DE19909559C1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (1) aus Festmetall und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4). Diese werden durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet. Zur Verbesserung der Strombegrenzungseigenschaften bestehen die Verbindungskanäle (8) aus Kanalpaaren (81, 82) eng benachbarter konischer Durchbrüche mit jeweils entgegengerichtetem Öffnungswinkel.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegren­ zungseinrichtung bekannt, die Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. In­ nerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und da­ zwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander lie­ gende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlus­ ses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdich­ terraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Ver­ bindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt ange­ ordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontaktein­ richtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu ver­ wenden.

Bei Strombegrenzungseinrichtungen mit mehreren Verdichterräumen wird in­ folge der hintereinander liegenden Verbindungskanäle beim Auftreten eines Kurzschlusses durch die Anzahl der strombegrenzenden Lichtbögen ein ent­ sprechend hoher Spannungsabfall aufgebaut, der schließlich zur Unterbre­ chung des Kurzschlußstromes führt. Die Verbindungskanäle der bekannten Strombegrenzungseinrichtungen sind als zylindrische Bohrungen ausgeführt. Es wurde festgestellt, daß heißes Flüssigmetall, welches hauptsächlich an den Rändern der Verbindungskanäle aufgeheizt wird, durch Flüssigmetallströmun­ gen in das Kanalinnere transportiert wird. Da dieser Prozeß beidseitig der Zwi­ schenwände auftritt, kann die Wärme aus den Verbindungskanälen nicht aus­ reichend abgeführt werden. Dies führt bei Überlastströmen zu unerwünschten Erwärmungen des Flüssigmetalls und somit zu einer unzulässigen Stromun­ terbrechung. Damit sind die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen bei­ spielsweise nicht in Verbindung mit Motoren oder Transformatoren geeignet, da deren hohen Anlaufströme bzw. Einschaltströme, die ein mehrfaches ihrer Nennströme betragen, häufig zu einem unerwünschten Ansprechen der Strombegrenzungseinrichtungen führen.

Aus der DE-PS 756 740 ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrich­ tung mit Flüssigmetall bekannt, die einen Verbindungskanal aus einem Kanal­ paar eng benachbarter paralleler Durchbrüche aufweist, die an beiden Enden in trichterförmige Erweiterungen auslaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Überlastvermögen einer Strombegrenzungseinrichtung zu erhöhen, ohne dabei ihrer Ansprechschwelle und Ansprechzeit im Kurzschlußfall abzusenken.

Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Aufgrund der entgegengesetzt gerichtet konischen Kanalpaare und der sich daraus einstellenden Stromdichte- und Magnetkraftverteilung wird eine Um­ laufströmung des Flüssigmetalls im Bereich der Kanalpaare bewirkt, die im Nennbetrieb und im Überlastbetrieb unterhalb von Kurzschlußströmen für einen vorteilhaften Temperaturausgleich im Flüssigmetall sorgt. Mit derartigen Kanalpaaren ausgestattete Strombegrenzungseinrichtungen lassen sich an beliebigen Netzpunkten mit einer zum nachfolgenden Schaltgerät, beispiels­ weise Leistungsschalter, angepaßten Strombegrenzungskennlinie einsetzen, womit ein Überlast- und Kurzschlußschutz für die Anwendungsbereiche Generator- und Transformatorschutz, Kabel- und Leitungsschutz sowie Motor­ schutz ermöglicht wird.

Durch die geometrischen Abmessungen der konischen Durchbrüche sind die Strömungsgeschwindigkeit und das Umwälzvolumen des Flüssigmetalls und damit die Strombegrenzungskennlinie der Strombegrenzungseinrichtung in einem weiten Bereich wählbar. Zweckmäßig ist ein Öffnungswinkel der koni­ schen Durchbrüche zwischen 30° und 90°.

Es ist einerseits zweckmäßig, wenn die Zwischenwände im Bereich der Ver­ bindungskanäle Buchsen aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolieren­ dem Material aufweisen und im übrigen aus einem demgegenüber geringwer­ tigeren Werkstoff, beispielsweise einem preiswerten keramischen Material be­ stehen. Der Einsatz hochwertiger Materialien wird dadurch wirksam auf dieje­ nigen Bereiche der Zwischenwände, die im Kurzschlußfall den extremen Be­ dingungen ausgesetzt sind, eingeschränkt. Vorteilhaft sind die Zwischen­ wände - ausgenommen die Buchsen - aus einem preiswerten Formstoff her­ gestellt, der den außerhalb des Nahbereiches der Verbindungskanäle auftre­ tenden geringeren Temperaturanforderungen genügt.

Es ist anderseits zweckmäßig, die Zwischenwände aus einem temperatur- und abbrandfesten nichtkeramischen Werkstoff bestehen. Insbesondere Glimmer ist ein preiswerter und leicht, beispielsweise mittels Zerspanung, bearbeitbarer Werkstoff und weist eine ausreichende Beständigkeit gegen hohe Temperatu­ ren und gegen Lichtbogeneinwirkung auf. Die Zwischenwände lassen sich auch preiswert, insbesondere bei hohen Stückzahlen, aus einem hochtempe­ raturfesten Formstoff herstellen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Zwischenwände aus einer bearbeitbaren Glaskeramik bestehen. Derartige Glaskeramiken sind heutzutage preiswerter als die bisher für die Zwischenwände verwendeten herkömmlichen kerami­ schen Werkstoffe, insbesondere lassen sie sich problemlos spanend bearbei­ ten oder bei großen Stückzahlen als Formteil herstellen.

GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Ge­ wichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und be­ sitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebe­ nen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der einzigen Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt ist.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elek­ trode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die bezüglich der Längsachse der Strombegrenzungseinrichtung 10 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befin­ den sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von isolierenden Zwischenwänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Ab­ dichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssi­ gen Verbinden sind beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 be­ grenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwi­ schenwände 12 begrenzt. Das aus zwei gleichen Halbschalen 51 bestehende Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GaInSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigkeits­ spiegels 71 befindet sich in diesem Beispiel Vakuum oder ein Schutzgas.

Die Zwischenwände 12 sind mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbin­ dungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 sind erfindungsgemäß aus Kanalpaaren 81, 82 zusam­ mengesetzt. Die Kanalpaare 81, 82 sind als eng benachbarte konische Durchbrüche 81 und 82 ausgebildet, wobei sich im Beispiel die oberen Durch­ brüche 81 jeweils zum rechten und die unteren Durchbrüche 82 jeweils zum linken benachbarten Verdichterraum 4 weiten. Durch diese Anordnung werden im Normalbetrieb sowie bei Überlast - jedoch nicht bei Kurzschluß - temper­ turausgleichende Strömungen des Flüssigmetalls 7, angedeutet durch den Ringpfeil 72, im Bereich der Verbindungskanäle 8 hervorgerufen. Die Zwi­ schenwände 12 bestehen aus einem temperaturbeständigen Formstoff, der jedoch nicht den hohen Anforderungen an die Bedingungen genügen muß, die im Kurzschlußfall durch die entstehenden hohe Temperaturen und die Licht­ bögen entstehen. Dazu sind die Zwischenwände 12 im Bereich ihrer Verbin­ dungskanäle 8 mit eingepreßten Buchsen 13 versehen, die aus einem be­ kannten hochtemperatur- und abbrandfesten keramischen Material bestehen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausfüh­ rungsform beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Erfindung beispielsweise auch dahingehend ausgestalten, daß die Zwischenwände 12 als Ganzes aus einem hochtemperatur- und abbrandfesten Material, beispielsweise aus Glim­ mer oder einer bearbeitbaren Glaskeramik, bestehen, wobei die Kanalpaare 81 und 82 direkt in die Zwischenwände 12 eingearbeitet sind.

Claims (6)

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal­ tend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt­ zenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolie­ rende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (8) aus Kanal­ paaren (81, 82) eng benachbarter konischer Durchbrüche (81; 82) mit je­ weils entgegengerichtetem Öffnungswinkel bestehen.

2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Öffnungswinkel in einem Bereich von 30° bis 90°.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) im Bereich der Verbindungskanäle (8) Buchsen (13) aus hochtemperatur- und abbrand­ festem isolierendem Material aufweisen und im übrigen aus einem dem­ gegenüber geringwertigeren Werkstoff bestehen.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einem temperatur- und abbrandfesten nichtkeramischen Werkstoff, wie Glimmer oder einem hochtemperaturfesten Formstoff, bestehen.

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einer bear­ beitbaren Glaskeramik bestehen.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine GaInSn-Legierung als Flüssigmetall (7).