DE4211079A1 - Verfahren zum Sichern von Stromkreisen, insbesondere von hohen Strömen führenden Stromkreisen gegen Überströme und elektrisches Sicherungselement, insbesondere Hochstromsicherungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sichern von Stromkreisen, insbesondere von hohen Strömen führenden Stromkreisen, gegen Überströme, bei dem ein Stromleiter, der in den zu sichernden Stromkreis geschaltet ist, zer­ stört wird, wenn die Stromstärke einen Schwellenwert übersteigt. Ferner betrifft die Erfindung ein elek­ trisches Sicherungselement, insbesondere ein Hochstrom­ sicherungselement, mit einem Stromleiter, der in einen gegen Überströme abzusichernden Stromkreis schaltbar ist und bei elektrischen Strömen, die größer sind als ein Schwellenwert, zerstört wird.

Der Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Über­ ströme infolge beispielsweise Kurzschluß, Überlastung o. dgl. wird unter anderem durch speziell auf den jewei­ ligen Anwendungsfall abgestimmte Schmelzsicherungen rea­ lisiert. Diese Schmelzsicherungen weisen einen Strom- (Schmelz-)leiter auf, der in den Stromkreis des elek­ trischen Verbrauchers geschaltet ist. Der Querschnitt und das Material des Schmelzleiters sind derart gewählt, daß er bei elektrischen Strömen, die größer sind als ein gewünschter Schwellenwert, schmilzt und sich zerstört. Bei hohen Schwellenwerten erwärmt sich der Stromleiter relativ stark, was zu einer hohen Verlustleistung im Stromleiter führt. Dies gilt auch dann, wenn das Siche­ rungselement bei nahe dem Schwellenwert liegenden elek­ trischen Strömen betrieben wird. Zum Schutz der heute vorzugsweise eingesetzten Leistungs-Halbleiterbauelemen­ te wie beispielsweisen Dioden und Thyristoren gegen Kurzschluß sind wegen der geringen Wärmekapazität dieser Haltleiterbauelemente schnellansprechende Sicherungs­ elemente bzw. -systeme erforderlich. Mit konventionellen Schmelzsicherungen lassen sich im günstigsten Fall lediglich Ansprechzeiten im Millisekundenbereich reali­ sieren, was zur Zerstörung der zu schützenden Schaltun­ gen führen kann. Problematisch ist ferner die Typenviel­ falt, in der Sicherungselemente zur Verfügung gestellt werden müssen, da für jede Anwendung eine bestimmte An­ sprech-Charakteristik erfüllt sein muß und damit ein spezifisches Design gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Sichern von Stromkreisen, insbesondere von Hoch­ stromkreisen, und ein elektrisches Sicherungselement, insbesondere ein Hochstromsicherungselement, anzugeben bzw. zu schaffen, bei denen die durch den Stromleiter bedingte Verlustleistung stark reduziert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Stärke des den Stromleiter durchfließenden Stroms ermittelt wird und der Stromleiter infolge Zün­ dung einer pyrotechnischen Ladung zerstört wird, wenn die Stromstärke den Schwellenwert übersteigt. Als eine Realisierung dieses Verfahrens wird mit der Erfindung ferner ein elektrisches Sicherungselement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das eine pyrotechnisch aus­ lösbare Trennvorrichtung zum Durchtrennen des Stromlei­ ters, eine Stromdetektionsvorrichtung zum Ermitteln des den Stromleiter durchfließenden Stroms und eine Zünd­ impulserzeugungsvorrichtung aufweist, die einen Zünd­ impuls für die pyrotechnisch auslösbare Trennvorrichtung erzeugt, wenn die Stromdetektionsvorrichtung einen Strom detektiert, dessen Stärke größer ist als der Schwellen­ wert.

Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, den von Schmelzsicherungen her bekannten Schmelz-Stromleiter durch einen solchen Stromleiter zu ersetzen, der bei einer Fehlfunktion im zu sichernden Stromkreis durch Zündung einer pyrotechnischen Ladung zerstört und dabei getrennt wird. Anstelle einer Sicherung mit sich selbst zerstörendem Stromleiter wird also mit der Erfindung ein System geschaffen, bei dem der Stromleiter "von außen" zerstört wird. Während bei Schmelzsicherungen die Zer­ störung ein aus der Sicht des Stromleiters aktiver Vor­ gang ist, handelt es sich bei der erfindungsgemäß vorge­ sehenen Zerstörung des Stromleiters um einen aus dessen Sicht passiven Vorgang. Dazu benötigt das Sicherungs­ system eine Information über die Stärke des den Strom­ leiter durchfließenden Stroms. Derartige Stromdetek­ tionsvorrichtung sind bei Sicherungen grundsätzlich be­ kannt; diese bekannten Sicherungen sind mit steuerbaren Aus-Schaltern versehen und damit mehrfach verwendbar und weisen im Gegensatz zur Erfindung einen nach der Aus­ lösung der Sicherung zerstörten Stromleiter nicht auf.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, daß durch die möglich gewordene größere Dimensionierung, d. h. Querschnittserhöhung des Stromleiters, dessen Er­ wärmung und die damit verbundene elektrische Verlust­ leistung stark reduziert werden können. Dies wirkt sich insbesondere bei Hochstromsicherungselementen und bei der Absicherung von hohen Strömen führenden Stromkreisen aus.

Ferner kann im Zusammenhang mit der Erfindung als Vor­ teil angegeben werden, daß die Ansprechzeiten recht kurz und um den Faktor 10 kleiner als bei bekannten Sicherun­ gen sind. Dies liegt an der Art und Weise, wie der Stromleiter nach der Erfindung zerstört wird; die Reak­ tionszeiten und Gaserzeugungszeitspannen von pyrotech­ nischen Ladungen sind extrem kurz, weshalb die Verzöge­ rungszeit zwischen der Zündung der pyrotechnischen Ladung und der Zerstörung des Stromleiters extrem kurz ist.

Die Zerstörung des Stromleiters erfolgt vorteilhafter­ weise durch Schneiden oder durch Ausstanzen eines Ab­ schnitts aus dem Stromleiter heraus. Das vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden, z. B. keramischen Material bestehende Schneidelement der Schneid- bzw. Trennvorrichtung wird dabei von den Druckgasen ange­ trieben, die bei Zündung des pyrotechnischen Elementes entstehen. Dabei bewegt sich das Schneidelement vorteil­ hafterweise quer zur Längsachse des Stromleiters auf diesen zu bis in einen Aufnahmeraum hinein, durch den hindurch sich der Stromleiter erstreckt. Bei Ausbildung der pyrotechnisch betriebenen Trennvorrichtung als mit Schneidstempel und Matrize versehener vorzugsweise elektrisch isolierender, Stanzvorrichtung ist der Strom­ leiter an der Matrize aus z. B. keramischem Material ge­ halten, so daß der Stromleiter bei von den Gasen des gezündeten pyrotechnischen Elements angetriebenem Schneidstempel geschert und dabei durchtrennt wird. Die Zerstörung des Stromleiters durch einen Trennvorgang, bei dem (wie beim Schneiden und Stanzen) zwei Schneid­ kanten aufeinander zu bewegt werden und der Stromleiter auf Scherung beansprucht wird, kann auch bei im Quer­ schnitt stärkeren Stromleitern zuverlässig erfolgen, da auch derartige Stromleiter einen vergleichsweise gerin­ gen mechanischen Widerstand gegen Scherbeanspruchungen aufweisen.

Vorteilhafterweise lassen sich sowohl der Schwellenwert, ab dem die Zündung der pyrotechnischen Ladung erfolgt, als auch die Ansprechzeit, innerhalb derer die Zündung erfolgt, einstellen.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung näher erläutert.

Im Querschnitt ist ein elektrisches Sicherungselement dargestellt, wobei die elektrische Beschaltung zum Aus­ lösen als Blockschaltbild dargestellt ist.

Das elektrische Sicherungselement 10 weist ein bei 12 angedeutetes Gehäuse mit zwei Anschlüssen 14 auf. Zwischen den beiden Anschlüssen 14 erstreckt sich in dem Gehäuse ein geradliniger Stromleiter 16. Der Stromleiter 16 ist durch einen im Gehäuse 12 gehaltenen Hohlzylinder 18 aus elektrisch isolierendem Material geführt, wobei er an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen durch die Umfangswandung des Hohlzylinders 18 hindurch ver­ läuft, sich also quer zur Längsachse des Hohlzylinders 18 durch diesen hindurch erstreckt.

Die beiden Stirnseiten des Hohlzylinders 18 sind ver­ schlossen; in einem zu diesem Zweck vorgesehenen Schraubdeckel 20 an der einen Stirnseite des Hohlzylin­ ders 18 ist eine elektrisch zündbare pyrotechnische Ladung 22 untergebracht. Zwischen dem Deckel 20 und dem Stromleiter 16 ist in dem Hohlzylinder 18 ein Schneid­ stempel 24 aus elektrischem Isolationsmaterial ver­ schiebbar angeordnet.

Die pyrotechnische Ladung 22 wird durch einen Zündimpuls gezündet, der von einer Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 generiert wird. Die Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 empfängt das Ausgangssignal einer Stromdetektionsvor­ richtung 28, die den durch den Stromleiter 16 fließenden Strom erfaßt und dessen Stärke ermittelt. Das der Stärke des Stroms durch den Stromleiter 16 entsprechende Aus­ gangssignal der Stromdetektionsvorrichtung 28 wird in der Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 mit einem ein­ stellbaren Referenzsignal verglichen, das einem (An­ sprech-)Schwellenwert entspricht. Ist die ermittelte Stromstärke größer als der Schwellenwert, so gibt die Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 an die pyrotechnische Ladung 22 den Zündimpuls zum Zünden der pyrotechnischen Ladung 22. Der Schwellenwert ist über eine Einstellvor­ richtung 29 vorgebbar, während die Ansprechzeitdauer, um die verzögert der Zündimpuls ausgegeben wird, über eine weitere Einstellvorrichtung 30 einstellbar ist. Die Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 wird mit der elek­ trischen Energie einer Batterie 32 oder einer externen Energiequelle versorgt.

Der Hohlzylinder 18 mit Schneidstempel 24 und pyrotech­ nischer Ladung stellt eine pyrotechnische ange- bzw. betriebene Trennvorrichtung 33 in Form einer Stanzvor­ richtung dar. Bei Zündung der pyrotechnischen Ladung 22 entstehen Verbrennungsgase, die mit einer vergleichs­ weise hohen Rate erzeugt werden. Da der Schneidstempel 24 im wesentlichen gasdicht anßder Innenwand des Hohl­ zylinders 18 anliegt, bewegt er sich infolge des Druck­ anstiegs von dem die pyrotechnische Ladung 22 aufneh­ menden Deckel 20 weg in Richtung auf das dem Deckel 20 gegenüberliegende andere Stirnende 34 des Hohlzylinders 18. Dabei bewegt sich der Schneidstempel 24 quer zum Stromleiter 16 und "stanzt" aus diesem den sich durch den Innenraum des Hohlzylinders 18 erstreckenden Ab­ schnitt 36 aus. Die dem Deckel 20 gegenüberliegende Hälfte 38 des Hohlzylinders 18 übernimmt dabei die Funktion einer Matrize. Der von dieser Hälfte 28 des Hohlzylinders 18 umschlossene Bereich stellt einen Auf­ nahmeraum 40 zur Aufnahme des Schneidstempels 24 und des ausgestanzten Stromleiterabschnitts 36 dar. Der Schneid­ stempel 24 wird in dem Aufnahmeraum 40 selbsthemmend gehalten, womit dem Schneidstempel 24 seine kinetische Energie genommen wird.

Bei dem hier beschriebenen elektrischen Sicherungs­ element 10 muß der Querschnitt des Stromleiters 16 nicht mehr auf die maximal zulässige Stromstärke abgestimmt sein, damit der Stromleiter 16 bei Strömen dieser Stärke zerstört wird. Die durch den Stromleiter 16 verursachten Verlustleistungen können damit reduziert werden. Die Umsetzung der pyrotechnischen Ladung 22 in Verbrennungs­ gase und deren Umsetzung in die kinetische Energie des Schneidstempels 24 erfolgt extrem schnell, weshalb das Sicherungselement 10 über eine extrem kleine Ansprech­ zeit verfügt. Zudem sind Ansprechzeit und Ansprech­ schwelle in einem weiten Bereich einstellbar, weshalb das Sicherungselement in einer Vielzahl von Anwendungs­ fällen eingesetzt und an eine Vielzahl von vorgegebenen Ansprech-Charakteristiken angepaßt werden kann. Das Sicherungselement 10 eignet sich insbesondere als Hoch­ stromsicherung, da sich insbesondere dann der Vorteil der reduzierten Verlustleistung bemerkbar macht.

Das Sicherungselement 10 ist in der Zeichnung und in der obigen Beschreibung derart dargestellt bzw. beschrieben, daß die Zündimpulserzeugungsvorrichtung 26 und deren zugehörige Elektronik innerhalb des Gehäuses 12 unterge­ bracht ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich; es reicht aus, daß das Gehäuse 12 einen (Steuer-)An­ schluß aufweist, über den dem Sicherungselement 10 die zum Zünden der pyrotechnischen Ladung 22 erforderliche Zündenergie zugeführt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Sichern von Stromkreisen, insbeson­ dere von hohe Ströme führenden Kreisen, gegen Über­ ströme, bei dem

• - ein Stromleiter (16), der in den zu sichernden Stromkreis geschaltet ist, zerstört wird, wenn die Stromstärke einen Schwellenwert übersteigt,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Stärke des den Stromleiter (16) durch­ fließenden Stroms ermittelt wird und
• - daß der Stromleiter (16) infolge der Zündung einer pyrotechnischen Ladung (22) zerstört wird, wenn die Stromstärke den Schwellenwert über­ steigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (16) mit Hilfe einer Schneid­ vorrichtung (24, 38) durchtrennt wird, die durch die bei Zündung der pyrotechnischen Ladung (22) ent­ stehenden Gase angetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (16) durch Ausstanzen eines Stromleiterabschnitts (36) mit Hilfe einer pyro­ technisch betriebenen Stanzvorrichtung (33) durch­ trennt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert und die Zeit­ dauer, um die verzögert die Zündung der pyrotech­ nischen Ladung (22) erfolgt, eingestellt werden.

5. Elektrisches Sicherungselement, insbesondere Hoch­ stromsicherungselement, mit

• - einem Stromleiter (16), der in einen gegen Über­ ströme abzusichernden Stromkreis schaltbar ist und bei elektrischen Strömen, die größer sind als ein Schwellenwert, zerstört wird,
  gekennzeichnet durch
• - eine pyrotechnisch betriebene Trennvorrichtung (24, 38) zum Durchtrennen des Stromleiters (16) und
• - eine Stromdetektionsvorrichtung (28) und eine Zündimpulserzeugungsvorrichtung (26), die einen Zündimpuls für eine pyrotechnische Ladung (22) der Trennvorrichtung (33) erzeugt, wenn die Stromdetektionsvorrichtung (28) einen den Strom­ leiter (16) durchfließenden Strom detektiert, der größer ist als der Schwellenwert.

6. Elektrisches Sicherungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (33) ein pyrotechnisch betriebenes Schneidelement (24) aufweist, das von dem bei der Zündung der pyrotechnischen Ladung (22) entstehenden Gase an­ treibbar ist und dabei den Stromleiter (16) durch­ trennt.

7. Elektrisches Sicherungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidelement (24) von den Verbrennungsgasen der pyrotechnischen Ladung (22) auf den Stromleiter (16) quer zu dessen Längsachse zu und zum Durchtrennen des Stromleiters (16) in einen Aufnahmeraum (40) hinein bewegbar ist, durch den hindurch sich der Stromleiter (16) erstreckt.

8. Elektrisches Sicherungselement nach einem der An­ sprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (33) als mit Schneidstempel (24) und Matrize (38) versehene Stanzvorrichtung zum Ausstanzen eines Abschnitts (36) des Stromleiters (16) ausgebildet ist, wobei der Schneidstempel (24) von den Verbrennungsgasen der pyrotechnischen Ladung (22) antreibbar ist und der Stromleiter (16) an der Matrize (38) gehalten ist.

9. Elektrisches Sicherungselement nach einem der An­ sprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ein­ stellvorrichtungen (29, 30) zum Einstellen des Schwellenwerts, ab dem die Zündimpulserzeugungs­ vorrichtung (26) einen Zündimpuls erzeugt, und der Ansprechzeit, um die die Zündimpulserzeugungsvor­ richtung (26) den Zündimpuls verzögert erzeugt, vorgesehen sind.