ELECTRICAL PROTECTIVE DEVICE WITH FUSIBLE CONDUCTOR

Abstract: The electrical protective device contains a fusible conductor wound on a former and arranged around a device indicating operation of the protective device, which has a moving bolt which is used for tensioning a spring device with a predetermined tensioning force via a tensioning wire, which is connected to the bolt and which breaks under the tensioning force on operation of the protective device. It is intended that this protective device should detect an overload of the fusible conductor below a disconnection current leading to its melting. To this end, it is provided according to the invention that the spring device (10) contains a spring element (12), which consists of an alloy with a temperature-dependent shape-changing characteristic such that, if a predetermined critical temperature is exceeded, the spring element (12) expands to such an extent that the tensioning wire (16) breaks on the basis of a corresponding heating power of the fusible conductor (4) when it is overloaded. As an alternative, according to the invention, a spring element of such an alloy can also be arranged in front of the bolt such that in the case of heating power from the fusible conductor in the case of an overload, the spring element deforms with an effective component in the direction of operation of the bolt. <IMAGE>

Description: Elektrische Sicherungseinrichtung mit einem Schmelzleiter Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Sicherungseinrichtung, insbesondere für Hochspannungs- und/ oder Hochstrom-Geräte, welche mindestens einen Schmelzleiter enthält, der auf einem Trägerkörper aufgewickelt und zumindest teilweise um eine das Ansprechen der Sicherungseinrichtung anzeigende Vorrichtung angeordnet ist, welche einen beweglichen Bolzen aufweist, der zum Spannen einer Federeinrichtung mit vorbestimmter Spannkraft über einen mit ihm verbundenen, beim Ansprechen der Sicherungseinrichtung unter der Spannkraft zerreissenden Spanndraht vorgesehen und mit dem gegebenenfalls eine zugeordnete Schalteinrichtung zu betätigen ist. Eine derartige Sicherungseinrichtung ist in dem Siemens-Katalog HG 12 (1979): ¯Hochspannungsschaltge räte bis 36 kV; Lasttrennschalter, HH-SicherungentW, Teil 2 beschrieben. Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen (HH-Sicherungen) werden als Kurzschlussschutz in Hochspannungsschaltanlagen für Frequenzen von 50 oder 60 Hz verwendet. Vor Transformatoren, Kondensatoren oder Kabelabzweigen eingesetzt, schützen sie Geräte und Anlagenteile vor der dynamischen und thermischen Wirkung hoher Kurzschlussströme, indem sie diese Geräte oder Anlagenteile bereits im Entstehen der genannten Ströme ausschalten. Derartige Sicherungseinrichtungen eignen sich jedoch nicht als Uberlastungsschutz, da sie erst ab einem vorbestimmten kleinsten Ausschaltstrom mit Sicherheit einen Schaltvorgang auslösen können. Dieser kleinste Ausschaltstrom liegt im allgemeinen bei dem 2,5- bis 3fachen Nennstrom. Ein Strom im Bereich zwischen dem Nennstrom und dem Ausschaltstrom wird also mit dieser Art von Sicherungseinrichtungen nicht abgeschaltet. In diesem Strombereich sind folglich die Sicherungseinrichtungen als auch das von ihr zu schützende Gerät oder Anlagenteil einer thermischen Überlastung ausgesetzt. Aus diesem Grunde werden vielfach für diesen Strombereich zusätzliche Schutzmassnahmen vorgesehen. Die aus der eingangs genannten Veröffentlichung zu entnehmende Hochspannungs-Sicherungseinrichtung enthält einen oder mehrere parallelgeschaltete Bandschmelzleiter mit Engstellenbereichen, die auf einem keramischen Rohr mit sternförmigem Querschnitt auf- gewickelt sind. Im Innenraum dieses Rohres ist eine ebenfalls rohrförmige Vorrichtung angeordnet, die als Schlagvorrichtung bezeichnet wird, einseitig offen ist und einen beweglichen Schlagstift oder -bolzen aufweist. Dieser Schlagbolzen ist bis zu seinem tellerförmigen Kopfteil mittels eines Spanndrahtes in die Schlagvorrichtung eingezogen, wobei er eine Druckfeder mit vorbestimmter Spannkraft zusammenpresst. Der Spanndraht liegt dabei in einem parallelen Strompfad zu dem Schmelzleiter. Da er einen wesentlich höheren Widerstand als der Schmelzleiter selbst aufweist, wird er im Betriebsfall nur von einem sehr kleinen Strom durchflossen. Entsteht jedoch in einem Kurzschlussfall ein Lichtbogen an einer oder mehreren der dann durchgeschmolzenen Engstellen des Schmelzleiters, so fliesst folglich aufgrund der Lichtbogenspannung ein für ein Schmelzen oder Verdampfen des Spanndrahtes ausreichender Strom durch diesen Draht. Die Druckfeder kann sich dann entspannen, wobei sie den Schlagbolzen aus der entsprechenden Stirnseite der Sicherungseinrichtung bzw. der Schlagvorrichtung herausstösst. Dadurch wird das Ansprechen der Sicherungseinrichtung angezeigt. Ausserdem kann der Schlagbolzen einen besonderen Schaltzustandsgeber der Sicherungseinrichtung oder eine Auslösevorrichtung eines der Sicherungseinrichtung zugeordneten Lasttrennschalters betätigen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die bekannte Sicherungseinrichtung derart auszugestalten, dass sie nicht nur beim Durchschmelzen des Schmelzleiters, sondern auch bei thermischer Überlastung unterhalb des zum Durchschmelzen des Schmelzleiters führenden Ausschaltstromes bei Überschreiten einer zuvor festlegbaren Temperatur anspricht und somit gegebenenfalls mittels einer in Reihe gelegten Schalteinrichtung einen Stromkreis unterbricht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil der Federeinrichtung aus einem Federelement gebildet ist, das aus einer Legierung mit einem derartigen temperaturabhängigen Formänderungsverhalten besteht, dass beim Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Temperatur aufgrund einer entsprechenden Heizleistung des Schmelzleiters bei dessen Überlastung eine solche Ausdehnung des Federelementes eintritt, dass eine die Zerreissspannung des Spanndrahtes überschreitende Kraft verursacht ist. Die mit dieser Ausgestaltung der Sicherungseinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass aufgrund der Verwendung eines solchen besonderen Federelementes auch ein thermischer Überlastungsschutz für den Bereich zwischen dem Nennstrom und dem Ausschaltstrom der Sicherungseinrichtung zu erreichen ist. Fliesst nämlich durch die Sicherungseinrichtung, d.h. durch ihren Schmelzleiter, ein Strom, der grösser als der Nennstrom, aber kleiner als der Ausschaltstrom ist, bei dem ein Durchschmelzen des Schmelzleiters erfolgt, so erwärmt sich der Schmelzleiter dementsprechend. Wegen der damit verbundenen Heizwirkung des Schmelzleiters wird das besondere Federelement durch Wärmeleitung oder durch Konvektion soweit erwärmt, dass es seine kritische Temperatur überschreitet und seine ihm eingeprägte, beispielsweise ausgedehntere Form wieder anzunehmen bestrebt ist. Aufgrund der damit verbundenen Erhöhung der Zugspannung über die Zerreissspannung des Spanndrahtes hinaus wird der Bolzen freigegeben, der seinerseits eine vorgelagerte Auslösevorrichtung einer Schalteinrichtung betätigen kann. Daneben wird auch die bekannte Funktion des Spanndrahtes, nämlich einen durchgebrannten Schmelzleiter anzuzeigen, nach wie vor erfüllt. Entsteht nämlich bei einem Durchschmelzen des Schmelzleiters ein Lichtbogen in der Sicherungseinrichtung, so fliesst wegen der Lichtbogenspannung ein Strom über den Spanndraht, der diesen zum Aufschmelzen bringt, so dass durch dessen Zerreissen der Anzeigemechanismus ausgelöst wird. Eine weitere Lösung der genannten Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass vor dem Bolzen ein Federelement angeordnet ist, das aus einer Legierung mit einem derartigen temperaturabhängigen Formänderungs verhalten besteht, dass beim Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Temperatur aufgrund einer entsprechenden Heizleistung des Schmelz leiters bei dessen Überlastung eine Verformung des Federelementes mit einer Wirkkomponente in Richtung der Wirkrichtung des Bolzens eintritt. Auch bei dieser Ausbildung einer erfindungsgemässen Sicherungseinrichtung kann vorteilhaft eine Überlastung der Sicherungseinrichtung unterhalb des Ausschaltstromes erfasst werden. Mit dem Federelement kann diese Überlastung aufgrund seiner temperaturabhängigen Form änderung angezeigt und gegebenenfalls eine Schalteinrichtung direkt betätigt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Sicherungseinrichtungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 sowie 2 und 3 zwei Ausführungsformen von erfindungsgemässen Sicherungseinrichtungen schematisch veranschaulicht sind. Bei der in Figur 1 als Längsschnitt nur teilweise ausgeführten Sicherungseinrichtung wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen, die neben mindestens einem Schrnelzleiter eine besondere Schlagvorrichtung zum Anzeigen des Anspechens der Sicherungseinrichtung sowie zu einer eventuellen mechanischen Auslösung einer Schalteinrichtung aufweisen (vgl. z.B. die in dem eingangs genannten Prospekt aufgeführten Sicherungen). Die in Figur 1 allgemein mit 2 bezeichnete Sicherungseinrichtung enthält einen beispielsweise in einem in der Figur nicht ausgeführten Porzellanrohr angeordneten rohrförmigen Trägerkörper 3, der z.B. aus keramischen Material besteht, einen etwa sternförmigen Querschnitt aufweist und mit Rippen 6 versehen ist. Auf diesen Trägerkörper 3 ist ein bandförmiger Schmelzleiter 4 aufgewickelt, der in bekannter Weise mit Engsteilenberei- chen 5 versehen ist. Gegebenenfalls können auch mehrere derartige parallelgeschaltete Schmelz leiter vorgesehen werden. Der oder die Schmelzleiter 4 werden dabei im allgemeinen allseitig in ein feinkörniges Löschmittel wie z.B. Quarzsand eingebettet. Innerhalb des rohrförmigen Trägerkörpers 3 mit dem Schmelzleiter 4 ist eine besondere mechanische Vorrichtung 7 angeordnet, mit der das Ansprechen der Sicherungseinrichtung zur Anzeige gebracht werden kann. Mittels dieser auch als Schlagvorrichtung bezeichneten Vorrichtung 7 lässt sich gegebenenfalls auch der Auslösemechanismus einer zugeordneten Schalteinrichtung wie z.B. eines Lasttrennschalters betätigen. Die Anzeige- bzw. Schlagvorrichtung 7 weist ein auf einer Seite offenes Hüllrohr 8 auf, das auf der gegen überliegenden Seite mit einem festen Bodenteil 9 abgeschlossen ist. In das Hüllrohr ist von der offenen Seite her eine Federeinrichtung 10 eingebracht, die sich gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei hintereinandergereihten, über eine Ringscheibe 11 getrennten schraubenförmigen Federelementen 12 und 13 zusammensetzt. Diese beiden Federelemente sind mittels eines im Längsschnitt T-förmigen Schlagstiftes 15, der auch als Schlagbolzen bezeichnet wird, zusammenzudrücken. Hierzu dient ein besonderer Spanndraht 16, der mit dem Fussteil 17 des Schlagbolzens 15 verbunden und durch Bohrungen 18 in dem festen Bodenteil 9 hindurchgeführt ist-. Über diesen Spanndraht 16 kann man dann den Schlagbolzen 15 in das Hüllrohr einziehen, wobei über den Kopfteil 19 des Bolzens die Federeinrichtung 10 zusammengedrückt wird. In dieser Position lässt sich dann der Spanndraht mittels ausserhalb des Hüllrohres 8 anzubringender Quetschhülsen 20 fixieren. Gemäss der Erfindung soll entweder die gesamte Federeinrichtung 10 oder, wie gemäss Figur 1 angenommen, nur ein Federelement von ihr, beispielsweise die an dem Bodenteil 9 des Hüllrohres 8 anliegende Druckfeder 12, aus einer Legierung mit einem besonderen temperaturab hängigen Formänderungsverhalten bestehen, das den sogenannten Formgedächtnis-Effekt (Memory-Effekt) aufweist (vgl. z.B. Veröffentlichung der Firma G.Rauh, Pforzheim: Gedächtnis-Effekt und technisch anwendbare Legierungen). Unter dem Memory-Effekt versteht man dabei die Eigenschaft von Bauteilen aus bestimmten Legierungen, sich bei Überschreiten einer vorbestimmten kritischen Temperatur an ihre ursprünglich eingeprägte Form zu erinnern und diese wieder einzunehmen. Die entsprechenden Legierungen werden deshalb auch als Formgedächtnislegierungen bezeichnet. Man unterscheidet dabei zwischen Ein- und Zweiwegeffekt. Beim Einwegeffekt wird die ursprüngliche Form nur einmal beim Erwärmen wieder angenommen, während beim Zweiwegeffekt ein reversibles temperaturabhängiges Formänderungsverhalten vorliegt. Besonders geeignet sind drei Legierungsgruppen mit Formgedächtnis-Eigenschaften, nämlich Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni bzw. Cu-Al-Ni-Ti und Ni-Ti bzw. Ni-Ti-Cu. Die sogenannte Auslöse (AS)-Temperatur, bei der die Formänderung beim Aufheizen einsetzt, kann durch die Wahl der Legierungspartner und deren Konzentration sowie die weitere Vorbehandlung über weite Bereiche eingestellt werden. Die maximalen As-Werte bekannter Legierungen sind im allgemeinen auf ein Temperaturintervall bis etwa 200'C begrenzt, so dass die erfindungsge mässe Sicherungseinrichtung vorteilhaft für einen Tempe raturbereich zwischen Raumtemperatur und 200in zu konzipieren ist. Für den Temperaturbereich bis 120-C eignen sich besonders Cu-Zn-Al-Legierungen, während Ni-Ti oder Ni-Ti-Cu-Legierungen bis etwa 1000C einsetzbar sind. Für gewünschte Temperaturen bis zu 170-C oder gegebenenfalls 200'C kommen insbesondere Cu-Al-Niund Cu-Al-Ni-Ti-Legierungen in Frage. Im Hinblick auf die jeweiligen Einsatzbedingungen ist auch das Korrosions- und Oxidationsverhalten der verwendeten Legierung zu beachten. Unter Umständen empfiehlt sich eine zusätzliche Oberflächenvergütung des aus dieser Legierung gefertigten Federelementes. Aufgrund der erfindungsgemässen Ausgestaltung der Sicherungseinrichtung 2 wird nicht nur eine Schlagauslösung in der durch einen Pfeil 22 angedeuteten Wirkungsrichtung des Schlagbolzens 15 beim Durchschmelzen des Schmelzleiters 4 und dem damit verbundenen Durchschmelzen des Spanndrahtes 16 erreicht; sondern die Schlagvorrichtung 7 spricht auch bei thermischer Überlastung, d.h. beim Überschreiten einer festlegbaren Temperatur in dem genannten Temperaturbereich an. Der thermische Überlastungsschutz ist hierbei dadurch gegeben, dass sich die zunächst völlig zusammengedrückten Federeinrichtung 10 mit ihrer besonderen Feder 12 aus der vorbestimmten Legierung bei einer Erwärmung innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls, das sich typischerweise über weniger als 100C erstreckt, ausdehnt. Aufgrund dieser Ausdehnung wird eine die Zerreissspannung des Spanndrahtes 16 überschreitende Kraft K auf den Schlagbolzen 15 und somit auf den Spanndraht 16 selbst verursacht, so dass der Draht unter dieser Kraft K zerreisst. Die hierfür erforderliche Erwärmung der Feder 12 geschieht durch Wärmeleitung bzw. Konvektion aufgrund eines Stromes, der grösser als der für den Schmelzleiter 4 festgelegte Nennstrom, jedoch kleiner als der Ausschaltstrom ist. Neben dieser Funktion der erfindungsgemässen Sicherungseinrichtung bei Überlastung wird die bei bisher bekannten Ausführungsformen ausgeübte Funktion des Spanndrahtes, nämlich die Anzeige einer durchgebrannten Sicherungseinrichtung, nach wie vor erfüllt. Entsteht nämlich ein Lichtbogen aufgrund eines Durchbrennens des Schmelzleiters, so fliesst wegen der Lichtbogenspannung ein so hoher Strom durch den Spanndraht, dass dieser über seine Schmelz temperatur hinaus erhitzt wird, zerreisst und somit den Anzeigemechanismus auslöst. Gemäss einem konkreten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Sicherungseinrichtung wurde als Spanndraht 16 ein Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,15 mm gewählt. Der Spanndraht war dabei in bekannter Weise nach Art eines Flaschenzuges mit einem Flaschenzugfaktor 2 gespannt. Als Feder 13 der Federeinrichtung 10 wurde eine Stahl feder verwendet, die im zusammenge drückten Zustand eine Druckkraft von etwa 5 kp erzeugte. Die Feder 12 bestand aus einer CuZnAl-Legierung, die zwischen 70 und 80iC ihre Formänderung vornimmt. Die zum Zerreissen des einfach gespannten Drahtes benötigte Kraft betrug etwa 4 kp, so dass demnach in der Anordnung als 2-fach-Flaschenzug erst eine Kraft von mindestens 8 kp zum Zerreissen des Drahtes führte. Entsprechend dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbei spiel einer Sicherungseinrichtung nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass das besondere Federelement 12 aus einer Formgedächtnislegierung in die Anzeigebzw. Schlagvorrichtung 7 integriert ist. Natürlich sind auch andere Anordnungen und Gestaltungsformen von Federelementen, deren Formgedächtniseigenschaften ausgenutzt werden, möglich. So können derartige Elemente etwa bei Verwendung einer geeigneten Kraft übertragung ineinandergesteckt sein oder parallel zueinander angeordnet werden. Auch eine Anordnung mit einer streifenförmigen Blattfeder aus einer Formgedächtnislegierung ist denkbar. Ein Ausführungsbeispiel hierfür geht aus den Figuren 2 und 3 hervor, in denen ein entsprechender Teil einer Sicherungseinrichtung nach der Erfindung schematisch als Front- bzw. Seitenansicht veranschaulicht ist. Die allgemein mit 24 bezeichnete Sicherungseinrichtung enthält eine bekannte Schlagvorrichtung 26, die von einem Hüllrohr 25 umgeben ist und einen zentralen Schlagbolzen 27 aufweist. Diese Schlagvorrichtung ist über eine Klemmvorrichtung 28 an einer beispielsweise als Kontaktstück für den Schmelzleiter dienenden Trägerplatte 30 befestigt, die mit dem Unterteil der Sicherungseinrichtung starr verbunden ist oder teilweise dieses Unterteil bildet. Vor dem Schlagbolzen 27 ist in der durch eine gepfeilte Linie 31 angedeuteten Wirkrichtung der Schlagvorrichtung 26 eine Auslöseklinke 32, mit der z.B. ein Lastschalter zu betätigen ist, so angeordnet, dass zwischen dem Schlagbolzen 27 und dieser Auslöseklinke 32 ein vorbestimmter Zwischenraum 33 ausgebildet ist. In diesen Zwischenraum ragt eine Blattfeder 35 aus einer besonderen Formge dächtnislegierung hinein, die an ihrem unteren Ende auf der Trägerplatte 30 befestigt ist. Wie durch gestri chelte Linien 35a angedeutet sein soll, kann diese Blattfeder bei Überschreiten der kritischen Temperatur ihres Materials unabhängig von der Schlagvorrichtung 26 auf die Auslöseklinke 32 wirken. Je nach gewähltem Material kann die kritische Temperatur dieser Blattfeder z.B. bei etwa 120'C liegen. Wie aus Figur 3 ferner hervorgeht, kann die Blattfeder 35 im Wirkungsbereich des Schlagbolzens 27 eine Aussparung 37 enthalten, um so ein direktes Angreifen des Bolzens an der Auslöseklinke zu ermöglichen. Ausserdem kann, um ein schlagartiges Auslösen zu erreichen, die Feder noch mittels eines weiteren Spanndrahtes so verspannt werden, dass dieser Draht unter der Kraft zerreisst, die aufgrund der Verformung der Feder bei der vorbestimmten Temperaturerhöhung verursacht wird. Die in den Figuren 2 und 3 angedeutete Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass die verhältnismässig teure Blattfeder Bestandteil des Sicherungsunterteils ist und daher wiederholt verwendet werden kann, wenn sie den Zweiweg-Gedächtniseffekt zeigt. Ausserdem können alle bisher herkömmlichen Sicherungseinrichtungen mit einer eine solche Blattfeder umfassenden Zusatzeinrichtung ausgestattet werden. Das Prinzip eines thermischen Überlastungsschutzes bei elektrischen Sicherungseinrichtungen der eingangs genannten Art durch Verwendung eines besonderen Federelementes aus einer Formgedächtnislegierung ist natürlich nicht nur auf eine Anwendung bei Hochspannungs Hochleistungs-Sicherungen beschränkt. Generell ist dieses Prinzip überall dort anwendbar, wo eine thermische Überlastung von Schmelzleitern unterhalb ihres zu ihrem Durchschmelzen ausreichenden angezeigt und/oder bei dieser thermischen Überlastung eine zugeordnete Schalteinrichtung mechanisch betätigt werden soll. 9 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Electrical cutout device, in particular for high-voltage and/or high-current appliances, which contains at least one fusible element which is wound on a support body and is disposed at least partially around a mechanism indicating the blowing of the cutout device, which mechanism has a movable bolt which, to tension a spring device, is provided with a predetermined tensioning force by means of a tensioning wire which is connected to it and ruptured under the tensioning force if the cutout device blows and with which an associated switching device can optionally be actuated, characterised in that at least a part of the spring device is formed by a spring element (12) which is composed of an alloy having a temperature-dependent deformation behaviour which is such that, if a predetermined critical temperature is exceeded owing to a corresponding heat output of the fusible element (4) when it is overloaded, an expansion of the spring element (12) occurs which is such that a force (K) is produced which exceeds the rupture tension of the tensioning wire (16). Cutout device according to Claim 1, characterised in that the spring device is made up of a helical compression spring (13) and the correspondingly shaped spring element (12). Cutout device according to Claim 1 or 2, characterised in that the spring element (12) is composed of a shape-memory alloy with one-way or two-way memory effect. Cutout device according to any of Claims 1 to 3, characterised in that the spring element (12) made of the special alloy is provided with a surface coating.

Inventors: GAUBE, FRANZ, POHL, LUDWIG, SCHULTZ, LUDWIG, DR.
Applicants: JEAN MUELLER GMBH ELEKTROTECHNISCHE FABRIK
Application year: 1985
Main classification: H01H85
IPC codes: H01H85