Arten von Sicherungen

Jedes elektrische System arbeitet nach dem Gleichgewicht zwischen zugeführter und verbrauchter Energie. Wenn an einen Stromkreis Spannung angelegt wird, liegt diese an einem bestimmten Widerstand im Stromkreis an. Dadurch entsteht nach dem Ohmschen Gesetz ein Strom, durch dessen Wirkung Arbeit verrichtet wird.

Bei Isolationsfehlern, Montagefehlern, Notbetrieb nimmt der Widerstand des Stromkreises allmählich ab oder fällt stark ab. Dies führt zu einem entsprechenden Anstieg des Stroms, der bei Überschreitung des Nennwerts zu Schäden an Geräten und Personen führt.

Sicherheitsaspekte waren und sind bei der Nutzung elektrischer Energie immer relevant. Besonderes Augenmerk wird daher stets auf Schutzeinrichtungen gelegt. Die ersten derartigen Konstruktionen, Sicherungen genannt, sind auch heute noch weit verbreitet.

Die elektrische Sicherung ist Teil des Arbeitsstromkreises, sie wird am Abschnitt des Stromkabels durchtrennt, sie muss der Arbeitslast zuverlässig standhalten und den Stromkreis vor dem Auftreten von Überströmen schützen.Diese Funktion ist die Grundlage für die Klassifizierung des Nennstroms.

Entsprechend dem angewandten Funktionsprinzip und der Art der Unterbrechung des Stromkreises werden alle Sicherungen in 4 Gruppen eingeteilt:

1. mit Schmelzlot;

2. elektromechanisches Design;

3. Basierend auf elektronischen Komponenten;

4. Selbstheilungsmodelle mit nichtlinearen reversiblen Eigenschaften nach Einwirkung von Überstrom.

Heißer Link

Sicherungen dieser Bauart enthalten ein leitfähiges Element, das unter Einwirkung eines Stroms, der den Nennsollwert überschreitet, durch Überhitzung schmilzt und verdampft. Dies entzieht dem Stromkreis die Spannung und schützt ihn.

Schmelzsicherungen können aus Metallen wie Kupfer, Blei, Eisen, Zink oder einigen Legierungen bestehen, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der die Schutzeigenschaften elektrischer Geräte gewährleistet.

Die Heiz- und Kühleigenschaften von Drähten für elektrische Geräte unter stationären Betriebsbedingungen sind in der Abbildung dargestellt.

Der Betrieb der Sicherung bei Auslegungslast wird durch die Schaffung eines zuverlässigen Temperaturgleichgewichts zwischen der Wärme, die durch den Durchgang eines elektrischen Betriebsstroms an das Metall abgegeben wird, und der Wärmeabfuhr an die Umgebung durch Dissipation sichergestellt.

Im Notfallmodus gerät dieses Gleichgewicht schnell aus dem Gleichgewicht.

Der Metallteil der Sicherung erhöht bei Erwärmung den Wert seines aktiven Widerstands. Dies führt zu einer stärkeren Erwärmung, da die erzeugte Wärme direkt proportional zum Wert von I2R ist. Gleichzeitig nehmen Widerstand und Wärmeentwicklung wieder zu. Der Prozess setzt sich lawinenartig fort, bis es zum Schmelzen, Sieden und zur mechanischen Zerstörung der Sicherung kommt.

Wenn der Stromkreis unterbrochen wird, entsteht in der Sicherung ein Lichtbogen. Bis zum vollständigen Verschwinden fließt ein für die Anlage gefährlicher Strom durch sie, der sich entsprechend der in der folgenden Abbildung dargestellten Kennlinie ändert.

Der Hauptbetriebsparameter der Sicherung ist ihr charakteristischer Strom über der Zeit, der die Abhängigkeit des Vielfachen des Notstroms (bezogen auf den Nennwert) von der Ansprechzeit bestimmt.

Um den Betrieb der Sicherung bei niedrigen Notströmen zu beschleunigen, werden spezielle Techniken eingesetzt:

• Schaffung variabler Querschnittsformen mit Bereichen reduzierter Fläche;

• Nutzung des metallurgischen Effekts.

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Je schmaler die Platten werden, desto größer wird der Widerstand und es entsteht mehr Wärme. Im Normalbetrieb hat diese Energie Zeit, sich gleichmäßig über die gesamte Fläche zu verteilen, und bei Überlastung entstehen an engen Stellen kritische Zonen. Ihre Temperatur erreicht schnell einen Zustand, bei dem das Metall schmilzt und den Stromkreis unterbricht.

Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, werden die Platten aus dünner Folie in mehreren parallel geschalteten Schichten eingesetzt. Das Verbrennen jedes Bereichs einer der Schichten beschleunigt den Schutzvorgang.

Das Prinzip der metallurgischen Wirkung

Es basiert auf der Eigenschaft bestimmter niedrig schmelzender Metalle, zum Beispiel Blei oder Zinn, feuerfestes Kupfer, Silber und bestimmte Legierungen in ihrem Gefüge aufzulösen.

Dazu werden Zinntropfen auf die Litzen aufgetragen, aus denen der Schmelzlot besteht.Bei der zulässigen Temperatur des Metalls der Drähte entfalten diese Zusätze keine Wirkung, schmelzen jedoch im Notfallmodus schnell, lösen einen Teil des Grundmetalls auf und beschleunigen den Betrieb der Sicherung.

Die Wirksamkeit dieser Methode zeigt sich nur bei dünnen Drähten und nimmt mit zunehmendem Querschnitt deutlich ab.

Der Hauptnachteil einer Sicherung besteht darin, dass sie beim Auslösen manuell durch eine neue ersetzt werden muss. Dies erfordert die Aufrechterhaltung ihrer Bestände.

Elektromechanische Sicherungen

Das Prinzip, eine Schutzeinrichtung in die Versorgungsleitung einzuschneiden und deren Unterbrechung sicherzustellen, um die Spannung abzubauen, ermöglicht es, die dafür geschaffenen elektromechanischen Produkte als Sicherungen einzustufen. Die meisten Elektriker ordnen sie jedoch einer eigenen Klasse zu und nennen sie Leistungsschalter oder abgekürzt als Automaten.

Während ihres Betriebs überwacht ein spezieller Sensor ständig den Wert des fließenden Stroms. Nach Erreichen eines kritischen Wertes wird ein Steuersignal an den Antrieb gesendet – eine gespannte Feder über einen thermischen oder magnetischen Auslöser.

Sicherungen elektronischer Komponenten

Bei diesen Konstruktionen wird die Funktion des Schutzes des Stromkreises von berührungslosen elektronischen Schaltern übernommen, die auf Leistungshalbleiterbauelementen aus Dioden, Transistoren oder Thyristoren basieren.

Diese werden als elektronische Sicherungen (EP) oder Stromsteuer- und Schaltmodule (MKKT) bezeichnet.

Die Abbildung zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild, das die Funktionsweise einer Transistorsicherung zeigt.

Der Steuerkreis einer solchen Sicherung entnimmt dem Widerstandsshunt das gemessene Stromwertsignal.Es wird modifiziert und an den Eingang des isolierten Halbleitergatters angelegt Feldeffekttransistor vom MOSFET-Typ. 

Wenn der Strom durch die Sicherung beginnt, den zulässigen Wert zu überschreiten, schließt das Tor und die Last wird abgeschaltet. In diesem Fall wird die Sicherung in den Selbsthemmungsmodus geschaltet.

Wenn im Stromkreis viel Videoüberwachung eingesetzt wird, wird es schwierig, die durchgebrannte Sicherung festzustellen. Um die Auffindbarkeit zu erleichtern, wurde die Signalisierungsfunktion „Alarm“ eingeführt, die durch das Blinken der LED oder durch Auslösen eines soliden oder elektromechanischen Relais erkannt werden kann.

Solche elektronischen Sicherungen sind flink, ihre Ansprechzeit beträgt nicht mehr als 30 Millisekunden.

Das oben besprochene Schema gilt als einfach, es kann durch neue Zusatzfunktionen deutlich erweitert werden:

• kontinuierliche Überwachung des Stroms im Lastkreis mit Bildung von Abschaltbefehlen, wenn der Strom 30 % des Nennwerts überschreitet;

• Abschaltung des Schutzbereichs bei Kurzschlüssen oder Überlastungen mit einem Signal, wenn der Strom in der Last über 10 % des eingestellten Werts ansteigt;

• Schutz des Leistungselements des Transistors bei Temperaturen über 100 Grad.

Für solche Schemata sind die verwendeten ICKT-Module in 4 Reaktionszeitgruppen unterteilt. Die schnellsten Geräte werden der Klasse «0» zugeordnet. Sie unterbrechen Ströme, die den eingestellten Wert um 50 % überschreiten, für bis zu 5 ms, um 300 % in 1,5 ms, um 400 % in 10 μs.

Selbstheilende Sicherungen

Diese Schutzeinrichtungen unterscheiden sich von Sicherungen dadurch, dass sie nach dem Abschalten der Notlast ihre Funktionsfähigkeit für den weiteren wiederholten Einsatz behalten.Deshalb wurden sie als Selbstheiler bezeichnet.

Das Design basiert auf Polymermaterialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands. Sie haben unter normalen, normalen Bedingungen eine kristalline Gitterstruktur und gehen beim Erhitzen schlagartig in einen amorphen Zustand über.

Die Auslösecharakteristik einer solchen Sicherung wird üblicherweise als Logarithmus des Widerstands über der Materialtemperatur angegeben.

Wenn ein Polymer ein Kristallgitter hat, ist es wie ein Metall gut in der Lage, Elektrizität zu leiten. Im amorphen Zustand ist die Leitfähigkeit erheblich beeinträchtigt, was gewährleistet, dass die Last abgeschaltet wird, wenn ein abnormaler Modus auftritt.

Solche Sicherungen werden in Schutzvorrichtungen verwendet, um das Auftreten wiederholter Überlastungen zu verhindern, wenn der Austausch der Sicherung oder manuelle Eingriffe des Bedieners schwierig sind. Dabei handelt es sich um den Bereich automatischer elektronischer Geräte, der in der Computertechnik, in mobilen Geräten, in der Mess- und Medizintechnik sowie in Fahrzeugen weit verbreitet ist.

Die zuverlässige Funktion selbstrückstellender Sicherungen wird von der Umgebungstemperatur und der durch sie fließenden Strommenge beeinflusst. Um berücksichtigt zu werden, wurden technische Bedingungen eingeführt:

• Sendestrom, definiert als Maximalwert bei einer Temperatur von +23 Grad Celsius, der das Gerät nicht auslöst;

• der Betriebsstrom als Minimalwert, der bei gleicher Temperatur zum Übergang des Polymers in einen amorphen Zustand führt;

• der Maximalwert der angelegten Betriebsspannung;

• Reaktionszeit, gemessen vom Moment des Auftretens des Notstroms bis zum Abschalten der Last;

• Verlustleistung, die die Fähigkeit der Sicherung bei +23 Grad bestimmt, Wärme an die Umgebung abzugeben;

• anfänglicher Widerstand vor dem Anschluss an die Arbeit;

• Der Widerstand erreicht 1 Stunde nach Ende der Operation.

Selbstheilende Protektoren haben:

• kleine Größen;

• schnelle Antwort;

• Stabiler Arbeitsplatz;

• kombinierter Schutz der Geräte vor Überlastung und Überhitzung;

• keine Wartung erforderlich.

Verschiedene Sicherungsausführungen

Abhängig von der Aufgabenstellung werden Sicherungen für den Betrieb in Stromkreisen erstellt:

• Industrieanlagen;

• Elektrische Haushaltsgeräte für den allgemeinen Gebrauch.

Da sie in Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, werden die Gehäuse mit besonderen dielektrischen Eigenschaften hergestellt. Nach diesem Prinzip werden Sicherungen in funktionierende Strukturen unterteilt:

• mit Niederspannungsgeräten;

• in Stromkreisen bis einschließlich 1000 Volt;

• in Hochspannungsschaltkreisen für Industrieanlagen.

Zu den Sonderausführungen gehören Sicherungen:

• explosiv;

• perforiert;

• mit Lichtbogenlöschung, wenn sich der Stromkreis in engen Kanälen feinkörniger Füllstoffe öffnet oder eine Autogas- oder Flüssigkeitsexplosion entsteht;

• für Fahrzeuge.

Der begrenzte Fehlerstrom einer Sicherung kann von Bruchteilen eines Ampere bis hin zu Kiloampere variieren.

Manchmal installieren Elektriker anstelle einer Sicherung einen kalibrierten Draht im Gehäuse. Diese Methode wird nicht empfohlen, da selbst bei genauer Auswahl des Querschnitts der elektrische Widerstand des Drahtes aufgrund der Eigenschaften des Metalls oder der Legierung selbst vom empfohlenen Wert abweichen kann. Eine solche Sicherung wird mit Sicherheit nicht funktionieren.

Ein noch größerer Fehler ist die versehentliche Verwendung selbstgemachter „Bugs“.Sie sind die häufigste Ursache für Unfälle und Brände in elektrischen Leitungen.