DE10018564A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält 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 Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden. Die Zwischenwände (12) weisen im Bereich der Verbindungskanäle (8) Buchsen (13) aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material auf. Zur Senkung der Temperatur- und Druckbelastung der Strombegrenzungseinrichtung (10) weist wenigstens ein Teil der Zwischenwände (12) einen endlichen Widerstand zwischen den jeweils benachbarten Verdichterräumen (4) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der DE 198 53 580 C1 ist eine solche Strombegrenzungseinrichtung be­ kannt, die zwei Elektroden aus Festmetall und mehrere teilweise mit Flüssig­ metall aufgefüllte, zwischen den Elektroden hintereinander liegende Verdich­ terräume enthält, die durch druckfeste Isolierkörper und durch diese gehaltene, elektrisch isolierende Zwischenwände mit Verbindungskanälen gebildet wer­ den, wobei zur Einsparung preis- und arbeitsintensiver Materialien die Zwi­ schenwände im Bereich der Verbindungskanäle Buchsen aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material aufweisen und im übrigen aus einem demgegenüber geringwertigeren Werkstoff, beispielsweise einem formbestän­ digen Formstoff, 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 Be­ grenzung des Kurzschlussstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. Von Nach­ teil ist die extreme Temperatur- und Druckbelastung der Strombegrenzungs­ einrichtung, insbesondere für die Zwischenwände und die Isolierkörper, durch die zündenden Lichtbögen, die bei einem zu begrenzenden äußeren Kurz­ schluss auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Temperatur- und Druck­ belastung der Strombegrenzungseinrichtung zu senken.

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.

Die widerstandsbehafteten Zwischenwände wirken gegenüber den Verbin­ dungskanälen als Parallelwiderstände, wobei im Normalbetrieb der größere Teil des Stromes durch die Verbindungskanäle geführt wird. Im Strombegren­ zungsfall wird das Flüssigmetall explosionsartig aus den Verbindungskanälen getrieben, wobei der Strom auf die widerstandsbehafteten Zwischenwände kommutiert. Damit wird entstehenden Lichtbögen Energie entzogen, wodurch diese sehr schnell gelöscht werden. Durch eine entsprechende Dimensionie­ rung des Widerstandes der Zwischenwände kann die Entstehung von Lichtbö­ gen sogar weitestgehend unterdrückt werden. Die widerstandsbehafteten Zwischenwände verringern demnach die Gesamtbelastung der Strombegren­ zungseinrichtung, was zu einer wesentlichen Erhöhung deren Lebensdauer führt. Die Zwischenwände haben im übrigen den Temperatur- und Druckbean­ spruchungen außerhalb der Verbindungskanäle zu genügen.

Für die widerstandsbehafteten Zwischenwände sind vorteilhaft leitfähige Poly­ mere, leitfähige Keramiken oder leitfähige Gemische dieser Materialien unter­ einander oder mit anderen Materialien zu verwenden. Durch die Verwendung von Materialien mit NTC-Verhalten kann die Lichtbogenlöschung weiter be­ schleunigt werden.

Ein vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass wenigstens die widerstandsbehafteten Zwischenwände mit einer lichtbogenfesten und diffusi­ onsbeständigen Materialschicht überzogen sind, die ihrerseits auch einen end­ lichen Widerstand aufweist. Einerseits werden die Zwischenwände damit vor dem Einfluss der Lichtbögen und des Flüssigmetalls abgeschirmt, was wieder­ um die Verwendung von sonst gegenüber diesen Einflüssen empfindlichen, jedoch häufig preiswerten Materialien für die Zwischenwände erlaubt. Ander­ seits werden die Zwischenwände bei einer ausreichend starken Ausgestaltung der Materialschicht gegenüber hohen Drücken stabiler, was wiederum die Verwendung von sonst gegenüber hohen Drücken empfindlichen, jedoch häu­ fig preiswerten Materialien für die Zwischenwände erlaubt.

Für die Materialschicht sind metallische Überzüge aus beispielsweise Wolfram, Molybdän, Nickel, Chrom oder Edelstahl zweckmäßig. Ein an bestimmten Stellen der Oberfläche vorgesehener Teilüberzug mit einer derartigen Materi­ alschicht hat den Vorteil, den Ort und die Intensität der Lichtbogenkommutie­ rung und damit die Begrenzungseigenschaften und/oder die Gesamtbelastung der Strombegrenzungseinrichtung zu beeinflussen.

Zweckmäßig ist eine durch Pulverbeschichten hergestellte Materialschicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen­ den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrich­ tung;

Fig. 2 eine Ausführungsform einer einzelnen Zwischenwand aus der Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach Fig. 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 ent­ sprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von Zwischen­ wänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wobei bekannte Mittei zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbin­ den 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 kraft­ schlüssigen 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 Ver­ dichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 be­ grenzt. 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 Vaku­ um. Die Zwischenwände 12 sind mit unterhalb der Längsachse 3 angeordne­ ten Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so dass zwischen den Elektroden 1 eine durchge­ hende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Zwischenwände 12 sind im Bereich ihrer Verbindungskanäle 8 mit Buchsen 13 versehen, die aus einem hochtemperatur- und abbrandfesten keramischen Material bestehen, wobei auch andere geeignete Materialien Anwendung finden können. Die Zwischen­ wände 12 bestehen im Gegensalz zum Stand der Technik aus einem Material mit einen endlichen Widerstand, beispielsweise aus einem leitfähigen Kunst­ stoff. Der Widerstand der Zwischenwände 12 ist jedoch größer als der Wider­ stand des Strompfades über das Flüssigmetall 7 in dem zugehörigen Verbin­ dungskanal 8 unter Normalbedingungen ist. Im Strombegrenzungsfall wird je­ doch der Widerstand der Verbindungskanäle 8 durch das verdrängte Flüssig­ metall 7 schlagartig vergrößert, so dass über die leitenden Zwischenwände ein erheblicher Teil des zu begrenzenden Stromes geleitet wird, was zu einer sehr schnellen Löschung der in den Verbindungskanälen 8 entstehenden Lichtbö­ gen oder sogar zur Vermeidung von Lichtbögen führt.

Wie im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Zwischenwände 12 zu bei­ den Seiten mit einer leitenden Materialschicht 14 aus einem gegenüber dem Flüssigmetall 7 diffusionsbeständigen und gegenüber Lichtbogeneinflüssen resistenten Material, beispielsweise aus Molybdän, beschichtet. Eine derartige leitfähige Kombination aus Zwischenwand 12 und Materialschichten 14 ist aus­ reichend widerstandsfähig sowohl gegen die im Strombegrenzungsfall auftre­ tenden extremen Druckbedingungen als auch gegen materialschädigende Einflüsse des Flüssigmetalls 7 sowie kommutierter Lichtbögen, wobei die Buchsen 13 aus beidseitig eingepressten Halbkörpern eine hohe Lichtbogen­ festigkeit gewährleisten. Die diffusionsbeständigen Materialschichten 14 ver­ hindern ein Aufquellen oder Auflösen der Zwischenwände 12, eine damit ver­ bundene Verunreinigung des Flüssigmetalls 7 und somit eine unerwünschte Veränderung der Eigenschaften der Strombegrenzungseinrichtung 10. Die Aufbringung der Materialschichten kann beispielsweise durch Aufdampfen, Aufvulkanisieren oder Aufkleben erfolgt sein.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So können beispielsweise die Zwi­ schenwände 12 nur einseitig mit einer Materialschicht 14 überzogen oder beidseitig oder einseitig nur zum Teil mit einer Materialschicht 14 versehen sein. Auch Kombinationen aus mehr als drei Schichten sind denkbar. Ebenso kann es sinnvoll sein, die Zwischenwände 12 nur zum Teil aus einem wider­ standsbehafteten und im übrigen aus einem isolierenden Material aufzubauen, wobei derartige Zwischenwände keinen, einen teilweisen oder einen vollstän­ digen ein- oder beidseitigen Überzug mit einer Materialschicht 14 aufweisen können. Weiterhin ist es sinnvoll, nur einen Teil der Zwischenwände wider­ standsbehaftet und den übrigen Teil isolierend auszuführen.

Claims (7)

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal­ tend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt­ zenden 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 Zwi­ schenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, wobei die Zwischenwände (12) im Bereich der Verbindungskanäle (8) Buchsen (13) aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolierendem Material aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Zwischenwände (12) zwischen den jeweils benachbarten Verdichterräumen (4) einen endli­ chen Widerstand aufweist, der im Normalbetrieb der Strombegrenzungs­ einrichtung (10) merklich größer als der durch das Flüssigmetall (7) im zu­ gehörigen Verbindungskanal (8) gebildete Widerstand ist.

2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die widerstandsbehafteten Zwischenwände (12) aus einem leit­ fähigen Polymer oder einer leitfähigen Keramik oder aus einem leitfähigen Gemisch dieser Materialien untereinander oder mit anderen Materialien bestehen.

3. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die widerstandsbehafteten Zwischen­ wände (12) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten behaftet sind.

4. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die widerstandsbehafteten Zwischenwände (12) mit einer Materialschicht (14) aus einem lichtbogen­ festen und gegenüber dem Flüssigmetall (7) diffusionsbeständigen Mate­ rial mit endlichem Widerstand überzogen sind.

5. Strombegrenzungseinrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (14) aus Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierun­ gen oder aus hochlegiertem Edelstahl, insbesondere mit hohem CrNi- Gehalt, besteht.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine Teiloberfläche der Zwischenwände (12) mit der Materialschicht (14) bedeckt ist.

7. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (14) pulverbeschichtet ist.