DE1763146A1 - Strombegrenzer - Google Patents

Description

General Electric Company, 1 River Road» Schenectady, N.Y. /USA Strombegrenser

Die Erfindung besieht sich auf Fehlerstrombegrenzer, die sueanaen mit Stromunterbrechern verwendet werden. Insbesondere besiebt sie sieh auf selbstheilende Geräte, die für eine »ehrfache Verwendung ausgelegt sind, in denen die Strombegitensung durch eine Widerstandsänderung eines Leiters erreicht wird, der vom flüssigen in den dampfförmigen Aggregat suatand übergeht, wenn «in Fehlerstrom auftritt.

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Auf allen Gebieten gewinnen Anlagen mit hoher Leistung mehr und mehr an Raum. Mit diesem Ansteigen der verfügbaren Leistung, der Leistungsbeanspruchung und dem erhöhten Grad der Vermaschung wächst aber auch die Möglichkeit dafür an, daß Fehlerströrae mit zerstörender Wirkung auftreten» und damit wachet die Schwierigkeit an, die einzelnen Anlagsnseile vor den Folgen der zerstörerischen hohen Fehlerströme zu schützen« Diese Fehlerstrume bergen eine mögliche Ursache für eins Zerstörung in sich und deshalb ist ein Schutz des Netzes notwendig. In Netzen, die für hohe Spannungen und hohe Ström® ausgelegt sind, kann ein derartiger Schutz auf einfach« Weise durch die Verwendung komplizierter und teurer Stromunterbrecher sowie ähnlicher Schalter erreicht werden. Die hohen Kosten für diese Schalter werden sicherlich dadurch gerechtfertigt, daß die laufend ansteigenden Spannungen und Ströme durch andere Vorrichtungen nicht geschaltet werden können. Für niedrigere Spannungen, also beispielsweise Netze bis zu 1000 Volt für Versozgmgsleitungen und Sekundär leitungen, ist die Verwendung derartig komplizierter und teurer Vorzichtungen wirtschaftlich nicht mehr durchführbar. Derartige Anlagen werden im allgemeinen durch ein· Konbination au· einer strombegrenzenden Schmelzsicherung and einen relativ kleinen Stromunterbrecher geschützt. Hierfür könnte beispielsweise

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ein St?oi3unterb?eeh€*r rait Künste vG-f-i'gehäusii© verwendet werden» Wenn während des Betriebes ein Fehlerstrom auftritt, setzt die Schmelzsicherung dadurch den Strom für dan Stromunterbrecher, herab, daß ale den Übergangestrom durch SelbstBarstörung vernichtet. Dadurch kann der verbleibende,relativ geringe Strom durch den Stromunterbrecher für niedrige Ströme abgeschaltet werden, ohne daß die Verwendung eines teuren Stromunterbrechers «!'forderlich ist.

Diese Art der Strombegrenzung und Stromunterbreehung ist zwar in vielen Fällen durchaus möglich und Wirtschaftlieh, wenn die Auswechselung einer durchgebrannten Schmelzsicherung vor einen erneuten Einschalten keinen allzu großen Aufwand erfordert. Dennoch möchte man gern über selbstheilende Strombegrenzer verfügen» die eine derartige Auswechselung vor einer erneuten Einschaltung der Anlege überflüssig machen.,

Es sind vor kurzer Zeit mehrfach verwendbare, aerstörungsfreie Strombegrenzer entwickelt worden. Ein derartiger Strombegrenser ist beispielsweise in dem US-Patent 3 117 203 vom 7. Januar 1964 beschrieben worden. Diese Vorrichtungen beru&en auf der Änderung des Aggregatsustandes eines Leiters, der in kaltem Zustand eine Flüssigkeit ist, die bei Auftreten eines hohen Stromes oder im heißen Zustand verdampft« Dadurch wächst der Widerstand

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in dem Strorabegr«n&er stark an und begrenzt somit dsn Strom.* woraufhin dieser beispielsweise dursh einen Stromunterbrecher mit Kunststoffgehäuse abgeschaltet werden kann. Diese Strombegrenzer sind für relativ kleine Spannungen und Ströme anwendbar und arbeiten hier· durchaus zufriedenstellend. Es wäre jedoch vorteilhaft, wenn man mit den serstörungsfreien Strombegrenzern, die auf einer Änderung des Aggregatsustandes beruhen, größere Leistungen beherrschen könnte und wenn man die nutzbare Lebensdauer dieser Vorrichtungen so hoch wie möglich machen könnte. Außerdem ist es wünschenswert, daß die Unkosten pro Unterbrechung in solchen Vorrichtungen gesenkt werden, und daß die Spannungen und Ströme, die durch eine Kombination derartiger Strombegrenser mit Stromunterbrechern für niedrige Leistungen bisher geschaltet werden konnten, stark erhöht werden, ohne daß dadurch die Kosten hierfür wesentlich wachsen.

In einer gleichseitig eingereichten Anmeldung ist bereits ein Strombegrenzer vorgeschlagen worden, dessen Funktion auf der Änderung des Aggregatsustandes eines Leiters beruht, der die oben genannten Anforderungen recht sufriedenstellend erfüllt. Obwohl der Strombegrenser nach diesem Vorschlag eine große Verbesserung gegenüber bekannten Strombegrenzern darstellt, die auf der Änderung des Aggregatsustandes

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beruhen, so ist es doch erforderlich, daß für deren betrieblichen Einsatz mehrere Bauteile mit sehr engen Genauigkeitstoleransen hergestellt werden. Es ist daher wünschenswert, wenn der Aufbau dieser Strombegrenzer vereinfacht wised, und wenn nur möglichst wenige Bauteile mit engen Qenauigkeitstoleransen hergestellt werden müssen.

Ziel der Erfindung sind daher zerstörungsfrei arbeitende .-Strombegrenser, deren Funktion auf der Änderung des Aggregat- μ sustandes eines Fehlerstromleiters beruht. Diese Strombegrenser sollen bei hohen Spannungen und Strömen verwendbar sein, und sie sollen eine große Anzahl Stronbegrensungen selbetheilend

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durchführen können. Außerdem sollen sie einfach und wirtschaftlich hersustellen sein.

Die Erfindung beinhaltet einen Strombegreneer, in dem ein

metallischer Leiter mit einem relativ geringen Kaltwiderstand den Strom leitet, sofern er den Nennstrom nicht übersteigt.

Wenn jedoch ein Fehlerstrom auftritt, der mehrere tausend Aapere "

betragen kann, so wird der metallisch· Leiter verdampft und stellt somit einen hohen Widerstand dar. Dadurch wird die Höhe des Stromes begrenzt, ohne daß der Strombegrenser eerstOrt wird.

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Weiterhin ist der Kanal, der den metalliaehen Stromleiter aufnehmen soll, dadurch gebildet, daß in die aufoinanderliegenden Oberflächen sweiar keramischer Teile £iU3&mr,ienpassende Vertiefungen eingearbeitet sind. Die beiden keramischen Teile werden mit einem ausreichenden Druck zusammengepreßt, damit sie thermischen und mechanischen Stößen standhalten, die während einer Strombegrenzung beim Phasenwechsel des Fehlerstromleiters vom flüssigen sum dampfförmigen Zustand auftreten.

Weiterhin sind erflndungsgemäß zwei hochfeste Kopfstücke aus duktilem Stahl vorgesehen, durch *die die beiden keramischen Teile, die den Kanal enthalten, gehaltert sind. Jedes Kopfstück weist eine Kammer auf, zwischen denen während der Strombegrenzung in dem dampfförmigen Anteil des Fehlerstromleiters ein Lichtbogen besteht. Diese Kammern enthalten Metall, das leicht von dem noch flüssigen Fehlerstremieiter bendst wird und so als Fußpunkt für den Lichtbogen dient. Weiterhin ist in jedem Kopfstück ein hin- und herbewegbarer Kolben angeordnet, damit sich das Volumen,, für den Fehler stromleiter vergrößern kann,und die mechanischen und thermischeη Stöße möglichst klein gemacht werden, wenn der Fehleretromleiter von dem flüssigen in den dampfförmigen Aggregatzustand

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übergeht. Jeder Kolben ist durch zusararaenpressbare Kissen federnd gelagert, damit der Kolben sowohl vor als auch während der Strombegrenzung leichter mit dem metallischen Fehlerstromleiter in mechanischer Berührung gehalten werden kann. Die Erfindung kann am besten anhand der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.

Figur 1 ist ein vertikaler Querschnitt und se igt den Aufbau eines erfindungsgemä&en Strombegrensers mit einer dünnen Platte« Dabei sind gewisse Teile aufgeschnitten gezeichnet.

Figur 2 ist eine Ansieht von oben auf den Strombegrenser nach Figur 1.

Figur 3 ist ein· perspektivische Ansicht und seigt eine der flachen Scheiben, die einen Teil des Kanals bilden, der den metallischen Fehlerstromleiter des Stromunterbrechers nach Ffeur 1 aufnehmen soll.

Figur k ist ein vergrößerter Querschnitt der in Figur 3 perspektivisch dargestellten Scheibe.

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Figur 5 ist ein vertikaler Querschnitt einer anderen dünnen Scheibe für den Strombegrenzer nach Figur 1, die an Stelle der in den Figuren 3 und 4 dargestellten dünnen Scheiben verwendet werden kann.

Zn Figur 6 ist eine Funktion mit verschiedenen Parametern graphisch dargestellt, die für das Verständnis der physikalischen Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers nützlich sein kann, der auf einer Aggregatzustandsänderung eines Fehlerstromleiters beruht.

In Figur 1 der Zeichnungen ist ein Stroabegrenzer 3.0 dargestellt, der ein oberes Kopfstück 11 und ein.unteres Kopfstück 12 aufweist, welche durch eine größere Anzahl Bolzen 13 miteinander verbunden sind.

Zwischen diesen beiden Kopfstücken sitet unter Druck ein scheibenförmiger Einsatz It, welcher einen Kanal,für den Fthlerstromleiter besitzt. Dieser scheibenförmige Einsatz . 14 weist «in« ober« Scheibe 15 mit einem Isolator und eine untere Scheibe 15 nit einem Isolator sowie innen «inen isolierenden Abdiohtungsring 17 und außen «inen isolierenden Abdiehtungsriiig 18 auf. Eine Öffnung 19 in der oberen Scheibe 15 führt zu einer Kammer 20, die mit einem Kolben 21 in Ver-

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bindung steht. Dieser Kolben ist durch ein susaramendrückbares Kissen 22 federnd gehaltert * Ein Gewindebolzen 23 fixiert die Stellung des Kolbens 21 und des elastischen Kissens 22 in dem Kopfstück 11. Die Kammer 20 weist einen kreisförmigen Kontaktring 24 aus Metall auf, beispielsweise aus Kupfer, das von dem flüssigen Stromleiter gut benetzt wird und als Fußpunkt für den Lichtbogen dient. Eine entsprechende öffnung 25 in der unteren Platte 16 führt zu einer Kammer 26 für den Fehlerstromleiter, die mit einem Kolben 27 in Verbindung steht. Dieser Kolben wird durch ein elastisches Kissen 2ö federnd mit dem metallischen Stromleiter inKontakt geheilten. Ganz entsprechend weist die Kammer 26 einen kreisförmigen Kontaktring auf. Die Stellung des Kolbens 27 und des federnden Kissens 28 wird durch einen Bolzen 29 fixiert, der in das untere Kopfstück 12 fest eingeschraubt ist. Die Bohrung 30 bildet- einen Zugang von außen zu der Kammer 20 und ist durch die Stiftschraube 31 verschlossen, wahrend die Kammer 26 durch die Bahrung 32 zugänglich iit, die durch eine Stifttchraub·.33 verschlossen ist. Eine Sinfüllöffnung 34 und ein· Oegenbohrung 35 ait Gewinde führt zu der aewindebohrung der Stiftsohraube 33 und kann durch diese _; verschlossen werden.

Die genaue Äußere Gestaltung des in Figur 1 im Querschnitt dar-

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gestellten Stromb&gvanzBVZ ist für die Erfindung nicht

nd. Deshalb kann der Strombegrenaer Form besitzen, er kann also beispielsweise sein. Es wird jedoch für zweckmäßig gehalten, feinem i-fc eekrörmigen Querschnitt zu wählen, wie dies ir» Figur 2 dargestellt ist. Diene Figur 2 iöt, eine Ansicht von auf den Strombegrenz«r nach Figur 1, die «ine ansicht eines Schnittes längs der Linie i-i aus Figur- 2 ist. Aus Figur 2 sind das obere Kopfstück 11 sowie die Anordnung der Schrauben 13»31 und 23 zu entnehmen.

Figur 3 der Zeichnungen zeigt die Scheibe 16 in perspektivis eher Darstellung. Ein vertikaler Querschnitt der gleichen Scheibe ist in Figur 4 dargestellt. Nach Figur 3 und Figur k weist die Scheibe 16 einen Teil 36 aus Stahl hoher Duktilität auf, in dessen Mitte auf einer Seite eine Vertiefung eingearbeitet ist. Der Boden dieser Vertiefung wird mit 37 gekennzeichnet. Dies· Aussparung der Oberfläche 37 wi»d dann mit einer Sonioht 33, die nach de* Plasma-Sprühverfahren aufgebracht worden ist, eines isolierenden, keramischen Materials hoher elektrischer Festigkeit gefüllt. Hierfür kann beispielsweise Aluminiumoxyd hoher Dichte verwendet werden, Durch entsprechende Bearbeitung wird daraufhin in der Aluminiumoxydsohicht ein äußerer Kreisring 39 ausgebildet, dessen Außenrand mit der Oberfläche der Stahlscheibe 36 bündig abschließt.Weiterhin wird

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eine kreisringförmiga Vertiefung 40, die nicht ganz bis «um ursprünglichen Boden 37 der Stahlscheibe 36 reicht, und in der» Mitte eine mesaähnliche Scheibenoberfläche Ml gebildet, die gegenüber der Obsrflache der Scheibe 36 erhöht ist. In diese Oberfläche 41 wird dann eins leicht abgeschrägte Vertiefung 42 eingearbeitet, auf deren einem Ende sich eine öffnung 25 befindet, die sowohl durch die gesamte Dicke des Keramikstoffes als auch durch die Metallschicht der Scheibe 16 hindurchführt/ ^

Die Abmessungen der verschiedenen bearbeiteten Teile der Scheibe 16 hängen von der Spannung und'den Strumen ab, für die

der Strombegrenser 10 ausgelegt sein soll. Um jedoch die

Erfindung noch verständlicher zu machen, sei als ein Beispiel

der Aufbau eines Strombegrenzers für eine Betriebsspannung von 220 V und Fehlerströme bis zu 50.000 Ampere beschrieben. Ein derartiger Strombegrenser besaß folgende Abmessungen. Der

Außendurchmesser der Platte 16 betrug 48,3 mm (1»9 inoh) und

der Außendurchmesser der keramischen Füllung 33 betrug 45 mm i (1,772 inch). Die Vertiefung 40 hatte einen Außendur chinese er von 38,8 mm (1,526 inoh) und einen Innendruchroesser von 35,8 ram (I,4o6 inch). Die Vertiefung 42 war 22,2 mm (7/8 inch) lang und 15,9 mm (5/8 inch) breit und wies eine maximale Tiefe von

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Oj 15 nan (0,006 inch) auf. Did Vertiefung 42 war leicht abgeschrägt und ging an ihren Enden in die Oberfläche 41 über. Die Öffnung 25 war 9,5mm (3/8 inch) lang und 3,2 mm (1/8 inoh) dick und die Ecken dieses Einschnittes waren abgerundet. Die obere Scheibe 15 ist mit der unteren Scheibe 16 identisch. Es ist jedoch EU beachten, daß nach dem Zusammenbau des Strombegrtnsers die öffnung, die durch die Scheibe 16 hindurchführt, Ober dem find· der Vertiefung 42 angeordnet ist, das keinen * . Einschnitt aufweist. In ähnlicher Weise berindet sich die Öffnung 25 in der Scheibe 16 gegenüber dem Teil der Vertiefung in der Mitte der Scheibe 15, der keine Öffnung aufweist. Die Vertiefung 42 und ihr entsprechendes Gegen*tuck bilden die Lichtbogenkammer 60 des Strombegr$n&ers 10 und stellen jenen Bereich dar, in dem der flüssige'Pehlerstromleiter zuerst verdampft und dadurch einen hohen Widerstand für den Fehlerstrom bildet.

Die Kopfstückt 11 und 12 weisen entsprechende Qegenbchrungen auf, in die der scheibenförmige Einaate 14 hineinpaßt. Dieses sind Bohrungen mit großem Durchmesser, die in die Oberfläche 50 des Kopfstücks 11 sowie in die Oberfläche 51 des Kopfstücks 12 eingeschnitten sind. Die Abmessungen einer ersten Nut 53 sind derart ausgelegt, daß der äußere isolierende Abdichtungs-

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ring 18 hineinpaßt. In den Mittelteil der Flächen 50 beziehungsweise 51 der Kopfstücke 11 bzw. 12 wird für die Scheiben 15 und 16 passend eine Bohrung 54 mit geringerer Tiefe und kleinerem Durchmesser hergestellt.

Beim Zusammenbau des in Figur 1 dargestellten Strombegrenzers 10 wird die Unterseite 55 der Scheibe 16 mit einer dünnen Schicht 56 aus gerade noch flüssigem Epoxyharz überzogen. Die Scheibe 16 wird dann fest in die Bohrung 54 in dem Kopfstück 12 eingesetzt. Um diese Scheibe 16 herum wird dann der äußere isolierende Abdichtungsring 18 eingesetzt, der beispielsweise aus Glasfaseretoff bestehen kann, der mit ausgehärtetem Epoxyharz überzogen ist. In den Nutring 40 der Scheibe 16 wird ein innerer isolierender Dichtring 17 eingefügt, der gleichfalls aus glasfaserverstärktem Epoxyharz bestehen kann. Außen um den Olasfaserring 17 herum, aber innerhalb des Glaefaserrings 18 wird ein zusammendrückbarer Neopvengummiring 49 angeordnet« Die Scheibe 15 ist gleichfalls in der Bohrung dee Kopfstücks 11 mit Epoxyharz verklebt und die 2 Kopfstücke werden dann zusammengefügt, so daß di· inneren und äußeren aiasfaserdichtringe 17 und 18 Jn einander entsprechende Vertiefungen in der Scheibe 15 des Kopfstücks 11 sowie die Scheibe des Kopfstücks 12 eingesetzt werden. Die Vertiefungen 42

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der beidfea Scheibe«. 15 und 16 sollten zm« Bildung des Kanals von selbst richtig übereinander angeordnet sein, wie diss in Figur 1 der Zeichnungen dargestellt ist.

Nachdem die beiden Kopfstücke und der scheibenförmige Einsatz 1* zusammengesetzt worden sind, werden die Bolzen 13 mit metallischen Unterlegscheiben 61 in die Kopfstücke 11 und 12 eingeführt. Die Bolzen 13 werden gegenüber dem Kopfstück 11 durch Isolierscheiben 62 isoliert. Auf ähnliche Weise passen Isolierhülsen 63 in die Bohrung ohne Gewinde im Kopfstück 11 hinein und isolieren ebenfalls die Bolzen 13 von dem Kopfstttok 11. Die Bolzen 13 werden in das kopfstück 12 eingeschraubt und werden fest angezogen, damit die Abdiohtungsscheibe 49 aus Neoprengummi stark zusammengedrückt wird. Dadurch wird diese Scheibe unter ausreichenden Druck gestellt, damit sie allen Anfangestoßen thermischer oder mechanischer Art standhalten kann, wenn der Fehlerstroraleiter vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand übergeht. Im unbelasteten Zustand hat die Neopreneoheibe U$ eine Dicke von 0,38 mn (0,015 inch). Durch die Bolzen 13 wird die Scheibe dann aber stark unter Druck gesetzt, wobei die Dicke auf etwa 0,25 nna (0,010 inch) vermindert wird.

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Nachdem nun die Kopfstücke 11 und 12 mit dem scheibenförmigen Einsatz 1Ί zusammengesetzt v/orden sind, werden die Kupferringe 21, die Kolben 21 und 27 sowie die elastischen Kissen 22 bzw. 28 in die Bohrungen der Kammern eingesetzt und die Gewindebolzen 23 und 29 werden in den Kopfstücken 11 bzw. 12 fest angesogen. Dadurch wird der Kanal für den Fehlerstromleiter gebildet. Das Volumen mit den Kammern 20 und 26 sowie dem Kanal 60 wird mit einem Fehlerstromleiter 64 gefüllt.Der Fehlerstromleiter ist vorsugsweise ein flüssiges Metall, es konnte beispielsweise Quecksilber»Gallium oder Indium sein. Es könnte aber auch eine Mischung aus Quecksilber und einem kleinen Prozentsatz Alkalimetall wie Caesium, Natrium, Kalium, Lithium in Mengen von 1OX oder weniger verwendet werden,um die kleinstmögliche Lichtbogenspannung während des Betriebes des Strombegrenzers möglichst klein zu machen. Wenn der flüssige Fehlerstromleiter in den Strombegrenzer eingefüllt werden soll, wird die Stiftschraube 31 fest eingedreht. Dagegen wird die Stiftschraube 33 zwar ein Stück eingeschraubt, aber nicht fest angedreht, damit noch eine Verbindung zwischen der Kammer 26 und der ElnfUllöffnung 35 besteht. Dieser mit einem Gewinde versehene Einfüllstutzen 35 wird mit einer Vakuumpumpe verbunden , Das Volumen in dem Stromunterbrecher wird auf einen Druck von etwa 10"" Torr evakuiert. Danach

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wird das Quecksilber oder eine andere der oben erwähnten, leitenden Flüssigkeiten unter einem Drück von Γ feie 5 ^% Atmosphären, vorzugsweise ^l Atmosphären, in den Strombegrenzer eingefüllt. Nachdem die Kammern und der Kanal voll·- ständig mit Quecksilber gefüllt worden sind, wird die Stiftschraube 33 fest eingeschraubt, so daß dadurch die Einfüllbohrung 35 verschlossen wird und der flüssige Fehleretromleiter sich nunmehr in dem Kanal und den Kammern in einem abgeschlossenen Volumen befindet. -■.■■■■■■-,,

Figur 5 eeigt. eine andere Ausführungsform der Scheiben 15 und 16. Hier ist eine Scheibe 70 dargestellt, die vollständig aus Aluminiumoxyd besteht. Durch entsprechende Bearbeitung auf dem Umfang 1st ein Kreisring 71 gegebener Dicke und in der Mitte ist eine flache, mesaförmige Zone 72 gebildet worden," in die eine Vertiefung 42 eingearbeitet ist, an deren Ende eine' ' - Öffnung 25 durch die Scheibe hindurchführt , wie dies auch . in Figur 3 bei der anderen Ausführungsform der Fall ist. Dicht um den mesaähnlichen BeaLoh 72 herum ist eine Nut 40 In den Kreisring 71 auf den Umfang der Scheibe 70 eingearbeitet.'Die Aluminiumoxydscheibe 70 kann nun wie die Scheibe 16 in dem ' Strombegrenzer nach Figur 1 verwendet werden, und tritt dabei an Stelle der Stahlscheibe mit dem aufgesprühten Aluminiumoxyd;

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Die einheitlich aufgebaute Scheibe hat die gleichen Außenabmeseungen wie die aus verschiedenen Stoffen aufgebaute Scheibe 16 und kann wie diese in den Strombegrenzer 10 eingesetzt · werden. Die inneren und äußeren CUasfaserdichtringe 17 bzw.
18 und die Abdichtungsscheibe 49 aus Neoprengumrai werden eingefügt,bevor das obere und untere Kopfstück zusammengesetzt und die Bolzen 13 fest eingeschraubt werden, wobei die
Neoprenscheibe 49 so weit susaaaengepreßt wird* daß sie
mechanischen und thermischen Stößen standzuhalten vermag, wenn Λ die Bolsen 13 angezogen sind.

Die Wirkungsweise des erfindungsgeaäßen Strombegrenzers ist im wesentlichen folgende, wehrend des normalen Betriebes in einem Stroakreis ist ein Strombegrenzer 10 nach Figur 1 mit den
ünterbreoherkontakten eines entsprechenden Strömunterbrechers in Reih· geschaltet. Hierfür kann beispielsweise ein Stromunterbrecher mit Kunststoffgehftuse verwendet werden. Die
Magnetspuledes ünterbreohere ist parallel zu dem Strombegrenzer geschaltet und soll eine schnelle Unterbrechung des Stromkreises bewirken, wenn eine plöt«liehe Stromänderung auftritt. Es ist Aufgabe des Strombegrenzers 10, daß die Höhe des Stromes, der durch die Unterbrecherspule fließt und die Unterbrechung aus» Schnell vermindert wird, daß die Kontakte des Strom-

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unterbrecher· nicht dem hohen Fehlerstrom ausgesetzt sind, _; Wenn also die Unterbreoherspule eine Ansprechseit von 5 oder 10 Millisekunden besitzt, so rauft der Strombegrenzer innerhalb einiger Millisekunden wirksam werden. Während des Betriebes wird der Strom zu einem Verbraucher durch; die /,^! Flüssigkeit in dem Liehtbogenkanal 60 und den Kammern 20 und 26 des Stroebegrenzers 10 geleitet. ..-,.:■■.'- .·■■ '■ ^i l^i&itss

Wenn in dem Stromkreis ein Fehler auftritt* so beginnt ein .; sprunghaft ansteigender Fehlerstrom durch den Strombegrensea· 10 XU fließen. Dieser¹ Fehleret ro» kann beispielsweise mehreise 100 000 Ampere erreichen. Wenn der Fehlerstros so gras wird_r daA der flüssige Fehlerstroraleiter aufgeheiBt wird_x so wird : die Temperatur des Fehlerstroraleiters so veit angehoben, der Dampfdruck gleich dem Fülldruok des Strombegrenzere

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Bei der Verwendung von Quecksilber als Fehlerstromleiterunttfpeinen Druck von 5 Atmosphären wird diteer Punkt bei eirieij* ^-^ Temperatur von etwa 75O⁰C erreicht. Bei dieser Temperatur be--ginnt der Fehlerstro»l*it*r m verdampfen ui» l^iseif^iuf^F³¹®» den, die sich dann eventuell zu einer großen Bla'ß'e-Ve^eiWf^er??^v" die den Strorapfad in ümlUßM. SO vulls^änd^^n^Wfiaifl^¹'⁵*²

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Zu dieses Zeitpunkt steigt der Druck in dem Kanal 60 sehr stark an, da der Dampf ein sehr viel größere« Volumen einnimmt, als tine entsprechende flüssige Menge des Fehlerstromleiters. Durch den Druck in dem Kanal 60 wird die Flüssigkeit im Rest des Kanals surückgedrückt und dadurch pressen die Kolben 21 und 27 die EusammendrUckbaren Kissen

/ 22 und 28 susammen. Dadurch wird das Gesamtvolumen für die Flüssigkeit in dem Strombegrenser gegenüber dem Volumen vor dem Zurüokdrüeken der Kolben 21 und 27 auf etwa.den 5-fachen Wert erhöht. Zu diesem Zeitpunkt ist genügend Quecksilber aus der Kammer herausgedrückt worden, so daß die Kontaktringe

. 2* aus lupfer in den Kammern 20 und a£ freiliegen.Da das Kupfer aber leicht mit Quecksilber benetrt wird, versucht sich der FuÄpunkt des Lichtbogens auf der Innenfläche der Kontaktringe 24 Ku bilden, so da& der Lichtbogen bis zur Löschung weiterbrennt. Bis der Lichtbogen erlischt, wird die Energie aus dem Lichtbogen duroh Erosion der₉Keramik abgeführt, die die Orangen des Lichtbogenkanals 60 bildet. Venn der Liahtbofen über linger· Zeiten brennt, ist die Energieabfuhr erheblich. Es hat sieh aber herausgestellt, dafi der Strom in erfindungsgemäßen Strombegrensern in einigen wenigen Millisekunden nach Auftreten des Fehlers auf einen niedrigen Wert von_fetwa einigen 100 Ampere vermindert ist* Der verbleibende relativ niedrige Strom ist leicht durch einen in Serie liegenden Stromunterbrecher mit Kunststoffgehäuse in etwa 5 bis

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Millisekunden abzuschalten. Demzufolge ist die Erosion der Wände des Kanals 60 nicht so erheblich« als daß dadurch die Lebensdauer dta Strombegrensers wesentlich verkürst würde. Der StroBbegrenzer 10 kann also wieder und wieder zur Begrenzung sehr hoher Fehlerströme auf niedrigere Ströme verwendet werden« die durch Stromunterbrecher für relativ kleine Leistung abgeschaltet werden können.

Figur 6 ist eine graphische Darstellung einer Funktion mit einigen für die Bogenentladung in den Strombegrenzer wesent-/ Hohen Parametern. Wie bereite festgestellt wurde, wird die in des Lichtbogen in dem Kanal 60 während der Strombegrenzung in Wärme umgewandelte Energie auf die relativ kalten Kanalwtnde abgestrahlt. Dieser Vorgang kann duroh folgende Beziehung beschrieben werden:

E · J s H (£/d)0·* Τ*¹

" In -dieser Formel ist E die Fehldstärke und J die Stromdichte, €* ist die Stefan-Boltzmann-Konetante, T die absolute Temperatur (wobei angenommen sei, daß sie in dem gesamten Kanal gleich ist), C ist das thermische Emissionsvermögen des Lichtbogens und d ist die mittlere Strahlungslänge des Kanals. Die mittlere Strahlungslänge ist als das

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vierfache Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Lichtbogenkanals definiert. Die mittlere Strahlungslänge eines längen Zylinders ist gleich dem Durchmesser das Zylinders. Ähnlich ist die mittlere Strahlungslänge einer dünnen Platine gleich der doppelten Platinendicke. Die mittlere Strahlungslänge ist ein Maß für die mittlere Entfernung, die eine Strahlung zurücklegen muß, um aus einem optisch transparenten Körper irgendeiner Form austreten zu können» Daraus folgt, daß die genaue Gestaltung des Kanals so lange nicht wichtig ist, wi« die mittlere Strahlungslänge der Anordnung noch zweckmäßig ist. Pur diese Erfindung ist es

für zweckmäßig befunden worden, eint dünne Platine zu verwenden, deren mittler· Strahlungslänge gleich der doppelten Platinendicke ist. Es können jedoch auch andere Qestaltungsforoien verwendet werden, solange die mittlere Strahlungslänge Ausreicht, die bei der Strombegrenzung auftretende Energie abzustrahlen. ,

Di* erste Schlußfolgerung, die man aus der Fig. 6 ziehen kann, besteht darin, daß das Gas in Lichtbogen bei Temperatur oberhalb 10000⁰KaIs vollständig ionisiertes das betrachtet werden kann.

Auf der Ordinate dieses Diagramms ist das Verhältnis E/f & /d in V/cm und auf der Abszisse ist die Beziehung

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/d in A/cm** aufgetragen. Die Kurve A in Figur 6 gibt den Widerstandeverlauf eines vollständig ionisierten Gases wieder. Die Kurven B,C und D geben den entsprechenden Verlauf für Queoksilber bei 1,10 bsw. 100 Atmosphären an. Die gestrichelten Linien B,F,G und H sind Isothermen für 2000⁰K,5000⁰K 1000O⁰K bsw. 20000⁰K. Aus diesen Kurven 1st ersichtlich, daft die Oase bei einem Druok von etwa 1 bis 10 Atmosphären, d.h. dem Druok, unter dem die Gase in dem Lichtbogen des beschriebenen Strombegrensere stehen, sich bei Temperaturen oberhalb 10000⁰K praktisch wie vollständig ionisierte Oase verhalten. Weiterhin geht aus den Zeichnungen hervor, daft der Liohtbogen unterhalb bestimmter Feldstärken nicht aufrecht erhalten werden kann. Wenn in dem 3trombegrenier Queoksilber verwendet I, und wenn man annimmt, daft das Verhältnis £/d den Wert

1 om besltst, läftt sich aus den Punktionswerten und der oben erwähnten Gleichung errechnen, daft die Feldstärke in dem Lichtbogen mindestens 100 V/cm betragen muft, um·den Lichtbogen aufrecht su erhalten. Andererseits darf die- Feldstärke nicht BU hoch sein, damit nicht su^viel Wärmeenergie von den Wandfläohen des Kanals 60 abgestrahlt werden muft. Für erfindungsgemäfte Strombegrenser sind mittlere Strahlung·längen bis au etwa 1,5 mm (0,060 inch) als geeignet befunden worden. Für den Strombegrenzer nach Figur 1 der Zeichnungen ist eine

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mittlere Strahlungslänge von 0,6 nun (0,024 inch) gewählt worden. Die Scheibe 16 muß also eine Vertiefung 42 von etwa 0,15 mm Tiefe (0,006 inch) aufweisen/Der Kanal sollte ausreichend lang sein, und die Feldstärke gerade so hoch sein, wie es mit den oben erwähnte! Verhältnissen noch vereinbar ist, damit der Kanal nicht zerstört wird. Die Länge des Kanals darf auch nicht so lang gewählt sein, daß der KaItwiderstand des .flüssigen Quecksilbers in dem Kanal zu hoch wird, denn dieser sollte nicht höher als etwa 1 Milliohm sein.

Mit erfindungsgemäßen Strombegrenzern werden Kurzsehlußströme bis zu 50000 A bei einer Spannung von 220.V in etwa 3 Millisekunden vor der Unterbrechung durch Unterbrecher mit Kunststoffgehäuse auf grö&enordnungsmäfiig einige hundert Ampere begrenzt.

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Claims (7)

- an - 1763U6 Patentansprüche:

1) Strotnbegrensser, in dem der Strom durch einen flüssigen Leiter Bit geringem Widerstand geleitet ist, der bei Auftreten eines Fehlerstromes verdampfbar ist und im verdampften Zustand einen hohen Widerstand aufweist, und der nach dem Verschwinden des Fehlerstromes schnell kondensierbar ist, gekennzeichnet durch

^ einen Kanal mit einem flüssigen Leiter, in dem dieser bei Auftreten eines Fehlerstromes verdampfbar ist und • der aus einer scheibenförmigen Vorrichtung aus zwei zusammenpaseenden Scheiben gebildet "ist, die auf der Oberfläche Bereiche au« Keramik mit hoher dielektrischer Festigkeit »it gegenüberliegenden Vertiefungen 42 aufweisen, die jeweils,auf einem Ende des Kanals eine Öffnung 25 besitzen, die im betriebebereiten Stronbegrenzer auf entgegengesetzten Enden des Kanals angeordnet sind« *■ weiterhin gekennzeichnet durch swei

w metallische Kopfstücke (11, 12), die auf den jeweiligen Au&enflftchen der «usameenpassenden Scheiben (15, 16) auf« liegen, und dl· beide eine öffnung aufweisen, welche an die Öffnung in den sueananenpaaeenden Scheiben an jeweils eine» Ende des Kanal· en·ehlißt, weiterhin g · k · η η ι »eichnetdurch «int Κμβμγ für den Leiter« - d«r in flüssigen Zustand bis suv öffnun« ixt 4m KopfetOok

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reicht, weiterhin g e k e η η ζ e i c h η e t d u rc h eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens in der Kammer, die den Fußpunkt des Lichtbogens in dem verdampften Metall innerhalb der Kammer und dee Kanals bildet, ferner g e k e η η ζ e i c h η e t durch Kolben (21, 27) in jeder Kammer, die federnd gegen das leitend«· Metall gedrückt oindj ferner gekennzeichnet durch zusammenpressbare Kissen (22, 28) hinter den ^ Kolben (21, 27), durch die diese bei erhöhtem Druck in der Kammer zurückbewegbar sind, damit der auftretende Druck möglichst gering ist, und gekennzeichnet durch einen Leiter, der im Ruhesustand des Strombe- ' grensers unter Druck steht und flüssig ist und die lammern (26, 64) sowie dan Kanal (60) ausfüllt.

2) Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n- «eichnet, daß die flachen Scheiben (is, 16) aus

sehr dichtem Aluminiumoxyd bestehen. "

3) Stroobegrenstr nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n- z e i α h η et , daÄ die flachen Seheiben (15, 16) aus einem Qrundkurper aus Stahl und einer aufgesprühten Aluoiniumoxydsohicht sehr hoher Dichte besteht.

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4) Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch sofc ennzeichnet , daß die flachen Scheiben (15, 16) durch mehrere Iaolierringe abgedichtet sind» welche in Nutringe in den Soheibenflachen fest eingesetzt sind.

5) Strombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch g ek β η η * e i chnet , daß zwei Isolierringe (17, 18) eine kreisförmige, verformbare Abdichtscheibe (49) einschließen.

6) Strombegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gek β η η ζ e i e h η e t , daß die Abdichtach-ibe (49) zwecks Verminderung ihres Volimiene durch die Kopfstücke zusammengepreßt ist.

7) Strombegrenzer nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (26, 64) und der Kanal (60) mit Quecksilber unter einem Druck von 1 bis 5 Atmosphären gefüllt sind.

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