DE19903776B4 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung - Google Patents

Abstract

SelbsterholendeStrombegrenzungseinrichtung mit einer niedrigschmelzenden 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 Isolierkörper (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 SubstanzunterNennbedingungen 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 unverbindbar 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 das Flüssigmetall (7) in ihm nicht hochsteigt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine Strombegrenzungseinrichtung bekannt, 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 angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht bei Nennbedingungen über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel 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 Zwischenwände 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 Verdichterräumen. Die T-förmigen Kanäle sollen die Bildung von Lunkern in den Verbindungskanälen beim Wiedererstarren der niedrigschmelzenden Legierung verhindern, die im vorausgehenden Strombegrenzungsfall-geschmolzen und teilweise verdampft worden ist. Mit der niedrigschmelzenden Legierung soll in den Verbindungskanälen eine Verdrängung des leitenden Materials infoλge 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.
• In der Druckschrift US-PS 3 474 339 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall beschrieben, die Elektroden aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis enthält, wobei um das Flüssigmetall eine nichtleitende Flüssigkeit lagert, die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall ist und deren Siedetemperatur deutlich oberhalb der Erwärmungstemperatur des Flüssigmetalls liegt. Innerhalb eines isolierenden Gehäuses sind zwischen leitenden Ringen aus Festmetall nach außen offene Zwischenräume ausgebildet, in denen das Flüssigmetall lagert. Im Strombegrenzungsfall wird das Flüssigmetall durch den elektrodynamischen Einfluß des Kurzschlußstromes aus den Zwischenräumen gestoßen, wobei Überdruckventile zur Druckreduzierung des auf die nichtleitende Flüssigkeit übertragenen Überdrucks vorgesehen sind. Die nichtleitende Flüssigkeit verhindert zum einen im Zusammenwirken mit radial an den leitenden Ringen abstehenden isolierenden Ringen einen elektrischen Überschlag und zum anderen im Zusammenwirken mit den Überdruckventilen eine verzögerte, jedoch abrupte Strombegrenzung. Diese bekannte Strombegrenzungseinrichtung ist nicht selbsterholend.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Strombegrenzungsverhalten einer selbsterholenden 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 Verbindungskanals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zur Verdampfung 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 deutlich über der Erwärmungstemperatur im Nennbetrieb, aber auch deutlich unter der Siedetemperatur des Flüssigmetalls liegen. Weiterhin darf sich die nichtleitende 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 nicht im Sinne eines Pegelausgleichs hineinlaufen kann. Durch die vorgeschlagenen Mittel werden gegenüber den bekannten Strombegrenzungseinrichtungen allein unter der Einwirkung 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 Flüssigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Veränderungen schützt. Vorteilhaft ist die nichtleitende Flüssigkeit ein Öl, insbesondere ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350°C. Anderseits ist als nichtleitende Flüssigkeit mit Vorteil auch ein Alkohol oder ein Gemisch von Alkoholen, deionisiertes Wasser oder ein Gemisch aus deionisiertem Wasser und wenigstens einem Alkohol zu verwenden.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel. In der zugehörigen einzigen 1 ist im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung gezeigt.
• Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende 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, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen 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 Verdichterräume 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 mehrteilige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einer niedrigschmelzenden metallischen Substanz in Form eines bei Nennbedingungen flüssigen Metalls 7 ausgefüllt, beispielsweise einer GaInSn-Legierung. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 benachbarter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag 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 vermischen 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 absteigende Teil 14 mündet nach unten in den zugehörigen Verbindungskanal B. Der querliegende Teil 15 mündet beiderseits seiner zugehörigen Zwischenwand 12 in die nichtleitende Flüssigkeit 6. Der Durchmesser der absteigenden Teile 14 ist so gewählt, daß auf das Flüssigmetall 7 keine wesentliche Kapillarwirkung ausgeübt wird, allerdings auch keine wesentliche Menge des Flüssigmetalls 7 in die absteigenden Teile 14 gelangen kann. Statt dessen gelangt die nichtleitende Flüssigkeit 6 in den Bereich der Verbindungskanäle B. Im Kurzschlußfall verdampft ein Teil der den Verbindungskanälen 7 nahen nichtleitenden Flüssigkeit 6, wodurch in sehr kurzer Zeit eine zunehmende Verengung der Strompfade und eine weitere Erhitzung des Flüssigmetalls 7 in den Verbindungskanälen 12 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.

Claims (3)

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit einer niedrigschmelzenden 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 Isolierkörper (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 Substanzunter 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 unverbindbar 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 das Flüssigmetall (7) in ihm nicht hochsteigt.
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 GaInSn-Legierung ist.