DE19903776A1

DE19903776A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE19903776A1
Application number: DE1999103776
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2019-02-02
Also published as: DE19903776B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit einer niedrigschmelzenden metallischen Substanz. Sie enthält Elektroden (1) und mehrere mit der Substanz teilweise aufgefüllte, hinereinander liegende Verdichterräume (4). Diese werden durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet. Innerhalb der Zwischenwände (12) sind T-förmige Kanäle (13) ausgebildet, die nach unten in die Verbindungskanäle (8) und nach oben in die Verdichterräume (4) oberhalb der metallischen Substanz enden, die als Flüssigmetall (7) ausgebildet ist. Über dem Flüssigmetall (7) lagert eine mit den T-förmigen Kanälen (13) in Verbindung stehende nichtleitende Flüssigkeit (6), die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall (7) ist und deren Siedetemperatur deutlich oberhalb der Erwärmungstemperatur bei Nennbedingungen sowie deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Flüssigmetalls (7) liegt. Der absteigende Teil (14) der T-förmigen Kanäle (13) ist so bemessen, daß auf das Flüssigmetall (7) nur eine unerhebliche Kapillarwirkung, jedoch eine erhebliche Wirkung hinsichtlich seiner Oberflächenspannung ausgeübt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine Strombegrenzungseinrichtung be kannt, die zwei Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und dazwischen an geordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdich terräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht bei Nennbedingungen über das Flüssigmetall eine durch gehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombe grenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elek troden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurz schlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf clie Strom begrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. Zur Verbesserung der Be grenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbin dungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeord net. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtun gen Gallium-Legierungen, insbesondere GalnSn-Legierungen zu verwenden. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssig keitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt.

In der Druckschrift SU 1 624 557 A1 ist eine Strombegrenzungseinrichtung beschrieben, bei der als niedrigschmelzende metallische Substanz eine bei Nennbedingungen erstarrte Legierung verwendet wird und innerhalb der Zwi schenwände T-förmige Kanäle ausgebildet sind. Die T-förmigen Kanäle enden einerseits in den Verbindungskanälen und anderseits zu beiden Seiten der Zwischenwände oberhalb der niedrigschmelzenden Legierung in den Ver dichterräumen. Die T-förmigen Kanäle sollen die Bildung von Lunkern in den Verbindungskanälen beim Wiedererstarren der niedrigschmelzenden Legie rung verhindern, die im vorausgehenden Strombegrenzungsfall geschmolzen und teilweise verdampft worden ist. Mit der niedrigschmelzenden Legierung soll in den Verbindungskanälen eine Verdrängung des leitenden Materials in folge des Pinch-Effektes, wie sie bei Verwendung eines Flüssigmetalls auftritt, vermieden werden, wodurch eine Erhöhung des Nennstromes und damit der Strombegrenzungscharakteristik der Strombegrenzungseinrichtung erreicht werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Strombegrenzungsver halten einer Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere hinsichtlich ihres Strombegrenzungsfaktors und ihrer Ansprechzeit, zu verbessern.

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.

Durch einen äußeren Kurzschlußstrom wird der Bereich jedes Verbindungska nals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zur Ver dampfung der nichtleitenden Flüssigkeit, die durch den absteigenden Teil des zugehörigen T-förmigen Kanals in diesen Bereich gelangt ist. Dabei bilden sich im Verbindungskanal Dampf bzw. Gasblasen, welche zur Einengung des leitfähigen Querschnitts führen. Dieser Prozeß entwickelt sich lawinenartig, da der verengte Querschnitt zu einer noch stärkeren Erwärmung führt, bis schließlich das Flüssigmetall selbst verdampft und ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird. Hierzu muß der Siedepunkt der nichtleitenden Flüssigkeit deut lich über der Erwärmungstemperatur im Nennbetrieb, aber auch deutlich unter der Siedetemperatur des Flüssigmetalls liegen. Weiterhin darf sich die nicht- leitende Flüssigkeit nicht mit dem Flüssigmetall vermischen oder chemisch verbinden. Der absteigende Teil des T-förmigen Kanals ist so zu bemessen, daß das Flüssigmetall einerseits durch den ausreichend groß gewählten Durchmesser aufgrund zu schwacher Kapillarwirkung nicht hochsteigen und anderseits durch den aber auch nicht zu groß gewählten Durchmesser auf grund ausreichender Oberflächenspannung nicht im Sinne eines Pegelaus gleichs hineinlaufen kann. Durch die vorgeschlagenen Mittel werden gegen über den bekannten Strombegrenzungseinrichtungen allein unter der Einwir kung eines Kurzschlußstromes die Lichtbogenzündung und damit der Beginn der Strombegrenzung sowohl zeitlich als auch in Abhängigkeit von der Höhe des Kurzschlußstromes vorverlegt.

Mit Vorteil ist als niedrigschmelzende metallische Substanz eine Gallium- Legierung zu verwenden. Insbesondere GaInSn-Legierungen 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°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit. Hierfür ist es zweckmäßig, daß die lichte Weite des absteigenden Teils der T-förmigen Kanäle 0,5 bis 1,5 mm beträgt.

Es ist von Vorteil, eine nichtleitende Flüssigkeit zu verwenden, die das Flüs sigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Verände rungen schützt. Vorteilhaft ist die nichtleitende Flüssigkeit ein Öl, insbeson dere ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350°C. Ander seits ist als nichtleitende Flüssigkeit mit Vorteil auch ein Alkohol oder ein Ge misch von Alkoholen, deionisiertes Wasser oder ein Gemisch aus deionisier tem Wasser und wenigstens einem Alkohol zu verwenden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen den Ausführungsbeispiel. In der zugehörigen einzigen Fig. 1 ist im Längs schnitt eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung gezeigt.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elek trode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die rotationssymmetrisch aus gebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine ent sprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von isolierenden Zwischenwänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wo bei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraft schlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Die beiden äußeren Verdichter räume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 begrenzt. Das im allgemeinen mehrtei lige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einer niedrig schmelzenden metallischen Substanz in Form eines bei Nennbedingungen flüssigen Metalls 7 ausgefüllt, beispielsweise einer GalnSn-Legierung. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbin dungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüs sigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 benachbar ter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Win kelbetrag versetzt sein, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu verhindern.

Über dem Flüssigmetall 7 befindet sich eine ausreichend dicke Schicht einer nichtleitenden Flüssigkeit 6, die sich mit dem Flüssigmetall 7 weder vermi schen noch chemisch verbinden kann, beispielsweise ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von etwa 300°C. Oberhalb der Flüssigkeit 6 besteht in den Verdichterräumen 4 Vakuum. In den Zwischenwänden 12 sind weiterhin T-förmige Kanäle 13 ausgebildet, die jeweils einen absteigenden Teil 14 und einen mit diesem verbundenen querliegenden Teil 15 aufweisen. Der abstei gende Teil 14 mündet nach unten in den zugehörigen Verbindungskanal 8. Der querliegende Teil 15 mündet beiderseits seiner zugehörigen Zwischen wand 12 in die nichtleitende Flüssigkeit 6. Der Durchmesser der absteigenden Teile 14 ist so gewählt, daß auf das Flüssigmetall 7 keine wesentliche Kapil larwirkung ausgeübt wird, allerdings eine ausreichende hohe Wirkung der Oberflächenspannung des Flüssigmetalls 7 besteht. Damit kann kein wesent liche Menge des Flüssigmetalls 7 in die absteigenden Teile 14 gelangen. Statt dessen gelangt die nichtleitende Flüssigkeit 6 in den Bereich der Verbin dungskanäle 8. Im Kurzschlußfall verdampft ein Teil der den Verbindungska nälen 7 nahen nichtleitenden Flüssigkeit 6, wodurch in sehr kurzer Zeit eine zunehmende Verengung der Strompfade und eine weitere Erhitzung des Flüs sigmetalls 7 in den Verbindungskanälen 12 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.

Claims

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit einer niedrigschmel zenden metallischen Substanz, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit der metallischen Substanz teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Iso lierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, wobei innerhalb der Zwischenwände (12) T-förmige Kanäle (13) ausgebildet sind, die nach unten in die Verbindungskanäle (8) und nach oben zu beiden Seiten der Zwischenwände (12) in die Verdichterräume (4) oberhalb der metallischen Substanz enden, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Sub stanz unter Nennbedingungen ein Flüssigmetall (7) ist, über dem eine Schicht einer mit den T-förmigen Kanälen (13) in Verbindung stehenden nichtleitenden Flüssigkeit (6) lagert, die unvermischbar sowie unverbind bar mit dem Flüssigmetall (7) ist und deren Siedetemperatur deutlich oberhalb der Erwärmungstemperatur bei Nennbedingungen sowie deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Flüssigmetalls (7) liegt, und daß der absteigende Teil (14) der T-förmigen Kanäle (13) hinsichtlich seiner lichten Weite so bemessen ist, daß auf das Flüssigmetall (7) nur eine unerhebli che Kapillarwirkung, jedoch eine erhebliche Wirkung hinsichtlich seiner Oberflächenspannung ausgeübt wird.

2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine Gallium- Legierung ist.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GalnSn- Legierung ist.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des absteigenden Teils (14) der T-förmigen Kanäle (13) 0,5 bis 1,5 mm beträgt.

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Öl ist.

6. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein orga nisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350°C ist.

7. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Alkohol oder ein Gemisch von Alkoholen ist.

8. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) deionisiertes Wasser ist.

9. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Gemisch aus deionisiertem Wasser und wenigstens einem Alkohol ist.