Untersuchungen zur zulässigen thermischen Beanspruchung von NH-Sicherungseinsätzen für allgemeine Anwendung

NH-Sicherungseinsätze (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungseinsätze) für allgemeine Anwendung (gG) werden in der Niederspannungstechnik in großer Stückzahl in Schaltgeräten wie Schalter-Sicherungs-Einheiten oder Sicherungslasttrennschaltern eingesetzt und dienen dem Schutz von Betriebsmitteln vor Fehlerströmen. Die Sicherungseinsätze besitzen einen Schmelzleiter, der im Normalbetrieb den Betriebsstrom zuverlässig und verlustarm führen und im Fehlerfall durch ein rasches Aufschmelzen Fehlerströme sicher unterbrechen soll. Langzeit- und Betriebsverhalten der Schmelzleiter hängen dabei stark von der Temperatur ab. Aus der Literatur ist bisher nicht bekannt, inwieweit die Temperatur der Schmelzleiter im Normalbetrieb erhöht werden kann, ohne die Zuverlässigkeit des gesamten NH-Sicherungseinsatzes zu beeinträchtigen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Langzeitverhalten von Schmelzleitern experimentell untersucht. Es wurden Schmelzleiter bei verschiedenen Temperaturen für eine Zeit von 10.000 h thermisch beansprucht und anschließend das Erwärmungs- und Schaltverhalten der Schmelzleiter ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits eine dauerhaft hohe thermische Beanspruchung im festen Zustand des Lotes besonders das Schaltverhalten im Bereich kleiner Überströme beeinträchtigen kann. Die Auswirkungen auf den Normalbertrieb der Schmelzleiter sind in der Regel vernachlässigbar. Das Langzeitverhalten wird wesentlich von der Alterung der Schmelzleiter durch Interdiffusion im Normalbetrieb bestimmt. Es wurde ein Zusammenhang zwischen dem Wachstum intermetallischer Phasen an der Grenzfläche zwischen Schmelzleiter und Lot und der Schmelzzeit im Bereich kleiner Überströme hergestellt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Grenztemperaturen für einen langzeitstabilen Betrieb der untersuchten Schmelzleiter hergeleitet. Die Temperatur des Schmelzleiters kann in der Praxis nicht zerstörungsfrei gemessen werden. Stellvertretend wird häufig die Temperatur des Sicherungsmessers als alternatives Bewertungskriterium empfohlen. Um den Zusammenhang zwischen der Erwärmung des Schmelzleiters und des Sicherungsmessers zu untersuchen, wurde das thermische Verhalten der Sicherungseinsätze mit der Wärmenetzmethode berechnet und verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser eine charakteristische Kenngröße eines Sicherungseinsatzes ist. Es wurden die Einflussparameter auf die Temperaturdifferenz im Betrieb untersucht und empirische Gleichungen entwickelt, mit denen Grenztemperaturen der Sicherungsmesser für unterschiedliche Einbausituationen berechnet werden können. Die ermittelten Grenztemperaturen sind belastungsabhängig und werden insbesondere von der individuellen Dimensionierung des Sicherungseinsatzes bestimmt.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis AnhangIn low-voltage power systems, NH fuse-links for general use (gG) are widely used to protect electrical devices in case of overloads or short-circuit currents. Mainly they are installed in switchgears like fuse-combination units or fuse-switch-disconnetors. The fuse-links are equipped with a fuse element, which, in normal operation, should conduct the load current reliably and with low losses and, in the event of a fault, should interrupt the current by melting quickly. Thereby, the long-term and operational behaviour of the fuse elements depends strongly on the temperature. It is not yet known from the literature to what extent the temperature of the fuse element can be increased during normal operation without impairing the reliability of the whole NH fuse-link. Therefore, the long-term behaviour of fuse elements was experimentally investigated in this thesis. Fuse elements were subjected to constant thermal stress at various temperatures for a period of 10,000 h and then the temperature rise performance and the tripping behaviour were determined. It could be shown that even a high thermal stress in the solid state of the solder can impair the tripping behaviour in the range of small over-current. The effects on the normal operation of the fuse elements are usually negligible. The long-term behaviour is essentially determined by the ageing of the fuse elements due to interdiffusion in normal operation. A correlation was established between the growth of intermetallic compounds at the interface between the fuse element and the solder and the melting time in the range of small over-current. Based on these results limiting temperatures were derived for a long-term stable operation of the investigated fuse elements. The temperature of the fuse element cannot be measured non-destructively in practice. The temperature of the blade contact is often recommended as an alternative evaluation criterion. In order to investigate the correlation between the temperature rise of the fuse element and the blade contact, the thermal behaviour of the fuse-links was calculated using the thermal network method. It could be shown that the temperature difference between the fuse element and the blade contact is a characteristic parameter of a fuse-link. The influencing parameters on the temperature difference were investigated and empirical equations were developed with which limiting temperatures of the blade contacts for different assembly situations can be calculated. The limiting temperatures are load-dependent and are determined in particular by the individual dimensioning of the fuse-link.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhan