, wie Silber verwendet wird, ist in der vorgenannten ASEA-Zeitschrift keine Angabe über das Material des Schmelzelementes enthalten. Auch läßt sich dieser Zeit­ schrift weder etwas über die Reinheit noch über die Form des Kieselerdesandes entnehmen.

Auch in den VDE-Fachberichten von 1954 (Sonderdruck, Seiten 2 bis 6) wird eine Hochspannungssicherung beschrieben, die Silber als Material für die Schmelzelemente benutzt. Diese Schmelzelemente sind in festgepackten Quarzsand als körniges Löschmittel eingebracht, ohne daß nähere Angaben zur Reinheit und Form des Quarzsandes vorhanden sind.

Versuche haben gezeigt, daß Schmelzelemente aus Silber nicht vollständig schmelzen, wenn nur relativ geringe Ströme betei­ ligt sind, und daß wesentliche Bestandteile der Schmelzele­ mente nach Verschwinden des Lichtbogens intakt bleiben. Aus diesem Grund erfüllt Silber nicht alle Anfor­ derungen, die an das Material der Schmelzelemente für Hoch­ spannungssicherungen gestellt werden, da ungeschmolzenes Mate­ rial zu Betriebsstörungen (Rückzündungen) infolge der wiederkehrenden Spannung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die überstromfeste Hochspannungssicherung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches dahingehend zu verbessern, daß sie kleiner ausgebildet und billiger hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Die DE-AS 12 90 239 beschreibt eine Hochspannungssicherung mit Schmelzelementen aus Kupfer oder Silber mit einer vorbe­ stimmten Zerstörungszone aus Weichlotauftrag oder mit einer Weichlotbrücke mit wesentlich geringerem Schmelzpunkt, wobei dem Schmelzelement im Bereich der Zerstörungszone ein niedri­ ger schmelzendes Hilfsmetall, wie Blei, Kadmium, Wismut und/oder vorzugsweise Zink zugegeben ist.

Die erfindungsgemäße Hochspannungssicherung hat den Vorteil, daß auch bei Strömen, die nur etwas über dem Sicherungsnenn­ strom liegen, eine sichere Trennung der Schmelzelemente er­ reicht wird, weil die Schmelzelemente aus Kadmium im allge­ meinen über ihre gesamte Länge verbrannt bzw. geschmolzen werden, so daß ein Spannungsaufbau über die Sicherung nicht mehr möglich ist.

Weiter bedingt die Verwendung von Kadmium mit seinem relativ niedrigen Schmelzpunkt und seiner relativ niedrigen Verdampfungs­ temperatur, daß einfache Schmelzelemente lediglich aus einem Metall benutzt werden können. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß, wenn Kadmiumdampf oxidiert und durch den Kieselerdesand gekühlt wird, dies einen guten Isolator ergibt. Der spezifische Widerstand von Kadmiumoxid beträgt 10¹² Ohm · m³ bei 1000° Kelvin, und aus diesem Grunde eignet sich Kadmium wegen seiner dielektri­ schen Eigenschaft nach dem Unterbrechen des Stromkreises gut.

Eine Sicherung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut in einem Gerät mit einer Schutzflüssigkeit, wie z. B. in Trans­ formatoren, Kondensatoren, Schaltern und ähnlichem.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsge­ mäßen Hochspannungssicherung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Sicherung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab schematisch Einzelheiten des Aufbaus der Sicherung gemäß Fig. 2.

Ein rohrförmiges Gehäuse 1 (Fig. 1) ist an seinen beiden gegenüberliegenden Seiten mit Endkappen 2, 3 aus elektrisch leitendem Material abgeschlossen. Außenkappen 4 und 5 sind über die Endkappen 2, 3 gestülpt und mit einem Preßsitz mit ihnen verbunden, und die Endkappen 2, 3 sind auf dem rohr­ förmigen Gehäuse 1 mittels Zement 6, 7 befestigt. Eine Anschluß­ hülse 8 und eine Anschlußkappe 9 sind auf den Innenflächen der Endkappen 2, 3 angebracht und in zentral angeordneten Öffnungen in den Endkappen 2, 3 angeordnet. Das Gehäuse ist mit Kieselerdesand 10 gefüllt, der aus nahezu kugelförmigen Körnern verschiedener Größe innerhalb gegebener Grenzen besteht. Diese Körner bestehen zu mindestens 99% aus Kieselerde, und nahezu 98% der Körner werden mit einer Siebgröße 100 zurück­ gehalten, während ca. 2% der Körner mit der Siebgröße 30 er­ halten werden. Etwa 30% der Körner werden mit der Siebgröße 40 gewonnen, während etwa 75% der Körner mit der Siebgröße 50 gewonnen werden. Die Körner werden als 109 G. S. S bezeichnet.

In dem Gehäuse 1 der Sicherung und in dem Kieselerdesand 10 eingebettet ist eine Anzahl schraubenförmiger Schmelzelemente 11, 12, 13, 14, 15 (Fig. 2) angeordnet, deren Enden mit der Anschlußhülse 8 bzw. der Anschlußkappe 9 verbunden sind. Die Bereiche der Schmelzelemente zwischen ihren Enden werden durch den Kieselerdesand 10 gehalten.

Die Schmelzelemente 11 bis 15 sind mit Kerben 16 entlang ihrer gesamten Längserstreckung versehen. Die Schmelzelemente sind bandförmig gestaltet.

Der Erfindungsgegenstand findet Anwendung für Spannungskreise über 1000 Volt.

Beim Auftreten eines hohen Fehlerstroms schmelzen die Schmelz­ elemente 11 bis 15 praktisch gleichzeitig an allen Kerben 16, was zur Ausbildung einer Kette von Lichtbögen führt. Diese Lichtbögen dehnen sich rasch aus und fallen zusammen.

Die Lichtbogenenergie wird in Form von Wärme von dem Kiesel­ erdesand 10 absorbiert. Der Energieaustausch zwischen den Lichtbögen und dem Kieselerdesand 10 hängt auch von der Oberfläche der Sandkörner ab. Je größer die Oberfläche der den Lichtbogen ausgesetzten Sandkörnern ist, um so größer ist der Energie­ austausch. Dem Energieaustausch kommt daher auch die Quer­ schnittsform der Schmelzelemente entgegen, die wandförmig gestaltet sind und nicht nur aus einem einzigen Element, sondern aus einer Vielzahl von Elementen bestehen. Der Er­ findungsgegenstand ist allerdings auch mit einem einzigen Schmelzelement funktionsfähig.

Die Verwendung einer Vielzahl von parallel gelegten Schmelz­ elemente in dem Kieselerdesand 10 führt auch zu einer guten Kühlung der Schmelzelemente 11 bis 15 während des normalen Stromflusses, also ohne Beanspruchung der Sicherung durch Überstrom, so daß der Gesamtquerschnitt der Schmelzelemente 11 bis 15 geringer gehalten werden kann.

Eine Vielzahl von Schmelzelementen 11 bis 15 ist auch besonders dann von Vorteil, wenn es um die Unterbrechung eines Stroms geht, der an sich einen geringen Wert aufweist und nur geringfügig über dem Nennstrom liegt. Hierbei schmilzt ein einziges Schmelz­ element an einer Kerbe 16 durch, bevor weitere Schmelzelemente 11 bis 15 durchbrennen. Hierdurch entsteht eine kurze Unterbrechung in dem Schmelzelement. Da dieses mit den übrigen Schmelzelementen 11 bis 15 parallel liegt, kann sich an der Unterbrechungsstelle kein Anfangslichtbogen ausbilden, und der Strom des ersten Elements wird über die anderen Elemente verteilt. Danach schmilzt ein weiteres Element unter ähnlichen Bedingungen, und sein Strom fließt dann über die verbleibenden Schmelzelemente 11 bis 15. Alle Schmelzelemente 11 bis 15 brennen nacheinander durch, und nach und nach entsteht ein immer höherer Strom, der sich auf die verbleiben­ den Schmelzelemente 11 bis 15 aufteilt.

Erst beim Durchbrennen des letzten Schmelzelements der Sicherung beginnt sich ein Lichtbogen auszubilden. Es entsteht nur ein einziger Lichtbogen, da bei den übrigen Schmelzelementen 11 bis 15 unter den Bedingungen eines niedrigen Stroms keine Lichtbögen ent­ standen. Ein solcher Lichtbogen beginnt sich in dem Schmelz­ element auszubilden, das den besten Strompfad hat, und bei größer werdender Lichtbogenlänge wechselt der Strom zu einem anderen Pfad, der attraktiver ist. Die Stromkommutierung unter diesen Bedingungen ist ein bekanntes Phänomen, soweit bekannt wurde dies aber bisher nicht fotografisch oder über einen Oszillographen in Verbindung mit Hochspannungssicherungen fest­ gehalten. Die Ausbildung eines Lichtbogens in einem einzigen Schmelzelement erlaubt dessen rasche Ausdehnung, da dieses Schmelzelement über seine gesamte Länge mit seiner Schmelz­ temperatur beaufschlagt ist. Daher wird ein Lichtbogen in einem einzigen Schmelzelement rasch wieder verlöschen, da ein Durchbrennen nicht nur an einer Kerbe 16 stattfindet, sondern auch an den Stellen zwischen diesen Kerben. Das rasche Ab­ brennen und das Schmelzen des Schmelzelements und die Ausbil­ dung neuer Lichtbogen, ausgehend von einem Anfangslichtbogen, führt dazu, daß der Anfangslichtbogen mit anderen Teilen in Verbindung kommt, wodurch eine gleichmäßigere Wärmeabteilung von dem Schmelzelement in einiger Entfernung von dem Licht­ bogen stattfindet. Diese rasche Zerstörung des Schmelzelements ist dadurch möglich, daß sich seine Temperatur in der Nähe seines Schmelzpunktes bewegt. Tests haben klar gezeigt, daß Lichtbögen nicht nur auf einen Pfad beschränkt sind, sondern sie sind sehr beweglich und treten mit jedem Punkt des Strom­ pfades in eine Wechselbeziehung. Das Durchschmelzen der Schmelz­ elemente 11 bis 15 ist rasch erreicht, und deren gesamte Länge ist dann jeweils abgebrannt. Der verbleibenden Spalte sind ausreichend groß, um einem Aufbau der Spannung zu widerstehen, und der relativ geringe Strom ist praktisch unterbrochen.

Claims (2)

1. Überstromfeste Hochspannungssicherung,

   • - mit einem rohrförmigen Gehäuse, das für die wiederkehrende Spannung ausgelegt ist und aus isolierendem Material besteht,
   • - mit Endkappen an beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses als elektrische Anschlüsse und zum Verschließen des Gehäuses,
   • - wobei das Gehäuse mit Körnern aus Kieselerdesand gefüllt ist,
   • - mit mehreren schraubenförmig angeordneten Schmelzelementen, die über ihre Länge jeweils mit einer Vielzahl von Bereichen mit vermindertem Querschnitt versehen und in den Kieselerde­ sand fest eingebettet sind,
   • - wobei die Enden der Schmelzelemente mit den Endkappen in gal­ vanischer Verbindung stehen und eine Vielzahl parallel lie­ gender, elektrisch leitender Pfade derart bilden,
   • - daß Ströme, die ein Mehrfaches des Sicherungsnennstromes be­ tragen, die Schmelzelemente nahezu gleichzeitig an allen Be­ reichen mit vermindertem Querschnitt schmelzen,
   • - wobei die Bogenenergie auf den Kieselerdesand übertragen wird, und die Schmelzelemente so angeordnet sind, daß sie durch Ströme, die etwas oberhalb des Sicherungsnennstromes liegen, in will­ kürlicher Reihenfolge schmelzen und durch Kommutation Lichtbogen in willkürlicher Reihenfolge entstehen und auslöschen und die durch Kommutation in jedem Schmelzelement entstehenden und auslöschenden Lichtbogen an einer fortschreitend zunehmenden Anzahl von Punkten entlang jedes Schmelzelementes nachfolgend wiederentstehen, bis alle Schmelzelemente ausreichend unter­ brochen sind, um der wiederkehrenden Spannung zu widerstehen,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - jedes der Schmelzelemente (11 bis 15) vollständig aus Kadmium mit einer Reinheit zwischen 95 und 99,999% besteht,
   • - der Kieselerdesand (10) eine Reinheit von nahezu 99% hat, die Körner kugelförmig sind und eine regellose Größe besitzen, und
   • - die Bereiche mit vermindertem Querschnitt durch Kerben (16) erzeugt sind.