DE10139565B4

DE10139565B4 - Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall

Info

Publication number: DE10139565B4
Application number: DE2001139565
Authority: DE
Inventors: Thomas Freyermuth
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2021-08-11
Also published as: WO2003015115A1; DE10139565A1; EP1415315A1

Abstract

Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung in einem Isolierstoffgehäuse, enthaltend
– zwei Elektroden (13.1; 13.2) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis (S),
– einen zwischen den Elektroden angeordneten, mit Flüssigmetall (18) unvollständig gefüllten Raum (5), wobei das Flüssigmetall (18) die Elektroden (13.1; 13.2) benetzt und der Raum (5) durch einen druckfesten Isolierkörper (16) umschlossen ist,
– weiterhin ist der in der Gebrauchslage der Einrichtung (1) vom Flüssigmetall (18) eingenommene Raum (5) durch mindestens eine im wesentlichen senkrecht vom Boden des Raums aufstehende isolierende Trennwand (6) in zwei Teilräume geteilt, dadurch gekennzeichnet,
dass beide Elektroden (13.1; 13.2) getrennt durch die Trennwand (6) im Bereich des Bodens des Raums (5) angeordnet sind,
dass die Oberkante der Trennwand (6) unterhalb der Füllhöhe (18.1) des Flüssigmetalls (18) liegt,
wobei der Strompfad (W) derart gebildet ist, dass dieser oberhalb der Trennwand (6) um 180° gekrümmt verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Strombegrenzungseinrichtungen finden vorzugsweise Anwendung zur Strombegrenzung in Niederspannungsnetzen.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die zwei zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung eben ausgebildete Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als zylindrisches, druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgebildet sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende 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 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.

In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere Gallium-Indium-Zinn-Legierungen (GaInSn-Legierungen) zu verwenden. Diese bekannten Strombegrenzungseinrichtungen funktionieren nur in waagerechten und gering davon abweichenden Gebrauchslagen.

Andere Anordnungen, die den Einsatz in verschiedenen Gebrauchslagen zulassen, finden sich in den Schriften DE 199 14 147 A1 und DE 198 53 577 C1 . Die in den Anordnungen ausgebildeten Verbindungskanäle werden je nach Lage unterschiedlich benetzt bzw. gefüllt. Ein auftretender Lichtbogen räumt durch den Pinch-Effekt den Flüssigmetall-Inhalt aus den engen Kanälen aus, wodurch die Anordnungen als Strombegrenzer einsetzbar sind.

Eine als Öffner oder Umschalter ausgebildete Anordnung ist in der US 4 621 561 beschrieben. Hier tauchen eine als Stift ausgebildete und zweite um den Stift koaxial angeordnete Elektrode(n) von oben in ein Flüssigmetallvolumen ein. Magnetoelektrische Stromkräfte bewirken die Verdrängung des Flüssigmetalls aus der Umgebung der zentral liegenden Stiftelektrode, so dass diese Elektrode freigelegt und vom Stromfluß abgeschnitten wird. Durch konstruktive Maßnahmen kann die kritische Schalt-Stromstärke festgelegt werden.

Weiterhin ist in der US 4 429 295 eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung beschrieben, mit einer Flüssigmetall enthaltenden, zylindrischen Kammer, an deren Endflächen die Elektroden angeordnet sind. Im Stromweg befindet sich ein ebenfalls zylindrischer Körper, in dem ein verengter Durchgangskanal für den Strompfad ausgebildet ist. Diese Einrichtung wird in einer Gebrauchslage betrieben, in der der Durchgangskanal im wesentlichen waagerecht liegt.

Bekannte Strombegrenzungseinrichtungen haben den Nachteil, dass ein brennender Lichtbogen seinen Fußpunkt auf einer der Elektroden hat, wobei die Elektroden verbrennen, oder thermisch angegriffen werden. Ein weiterer Der Erfindung liegt – ausgehend von der letztgenannten Einrichtung – die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung anzugeben, die möglichst unempfindlich ist gegen äußere Felder und bei der ein entstehender Lichtbogen möglichst ohne Kontakt zu einer der Elektroden brennt.

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.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass ein Lichtbogen im Volumen des Flüssigmetalls entsteht und dort brennt. Weiterhin wird ein gekrümmter Stromweg erzeugt, der von der Lage der Elektroden und von der Geometrie der Trennwand bestimmt ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich der besondere Effekt, dass ein Lichtbogen mit gekrümmten Verlauf unter der Wirkung des eigenen Magnetfeldes die Tendenz hat, seine Länge zu vergrößern und sich quasi selbst zu schwächen.

Die bogenförmige Strombahn, die insbesondere hin zur Flüssigkeitsoberfläche gekrümmt ist, bewirkt die Verlagerung des Lichtbogens zur Flüssigmetalloberfläche hin. Mit der Vergrößerung der Länge wird der Ladungstransport begrenzt und die Tendenz zum Erlöschen vergrößert. Die Ausbildung des Lichtbogens bringt es mit sich, dass Flüssigmetall in die Höhe geschleudert werden kann, wodurch ebenfalls eines Begrenzung der Lebensdauer eintritt. Zur weiteren Beschleunigung des Löschvorgangs können im Bereich der Flüssigmetall-Oberfläche Löschbleche angeordnet werden, so dass ein dort hinein gedrängter Lichtbogen in Teillichtbögen vereinzelt und abgekühlt wird.

Der Vorteil einer bevorzugten koaxialen, bzw. Torus-Anordnung ist, dass der Strombegrenzer elektrodynamisch gegen Fremdfelder unempfindlich ist. Die Stromwege und die Position eines Lichtbogens wird von äußeren Feldern nicht oder nur gering beeinflusst. Die Torus-Anordnung ermöglichst auch das Entstehen und Brennen mehrerer Teillichtbögen, da kein Entstehungsort – beispielsweise durch Ecken mit hohen Potentialspitzen – bevorzugt ist.

Eine der Elektroden steht zentral im Gehäuse, die isolierende Trennwand und die zweite Elektrode sind rotationssymmetrisch um die erste Elektrode herum angeordnet. Es wird dadurch ein koaxialer Stromweg im Flüssigmetall ausgebildet, der auch durch einen Halbtorus beschrieben werden kann.

Zu weiteren Einzelheiten oder Ausführungsformen der Erfindung wird angeführt: Der Querschnitt des Stromwegs kann durch mindestens einen metallischen Gegenstand eingeengt sein. Diese als Löschbleche fungierende Elemente sind isoliert im Innern des Gefäßes befestigt.

Die Trennwand kann becherförmig (als Zylinder) oder auch kuppelförmig (nach oben geschlossener Zylinder mit Öffnungen) ausgebildet sein. Vorhandene Öffnungen für den Stromweg sind zur Flüssigmetalloberfläche gerichtet.

Der Querschnitt des Stromwegs, bzw. das Niveau des Flüssigmetalls ist durch Verschieben mindestens eines isolierenden Körpers (eine Zwischenwand oder ein Stempel) veränderbar.

Der Raum kann metallisch umhüllt sein und auf dem Potential einer der Elektroden liegt, wodurch noch die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Beeinflussung von außen erhöht wird.

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 Gewichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10 bis 2000 °C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.

Eine als Strombegrenzer ausgebildete Anordnung kann für die Sicherung eines elektrischen Geräts oder einer Schaltung mit einem Sicherungsschalter in Reihe geschaltet werden. Der Sicherungsschalter stellt sicher, dass ein seiner Stärke begrenzten Strom definitiv abgeschaltet wird.

Der maximale Querschnitt des Stromwegs – eingestellt durch die Niveauhöhe des Flüssigmetalls oder durch die Querschnitte der möglichen Strombahnen – lässt sich auf einen bestimmten Wert der Strombelastbarkeit einstellten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand der einzigen Figur erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung im Schnitt.
Die Strombegrenzungseinrichtung 1 ist rotationssymmetrisch ausgebildet mit vertikaler Symmetrieachse und wird von einem Isolierstoffgehäuse 16 druckfest umschlossen. Die Elektroden 13.1; 13.2 sind aus Festmetall mit Anschluss an einen zu schützenden Stromkreis S. Die Elektroden 13.1 und 13.2 werden von Flüssigmetall 18 ganz bedeckt, so dass zwischen den Elektroden eine durchge hende elektrisch leitende Verbindung besteht. Seitlich aus der Einrichtung wird der Strom zu Stromanschlussstellen herausgeführt. Die aus Kupfer bestehenden Elektroden sind galvanisch vergütet, um gegen Korrosion mit dem Flüssigmetall geschützt zu sein. Der Innenraum 5 ist teilweise mit Flüssigmetall 18 gefüllt, wobei das Flüssigmetall 18 die Elektroden 13.1; 13.2 benetzt. Im Volumen des Flüssigmetalls 18 steht mindestens eine isolierende Trennwand 6, die mindestens einen Verbindungskanal 9 für den Stromfluss im Flüssigmetall 18 zwischen den Elektroden 13.1; 13.2 bestimmt. Die Elektroden liegen unterhalb der Oberkante der becherförmigen Trennwand 6. Das Material des als Zylinder ausgebildeten Körpers 6 ist Keramik. Sein oberer Rand ist gerundet. Zwischen dem oberen Rand und der Flüssigmetall-Oberfläche verlaufen die Feldlinien und bilden den Querschnitt des Stromwegs.
Der Stromweg W läuft torus-artig von der inneren Elektrode 13.1 über die Kante der Trennwand 6 auf stark gekrümmten Weg zu der äußeren Elektrode, die ringförmig und somit rotationssymmetrisch im Isolierstoffgehäuse angeordnet ist. Erfindungswesentlich ist die koaxial Anordnung, in der die Strombahn einen stark gekrümmten Weg hat.
Vorteilhaft ist, wenn die Flächen der Elektroden flächengleich ausgebildet sind, da bei einer solchen Anordnung die Feldverteilung sehr homogen ist.
In die Flüssigmetallschicht tauchen metallische, isoliert befestigte Löschbleche 8 ein. Bei Ausbildung eines Lichtbogens wird das Flüssigmetall stark verwirbelt; die Löschbleche tragen nicht nur zur Verringerung der Branddauer des Lichtbogens, sondern auch zur Dämpfung der Bewegung des Flüssigmetalls bei. Oberhalb des Flüssigmetalls 8 befindet sich beispielsweise Vakuum oder eine Inertgas-Atmosphäre. Das Gehäuse ist doppelwandig ausgebildet. Ein inneres Gehäuse kann über (hier in der Figur schematisch angedeutete) Federelementen oder Federbälge 40 elastisch gegen auftretenden Druck reagieren (4). Eine andere Möglichkeit einen Druckausgleich vorzunehmen, kann bei spielsweise darin bestehen, dass ein Druckausdehnungsgefäß benutzt wird welches an der Anordnung passend angeordnet wird.
Weiterhin befinden sich sämtliche Verbindungskanäle 9 eines kuppelförmigen Trennkörpers 6 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 18.1.
Im Isoliergehäuse werden die Elektroden, die Zwischenwand und die anderen Elemente gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Elektroden gegen die Wandungen und gegen den Trennkörper (O-Ringe) und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Isoliergehäuse vorgesehenen Bauteile eingesetzt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese jedoch nicht dargestellt.
Das Gehäuse ist in Art eines Faraday-Käfigs metallisch umhüllt (Bezugszeichen 13.3) und liegt auf dem Potential einer der Elektroden, wodurch noch die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Beeinflussung von außen erhöht wird.
Der Querschnitt des Stromwegs kann durch Verschieben des im zentralen Bereichs angeordneten Stempels 7 aus Isoliermaterial verändert werden.
Das Niveau des Flüssigmetalls kann auch während des Schaltvorgangs – getriggert durch den plötzlichen Stromanstieg – verändert werden. Damit ist erreichbar, dass mehrphasig geschaltete Einrichtungen kontrolliert schaltbar sind. Die Art der Beeinflussung kann auch durch vorgegebene und je nach Einsatzfall bestimmte Kennlinien eingestellt werden.

Claims

Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung in einem Isolierstoffgehäuse, enthaltend – zwei Elektroden (13.1; 13.2) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis (S), – einen zwischen den Elektroden angeordneten, mit Flüssigmetall (18) unvollständig gefüllten Raum (5), wobei das Flüssigmetall (18) die Elektroden (13.1; 13.2) benetzt und der Raum (5) durch einen druckfesten Isolierkörper (16) umschlossen ist, – weiterhin ist der in der Gebrauchslage der Einrichtung (1) vom Flüssigmetall (18) eingenommene Raum (5) durch mindestens eine im wesentlichen senkrecht vom Boden des Raums aufstehende isolierende Trennwand (6) in zwei Teilräume geteilt, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (13.1; 13.2) getrennt durch die Trennwand (6) im Bereich des Bodens des Raums (5) angeordnet sind, dass die Oberkante der Trennwand (6) unterhalb der Füllhöhe (18.1) des Flüssigmetalls (18) liegt, wobei der Strompfad (W) derart gebildet ist, dass dieser oberhalb der Trennwand (6) um 180° gekrümmt verläuft.
Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (13.1; 13.2) und die Trennwand (6) rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (13.1) zentral im Gehäuse, eine Trennwand (6) und die zweite Elektrode (13.2) rotationssymmetrisch um die erste Elektrode (13.1) herum angeordnet sind.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand (6) becherförmig mit einer zur Flüssigmetalloberfläche (18.1) gerichteten Öffnung und ausgebildet ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennwand kuppelförmig mit mehreren zur Flüssigmetalloberfläche (18.1) gerichteten Öffnungen (9) für den Stromweg (W) ausgebildet ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Stromwegs (W) durch mindestens einen metallischen Gegenstand (8) eingeengt ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt es Stromwegs (W) durch Verschieben mindestens eines isolierenden Stempels (7) veränderbar ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau des Flüssigmetalls (18.1) während des Schaltvorgangs durch Verschieben eines Stempels (7) veränderbar ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Flüssigmetall gefüllte Raum (5) metallisch umhüllt ist und auf dem Potential einer der Elektroden (13.1, 13.2) liegt.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Querschnitt des Stromwegs (W) auf einen bestimmten Wert der Strombelastbarkeit eingestellt ist.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (5) mit mindestens einem Mittel (40) zum Druckausgleich bei Ausbildung eines Lichtbogens ausgestattet ist.