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Strombegrenzungselement Die Erfindung betrifft ein Strombegrenzungselement
mit Alkalimetall als Strombegrenzunsmaterial, welches einen verdichteten.Zustand
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, und einen damprförmigen Zustand mit sehr geringer
elektrischer Leiträhigkeit aufweist, mit einem Gehäuse, in welchem das Strombegrenzungsmaterial
abgedichtet enthalten ist und mit Klemmen an dem Gehäuse, welches in elektrischem
Kontakt mit dem Strombegrenzungsmaterial stehen. Sie betrifft insbesondere ein selbstregenerierendes'Strombegrenzungselement,
bei welchem die Strombegrenzungseigenschaften verdampfter Alkalimetalle ausgenutzt
werden.
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Bei den genannten Strombegrenzungselenienten werden Alkalimetalle
verwendet, welche bei gewöhnlichen Temperatur flUssig oder fest sind. Diese Metalle
sind in einem Gehäuse enthalten und werden durch das Fließen eines Kurzschlußstromes
verdampft,
wodurch eine Strombegrenzung erfolgt.
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Derartige Strombegrenzungselemente können gegenüber üblichen Sicherungen
wiederholt zur Strombegrenzung verwendet werden. Hierzu müssen sie jedoch ein besonderes
Strombegrenzungsmaterial aufweisen. Dieses Material muß bei gewöhnlichen. Temperaturen
ein guter elektrischer Leiter sein. Es muß bei Auftreten des -Kurzschlußstromes,
welcher begrenzt werden soll, durch diesen über Joule'sche Wärme verdampft werden,
muß dann einen wesentlich höheren Widerstand als die Kurzschlußimpedanz des Kreises
aufweisen und schließlich nach Beendigung des Strombegrenzungsvorganges durch Kühlen
oder Ergänzung wieder verflüssig oder verfestigt werden und so die ursprünglichen
Eigenschaften als guter elektrischer Leiter zurückerhalten. Alkalimetalle wie Natrium,
Kalzium usw. und Quecksilber besitzen solche Eigenschaften. Wenn Strombegrenzungsmaterial
mit derartigen Eigenschaften verwendet wird, muß das Gehäuse, in welchem es sibh
befindet, genügende Festigkeit ausweisen, um dem erhöhten Druck infolge der Verdampfung
des Strombegrenzungsmaterials standzuhalten. Das Problem der hohen Drücke wurde
durch Verwendung eines Gehäuses mit einem Druckabsgber gelöst.
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Ziel der Erfindung ist es, bei der beschriebenen Strombegrenzung
das Auftreten von Überspannungen zu verhindern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen
den Klemmen ein Widerstandsteil befindet, dessen Widerstandswert mindestens etwa
gleich dem des Strombegrenzungsmaterials im verdampften Zustand ist.
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Dabei kann das Strombegrenzungselement so ausgeführt sein, daß das
Widerstandselement und das Gehäuse einstückig ausgeführt sind.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung befindet sich
das Widerstandselement auf der inneren Oberfläche des Gehauses. Es kann jedoch auch
ein Teil des Gehäuses aus Widerstandsmaterial bestehen,wobei dieser Teil des Gehäuses
das Widerstandselement darstellt.
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Bei einer zweckmäßigen weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse mit
Widerstandsmaterial imprägniert und stellt so das -Widerstandselement dar. Weiter
besteht eine zweckmäßige Ausfiihrungsform der Erfindung darin, daß das Widerstandselement
im Ruhezustand einen verhältnismäßig hohen Widerstandswert aufweist und seinen Widerstand
bei einem Temperaturanstieg im Inneren des Gehäuses verringern kann.
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Verschiedene Ausfwhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es eigen.
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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild mit einem Strombegrenzungselement entsprechend
der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine
Ansicht einer weiterenAusführ-lngsform der Erfindung, Fig. 4 eine Schnittansicht
einer weiteren Ausführungsform.
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Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einem erfindungsgemäßen Strombegrenzungselement,
in welchem ein Strombegrenzungselement und ein zusätzlicher Parallelwiderstand zur
Unterdr;uckung von Überspannungen vorgesehen sind. Der Stromkreis besteht aus einer
Wechselspannungsquelle 1, einem Strombegrenzungselemont 2 mit parallel geschaltetem
Widerstand 3, einem ,renr.schalter 4 oder Isolierschalter in Reihe mit dem Strombegrenzungselement
2 und einer Last 5. Durch den Widerstand 3
parallel zum Strombegrenzungselement
2 wird die Stromänderung di/dt beim Strombegrenzungsvorgang auf einem kleinen Wert
gehalten, wodurch Überspannungen verhindert werden.
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Fig. 2 und 3 zeigen jeweils eine Ausführungsform des Strom.
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begrenzungselements in Fig. 1. Ein Gehäuse 11 mit einer Röhre 12 nahe
seiner Mittellinie ist aus Material mit hohem Widerstand hergestellt oder mit derartigem
Material imprägniert oder gestrichen. In bezug auf das Material werden später ausfühliche
Erklärungen gegeben werden. In der Röhre 12 befindet sich ein Strombegrenzungsmaterial
13, wodurch die Enden der Röhre durch Klemmen 14 und 15 abgedichtet und gestützt
werden. Diese Klemmen werden als Verbindungsklemmen zum äußeren Kreis benutzt.
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In der Ausführungsrorm nach Fig. 3 ist außerdem ein Druckabsorber
16 vorgesehen, der den Druckanstieg infolge der Verdampfung des Strombegrenzungsmaterials
19 dämpft und hält. Wenn kein Druckabsdrber vorhanden ist, kann der Druckanstieg
durch die Verdampfung des Strombegrenz-ungsmaterials 13 4600 Atm für Quecksilber
und 2000 Atm für Kalzium erreichen, wenn man eine Plasmatemperatur von 5000°K annimmt.
In diesem Falle muß das Gehäuse 11 aus genügend festem Material aufgebaut sein,
um einem derartig hohen Druck Stand zu halten. Andererseits kann im Fall der Fig.
3 durch das Vorhandensein des Druckabsorbers 16 der Druckanstieg durch die Verdampfung
von Strombegrenzungsmaterial 13 auf einen Bereich von 100 bis 200 Atm beschränkt
zld dort gehalten werden. Es ist daher ausreichend, ein Gehäuse zu verwenden, welches
nur einem Druck von 100 - 200 Atm standhalten kann. Vcm Standpunkt der mechanischen
Festigkeit sind als Beispiel folgende Materialien für den Aufbau des Gehäuses geeignet.
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(A) Porzellanmaterial a. Lucalox (Aluminiumoxydkristall) b. Cojelit
(2Mg0.2Al203.5Si023 c. Berylliumoxyd (BeO) d. Bornitrid (BN) e. Zirconoxyd (ZrO2-SiO2)
f. Aluminiumoxyd (Al203) g. Steatite (MgOSiO2) h. Quarz, getempertes Glas (sie2)
usw.
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(B) Organisches Material a. Mit laminierten Kohlenstoffasern verstärker
Kunststoff b. mit laminierten Glasfasern verstärkter Kunststoff c. mit metallischen
Drahtfäden verstärkter Gummi oder Kunststoff d. Teflon (gemischt mit Graphitpulver)
e. Py1olytischer Graphit (Epoxyd gemischt mit Graphitpulver) f. Pyrolytischer Graphit
(Epoxyd gemischt mit SiO2-pulver) Der Widerstandswert des Gehäuses 11, in welchem
das Strombegrenzungsmaterial 13 gehalten wird, muß wesentlich höher als der Widerstand
des Strombegrenzungsmaterial 13 bei gewöhnlichen Temperaturen sein. Z.B. sollte
der Widerstandswert des Gehäuses 11 nahezu gleich oder größer als der Widerstandswert
des verdampften Strombegrenzungsmaterials 13 sein. Das Gehäuse 11 kann mit einem
Widerstand, der der obigen Forderung entspricht dadurch hergestellt werden, daß
geeignete Zusatzstoffe beigemischt werden oder daß eine passende Widerstandssubstanz
auf das oben beschriebene Material imprägniert oder gestrichen wird,
Die
unter "A" erwähnten Porzellane sind gewöhnlich.Isoliermaterialien. Durch Mischen
und Schmelzen mit einer geeignetenArt von Metallen beim Sintern kann jedoch Cojelit,
Zirconoxyd und Aluminiumoxyd mit einem geeigneten Widerstandswert hergestellt werden.
Thermet ist ein Beispiel eines auf diese Weise hergestellten Produkts. Die Porzellanmaterialien
nach "A" können im Gegensatz zu den mit laminierten Glasfasern verstärkten Kunststoffen
usw. unter "B" mit geeigneten Widerstandswerten durch Streichen von Widerstandsfarbe
auf die Oberfläche hergestellt werden. Die anderen organischen Materialien nach
"B" außer dem mit laminierten Glasfasern verstärktem Kunststoff weisen geeignete
Widerstandseigenschaften auf. Es kann auch jeder Stoff mit geeignetem Widerstand
dadurch hergestellt werden, daß das Mischungsverhältnis von Kohlenstoffpulver geändert
wird oder daß Widerstandsdraht als metallische Drahtfäden verwendet wird.
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Besonders der pyrolitische Graphit ist ein kristalliner Graphit, der
durch Carbonisierung hochmolekularen Hydrocarbongases bei hohen Temperaturen hergestellt
wurde, so daß man seinen Widerstandswert unmittelbar erhält, und sein spezifischer
Widerstand in einer ausgewählten Richtung, verglichen mit gewöhnlichem Graphit,
beachtlich hoch ist.Weiter weist er eine sehr große mechanische Festigkeit auf.
Er stellt also ein besonders wirksames Material für die Verwendung als Gehäuse 11
dar. Weiter ist bei Quarze getempertem Glas usw. bekannt, daß bei hohen Temperaturen,
wie sie bei der Strombegrenzung auftreten, der Kriechwiderstand niedriger wird.
Daher ist der Widerstand des Isoliermaterials ein bis 10 mal so groß wie der Widerstandswert
des verdampften Strombegrenzungsmaterials 13. Weiter ist es bei solchen heißgepreßten
Formprodukten (z.B. Micarex), bei denen Glimmerulver als Grundmaterial und Glaspulver
als Bindematerial benutzt wird, bekannt, daß sich der Oberflächenwiderstand bei
hohen Temperaturen ändert. Folglich kann ein derartiges Strombegrenzungselement,
wie in der Ausführungsform nach Fig. 4 gezeigt,
de gleiche Funktion
erfüllen, wenn die Röhre 12 mit Strombegrenzungsmaterial 13 gefüllt ist und das
Gehäuse aus dem oben erwähnten Quarz oder heißgepreßten Form.produkten besteht.
Auf der Oberfläche der Röhre 12 im Gehäuse 18 ist ein druckfestes Isoliermaterial
17 mit im wesentlichen unendlichen Widerstand aufgebracht.
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Während die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit bevorzugten
AusfUhrungsformen gezeigt und beschrieben wurde, besteht sich für den Fachmann,
daß verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten durchgeführt werden können,
ohne vom Gedanken und Bereich der Erfindung abzuweichen.