Die Erfindung betrifft eine Sicherung für den Mittel- und Hochspannungsbereich. Derartige Sicherungen dienen dazu, Überströme, wie sie z.B. als Folge von Kurzschlüssen auftreten, zu unterbrechen.

Aus der US-A-4 638 283 ist eine gattungsgemässe Sicherung bekannt, welche in einem Gehäuse einen Kern kreuzförmigen Querschnitts aus elektrisch isolierendem Material aufweist, welcher von bandförmigen Sicherungselementen schraubenlinienförmig umwunden ist. Der Kern trägt axial mit Abstand aufeinanderfolgende Ringe, welche dort, wo sie von einem Sicherungselement gekreuzt werden, jeweils eine Vertiefung aufweisen, in der ein Abbrandkörper angeordnet ist, welcher einen Zünder, z.B. aus KClO₄, insbesondere mit einer Beigabe von Bor enthält und im übrigen aus einem Abbrandmaterial, z. B. aus Al, KClO₄ und Silicagel als Bindemittel besteht. Ein die Anschlüsse miteinander verbindender Zündkreis aus einem Draht mit verhältnismässig hohem Widerstand verbindet jeweils eine Reihe axial aufeinanderfolgender Abbrandkörper, wo der Draht durch die Zünder geführt ist. Auf dem Sicherungselement ist zusätzlich ein gaserzeugendes Element aus hydratisiertem Aluminiumsilikat, Borphosphat und einem Bindemittel sowie fakultativ Zirkonium angebracht. Das Gehäuse ist mit einem Löschmedium wie z. B. Quarzsand aufgefüllt. Falls ein Sicherungselement an einer Stelle aufgeschmolzen wird, fliesst durch den Zündkreis wesentlich mehr Strom, so dass die Zündung der Abbrandkörper ausgelöst und die Sicherungselemente an einer Reihe axial beabstandeter Stellen unterbrochen werden.

Eine ähnlich aufgebaute Sicherung ist aus US-A-4 486 734 bekannt. Dort ist das Abbrandmaterial eine Mischung aus einem Metall wie Zr, Hf, Th, Al, Mg als Brennmaterial, einem Oxidator wie KClO₄ oder einem anderen Perchlorat oder Chlorat und einem Bindemittel wie Silikagel.

Bei einer weiteren ähnlich aufgebauten Sicherung (US-A-4 319 212) sind Einschnitte an den Aussenseiten der Rippen des Kerns, über die Sicherungselemente laufen, mit einem Abbrandmaterial gefüllt, z. B. einer Mischung von Al-oder Mg-Oxid und einem Füllstoff wie Glimmer, Glasfaser, Asbest oder Quarzpulver und einem Bindemittel wie Polyester.

Bei einer anderen Sicherung (EP-A-0 641 005) ist der Kern mit einem Abbrandmaterial überzogen, das aus einem gaserzeugenden Material wie Guanidinkarbonat oder -azetat, Diphenylguanidin, einem Guanin-, Melamin-, Hydantoin- oder Allantoinderivat oder einem Cyanurat und einem filmbildenden Polymer wie Polyurethan, Acryl, Melamin- oder Melaminformaldehydharz als Bindemittel besteht. Es kann ausserdem einen Zusatz von hydratisiertem Aluminium, CaCO₃, Borsäure oder Mg(OH)₂ enthalten.

Gemäss EP-A-0 657 910 ist das Gehäuse einer im übrigen ähnlichen Sicherung mit einem Sand aufgefüllt, dessen Körner mit einer Mischung aus einem Abbrandmaterial beschichtet sind, das aus einem gaserzeugenden Material wie Guanidin, Guanidinkarbonat oder -azetat, 1,3-Diphenylguanidin, Guanin, Melamin, Harnstoff, Hydantoin oder Al-lantoin und einem Bindemittel wie Urethan, Melamin, Epoxidharz, Polyester oder insbesondere Acryl besteht.

Gemäss US-A-4 099 153 ist um einen Kern aus vier parallelen Stangen schraubenlinienförmig ein Sicherungsdraht gewunden, der durch mehrere axial mit Abstand aufeinanderfolgend auf den Kern gesteckte Klammern aus gasabgebendem Material jeweils gegen eine der Stangen geklemmt ist.

Aus der US-A-3 705 373 ist eine Sicherung bekannt mit einem bandförmigen Sicherungselement, das an mehreren aufeinanderfolgenden Stellen durch Löcher geschwächt ist, an einer davon auch durch eine Schicht von niedrigschmelzendem Material wie Sn oder Cd. Parallel dazu liegt ein Draht mit z. B. einem Al-Kern und einem Pd-Mantel. Schmilzt das Sicherungselement an einer Stelle durch, so fliesst so viel Strom durch den Draht, dass der Al-Kern aufschmilzt und explosiv mit dem Pd-Mantel reagiert, wodurch das Sicherungselement an mehreren Stellen unterbrochen wird.

Allen beschriebenen Sicherungen ist gemeinsam, dass sie erst ansprechen, wenn mindestens ein Sicherungselement durchgeschmolzen ist. Sie sind damit lediglich für die Unterbrechung grosser Überströme - in der Regel etwa ab dem dreifachen Nennstrom - geeignet, die ein solches Durchschmelzen bewirken. Die Unterbrechung kleinerer Überströme ist mit ihnen jedoch nicht oder mindestens nicht zuverlässig und ausreichend schnell möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sicherung anzugeben, die auch bei kleinen Überströmen rasch und sicher anspricht und den Strom zuverlässig unterbricht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemässe Sicherung spricht lange vor dem Durchschmelzen eines Sicherungselements an. Ihr Widerstand erhöht sich nach dem Ansprechen rasch, so dass eine schnelle Unterbrechung auch verhältnismässig kleiner Überströme, insbesondere im kritischen Bereich zwischen dem 1,1-fachen und dem dreifachen Nennstrom, erzielt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a

einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Sicherung gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 1b

einen Querschnitt längs B-B in Fig. 1a,

Fig. 2a

eine Draufsicht auf ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2b

einen Schnitt längs B-B in Fig. 2a durch das Sicherungselement gemäss der ersten Ausführungsform,

Fig. 2c

einen Schnitt längs C-C in Fig. 2a durch das Sicherungselement gemäss der ersten Ausführungsform,

Fig. 3b

einen Fig. 2b entsprechenden Schnitt durch das Sicherungselement gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3c

einen Fig. 2c entsprechenden Schnitt durch das Sicherungselement gemäss der zweiten Ausführungsform,

Fig. 4a

einen Längsschnitt durch ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer dritten Ausführungsform,

Fig. 4b

einen Schnitt längs B-B in Fig. 4a,

Fig. 5a

einen Längsschnitt durch ein Sicherungselement der Sicherung nach Fig. 1a,b gemäss einer vierten Ausführungsform,

Fig. 5b

einen Schnitt längs B-B in Fig. 5a,

Fig. 6a

eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6b

einen Querschnitt längs B-B in Fig. 6a,

Fig. 7a

eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemässen Sicherung gemäss einer dritten Ausführungsform,

Fig. 7b

einen Querschnitt längs B-B in Fig. 7a,

Fig. 7c

einen Ausschnitt aus einem Teil der erfindungsgemässen Sicherung gemäss der dritten Ausführungsform in perspektivischer Darstellung und

Fig. 7d

eine Fig. 7c entsprechende Darstellung einer Abwandlung der Sicherung gemäss der dritten Ausführungsform.

Die erfindungsgemässe Sicherung weist (Fig. 1a,b) in einem zylindrischen Gehäuse 1, das z. B. aus Keramik bestehen kann, einen in der Achse angeordneten Stützkörper 2 auf, welcher ebenfalls aus Keramik oder auch aus Kunststoff oder einem Verbundstoff oder sonst einem geeigneten elektrisch isolierenden Material besteht und einen zylindrischen oder rohrförmigen Grundkörper 3 mit radial abstehenden Rippen 4 aufweist. An den einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 sind ein erster elektrischer Anschluss und ein zweiter elektrischer Anschluss angeordnet, die als Kappen 5a,b aus Metall ausgebildet sind. Die Kappen 5a,b sind durch ein schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewickeltes Sicherungselement 6 - es kann sich auch um mehrere parallelgeschaltete Sicherungselemente handeln - elektrisch leitend verbunden. Das Gehäuse ist mit einem Löschmedium wie z. B. Quarzsand aufgefüllt.

Gemäss einer ersten Ausführungsform ist das Sicherungselement 6 jeweils als Streifen aus einem geeigneten schmelzbaren elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus Silber oder einer Silberlegierung oder auch aus Kupfer oder Aluminium. Das Sicherungselement 6 weist in regelmässigen Abständen Verengungen 7 auf, welche durch einander gegenüberliegende halbkreisförmige Ausnehmungen gebildet werden. Statt Ausnehmungen können auch Ausstanzungen vorgesehen sein, es kommt vor allem auf die Querschnittsverringerung an.

Die Sicherung weist ausserdem ein Abbrandelement 8 auf, welches sich im wesentlichen über die ganze zwischen den Kappen 5a, 5b liegende Länge desselben erstreckt. Es besteht im wesentlichen aus einem Abbrandmaterial, das einen Brennstoff und einen Oxidator enthält, welche bei Erreichen einer Zündtemperatur, die nicht höher als 260°C ist, miteinander reagieren, wobei eine verhältnismässig grosse Wärmemenge freigesetzt wird.

Als Brennstoff wird bevorzugt ein Material eingesetzt, das bei der Verbrennung eine grosse Menge Löschgas freisetzt. Besonders bewährt haben sich dabei Guanidine und Guanidinderivate wie Diguanidinium-5,5'-azotetrazolat (GZT), Guadinnitrat und Guanidinazetat, von denen auch Mischungen eingesetzt werden können. Zur Erhöhung der Wärmefreisetzung kann ausserdem ein Zusatzstoff, der aus mindestens einem Metall wie Mg, Al, Zr, Hf, Th besteht, zugegeben werden. Als Oxidator eignen sich sauerstoffreiche Verbindungen, vor allem Nitrate, Chlorate, Perchlorate und Permanganate wie KNO₃, NaNO₃, NH₄NO₃, KClO₄, NaClO4, KMnO₄. Bei Zugabe eines Zusatzstoffs zum Brennstoff ist es günstig, dem Oxidator ein Metalloxid beizugeben, das mit mindestens einem der darin enthaltenen Metalle eine thermitische Reaktion eingeht, z. B. Fe₂O₃. Oxidator ist im Abbrandmaterial in überstöchiometrischer Menge vorhanden, sein Anteil ist i. a. mindestens um einen Faktor 1,1, vorzugsweise jedoch in einem höheren Verhältnis, z. B. zwischen 10:1 und 15:1 überstöchiometrisch. Dies führt zu einer vollständigen Oxidation des Brennstoffs in einer sehr rasch ablaufenden Reaktion.

Durch Auswahl und Dosierung des Oxidators derart, dass er bei einer bestimmten Temperatur eine ausreichende Menge Sauerstoff freisetzt, kann die Zündtemperatur des Abbrandmaterials mit verhältnismässig grosser Genauigkeit-i. a. auf ±10°C - eingestellt werden. Dabei werden Werte zwischen 160°C und 260°C, vorzugsweise nicht mehr als 240°C bevorzugt. Die freigesetzte Wärmemenge liegt bei mindestens 200 J/g, vorzugsweise bei mindestens 300 J/g. Allfällig im Brennstoff enthaltene Metalle werden durch die vorher beginnende Verbrennung des organischen Anteils desselben ebenfalls auf Zündtemperatur gebracht und leisten dann einen wesentlichen Beitrag zur Wärmefreisetzung. Es werden Temperaturen von 1'700°C und mehr erreicht.

Folgende Abbrandmaterialien wurden beispielsweise untersucht (die Anteile werden in % Masse angegeben):

• 1: 60% GZT, 40% KMnO₄
• 2: 40% GZT, 6% Mg, 54% KMnO₄
• 3: 30% GZT, 3,5% Guanidinnitrat, 66,5% KMnO₄
• 4: 7,1% Guanidinazetat, 92,9% KMnO₄
• 5: 33,3% Guanidinnitrat, 11,1% Mg, 55,6% KMnO₄
• 6: 27,5% Guanidinnitrat, 9,2% Mg, 16,7% PSA, 46,7% KMnO₄
• 7: 27,5% Guanidinnitrat, 16,7% Guanidinazetat, 9,2% Mg, 46,7% KMnO₄
• 8: 26,8% GZT, 13,4% Guanidinazetat, 59,8% KMnO₄

Dabei wurden für die Zündtemperatur und die Wärmefreisetzung folgende Werte ermittelt: Abbrandmaterial Zündtemperatur [°C] Wärmefreisetzung [J/g] 1 255 330 2 258 580 3 177 862 4 208 402 5 236 714 6 160 294 7 205 862 8 233 760

Zur Herstellung günstiger mechanischer Eigenschaften kann das Abbrandmaterial auch ein Bindemittel enthalten, das das Abbrandmaterial z. B. streich- oder extrudierbar macht. Hier eignet sich vor allem Paraffin oder Bienenwachs, Polyester oder Polyethylen. Das Bindemittel wird soweit erwärmt, dass es knetbar wird und dann mittels eines Kneters mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt. Daneben können als Bindemittel auch für die Verwendung in Pyrotechnika bekannte Binder, z. B. Polyethylene, Polyamide, Polyimide oder anorganische Stoffe wie Silikagel oder Wasserglas eingesetzt werden. Vor allem in diesem Fall kann auch aus dem Brennstoff und dem Oxidator ein Granulat hergestellt und dasselbe mit dem Bindemittel vermischt werden. Die Mischung kann etwa über dessen ganze Länge auf das streifenförmige Sicherungselement 6 aufgebracht werden, z. B. durch Extrudieren, so dass das Abbrandelement 8 mit demselben auf seiner ganzen Länge in engem mechanischen und thermischen Kontakt steht. Beispielsweise kann es (Fig. 2a,b,c) auf eine der Oberflächen des Sicherungselements 6 aufgetragen werden, so dass es dieselbe vollständig bedeckt, wobei es im Bereich der Verengungen 7 das Sicherungselement 6 auch vollständig umgeben kann oder es können (Fig. 3b,c) Schichten gleichbleibender Breite auf beide Oberflächen des Sicherungselements 6 aufgebracht werden, welche im Bereich der Verengungen 7 miteinander verbunden sind, so dass das Abbrandelement 8 das Sicherungselement 6 weitgehend umhüllt.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Zugabe von bei über der Raumtemperatur liegenden Temperaturen, z. B. zwischen 40°C und 130°C vernetzenden Elastomeren, z. B. Silikon oder auch von bei Erwärmung auf derartige Temperaturen stark schrumpfenden Materialien, insbesondere Polymeren wie Polyethylen oder Polypropylen als Bindemittel, welche ebenfalls mit dem Brennstoff und dem Oxidator vermischt werden. Das Abbrandelement 8 kann dann (Fig. 4a,b) in die Form eines Schrumpfschlauchs gebracht werden, der über das Sicherungselement 6 gezogen und vernetzt bzw. geschrumpft wird.

Es ist auch möglich, einen separaten Schrumpfschlauch 9 vorzusehen, der über das Sicherungselement 6 und das Abbrandelement 8 gezogen wird. Das Abbrandmaterial braucht in diesem Fall nicht mit einem Bindemittel vermengt zu sein.

Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen möglich, bei denen das Abbrandelement 8 nicht über dessen ganze Länge dem Sicherungselement 6 folgt, sondern mit demselben lediglich an mehreren in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen in Kontakt steht. Gemäss Fig. 6a,b sind zwei Abbrandelemente 8 bandförmig ausgebildet und wie die beiden wiederum als Streifen aus einem geeigneten hochleitenden Material ausgebildeten Sicherungselemente 6 schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewunden, jedoch mit umgekehrtem Drehsinn, so dass sie die Sicherungselemente 6 mehrfach kreuzen. Die Abbrandelemente 8 umfassen in diesem Fall jeweils ein aus einem bis mindestens zur Zündtemperatur beständigen Material wie Glasseide oder einem anderen geeigneten elektrisch nichtleitenden Material bestehendes Trägerband, das ein- oder beidseitig streifenförmig extrudiertes und mit ihm verpresstes Abbrandmaterial trägt.

Gemäss Fig. 7a-c sind an den Aussenseiten der in Längsrichtung durchgehenden Rippen 4 des Stützkörpers 2 mehrere Abbrandelemente 8 angeordnet, und zwar so, dass jedes derselben von den in diesem Fall zwei schraubenlinienförmig um den Stützkörper 2 gewundenen Sicherungselementen 6 ein Mal gekreuzt wird, die in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Abbrandelemente 8 jedoch voneinander beabstandet sind. Die Rippen 4 können an den Aussenseiten mit Nuten 10 versehen sein, welche die Abbrandelemente 8 aufnehmen. Die Abbrandelemente 8 können jedoch (Fig. 7d) auch etwas breiter und flach ausgebildet und lediglich auf die Aussenseiten der Rippen 4 aufgelegt sein.

Natürlich gibt es weitere mögliche Anordnungen der Abbrandelemente. Z. B. können sie den Stützkörper in mehreren axial aufeinanderfolgenden Ringen umgeben. Die Sicherungselemente können statt als Streifen als Drähte, vorzugsweise mit in regelmässigen Abständen aufeinanderfolgenden Einschnürungen ausgebildet sein usw..

Bei Auftreten eines grossen Ueberstroms, der mindestens dem Fünffachen des Nennstroms entspricht und den Abschaltstrom bei vorgegebener Spannung gemäss IEC 282-1 erreicht - derartige Ueberströme werden vor allem von Kurzschlüssen ausgelöst -, schmilzt das mindestens eine Sicherungselement 6 an den Verengungen 7 sehr rasch durch, so dass eine Reihe kürzerer Lichtbögen entsteht. Durch die Addition der Fusspunktspannungen der vielen seriellen Lichtbögen wird die Spannung der Sicherung über die Systemspannung getrieben und der Lichtbogen erlischt.

Bei einem kleinen Überstrom, gewöhnlich etwa ab dem 1,1-fachen des Nennstroms - es sind jedoch auch die thermischen Verhältnisse zu berücksichtigen -, erwärmt sich dagegen das mindestens eine Sicherungselement 6 verhältnismässig rasch auf die Zündtemperatur der Abbrandmasse, was mindestens bei den mit demselben in Kontakt stehenden Teilen des Abbrandelementes 8 eine so ausreichende Freisetzung von Sauerstoff durch den Oxidator auslöst, dass die Verbrennung in Gang kommt. Die dadurch verursachte lokale Wärmefreisetzung führt dann sehr rasch zur Zündung des gesamten Abbrandelements oder gegebenenfalls der Mehrzahl von Abbrandelementen. Dadurch wird das Sicherungselement bzw. werden die Sicherungselemente auf der ganzen Länge ) aufgeschmolzen, so dass sich ein langer Lichtbogen bildet. Nach dem Abbrennen des Abbrandmaterials gibt derselbe viel Wärme an das umgebende Löschmedium ab. Dadurch kühlt sich das Plasma ab und der Widerstand des Lichtbogens nimmt zu, bis seine Spannung die Systemspannung erreicht und der Lichtbogen erlischt.

Die Sicherung spricht also schon bei kleinen Überströmen sicher an, unterbricht aber auch grosse Überströme zuverlässig. Sie stellt mithin eine vielseitig einsetzbare Mehrbereichssicherung dar.

1

Gehäuse

2

Stützkörper

3

Grundkörper

4

Rippe

5a,b

Kappe

6

Sicherungselement

7

Verengung

8

Abbrandelement

9

Schrumpfschlauch

10

Nut