DE19810982A1 - Strombegrenzer und Schnellerder mit leitfähigem Pulver - Google Patents

Abstract

Beschrieben werden Vorrichtungen und Verfahren zum Unterbrechen von Strömen und Kurzschließen von Spannungen unter Verwendung von losen Pulvern aus leitfähigem Material, die bei Belastung durch eine Kompressionskraft gut leitfähig und bei Entlastung weitgehend isolierend sind. Einrichtungen zum Ein- und Ausschalten der Kompressionskraft werden vorzugsweise durch chemische Antriebe mit Gas erzeugenden Materialien betätigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich sowohl auf Vorrichtungen als auch auf Verfahren zum Ändern eines elektrischen Widerstandes, insbesondere zum sehr raschen Ändern des elektrischen Widerstandes um mehrere Größenordnungen. Mit solchen Vorrichtungen und Verfahren sollen z. B. unzulässige Betriebszu­ stände von elektrischen Anlagen mit Überströmen oder Überspannungen rasch beendet werden können.

Die Erfindung befaßt sich also mit der Strombegrenzung oder Stromunterbre­ chung und mit dem Schnellerden bzw. schnellen Herstellen eines effektiven Kurzschlusses.

Zur Stromunterbrechung bekannt sind mechanische Lastschutzschalter mit Löschgasen, z. B. SF₆. Solche Lastschutzschalter haben in der Regel hohe Nennströme. Die Leistungsfähigkeit beim Stromunterbrechen kann durch beson­ dere Einrichtungen, z. B. in der Form von Pump- oder Saugkolben, Düsen und dergleichen zur Beschleunigung des Löschgases und Durchblasen des Löschga­ ses durch eine sich beim Unterbrechen des Stromes ergebende Lichtbogenentla­ dung verbessert werden.

Eine ganz andere bekannte Technik zur Strombegrenzung verwendet PTC-Poly­ merelemente mit einem starken Anstieg des elektrischen Widerstandes des PTC-Polymermaterials in einem bestimmten Temperaturbereich. Mit diesen PTC-Polymerstrombegrenzern sind besonders einfache Konstruktionen möglich.

Zum Stand der Technik werden ferner genannt die EP 0 548 390 B1 und die US 4,617,436. Dort sind separate Antriebseinrichtungen für konventionelle Stromun­ terbrecher gezeigt, die mit speziellen chemischen Treibsätzen zur Aktivierung von Druckkolbenkonstruktionen arbeiten. Über die Druckkolben und nachgeschaltete mechanische Betriebe werden separate Stromunterbrecher geöffnet, die nicht im Mittelpunkt der Darstellung stehen.

Der hier behandelten Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, Vorrich­ tungen und Verfahren zum Ändern eines elektrischen Widerstandes anzugeben, die durch eine neuartige Konstruktion, je nach Einzelfall, die Verbesserung ver­ schiedener technischer Leistungsmerkmale erlauben. Solche Aspekte können sein die Höhe des Nennstroms, die Geschwindigkeit der Widerstandsverände­ rung und der resultierenden Strom- oder Spannungsveränderungen, die Höhe abschaltbarer oder kurzschließbarer Ströme und Spannungen usw.

Erfindungsgemäß wird dieses technische Problem gelöst durch eine Vorrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Stromes mit einem in den Pfad des Stromes geschalteten losen Pulvers aus elektrisch leitfähigem Material, einer Kompressi­ onseinrichtung zum Komprimieren des Pulvers durch eine Kompressionskraft und einer Freigabeeinrichtung zur Verringerung der Kompressionskraft zur Erhöhung des elektrischen Widerstands des Pulvers ansprechend auf ein Auslösen der Vorrichtung.

Eine weitere Lösung gemäß dieser Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Herstellen einer elektrisch gut leitfähigen Verbindung mit einem losen Pulver aus elektrisch leitfähigem Material und einer Kompressionseinrichtung zum Kompri­ mieren des Pulvers durch eine Kompressionskraft zur Verringerung des elektri­ schen Widerstands des Pulvers ansprechend auf ein Auslösen der Vorrichtung.

Ferner sieht die Erfindung vor ein Verfahren zum Begrenzen eines elektrischen Stromes unter Verwendung eines losen Pulvers aus elektrisch leitfähigem Mate­ rial, bei dem der Strom durch das Pulver geleitet wird, während es von einer Kompressionskraft komprimiert wird und bei dem der elektrische Widerstand des Pulvers zur Begrenzung des Stromes durch Verringerung der Kraft erhöht wird.

Schließlich gehört zur Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer elek­ trisch gut leitfähigen Verbindung unter Verwendung eines losen Pulvers aus elektrisch leitfähigem Material, bei dem der elektrische Widerstand des Pulvers durch Aufbau einer das Pulver komprimierenden Kompressionskraft verringert und der Strom durch das von der Kompressionskraft komprimierte Pulver geleitet wird.

Bei der folgenden Beschreibung der Erfindung sowie im Ausführungsbeispiel sind die jeweils dargestellten bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen gleichzeitig als Offenbarung entsprechender Verfahrensmerkmale anzusehen.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht in der Verwendung eines losen Pulvers aus elektrisch leitfähigem Material. Dabei ist mit dem Begriff "lose" eine Abgrenzung von in einer das Pulver bindenden Matrix angeordneten Pulvern beabsichtigt, beispielsweise von Füllmaterialien in PTC-Polymeren.

Die elektrische Leitfähigkeit des Pulvermaterials bedingt nicht unbedingt ein Me­ tall; sie muß lediglich zur Sicherstellung einer ausreichenden Stromtragfähigkeit im durch die Kompressionskraft belasteten Zustand ausreichen. Bei der Strom­ begrenzungsvorrichtung sind dabei insbesondere solche Pulver bevorzugt, die bei und nach dem Anlegen der Kompressionskraft nicht kornweise miteinander verschmelzen oder verkleben, sondern im Gegenteil in Körnern separiert bleiben. Für die Vorrichtung zur Herstellung der elektrisch gut leitfähigen Verbindung (im Folgenden der Einfachheit halber, aber nicht einschränkend, als Kurzschlußvor­ richtung bezeichnet) gilt dies im Grunde ebenso, jedenfalls für Vorrichtungen die reversibel oder wiederverwendbar sein sollen. Als günstige Materialien haben sich Boride, Carbide, Silizide und Nitride herausgestellt. Besonders bevorzugt sind bei dieser Erfindung Zirkonborid, Vanadiumcarbid, Titancarbid und Titanborid (TiB₂).

Der den erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen gemeinsame und zu­ grunde liegende Mechanismus beruht auf der ganz überraschend ausgeprägten Abhängigkeit des elektrischen Widerstands eines bestimmten Volumens des lo­ sen Pulvers von einer von außen auf eine Außenfläche des Pulvervolumens an­ gelegten Kompressionskraft. Eine solche Kompressionskraft kann z. B. von ei­ nem Druckstempel ausgeführt werden, wobei jedoch der Begriff des Druckes nicht ohne weiteres im Sinne eines isotropen Druckes gebraucht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese starke Kompressionskraft-Abhängigkeit des elektri­ schen Widerstandes ausgenutzt, indem ein mit einer gewissen Kraft komprimier­ tes Pulver einen Nennstrom bei geringem Widerstand führt und ansprechend auf ein wie immer geartetes Auslösen der Vorrichtung die Kompressionskraft wegge­ nommen oder zumindest deutlich verringert wird. Damit wird der Strompfad durch das Pulver sehr viel hochohmiger als zuvor, wodurch der Strom entsprechend begrenzt oder ganz unterbrochen werden kann. Es können z. B. spezifische Wi­ derstände im Bereich einiger 10^-4 Ωm bei auf die Fläche bezogenen Kompressi­ onskräften von einigen MPa durch Entlastung zu spezifischen Widerständen von einigen 10⁶ Ωm werden, ohne daß diese Größenangaben einschränkend zu ver­ stehen sind.

Umgekehrt kann eine durch ihren hohen Widerstand praktisch nur wenig ins Ge­ wicht fallende elektrische Verbindung in einer elektrischen Anlage durch Anlegen einer entsprechenden Kompressionskraft an das erfindungsgemäße Pulver in dem Strompfad der Verbindung ansprechend auf ein Auslösen zu einer sehr viel niederohmigeren Verbindung oder einem Quasi-Kurzschluß führen. Damit können Leiter schnellgeerdet werden, Überspannungen abgebaut werden usw.

Bei entsprechender Leitfähigkeit des dem Pulver zugrundeliegenden Materials, z. B. bei Metallen oder den zuvor genannten Materialien, z. B. TiB₂, ergeben sich mit der Erfindung in einfacher Weise sehr hohe Nennströme vor der Stromunter­ brechung bzw. nach dem Kurzschluß. Dabei verhält sich das komprimierte Pulver quasi wie ein durchgängiges gut leitfähiges Volumenmaterial. Durch entspre­ chende Querschnitte lassen sich außerordentlich hohe Nennströme realisieren.

Andererseits ergibt sich auch die Möglichkeit einer sehr schnellen Reaktion der Widerstandsänderung auf das Auslösen der Vorrichtung, indem die entsprechen­ de Freigabeeinrichtung zur Verringerung der Kompressionskraft oder die den Kurzschluß herstellende Kompressionseinrichtung mit geringer Trägheit und gu­ tem Ansprechverhalten ausgelegt wird. Das Pulver selbst bringt jedenfalls im all­ gemeinen keine nennenswerten Trägheiten mit. Dies gilt insbesondere schon für den drastischen Widerstandssprung zwischen mit der Kompressionskraft belaste­ tem Pulver und unbelastetem Pulver.

Wenn der Strompfad beim Unterbrechen eines Stromes vollständig aufgetrennt werden soll, kann es darüber hinaus aber auch interessant sein, das Pulver in einer Weise zu entlasten, in der es aufgewirbelt wird und die Pulverkörner räum­ lich voneinander getrennt werden. Auch in diesem Fall eines aufwirbelnden Pul­ vers sind sehr schnell reagierende Stromunterbrechervorrichtungen möglich. Ins­ besondere durch diese Aufwirbelung kann eine besonders gleichmäßige Wider­ standserhöhung über das gesamte Volumen des Pulvers sichergestellt werden, ist jedoch hierfür nicht unbedingt notwendig.

Dieser Geschwindigkeitsaspekt hat im Stand der Technik zu Schwierigkeiten ge­ führt, beispielsweise bei den erwähnten Löschgas-Lastschutzschaltern durch die Größe der bewegten Masse der festen Schalterteile sowie durch die Gasdynamik der Blaseinrichtungen oder bei den PTC-Polymer-Strombegrenzern durch die für die thermischen Zeitkonstanten bei dem den PTC-Effekt auslösenden Tempera­ turanstieg in dem Polymermaterial. Entsprechendes gilt für andere bekannte Techniken.

Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, daß zumindest das die eigentliche Wi­ derstandsänderung bewirkende Pulvervolumen nur eine äußerst einfache Kon­ struktion zu seinem mechanischen Einschluß und elektrischen Anschluß benötigt. Bei entsprechender Gestaltung der Kompressionseinrichtung, eines Auslöse­ mechanismus usw. lassen sich damit besonders einfache und damit zuverlässige und preisgünstige Lösungen realisieren. Die weiter unten folgenden Ausfüh­ rungsbeispiele veranschaulichen dies.

Die Einfachheit des konstruktiven Aufbaus ist einer der wesentlichen Aspekte bei der Auswahl einer geeigneten Freigabeeinrichtung. Ein weiterer ist die Ansprech­ geschwindigkeit. Gerade weil die Widerstandsänderung in dem Pulver den Ver­ änderungen der Kompressionskraft praktisch unvermittelt folgt, sollte dieses her­ vorragende Ansprechverhalten von der Freigabeeinrichtung bzw. im Fall der Kurzschlußvorrichtung von der Kompressionseinrichtung möglichst gut umge­ setzt, d. h. nicht durch andere Trägheiten wesentlich verschlechtert werden. Dies gilt zumindest für diejenigen Anwendungen, bei denen nicht andere der oben aufgeführten technischen Leistungsmerkmale im Vordergrund stehen.

Im Hinblick auf die aufgeführten Aspekte Einfachheit der Konstruktion und Ge­ schwindigkeit des Ansprechverhaltens bezieht sich ein besonderer Aspekt der Erfindung auf einen Antrieb für die Freigabeeinrichtung bzw. die Kompressions­ einrichtung, jedenfalls also einen an Antrieb zur Veränderung der Kompressions­ kraft auf das Pulver, bei dem eine chemische Reaktion ausgenutzt wird. Dies hat ferner den Vorteil, daß relativ große Kräfte für heftige und schnelle Bewegungen entsprechender Teile der Freigabeeinrichtung bzw. zum Aufbau einer entspre­ chenden Kompressionskraft nicht nur in einfacher, sondern auch in baulich klein­ volumiger Art gespeichert sein können. Schließlich kann auch das Auslösen selbst, also in diesem Fall das Zünden der chemischen Reaktion, besonders ein­ fach erfolgen, insbesondere durch eine einfache elektrische Zündschaltung.

Alternativen zu diesen chemischen Antrieben sind z. B. Piezokeramiken, die z. B. entweder im spannungsbeaufschlagten Zustand als Kompressionseinrichtung sehr große Kräfte erzeugen und bei Kurzschluß der Spannung diese schlagartig verringern können oder in anderer Weise als Freigabeeinrichtung eine durch eine Kompressionseinrichtung angelegte Kraft lösen können. Eine weitere Alternative bezieht sich auf magnetstriktive Materialien.

Bevorzugt sind bei den zuvor genannten chemischen Antrieben solche Materiali­ en, die bei der gezündeten Reaktion große Mengen von Gasen freisetzen, wie sie z. B. aus den Treibsätzen für Sicherheitsrückhaltesysteme in Kraftfahrzeugen (Airbags) bekannt sind. Besonders bevorzugte Materialien ergeben sich aus den folgenden Dokumenten, deren technische Offenbarung hier durch diese Inbezug­ nahme eingeschlossen ist:
EP 0 503 341 A1 (mit deutscher Prioritätsanmeldung DE 41 08 225),
DE 44 01 213 C1,
DE 44 01 214 C1.

Insbesondere ist bevorzugt, daß das Gas erzeugende Material die dort aufgeführ­ te Substanz GZT enthält.

Zu der Strombegrenzungsvorrichtung sieht diese Erfindung als weiter bevorzugte Ausführung einer Freigabeeinrichtung mit einem chemischen Antrieb vor, daß zwischen dem Pulver, also z. B. zwischen der Kammer, in der es in der Strombe­ grenzungsvorrichtung untergebracht ist, und dem Gas erzeugenden Material des chemischen Antriebs eine Verbindung besteht. Diese Verbindung soll dabei so ausgelegt sein, daß das bei der chemischen Reaktion erzeugte Gas zumindest teilweise in das Pulver einströmen kann. Dadurch kann eine besonders gleich­ mäßige Druckentlastung in dem Pulver erzeugt werden, wodurch der elektrische Widerstand gleichmäßig in dem gesamten Pulvervolumen erhöht wird und damit einen maximalen Gesamtwiderstand aufbaut.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich dadurch, daß die Entlastung von der Kom­ pressionskraft nicht nur zu einem zwar unbelasteten Pulver führt, bei dem jedoch die einzelnen Körner noch miteinander in Verbindung stehen, sondern durch das Einführen des bei der chemischen Reaktion erzeugten Gases das Pulver gleich­ mäßig auseinandergetrieben wird. Damit wird gewissermaßen eine möglichst homogene Verteilung über ein größeres Volumen als das reine Schüttvolumen des Pulvers erzielt.

Zwar tritt ein sehr großer Teil der Widerstandserhöhung schon durch die reine Entlastung von der Kompressionskraft auf, vermutlich weil Berührungsflächen zwischen den Körnern durch Rückgang einer elastischen Deformation verkleinert werden und der Strom möglicherweise nur noch punktförmig über Tunnelbarrie­ ren fließen kann. Jedoch kann - wie bereits erwähnt - durch ein fülliges Ausein­ andertreiben des Pulvers die Leitfähigkeit tatsächlich auf praktisch Null reduziert werden, weil die Körner nun nicht einmal mehr über Tunnelbarrieren verbunden sind. Durch die große Zahl von Einzelstrecken zwischen den vielen Körnern des Pulvers sind Probleme mit Lichtbögen dabei kaum möglich, weil sich eine hohe Zahl von Fußpunktspannungen der Einzellichtbögen aufaddiert. Darüber hinaus haben die obigen bevorzugten Materialien für den chemischen Antrieb die Eigen­ schaft, nach dem Zünden Gase zu erzeugen, die gute Löscheigenschaften ha­ ben. Im Fall des bevorzugten Materials GZT besteht das bei der chemischen Re­ aktion erzeugte Gas beispielsweise vornehmlich aus Stickstoff.

Zu dieser eben beschriebenen Ausnutzung des bei der chemischen Reaktion er­ zeugten Gases für die Entlastung des Pulvers sind zwei bevorzugte Varianten anzuführen. Zum einen können das Ausgangsmaterial der chemischen Reaktion für den Antrieb und das Pulver in einer gemeinsamen Kammer der Strombe­ grenzervorrichtung angeordnet sein, so daß das erzeugte Gas das Pulver unmit­ telbar trifft. Dabei kann das chemische Antriebsmaterial z. B. in einer Seite der Kammer einen kleineren Teil der Kammer füllen, während der verbleibende größere Teil das Pulver enthält, wobei jedoch die Auslässe für das bei der chemischen Reaktion erzeugte Gas so angeordnet sind, daß das Gas das Pulver zunächst durchströmen muß.

Das Pulver und das Gas erzeugende Material können jedoch auch vermengt sein, wobei sicherzustellen ist, daß das Gas erzeugende Material in solcher Kon­ zentration und/oder in solch feiner Verteilung zwischen den Körnern des leitfähi­ gen Pulvers vorliegt, daß eine vollständige Zündung gewährleistet ist. Denkbar ist dabei im übrigen auch, daß die Joulesche Verlustwärme eines Überstroms in dem leitfähigen Pulver, insbesondere an den Korngrenzen, zur Zündung führt und ein eigener Auslösemechanismus damit auch entfallen kann.

Die andere bevorzugte Möglichkeit besteht darin, daß das Pulver und das Gas erzeugende Material in durch eine Wand getrennten Kammern vorgesehen sind, diese Wand jedoch durch Kapillaröffnungen perforiert ist. Die Kapillaröffnungen sind dabei bevorzugterweise nicht nur so ausgelegt, daß das bei der chemischen Reaktion erzeugte Gas mit ausreichender Geschwindigkeit durch sie hindurch und in das Pulver einströmen kann, sondern auch so, daß das Pulver nicht vor der Zündung durch die Kapillaren hinausrieseln oder sie verstopfen kann. Die Kapillaren können dazu auch in solcher Weise schräg angeordnet sein, daß zu­ mindest ein durch die Gravitation gefördertes Rieseln nicht auftritt, sondern die Gravitation dem Rieseln entgegenwirkt. Diese Schrägstellung der Kapillaren muß sich dabei auf eine bestimmte Montageposition der Vorrichtung beziehen.

Andererseits kann die mit den Kapillaren durchsetzte Wand auch über dem Pul­ ver liegen, um das Herausrieseln zu verhindern. Natürlich kann auch die Kapilla­ rengröße auf das Pulver abgestimmt sein.

Insbesondere dann, wenn die Vorrichtung wiederverwendbar sein soll, z. B. in­ dem der chemische Antrieb als Patrone ausgetauscht werden kann, kann eine Drosseleinrichtung vorgesehen sein, die das Ausströmen des bei der Reaktion erzeugten Gases nach der vollständig abgeschlossenen Strombegrenzung dros­ selt. Durch eine Drosseleinrichtung kann nicht nur erreicht werden, daß das Gas mit einer für die Entlastung des Pulvers günstigen Zeitabhängigkeit strömt, son­ dern auch, daß die Pulverkörner nicht durch das ausströmende Gas mitgerissen und damit verloren gehen bzw. eine Wiederverwendung zumindest der Kammer mit dem leitfähigen Pulver verhindern.

Eine besonders gleichmäßige Verteilung der Belastung des leitfähigen Pulvers durch die Kompressionskraft (bei der Strombegrenzungsvorrichtung wie bei der Kurzschlußvorrichtung) kann durch ein in Richtung der Kompressionskraft mög­ lichst flaches Volumen des Pulvers erzielt werden. Andererseits sind der Ge­ samtwiderstand des Pulvervolumens in Richtung des Strompfades sowie die Lei­ stungsfähigkeit beim Unterbrechen einer großen Spannung von einer bestimmten Mindestlänge in der Strompfadrichtung abhängig. Dementsprechend betrifft eine Ausgestaltung der Erfindung eine senkrechte Richtung der Kompressionskraft relativ zu der Stromrichtung in dem Pulver. Dies wird in einem Ausführungsbei­ spiel veranschaulicht.

Bei der Strombegrenzung oder -unterbrechung sind nicht immer nur besonders große Überströme oder Überspannungen zu begrenzen oder zu unterbrechen. Es kann auch Betriebszustände einer elektrischen Anlage geben, in denen für eine nicht mehr tolerable Zeit ein zwar über einer Stromobergrenze, jedoch nicht sehr hoch darüber liegender Strom begrenzt oder unterbrochen werden muß.

Dabei kann es sinnvoll sein, nicht die für die Begrenzung oder Unterbrechung sehr großer Überströme ausgelegte Vorrichtung zu verwenden, sondern eine eigens hierfür vorgesehene. Diese kann dann so ausgelegt sein, daß sie - da auch nicht notwendig - nicht das schnelle Ansprechverhalten der für die hohen Ströme ausgelegten Vorrichtung aufweist, jedoch z. B. einfacher rückzustellen ist. Ein konventionelles Beispiel sind einfache Bimetallschalter die durch einen zu lange andauernden "kleinen Überstrom" so weit erwärmt werden, daß sie sich öffnen.

Eine erfindungsgemäße Lösung besteht in einer seriell zu dem bislang behandel­ ten leitfähigen Pulver in den Strompfad geschalteten Bimetall-Schnappscheibe, die je nach Temperaturzustand einen durch äußere Krafteinwirkung hergestellten nach einer Seite gestülpten Zustand (nennen wir ihn konkav) aufrechterhält oder nicht. Ab einer bestimmten Temperatur aufwärts, die durch ein für eine ausrei­ chende Zeitspanne andauernden Überstrom erzeugt wird, schnappt die Bimetall- Schnappscheibe in einen nach der anderen Seite gewölbten Zustand um (dementsprechend in den konvexen Zustand) und entlastet damit das erfin­ dungsgemäße Pulver.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figu­ ren beschrieben. Dabei offenbarte Merkmale können auch einzeln oder in ande­ ren Kombinationen erfindungswesentlich sein. Insbesondere sind - wie in der bis­ herigen Beschreibung - die Merkmale sowohl im Hinblick auf Vorrichtungen als auch auf Verfahren zu verstehen.

Dabei zeigen die Fig. 1-5 jeweils ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine Strombegrenzungsvorrichtung, und

Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für eine Kurzschluß­ vorrichtung.

Fig. 1 illustriert in einer schematischen Darstellung das Grundprinzip der Erfin­ dung für eine Strombegrenzungsvorrichtung. Mit 1 bezeichnet ist ein leitfähiges TiB₂-Pulver in einer im wesentlichen säulenförmigen Kammer. Die Kammer ist an ihrem oberen Ende abgeschlossen durch einen Druckkolben 2, der an einem Balken 3 angelenkt ist. Der Balken 3 ist an einer festen Verankerung 4 angelenkt und ferner mit einem weiteren Druckkolben 5 verbunden, der eine Kammer mit einer GZT-enthaltenden, Gas erzeugenden Antriebsladung 6 enthält. Ferner wirkt auf den Balken 3 über eine nicht näher dargestellte Einrichtung 7 eine konstante Kraft und drückt dadurch die Druckkolben 2 und 5 in ihre jeweilige Kammer 1 bzw. 6 hinein. Bei 8 ist ein Verriegelungsmechanismus angedeutet, der in der Figur geöffnet dargestellt ist.

Die Strombegrenzungsvorrichtung ist über äußere Anschlüsse 9 und 10 am rechten Rand der Figur mit einer elektrischen Anlage verbunden, die über elektri­ sche Leitungen mit dem Druckkolben 2 und mit einem Anschluß am unteren Ende der das TiB₂-Pulver 1 enthaltenden Kammer als jeweilige Elektrode verbunden sind. Dadurch verläuft der Strompfad in in der Figur vertikaler Richtung durch die Säule aus TiB₂-Pulver 1.

Ein eventueller Überstrom wird erfaßt und führt zu einer Zündung des chemi­ schen Antriebs 6 über eine Auslöseeinrichtung 12. Die Zündung führt zu einem sehr schnellen Druckanstieg in der Kammer unter dem Druckkolben 5 durch die große Menge der bei der chemischen Reaktion der Antriebsladung 6 erzeugten Gase. Dadurch wird der Hebel 3 plötzlich um die feste Verankerung 4 schwen­ kend und gegen die konstante Kraft 7 nach oben gedrückt, bis der Verriege­ lungsmechanismus 8 einrastet und den Hebel 3 im angehobenen Zustand hält. Dementsprechend wird der Druckkolben 2 über der TiB₂-Pulver-Säule 1 schlagar­ tig angehoben und das zuvor durch die konstante Kraft 7 in vertikaler Richtung komprimierte TiB₂-Pulver damit plötzlich entlastet. Folglich steigt der Widerstand durch die TiB₂-Pulver-Säule um viele Größenordnungen an.

Durch den sehr starken Anstieg des TiB₂-Pulver-Widerstandes wird damit prak­ tisch eine Stromunterbrechung bewirkt. Zwischen den Anschlüssen 9 und 10 liegt jedoch (optional) ein verstellbarer Widerstand 11, dessen Widerstandswert zwi­ schen den Widerstandswerten des TiB₂-Pulvers 1 im belasteten und im unbela­ steten Zustand liegt. Damit fällt der Widerstand 11 im gut leitenden Zustand des TiB₂-Pulvers 1 elektrisch nicht ins Gewicht, bestimmt jedoch nach der Entlastung den Widerstand zwischen den Anschlüssen 9 und 10. In dieser Weise führt die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zu einer Begrenzung des Stromes auf eine durch den Wert des Widerstandes 11 vorgebbare Größenordnung.

Nach dem Auslösen der Vorrichtung durch die Auslöseeinrichtung 12 kann zu­ nächst der Überdruck in der Kammer des Antriebssatzes 6 über ein Ablaßventil 13 reduziert werden. Dann wird der Antriebssatz 6 erneuert und der Verriege­ lungsmechanismus 8 wieder entriegelt, so daß die konstante Kraft der Einrichtung 7 das durch den Stromunterbrechungs- bzw. -begrenzungsvorgang nicht wesent­ lich veränderte TiB₂-Pulver 1 wieder komprimiert. Die Vorrichtung ist nun wieder einsatzbereit.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei mit dem Ausführungsbei­ spiel in Fig. 1 identische Elemente gleich bezeichnet sind und nicht weiter erläu­ tert werden. In diesem Fall ist jedoch nur ein Druckkolben 2 mit einer darunter liegenden säulenförmigen Kammer vorgesehen, die einen etwas komplexeren Aufbau als im vorherigen Ausführungsbeispiel hat. Konzentrisch im mittleren Be­ reich der säulenförmigen Kammer ist zunächst ein perforiertes Rohr 14 vorgese­ hen, das die Kammer in einen inneren und einen äußeren Bereich trennt.

Der äußere Bereich außerhalb des perforierten Rohres 14 enthält in analoger Weise wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel das TiB₂-Pulver 1, das nun eine hohle Säule in dem Strompfad zwischen den Anschlüssen 9 und 10 bildet.

Innerhalb des perforierten Rohres 14 befindet sich die Antriebsladung 6 aus GZT-ent­ haltendem Material, die in Querschnitt 15 näher dargestellt ist. Dabei ist inner­ halb des Gas erzeugenden Materials 6 als säulenförmiger Kern eine von dem Gas erzeugenden Material 6 getrennte Zündladung 16 gezeigt, die durch die Auslöseeinrichtung 12 elektrisch gezündet wird und die Reaktionswärme zum Ingangsetzen der chemischen Reaktion des Gas erzeugenden Materials 6 zur Verfügung stellt. Das Rohr 14 mit der darin befindlichen GZT-Antriebsladung 6 ist bevorzugterweise ein kommerzielles stabförmiges Airbag-Gasgeneratormodul.

Im Unterschied zu dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird das bei der Re­ aktion des GZT-Materials 6 erzeugte Gas nicht nur zum Auftrieb des nun die Funktion des Kolbens 5 aus dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 miterfüllenden Druckkolbens 2 verwendet, sondern durch die Perforation des Rohres 14 teilwei­ se zunächst durch die hohle Säule des TiB₂-Pulvers 1 geleitet. Das schlagartig mit hohem Druck in das TiB₂-Pulver 1 einströmende Gas sorgt dadurch dafür, daß sich die Entlastung von der durch den Druckkolben 2 ausgeübten Kompres­ sionskraft über die gesamte Höhe der hohlen Säule des TiB₂-Pulvers 1 gleich­ mäßig ausbreitet. So ist der Widerstandsanstieg im TiB₂-Pulver 1 über die gesam­ te Höhe der Säule wirksam. Damit wird dem Bestehenbleiben weiterhin kompri­ mierter Lagen in der TiB₂-Pulver-Säule 1 entgegengewirkt.

Die Gefahr der Ausbildung solcher Zwischenlagen, die den letztlich erreichten Gesamtwiderstand herabsetzen, hängt stark von dem verwendeten Pulver ab. Es ist aber insbesondere wichtig, möglichst harte und nicht miteinander verklebende Pulverkörner einzufüllen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Der Strompfad ist mit den Pfeilen 17 angedeutet, die äußere Verschaltung der Einfachheit halber weggelassen. Das TiB₂-Pulver befindet sich im Zentrum der Anordnung zwischen einem oberen Druckkolben 18 und einer komplementären Basisplatte 17, die jeweils (ähnlich wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen) als Elektroden zur Stromzufüh­ rung in das TiB₂-Pulver 1 dienen. Den Mantel des Säulenvolumens des TiB₂- Pulvers 1 umschließt ein relativ dickwandiger Rohrmantel 20 mit waagerechten Kapillaröffnungen 21 darin.

Außerhalb dieses Rohrmantels 20 befindet sich ein hohlzylinderförmiger Patro­ nenraum 22, in dem eine oder mehrere - auch nacheinander bei verschiedenen Stromunterbrechungsvorgängen zu zündende - Patronen angeordnet ist oder sind, die sowohl das Gas erzeugende GZT-Material als auch den/die zugehörigen Zündsätze sowie die Auslöseeinrichtung enthält/enthalten. Diese Patro­ ne/Patronen wird/werden von außen in nicht dargestellter Weise von einer Erfas­ sungseinrichtung für den Überstrom angesteuert.

Oberhalb des Druckkolbens 18 ist eine hier als Feder wirkende Bimetall- Schnappscheibe 23 angeordnet, die sich an einer darüberliegenden Oberseiten­ platte 24 der Vorrichtung abstützt und mit ihrer Federkraft den Druckkolben 18 auf die Säule des TiB₂-Pulvers 1 hinunterdrückt.

Bei dieser Vorrichtung gibt es zwei Möglichkeiten zur Stromunterbrechung. Im einen Fall wird die Bimetall-Schnappscheibe 23 durch einen länger andauernden Strom erwärmt, der zur Aktivierung einer Patrone in dem Raum 22 noch nicht ausreicht. Nach einer gewissen Zeit schnappt die Bimetall-Schnappscheibe 23 in eine umgekehrt und weniger stark gewölbte Form um und löst dadurch die Kraft von dem Druckkolben 18. In diesem Fall muß nur die Oberseitenplatte 24 abge­ nommen werden, um die Schnappscheibe 23 in ihren Ausgangszustand zurück­ zusetzen, damit die gesamte Vorrichtung wieder einsatzbereit ist.

Im anderen Fall fließt ein hoher Überstrom, der sofort die Patrone in dem Raum 22 aktiviert. Die plötzliche starke Gaserzeugung drückt den Druckkolben 18 ei­ nerseits direkt nach oben und strömt andererseits durch die Kapillaröffnungen 21 in dem Rohrmantel 20 nach innen in die Säule des TiB₂-Pulvers 1 ein. Darin sorgt das einströmende Gas zum einen für die beschriebene Gleichmäßigkeit der Ent­ lastung des TiB₂-Pulvers 1, zum anderen drückt der Gasdruck auch den auf der TiB₂-Pulver-Säule ruhenden Teil des Druckkolbens 18 nach oben. Dies entspricht (trotz der umgekehrten Anordnung) im Prinzip dem vorherigen Ausführungsbei­ spiel.

Der zweite beschriebene Fall einer Auslösung der Vorrichtung ist sehr viel reakti­ onsschneller, obwohl der gleiche Widerstandserhöhungseffekt des TiB₂-Pulvers 1 verwendet wird. Der wesentliche Unterschied liegt in der Freigabeeinrichtung, die im einen Fall mit der Schnappscheibe 23, im anderen Fall mit der Patrone in dem Raum 22 arbeitet. Nach Auslösen der Patrone kann diese ersetzt werden oder eine weitere Patrone in dem Raum 22 gezündet werden, die Schnappscheibe 23 muß dabei eventuell ebenfalls zurückgestellt werden. Ein Mehrpatronenraum 22 kann natürlich auch unabhängig von der Schnappscheibe 23 verwirklicht sein.

Fig. 4 zeigt eine weitere mögliche Konstruktion, wobei im Folgenden nur we­ sentliche Abweichungen von dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erläu­ tert werden. Zunächst ist die Bimetall-Schnappscheibe 23 hier durch eine Schraubenfeder 25 ersetzt. Die Kapillaren 26 sind bei diesem Ausführungsbei­ spiel schräg angeordnet, so daß das innerhalb des die Kapillaren 26 enthalten­ den Rohrmantels liegende TiB₂-Pulver 1 in der dargestellten Lage der Vorrichtung nicht durch Gravitationseinwirkung nach außen rieseln kann. Darüber hinaus verlaufen die Kapillaren 26 auch etwas schräg in der Draufsicht auf den Rohr­ mantel. Dies ist rechts in Fig. 4 schematisch dargestellt. Durch die entsprechen­ de Verwirbelung des von außen einströmenden Gases wird die Gleichmäßigkeit der Entlastung in dem TiB₂-Pulver 1 weiter erhöht; insbesondere wird möglichen Anhaftungen des TiB₂-Pulvers 1 an die Wände seiner Kammer entgegengewirkt.

Die chemische Antriebsladung ist als Patrone 27 in einer Bodenplatte der Vorrich­ tung integriert und kann durch ein nicht dargestelltes Revolversystem automa­ tisch ausgetauscht werden. Solche Systeme finden sich in der bereits zitierten US 4,617,436, alternative Magazinsysteme in der EP 0 548 390 B1.

Nach dem Auslösen verbleibt die Gasmenge zunächst in der hermetisch abge­ schlossenen Vorrichtung und kann dann langsam durch ein Drosselventil 28 ab­ gelassen werden. Die Drosseleinrichtung in dem Ventil 28 ist so ausgelegt, daß die durch den Druckabfall in der Vorrichtung hervorgerufene Gasströmung kein TiB₂-Pulver 1 durch die Kapillaren 26 nach außen trägt.

Ein letztes Ausführungsbeispiel für eine Strombegrenzungsvorrichtung zeigt Fig. 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Stromrichtung durch das TiB₂-Pulver 1 senkrecht zu der Richtung der Kompressionskraft gewählt.

Dazu wird der Strom über zwei Elektroden 29 und 30 an das TiB₂-Pulver 1 (in Fig. 5 waagerecht) angelegt, das sich zwischen einer GZT-Antriebsladungs­ patrone 31 in einer festen Oberseitenplatte 32 und einem Unterseitendruckkolben 34 befindet, der von einer sich an einer festen Basis 35 abstützenden Feder 33 in Fig. 5 nach oben hin das TiB₂-Pulver 1 komprimierend belastet ist.

Das TiB₂-Pulver 1 wird dabei zwischen den beiden Elektroden 29 und 30 und über dem Druckkolben 34 unter einer perforierten Platte 36 gehalten, wobei zwi­ schen der Platte 36 und dem TiB₂-Pulver 1 zusätzlich ein feines Polymernetz 37 mit Löchern im pm-Bereich angeordnet ist. Die perforierte Platte 36 dient zur me­ chanischen Abstützung des Netzes 37 gegen die von der Feder 33 ausgeübte Kraft. Bei einer Zündung der Patrone 31 muß das entstehende Gas durch die perforierte Platte 36 und insbesondere durch die feinen Löcher in dem Netz 37 hindurchtreten, um die Entlastung des TiB₂-Pulvers 1 gegen den Druckkolben 34 aufzubauen. Damit wird eine den bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Kapillaren vergleichbare Wirkung erzielt. Mit Hilfe des Drossel­ ventils 38 wird, wie schon im vorstehenden Ausführungsbeispiel, eine langsame Gasabfuhr nach dem Auslösen ermöglicht.

Andererseits ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Verwendung eines sehr flachen breiten Druckkolbens 34, einer ebenfalls flachen Kammer für das TiB₂-Pulver 1 und eine entsprechend großflächige Einkopplung des Gases im Auslösefall durch die Platte 36 mit dem Netz 37 insgesamt eine Geometrie gege­ ben, in der eine geringe Höhe in Richtung der Kompressionskraft aus der Feder 33 einerseits und eine dennoch erhebliche Breite in Richtung des Stromflusses von der Elektrode 29 zur Elektrode 30 oder umgekehrt gegeben sind. Dabei ist nach dem Auslösen ein besonders hoher Widerstand möglich bei dennoch gerin­ ger Neigung der flachen Säule des TiB₂-Pulvers 1 zur Ausbildung nicht entlaste­ ter (in Fig. 5 waagerechter) Zwischenschichten. Andererseits würden nach dem Auslösen zusammenklebende Schichten bei dieser Geometrie möglicherweise die Elektroden 29 und 30 verbinden und damit besonders nachteilige Folgen ha­ ben.

Durch die große Fläche des Netzes 37 ist eine ausreichende Durchlässigkeit für das Gas beim Auslösen gegeben, obwohl die Netzöffnungen sehr fein ausgeführt sind. Ferner liegt das Pulver 1 unter dem Netz 37 und kann somit nicht hindurch­ rieseln.

Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen um eine Kurzschlußvor­ richtung. Zwischen einer Bodenplatte 39 und einem Oberseitendruckkolben 40 und innerhalb eines Rohrmantels 41 ist eine Säule aus TiB₂-Pulver 1 einge­ schlossen. Eine Schraubenfeder 42 drückt den Oberseitendruckkolben 40 gegen eine von einer festen Oberseitenplatte 44 der Vorrichtung abgestützte flache GZT-Antriebsladungspatrone 43. Der Strom wird wie bei den Ausführungsbeispie­ len in den Fig. 1-4 in in der Figur vertikaler Richtung zugeführt, wie durch die Pfeile 45 angedeutet. Dabei dienen die Bodenplatte 39 und der Druckkolben 40 als Elektroden.

Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist das TiB₂-Pulver je­ doch durch die Kraft der Feder 42 entlastet, d. h. daß der Druckkolben 40 nur mit relativ geringer Kraft auf dem TiB₂-Pulver 1 aufliegt (oder das Pulver 1 nur leicht oder gar nicht) berührt. Ein Störungszustand, der durch diese Vorrichtung ge­ schützten Anlage wird von einer nicht gezeigten Erfassungseinrichtung detektiert und führt zum Zünden der Patrone 43. Der entstehende Gasdruck preßt den Druckkolben 40 gegen die Kraft der Feder 42 auf das TiB₂-Pulver 1 und stellt damit eine gut leitfähige Verbindung durch das zuvor sehr hochohmige TiB₂-Pul­ ver 1 und die Bodenplatte 39 her. Das Ventil 46 hat die gleiche Aufgabe wie oben bereits beschrieben, ist bei dieser Anwendung jedoch kein Drosselventil.

Mit dieser Vorrichtung läßt sich schlagartig eine Kurzschlußverbindung für den in Richtung der Pfeile 45 fließenden Strom zwischen den Elektroden Druckkolben 40 und Bodenplatte 39 herstellen, die zuvor (bei isolierend angebrachter Feder 42 und isolierendem Rohrmantel 41 sehr hochohmig verbunden waren. Damit kann die Vorrichtung als Schnellerder für Überspannungen dienen.

Wie bei den vorherigen Beispielen ist auch hier die Antriebsladungspatrone 43 nach Abnehmen der Oberseitenplatte 44 austauschbar. Die zuvor diskutierten technischen Einzelheiten hinsichtlich des Einführens der Gasströmung in das leitfähige Pulver und der Maßnahmen zur Verhinderung eines Austretens des Pulvers durch die entsprechende Verbindung spielen hier keine Rolle, weil eine Gaseinströmung in das Pulver beim schlagartigen Kurzschließen durch Kompri­ mieren des Pulvers kontraproduktiv wäre.

Bei allen obigen Ausführungsbeispielen werden konventionelle elektrische Zündeinrichtungen verwendet, die nicht weiter dargestellt werden müssen.

Mögliche Anwendungen liegen z. B. im Mittelspannungsbereich, also etwa zwi­ schen 3,6 und 24 kV in Verteilernetzwerken bei relativ hohen Strömen von z. B. 100-1000 A. Die Erfindung kann natürlich auch bei völlig anderen elektrischen Größen verwendet werden, wenn die Vorrichtungen entsprechend angepaßt aus­ gelegt sind.

Typische Kompressionskräfte liegen auf die Querschnittsfläche senkrecht zur Kraftrichtung bezogen bei z. B. 5 MPa und darüber, wodurch sich ohne weiteres Widerstände im mΩ-Bereich realisieren lassen. Im entlasteten Zustand kann der Widerstand dann bis zu mehrere MΩ und darüber betragen.

Typische Ansprechzeiten können ohne weiteres deutlich unter 1 ms betragen, wobei diese Zeit durch die mechanische Auslegung und damit die Massenträgheit und Belastbarkeit sowie die (durch Korngröße und chemische Zusammensetzung steuerbare) Reaktionsgeschwindigkeit des chemischen Antriebs veränderbar sind. Die Hauptvorteile der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in der sehr großen Nennstromtragfähigkeit bei gleichzeitig einfachem mechanischem Aufbau und äußerst schnellem Ansprechverhalten zu sehen. Darüber hinaus können sehr hohe Spannungen getrennt oder kurzgeschlossen werden.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Stromes mit
einem in den Pfad (17) des Stromes geschalteten losen Pulver (1) aus elek­ trisch leitfähigem Material,
einer Kompressionseinrichtung (2, 3, 7, 18, 23, 24, 25, 33, 34) zum Kom­ primieren des Pulvers (1) durch eine Kompressionskraft und
einer Freigabeeinrichtung (5, 6, 14,15, 16, 21, 22, 26, 27, 31, 36, 37) zur Verringerung der Kompressionskraft zur Erhöhung des elektrischen Wider­ stands des Pulvers (1) ansprechend auf ein Auslösen der Vorrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Freigabeeinrichtung (5, 6, 14, 15, 16, 21, 22, 26, 27, 31, 36, 37) einen Antrieb mit einem nach Zündung durch eine chemische Reaktion Gas erzeugenden Material (6, 22, 27, 31) auf­ weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Antrieb der Freigabeeinrichtung (5, 6, 14, 15,16, 21, 22, 26, 27, 31, 36, 37) mit dem Pulver (1) derart ver­ bunden ist, daß zumindest ein Teil des bei der chemischen Reaktion er­ zeugten Gases in das Pulver (1) einströmen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das bei der Reaktion erzeugte Gas durch eine durch Kapillaren (21, 26, 37) perforierte Wand (20, 37) in das Pulver einströmen kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kapillaren (21, 26, 37) schräg verlaufen, um ein Einrieseln des Pulvers (1) in die Kapillaren (21, 26, 37) bei Verwendung der Vorrichtung in einer bestimmten Montageposition zu ver­ hindern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Wand (37) so angeordnet ist, daß das Pulver (1) darunter liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6 mit einer Drosseleinrichtung (28, 38) zum Drosseln des Ausströmens des bei der Reaktion erzeugten Gases nach dem Begrenzen des Stromes.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Pulver (1) ein elektrisch leitfähiges Borid, Carbid, Silizid oder Nitrid enthält, insbeson­ dere Titancarbid, Titanborid, Vanadiumcarbid oder Zirkonborid.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Gas er­ zeugende Material (6, 22, 27, 31) GZT enthält.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer in Serie zu dem Pulver (1) in den Strompfad geschalteten Bimetall-Schnappscheibe (23) zur Entlastung des Pulvers (1).

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Kom­ pressionskraft im wesentlichen senkrecht zu der Stromrichtung in dem Pul­ ver steht.

12. Vorrichtung zum Herstellen einer elektrisch gut leitfähigen Verbindung mit
einem losen Pulver (1) aus elektrisch leitfähigem Material und
einer Kompressionseinrichtung (40, 43) zum Komprimieren des Pulvers durch eine Kompressionskraft zur Verringerung des elektrischen Wider­ stands des Pulvers (1) ansprechend auf ein Auslösen der Vorrichtung.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Kompressionseinrichtung (40, 43) einen Antrieb mit einem nach Zündung durch eine chemische Reaktion Gas erzeugenden Material (43) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der das Pulver (1) ein elektrisch leitfähiges Borid, Carbid, Silizid oder Nitrid enthält, insbesondere Titancar­ bid, Titanborid, Vanadiumcarbid oder Zirkonborid.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, bei der das Gas erzeugende Material (43) GZT enthält.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, bei der die Kompressions­ kraft im wesentlichen senkrecht zur Stromrichtung in dem Pulver (1) steht.

17. Verfahren zum Begrenzen eines elektrischen Stromes
unter Verwendung eines losen Pulvers (1) aus elektrisch leitfähigem Mate­ rial,
bei dem der Strom durch das Pulver (1) geleitet wird, während es von einer Kompressionskraft komprimiert wird und
bei dem der elektrische Widerstand des Pulvers (1) zur Begrenzung des Stromes durch Verringerung der Kraft erhöht wird.

18. Verfahren zum Herstellen einer elektrisch gut leitfähigen Verbindung
unter Verwendung eines losen Pulvers (1) aus elektrisch leitfähigem Mate­ rial,
bei dem der elektrische Widerstand des Pulvers (1) durch Aufbau einer das Pulver komprimierenden Kompressionskraft verringert und der Strom durch das von der Kompressionskraft komprimierte Pulver (1) geleitet wird.