DE10018563B4

DE10018563B4 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall

Info

Publication number: DE10018563B4
Application number: DE2000118563
Authority: DE
Inventors: Peter Terhoeven; Frank Berger; Andreas Krätzschmar; Thomas Freyermuth
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-04-15
Also published as: DE10018563A1

Abstract

Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere teilweise mit Flüssigmetall (7) aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5, 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12; 12a; 12b) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, wobei die Zwischenwände (12; 12a; 12b) im Bereich der Verbindungskanäle (8) Buchsen (13; 13a; 13b) aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material aufweisen und im übrigen aus einem im Vergleich dazu geringwertigeren Werkstoff bestehen, nach Patent Nr. 198 53 580, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (12; 12a; 12b) mehrschichtig aus ausreichend biegesteifem Material und nichtleitendem Material zusammengesetzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der als Hauptpatent zugrunde liegenden DE 198 53 580 C1 ist eine Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die zwei Elektroden aus Festmetall und mehrere teilweise mit Flüssigmetall aufgefüllte, zwischen den Elektroden hintereinander liegende Verdichterräume enthält, die durch druckfeste Isolierkörper und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände mit Verbindungskanälen gebildet werden, wobei zur Einsparung preis- und arbeitsintensiver Materialien die Zwischenwände im Bereich der Verbindungskanäle Buchsen aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material aufweisen und im übrigen aus einem demgegenüber geringwertigeren Werkstoff bestehen. Im Normalbetrieb besteht über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte schlagartig 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 Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Belastbarkeit der Zwischenwände gegen den im Strombegrenzungsfall auftretenden hohen Druck zu verbessern.
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.
Durch den mehrschichtigen Aufbau aus zumindest einer Schicht mit ausreichend biegesteifem Material und zumindest einer Schicht aus nichtleitendem Material werden Zwischenwände geschaffen, die sowohl den extremen Druckbedingungen im Strombegrenzungsfall als auch den Isolationsbedingungen zwischen den Verdichterräumen genügen. Für die Materialien der einzelnen Schichten sind geringwertigere Werkstoffe gegenüber dem Werkstoff für die Buchsen, die extremen Bedingungen durch entstehende Lichtbögen genügen müssen, zu verwenden, wobei jedoch mindestens eine Schicht für eine ausreichende Steifigkeit der Zwischenwand sorgt.
Einerseits wird mit Vorteil eine metallische und damit steife Mittelschicht beidseitig von einem nichtleitendem Material überzogen, wobei beispielsweise als Metall Stahl bzw. als nichtleitender Überzug Kunststoff, Keramik oder Emaille Anwendung finden. Der nichtleitende Überzug ist beispielsweise durch Lackieren oder Pulverbeschichten herstellbar.
Anderseits wird mit Vorteil eine isolierende Mittelschicht beidseitig von einer Metallschicht bedeckt, wobei vorzugsweise als innere Isolierschicht Kunststoff oder Glimmer und als Metallschicht diffusionsbeständiges Material, wie Wolfram, Molybdän usw. Anwendung findet. Durch die metallische Versiegelung der inneren Isolierschicht können für letztere auch billige Materialien Verwendung finden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen
1: im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung;
2: eine erste Ausführungsform einer einzelnen Zwischenwand aus einer Strombegrenzungseinrichtung nach 1;
3: eine zweite Ausführungsform einer einzelnen Zwischenwand aus einer Strombegrenzungseinrichtung nach 1.
Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach 1 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die bezüglich der Längsachse 3 der Strombegrenzungseinrichtung 10 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlussleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden 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 Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise durchgehende Spannschrauben. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 begrenzt. Das im allgemeinen mehrteilige 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 Flüssigmetalls 7 befindet sich beispielsweise Vakuum. Die Zwischenwände 12 sind mit unterhalb der Längsachse 3 angeordneten Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so dass zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Zwischenwände 12 bestehen aus mehreren quer sich zur Längsachse 3 erstreckenden und innig miteinander verbundenen Schichten. Die Zwischenwände 12 sind im Bereich ihrer Verbindungskanäle 8 mit Buchsen 13 versehen, die im Beispiel aus einem hochtemperatur- und abbrandfesten keramischen Material bestehen.
Die aus drei Schichten bestehenden Zwischenwände 12a gemäß 2 weisen als innere Schicht eine Metallschicht 14, beispielsweise aus biegesteifem V2A-Stahl, als äußere Schichten jeweils einen nichtleitenden Überzug 15, beispielsweise einem Kunststoff, mit ausreichender Temperaturbeständigkeit und ausreichender Durchschlagsfestigkeit auf. Die innere Metallschicht 14 fängt den im Strombegrenzungsfall entstehenden hohen Druck ab, die nichtleitenden Überzüge 15 gewährleisten die isolierenden Eigenschaften der Zwischenwände 12a, und die eingelassenen Buchsen 13a gewährleisten die Lichtbogenfestigkeit der Zwischenwände 12a.
Die ebenfalls aus drei Schichten bestehenden Zwischenwände 12b gemäß 3 weisen als innere Schicht eine Isolierschicht 16, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff, und als äußere Schichten jeweils eine Metallschicht 17 auf. Die Isolierschicht 16 und die beiden Metallschichten 17 gewährleisten die Druckfestigkeit der Zwischenwände 12b, während die Buchsen 13b aus beidseitig eingepressten Halbkörpern die Lichtbogenfestigkeit der Zwischenwände 12b gewährleisten. Vorzugsweise bestehen die Metallschichten 17 aus einem gegenüber dem Flüssigmetall 7 diffusionsbeständigem Material, beispielsweise einem hochlegierten Edelstahl, oder die Metallschichten 17 weisen eine am jeweiligen Verdichterraum 4 angrenzende dünne Schutzschicht aus einem derartigen Material, beispielsweise Molybdän auf. Derartige diffusionsbeständige Materialien verhindern die Auflösung der Metallschichten 17 sowie die Verunreinigung des Flüssigmetalls 7 und damit eine unerwünschte Veränderung der Eigenschaften der Strombegrenzungseinrichtung 10.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So können beispielsweise die Zwischenwände 12 aus mehr als drei Schichten oder aus nur zwei Schichten bestehen, wobei in allen Fällen durch die Wahl der Materialien und die geeignete Art der Verbindung der Schichten eine ausreichende Druckfestigkeit und Isolationsfestigkeit gewährleistet sein muss.

Claims

Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere teilweise mit Flüssigmetall (7) aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5, 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12; 12a; 12b) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, wobei die Zwischenwände (12; 12a; 12b) im Bereich der Verbindungskanäle (8) Buchsen (13; 13a; 13b) aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material aufweisen und im übrigen aus einem im Vergleich dazu geringwertigeren Werkstoff bestehen, nach Patent Nr. 198 53 580, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (12; 12a; 12b) mehrschichtig aus ausreichend biegesteifem Material und nichtleitendem Material zusammengesetzt sind.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (12a) aus einer inneren Metallschicht (14) und beidseitig angrenzend an die Verdichterräume (4) aus jeweils einem nichtleitenden Überzug (15) bestehen.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtleitende Überzug (15) aus Kunststoff, Keramik oder Emaille besteht.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (12b) aus einer inneren Isolierschicht (16) und beidseitig angrenzend an die Verdichterräume (4) aus einer Metallschicht (17) bestehen.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Isolierschicht (16) aus Kunststoff oder Glimmer besteht.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (17) aus gegenüber dem Flüssigmetall (7) diffusionsbeständigem Material, wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Chrom oder hochlegiertem Edelstahl, besteht.