DE19903940C1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (1) und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden. Die Zwischenwände (12) bestehen aus einem offenporigen, porösen Material. Über dem Flüssigmetall (7) lagert entweder eine nichtleitende Flüssigkeit (6), die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall (7) ist, oder ein inertes Schutzgas (16). Durch die Wirkung der Poren gelangt die nichtleitende Flüssigkeit (6) bzw. das Schutzgas (16) in den Zwischenwänden (12) bis in den Bereich der Verbindungskanäle (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 7.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine solche Strombegrenzungseinrich­ tung bekannt, die 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 im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchge­ hende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegren­ zungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüssigmetall aus den Ver­ bindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektro­ den 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 die Strom­ begrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutz­ gas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbeson­ dere GalnSn-Legierungen zu verwenden.

Aus der US-PS 34 74 339 ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung be­ kannt, die Elektroden aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützen den Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte Verdichter­ räume, die nach oben offen und zwischen Isolierungen ringförmig ausgebildet sind, enthält. Über dem Flüssigmetall lagert eine nichtleitende Flüssigkeit, die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall ist. Im Strombegren­ zungsfall und bei gleichzeitiger Druckentlastung der nichtleitenden Flüssigkeit wird das Flüssigmetall infolge elektrodynamischer Kräfte aus den Verdichter­ räumen verdrängt.

Bei Strombegrenzungseinrichtungen mit mehreren Verdichterräumen wird in­ folge der hintereinander liegenden Verbindungskanäle beim Auftreten eines Kurzschlusses durch die Anzahl der strombegrenzenden Teillichtbögen ein entsprechend hoher Spannungsabfall aufgebaut, der schließlich zur Unterbre­ chung des Kurzschlußstromes führt. Die bekannten Strombegrenzungsein­ richtungen weisen allerdings einen zu hohen Strombegrenzungsfaktor, das heißt ein zu hohes Verhältnis zwischen Durchlaßstrom und zu begrenzendem Kurzschlußstrom, auf.

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 der unabhängigen Ansprüche gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Durch die vorgeschlagenen Mittel werden gegenüber den bekannten Strom­ begrenzungseinrichtungen allein unter der Einwirkung eines Kurzschlußstro­ mes die Lichtbogenzündung und damit der Beginn der Strombegrenzung so­ wohl zeitlich als auch in Abhängigkeit von der Höhe des Kurzschlußstromes vorverlegt.

Nach der ersten Lösung saugt sich das poröse Material der Zwischenwände infolge der Kapillarwirkung mit der nichtleitenden Flüssigkeit voll, die somit direkt an den Wänden der Verbindungskanäle zur Verfügung steht. Durch einen äußeren Kurzschlußstrom wird der Bereich jedes Verbindungskanals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zur Verdamp­ fung der nichtleitenden Flüssigkeit, die durch die Poren in diesen Bereich ge­ langt ist. Dabei bilden sich im Verbindungskanal Dampfblasen, 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. Bei der Wahl des Flüssigmetalls, der nichtleitenden Flüssigkeit und des porösen Materials ist zu beachten, daß die Kapillarwirkung auf die nichtleitende Flüssigkeit wesentlich größer als die Kapillarwirkung auf das Flüssigmetall ist.

Es ist von Vorteil, eine nichtleitende Flüssigkeit zu verwenden, die das Flüs­ sigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Verände­ rungen, insbesondere vor Oxidation; 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 ver­ wenden.

Nach der zweiten Lösung "saugt" sich das poröse Material der Zwischen­ wände mit dem inerten Schutzgas, das somit direkt an den Wänden der Ver­ bindungskanäle zur Verfügung steht. Durch einen äußeren Kurzschlußstrom wird der Bereich jedes Verbindungskanals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zum Austritt des Schutzgases, das durch die Poren in diesen Bereich gelangt ist. Dabei bilden sich im Verbindungskanal 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.

Es ist von Vorteil, ein Schutzgas, zu verwenden, welches das Flüssigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Veränderungen, insbesondere vor Oxydation, schützt. Vorteilhaft besteht das Schutzgas aus Stickstoff oder aus einem Edelgas bzw. Edelgasgemisch oder aus einem Ge­ misch aus Stickstoff und wenigstens einem Edelgas.

Die Zwischenwände lassen sich vorteilhaft aus einer offenporigen Schaumke­ ramik oder aus offenporigem, porösem Glimmer herstellen.

Mit Vorteil ist als Flüssigmetall eine Gallium-Legierung zu verwenden. Insbe­ sondere GalnSn-Legierungen sind einfach zu handhaben durch ihre physiolo­ gische 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 elek­ trische Leitfähigkeit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen­ den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen

Fig. 1: im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung;

Fig. 2: im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Strombegrenzungseinrichtung.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach Fig. 1 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die rotationssymme­ trisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwi­ schen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von iso­ lierenden 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 dar­ gestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwi­ schen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise durchge­ hende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Die beiden äußeren Ver­ dichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 wer­ den seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 begrenzt. Das im allgemei­ nen mehrteilige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 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 ausrei­ chend dicke Schicht einer nichtleitenden Flüssigkeit 6, die sich mit dem Flüs­ sigmetall 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. Die Zwischenwän­ den 12 bestehen aus einem offenporigen, porösen Material, beispielsweise aus Schaumkeramik. Durch die Kapillarwirkung der Poren auf die nichtleitende Flüssigkeit 6 wird diese von den Zwischenwänden 12 teilweise aufgesaugt, so daß sie auch in den unmittelbaren Bereich der Verbindungskanäle 8 gelangt. 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 8 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.

Die Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dadurch, daß sich über dem Flüssigkeitsspiegel 9 ein inertes Schutzgas 16, beispielsweise Argon, befindet. Das Schutzgas 16 ist über die Poren der Zwischenwände 12 bis in den unmittelbaren Bereich der Verbindungskanäle 8 gelangt. Im Kurzschlußfall dehnt sich durch die entste­ hende Wärme das den Verbindungskanälen 8 nahen Schutzgases 16 aus, wodurch infolge des in die Verbindungskanäle 8 eintretenden Teil des Schutz­ gases 16 in sehr kurzer Zeit eine zunehmende Verengung der Strompfade und eine weitere Erhitzung des Flüssigmetalls 7 in den Verbindungskanälen 8 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.

Claims (13)

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal­ tend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt­ zenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolie­ rende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einem offen­ porigen, porösen Material bestehen und daß über dem Flüssigmetall (7) eine nichtleitende Flüssigkeit (6) lagert, die unvermischbar sowie unver­ bindbar mit dem Flüssigmetall (7) ist, deren Siedetemperatur deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Flüssigmetalls (7) sowie deutlich ober­ halb der Erwärmungstemperatur bei Nennbedingungen liegt und die unter dem Einfluß von Kapillarkräften in den Zwischenwänden (12) bis an die Verbindungskanäle (8) grenzt.

2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Öl ist.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein orga­ nisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350°C ist.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Alko­ hol oder ein Gemisch von Alkoholen ist.

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) deioni­ siertes Wasser ist.

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

7. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal­ tend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt­ zenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolie­ rende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einem offen­ porigen, porösen Material bestehen und daß über dem Flüssigmetall (7) ein inertes Schutzgas (16) lagert, das über die Poren der Zwischenwände (12) bis an die Verbindungskanäle (8) grenzt.

8. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schutzgas (16) Stickstoff ist.

9. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schutzgas (16) ein Edelgas oder ein Gemisch von Edel­ gasen ist.

10. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schutzgas (16) ein Gemisch aus Stickstoff und wenigstens einem Edelgas ist.

11. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einer Schaumkeramik bestehen.

12. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus Glimmer be­ stehen.

13. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GalnSn-Legie­ rung ist.