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Materialeigenschaften und Herstellungsprozess von Hochspannungssicherungen

Tauchen Sie ein in die Welt der Hochspannungssicherungen und untersuchen Sie ihre entscheidenden Materialeigenschaften und komplizierten Herstellungsprozesse. Dieser Artikel beschreibt die wichtigsten Komponenten, Designüberlegungen und Branchenanwendungen dieser wichtigen Sicherheitsgeräte. Gewinnen Sie wertvolle Einblicke, wie Hochspannungssicherungen elektrische Systeme schützen und die Betriebszuverlässigkeit gewährleisten.

Welche Funktion hat die Sicherung?

A Sicherung ist eine elektrische Schutzkomponente, die in einem Stromkreis installiert wird, um den sicheren Betrieb des Stromkreises zu gewährleisten. Sie wird häufig in Stromverteilungssystemen und Steuerungssystemen verwendet, hauptsächlich zum Schutz vor Kurzschlüssen oder Überlastungen. Es handelt sich um ein elektrisches Gerät, das einen Metallleiter als Sicherung verwendet, um den Stromkreis zu trennen und in Reihe mit dem Stromkreis zu verbinden. Wenn ein Stromkreis ausfällt oder anormal ist, steigt der Strom weiter an und der erhöhte Strom kann einige wichtige oder wertvolle Komponenten im Stromkreis beschädigen, den Stromkreis verbrennen oder sogar einen Brand verursachen.

Wenn die Sicherung richtig im Stromkreis platziertWenn dann ein Überlastungs- oder Kurzschlussstrom durch die Sicherung fließt, schmilzt die Sicherung von selbst und unterbricht den Strom, wenn der Strom ungewöhnlich hoch und zu einer bestimmten Zeit ansteigt. Dadurch werden das Stromnetz, verschiedene elektrische Geräte und Haushaltsgeräte im Falle einer Überlastung oder eines Kurzschlusses geschützt.

Seine Prinzip besteht hauptsächlich darin, den thermischen Effekt des Stroms (Q=I²Rt) auszunutzen, wobei Q die erzeugte Wärme in Joule (J), I der durch den Widerstand fließende Strom in Ampere (A), R der Widerstandswert des Widerstands in Ohm (Ω) und t die Zeit in Sekunden (s) ist, in der der Strom durch den Widerstand fließt. Diese Formel zeigt, dass, wenn Strom I durch den Widerstand R fließt, die in der Zeit t erzeugte Wärme Q berechnet werden kann, indem das Quadrat des Stroms mit dem Widerstandswert und der Zeit multipliziert wird. Diese Wärme kann dazu führen, dass die Sicherung schmilzt und den Stromkreis trennt, wodurch die schädlichen Auswirkungen von Überstrom auf ein akzeptables Niveau begrenzt werden.

Aufbau der Sicherung

Im Allgemeinen bestehen Sicherungen aus vier Teilen.

Hochgeschwindigkeitssicherungsstruktur

Das erste ist das Sicherungselement, das den Kern der Sicherung bildet.

Das Sicherungselement entspricht einem speziellen Draht, der in Reihe im Stromkreis angeschlossen ist. Wenn der Stromkreis kurzgeschlossen oder überlastet ist, ist der Strom zu groß und die Sicherung schmilzt aufgrund von Überhitzung, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Daher besteht für das Material einer Hochspannungssicherung die Anforderung, dass es einen niedrigen Schmelzpunkt, stabile Eigenschaften, leichtes Schmelzen und leichtes Löschen des Lichtbogens aufweist.

Zu den Materialien, aus denen Hochspannungssicherungen hergestellt werden, gehören Kupfer, Silber, Zink, Blei, Blei-Zinn-Legierungen usw. Die Schmelzpunkte dieser Materialien sind ebenfalls unterschiedlich, sodass unterschiedliche Ströme unterschiedliche Materialien erfordern und ihre Schmelztemperaturen 1080 °C, 960 °C, 420 °C, 327 °C bzw. 200 °C entsprechen. Die Anweisungen zur Verwendung dieser verschiedenen Materialien lauten wie folgt:

① Der Schmelzpunkt von Metallen wie Zink, Blei und Blei-Zinn-Legierungen ist relativ niedrig, aber der spezifische Widerstand ist relativ hoch. Daher ist der Querschnitt des zu verwendenden Sicherungselements relativ groß und beim Schmelzen entsteht mehr Metalldampf, was der Lichtbogenlöschung nicht förderlich ist. Es wird hauptsächlich in Schaltkreisen unter 1 kV verwendet.

② Kupfer und Silber haben hohe Schmelzpunkte, aber einen niedrigen spezifischen Widerstand sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Daher ist der Querschnitt des zu verwendenden Sicherungselements klein und der beim Schmelzen entstehende Metalldampf ist klein, was den Lichtbogen leicht löscht und in Hochspannungs- und Hochstromkreisen verwendet werden kann. Wenn jedoch der durchfließende Strom zu groß und die Temperatur über einen längeren Zeitraum zu hoch ist, können andere Komponenten in der Sicherung leicht beschädigt werden.

Damit das Sicherungselement schnell schmilzt, muss ein großer Strom durchfließen, da sich sonst die Schmelzzeit verlängert, was für den Schutz des Geräts nicht gut ist. Um diesen Mangel zu beheben, wird häufig eine kleine Kugel aus Zinn oder Blei auf die Kupfer- oder Silberschmelze geschweißt, um die Schmelztemperatur der Schmelze zu senken und die Schutzleistung der Schmelze zu verbessern.

Bei Sicherungen gleichen Typs und gleicher Spezifikation sollte das Material gleich sein, die geometrischen Abmessungen sollten gleich sein, der Widerstandswert sollte möglichst klein und gleichbleibend sein und, was am wichtigsten ist, die Sicherungseigenschaften sollten gleich sein.

Der zweite Teil ist der Kontaktteil, von dem es in der Regel zwei gibt.

Es ist ein wichtiges Bauteil, das die Schmelze mit dem Schaltkreis verbindet. Es muss eine gute Leitfähigkeit aufweisen und darf keinen offensichtlichen Kontaktwiderstand bei der Installation erzeugen.

Das dritte ist die Sicherungsschale.

Das Sicherungselement ist im Allgemeinen dünn und weich. Die Funktion der Hülle besteht darin, das Sicherungselement zu fixieren und die drei Teile zu einem starren Ganzen zu machen, um eine einfache Installation und Verwendung zu ermöglichen. Es muss eine gute mechanische Festigkeit, Isolierung, Hitzebeständigkeit und Flammhemmung aufweisen und darf während des Gebrauchs nicht brechen, sich verformen, brennen oder einen Kurzschluss verursachen. Nur so kann es der Lichtbogentemperatur und der mechanischen Krafteinwirkung standhalten und die Gesamtintegrität der Sicherung aufrechterhalten.

Der Röhrenkörper besteht im Allgemeinen aus Keramik oder Melamin. Verschiedene Sicherungstypen verwenden unterschiedliche Materialien.

Zum Beispiel, Sicherungen nach britischem Standard werden hauptsächlich für Geräte verwendet, die in Commonwealth-Ländern hergestellt werden. Das Gehäuse besteht aus Keramikmaterial. Das Produkt zeichnet sich durch geringe Größe und gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus und wird insbesondere von USV-Herstellern unter 240 V bevorzugt. 

Nordamerikanische Sicherungen werden am häufigsten verwendet und decken die meisten leistungselektronischen Produkte ab. Das nordamerikanische Standardsicherungsgehäuse besteht aus Melamingewebe und Keramiklaminierungsverfahren und ist stark schlagfest, hat einen kleinen Joule-Integralwert, einen geringen Leistungsverlust und eine hervorragende Gleichstromleistung. Es wird häufig in Umspannwerken, Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen verwendet.

Das Sicherung mit quadratischem Gehäuse nach europäischem Standard besteht aus Keramikmaterial. Dieses Produkt zeichnet sich durch niedrige Betriebstemperatur, geringen Leistungsverlust und kleinen Joule-Integralwert aus. Es eignet sich für Anwendungen, die eine kompakte Struktur, überlegene Leistung und hohe Leistung erfordern, insbesondere in Elektrofahrzeugen, beim Laden von Elektrofahrzeugen, bei der Energiespeicherung und in anderen Bereichen.

Der vierte ist der Sicherungssockel (Halter), der normalerweise zur Befestigung oder zum Schutz der Sicherung dient.

Sicherungen, die in Stromkreisen und Hochleistungsgeräten verwendet werden, haben nicht nur die vier Teile einer normalen Sicherung, sondern auch eine Lichtbogenlöschvorrichtung. Da die durch diesen Sicherungstyp geschützten Stromkreise nicht nur einen großen Arbeitsstrom haben, sondern auch eine hohe Spannung an den beiden Enden aufweisen, wenn die Sicherung durchbrennt, kommt es häufig vor, dass die Sicherung geschmolzen (durchgebrannt) oder sogar verdampft ist, der Strom jedoch nicht unterbrochen wird.

Der Grund dafür ist, dass beim Durchbrennen unter Einwirkung von Spannung und Strom ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden der Sicherung entsteht. Diese Lichtbogenlöschvorrichtung muss eine starke Isolierung und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und negativ geladen sein. Quarzsand ist ein häufig verwendetes Lichtbogenlöschmaterial.

Es kann den Leiter absorbieren und die Lichtbogentemperatur sowie mechanische Einwirkungen abpuffern, den Lichtbogen aufteilen und kühlen und einen großen Gasdruck erzeugen, der eine deionisierende Wirkung auf den Lichtbogen hat und diesen schnell löscht, wodurch der Stromkreis unterbrochen oder das fehlerhafte Gerät vom Stromnetz isoliert wird und der sichere Betrieb anderer Bereiche oder anderer Geräte im Stromnetz gewährleistet wird.

Darüber hinaus verfügen einige Sicherungen über eine durchgebrannte Anzeigevorrichtung, bei der es sich um eine parallele Leiterleitung handelt. Wenn das Hauptsicherungselement durchbrennt, brennt es zusammen. Die hohe Temperatur löst das Schießpulver oder die gespeicherte elastische Kraft aus, was zu einer sichtbaren Verschiebung führt oder die Schalterwirkung anzeigt. Seine Funktion besteht darin, dass sich beim Betätigen (Durchbrennen) der Sicherung ihr Erscheinungsbild bis zu einem gewissen Grad ändert, was für das Wartungspersonal leicht zu erkennen ist, z. B.: Glühen, Farbwechsel, Herausspringen eines festen Indikators usw.

Sicherungsherstellungsprozess

Rohstoffauswahl

Die Herstellung von Sicherungen erfordert die Verwendung von Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Flammhemmung, wie beispielsweise Metallmaterialien wie Kupfer, Silber, Aluminium, Wolfram und nichtmetallische Materialien wie Keramik und Glasfaser. Bei der Auswahl eines dieser Materialien muss die Auswahl entsprechend den Eigenschaften und Anforderungen des tatsächlichen Schaltkreises erfolgen und sichergestellt werden, dass der Nennstrom und die Ausschaltleistung der Sicherung eingehalten werden können.

Herstellung von Komponenten

Zu den Komponenten der Sicherung gehören hauptsächlich das Sicherungselement, Kontakte, Rohrgehäuse, Sicherungshalter und andere Teile. Diese Komponenten müssen Formenbau, Spritzguss, Kühlung, Entformung und andere Prozesse durchlaufen, um die Genauigkeit ihres Aussehens und ihrer Größe sicherzustellen. Unter anderem werden bei der Herstellung von Sicherungen üblicherweise Stanzen, Formen, Lochen und andere Prozesse angewendet, um das Sicherungselement herzustellen. Es ist notwendig, die Materialviskosität, den Durchmesser und die Länge sowie andere Parameter genau zu kontrollieren, um den Nennstrom und die Abschaltleistung der Sicherung sicherzustellen.

Montage

Die Montage ist ein sehr wichtiger Teil der Sicherungsproduktion. Es ist notwendig, jede Komponente gemäß den Konstruktionsanforderungen zusammenzubauen und den normalen Betrieb der Komponenten sicherzustellen. Während des Montageprozesses ist auch eine Qualitätsprüfung erforderlich. Alle Parameter müssen die Qualitätsanforderungen erfüllen, bevor mit dem nächsten Schritt fortgefahren wird.

Testen

Es ist ein wichtiges Bindeglied im Herstellungsprozess von Sicherungen und umfasst hauptsächlich die Prüfung der elektrischen und mechanischen Leistung. Bei der Prüfung der elektrischen Leistung muss festgestellt werden, ob der Nennstrom und die Abschaltleistung der Sicherung sowie andere Parameter den Normen entsprechen und ob Leckagen oder andere Probleme vorliegen. Bei der Prüfung der mechanischen Leistung muss festgestellt werden, ob die mechanische Festigkeit der Sicherung den Nutzungsanforderungen entspricht.

Verpackung und Versand

Nachdem die Produktion der Sicherung abgeschlossen ist, muss sie verpackt und versandt werden, um ihre Sicherheit während des Transports und der Verwendung zu gewährleisten. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, keine rauen Materialien zu verwenden, die die Sicherung beschädigen könnten.

Entwicklungsrichtung der Sicherungstechnologie

Mit der Entwicklung neuer Technologien wie neuer Energie und erneuerbarer Energie werden ständig neue Anforderungen an Sicherungen gestellt. Sicherungshersteller müssen das Material- und Herstellungsniveau kontinuierlich verbessern, um die Anforderungen an die Schaltkreissicherheit und den Geräteschutz besser zu erfüllen, was sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten widerspiegelt.

1. Höhere Leistungsanforderungen

Mit der Diversifizierung und Modernisierung elektronischer Produkte haben die Menschen auch viele neue Schutzanforderungen für Schaltkreise gestellt. Infolgedessen werden nach und nach viele neue Arten von Sicherungen mit neuartigen Schutzfunktionen auf den Markt kommen, wie z. B. schnellere Schmelzwirkung, starke Impulsfestigkeit, kleinerer oder größerer Nennstrom und kleinere Größe usw.

2. Entwicklung hin zu Intelligenz und Miniaturisierung

Neue Schutzarten: elektrostatischer Schutz, Blitzschutz, Schutz vor elektromagnetischen Störungen usw. Die Entwicklung von Sicherungen könnte in Richtung Miniaturisierung, Oberflächenmontage, Multifunktions- oder Mehrkreisintegration gehen, sodass sie zu neuen Produkten mit Überstromschutzeigenschaften und anderen Stromkreisschutzeigenschaften und sogar mit wiederverwendbaren Funktionen werden.

3. Entwicklung hin zu einer umweltfreundlicheren Richtung

Heutige Sicherungen enthalten normalerweise Blei, Cadmium und andere Schwermetalle, die die Umwelt verschmutzen und dem menschlichen Körper schaden. Mit dem Fortschritt der Technologie, insbesondere der Entwicklung neuer Materialien, werden Sicherungen immer umweltfreundlicher und verabschieden sich allmählich von diesen Schwermetallen, die die Umwelt verschmutzen.

4. Die Sicherheitsleistung wird weiter verbessert.

Beim Unterbrechen des Stroms können Sicherungen explodieren, Lichtbögen entstehen usw., was auf harmonische Resonanzüberströme zurückzuführen ist und somit die Umwelt schädigt. Wir sind davon überzeugt, dass diese Probleme mit der Entwicklung der Technologie gelöst werden können.

5. Digitale Trends

Digitalisierung des Designprozesses in der Fertigung: Das heißt, den Herstellungsprozess zu simulieren und die leistungsstarke Rechenfunktion von Computern zum Testen von Teilen zu nutzen, um das Design und die Verbesserung von Teilen und Prozessen präzise zu rationalisieren und so Design- und Testzeit zu sparen.

Realisierung des digitalen Produktionsprozesses: Durch den Einsatz von Computern wird eine vollständige Automatisierung des Produktionsprozesses erreicht, wobei das gesamte Produktionssystem und das Logistik-Transportsystem kombiniert werden, um den gesamten Produktionsprozess der Herstellung abzuschließen.

6. Verfeinerung

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Fertigungsmethoden verbessert sich die Präzision ständig. Beispielsweise wurde im 20. Jahrhundert der sogenannte ultrapräzise Fertigungsfehler auf 10 μm, dann auf 1 μm und dann auf 0.1 μm reduziert. Ende des Jahrhunderts erreichte er 0.01 μm und jetzt 1 nm. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Nanotechnologie in der Zukunft wird auch der Herstellungsprozess vollständig in das Nano-Zeitalter eintreten.

7. Entwicklungstrends für Integration und Automatisierung

Die Entwicklung der Integration ist das Ergebnis einer hohen Automatisierung, d. h. der gesamte Herstellungsprozess wird von der ursprünglichen dezentralen Fertigung zu einer vollständig integrierten und kontinuierlichen Fertigung umgewandelt. Die zukünftige Integration wird die integrierte Fertigung des gesamten Fertigprodukts sein, wodurch der gesamte Prozess von Design, Produktion, Montage, Endproduktprüfung und Lieferung in einem automatisierten System abgeschlossen werden kann.

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