DE19905372C1

DE19905372C1 - Self-recovering current limiting device with liquid metal

Info

Publication number: DE19905372C1
Application number: DE1999105372
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: EP1153406A1; WO2000048216A1; EP1153406B1

Abstract

The invention relates to a self-regenerating current limiting device with liquid metal. Said device comprises electrodes (1) and several consecutive compression chambers (4) partially filled with liquid metal (7), said chambers being formed by pressure-proof insulating bodies (5) and partition walls (12) insulated by said bodies and having communicating channels (17). In order to influence recombination time in a targeted manner, at least one part of the communicating channels (17) has a substantially V-shaped or inverse V-shaped longitudinal profile.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a self-recovering current limiting device Liquid metal according to the preamble of claim 1.

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine solche selbsterholende Strombegren zungseinrichtung bekannt, die Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. In nerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und da zwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander lie gende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb 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 Kurzschlus ses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdich terraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Ver bindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt ange ordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontaktein richtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu ver wenden. Die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen mit Flüssigmetall weisen zwar die erwünschte Eigenschaft der Selbsterholung auf, doch bei relativ langen Abschaltzeiten eines Schutzschalters, der mit einer Strombe grenzungseinrichtung in Reihe geschaltet ist, besteht die Gefahr häufigen Wiederzündens des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen in der Strombegren zungseinrichtung. Dies führt zu einer erhöhten Materialbelastung und damit verkürzten Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung. Eine Beeinflus sung der Rekombinationszeit, das heißt der Zeit bis zur Wiederherstellung der durchgehenden metallisch leitenden Verbindung, ist mit den bekannten Strombegrenzungseinrichtungen nicht möglich.Such a self-recovering current limit is known from the publication SU 922 911 A. tion device known, which contains electrodes made of solid metal, which by as pressure-resistant insulating housing formed first insulating body are separated. In are inside the insulating housing by insulating partitions and there arranged between the second insulating body, which is used as an annular sealing washer are executed, partially filled with liquid metal, lie one behind the other Compressor rooms formed, the one above the other with liquid metal filled, eccentrically arranged connecting channels of the partition walls are connected. So there is a normal operation over the liquid metal continuous internal conductive connection between the electrodes. in the The liquid metal becomes a current limiting case due to the high current density displaced from the connecting channels. So that is the electrical connection the electrodes are interrupted via the liquid metal, which limits the Short-circuit current leads. After switching off or removing the short circuit The connecting channels fill again with liquid metal, whereupon the Current limiting device is ready for operation again. In the publication DE 40 12 385 A1 becomes a current limiting device with only one compression terraum and as a medium above the liquid level vacuum, Shielding gas or an insulating liquid mentioned. To improve the Limiting properties are according to publication SU 1 076 981 A Ver binding channels of adjacent partitions are offset from each other arranges. It is known from publication DE 26 52 506 A1, in contacts directions gallium alloys, in particular GaInSn alloys turn. The known current limiting devices with liquid metal have the desired property of self-rest, but at relatively long switch-off times of a circuit breaker with a Strombe limit device is connected in series, there is a frequent risk Reignite the arc or arcs in the current limit equipment. This leads to an increased material load and thus shortened life of the current limiting device. An influence solution of the recombination time, that is the time until the recovery of the continuous metallic conductive connection, is known with the Current limiting devices not possible.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur gezielten Beein flussung der Rekombinationszeit anzugeben.The invention is therefore based on the object of means for targeted legs flow of the recombination time.

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.Starting from a current limiting device of the type mentioned According to the invention, the task is characterized by the characterizing features of the independent claims solved, while the dependent claims advantageous developments of the invention can be found.

Durch die beidseitig schräg eingebrachten Verbindungskanäle läßt sich nach Bedarf die Rekombinationszeit einstellen, da sich nach der Strombegrenzung die Verbindungskanäle je nach Verlauf ihrer Schrägen mehr oder weniger verlangsamt bzw. beschleunigt mit Flüssigmetall wieder füllen. Die erfindungs gemäße Strombegrenzungseinrichtung kann demnach durch ihre Rekombina tionszeit auf den entsprechenden Einsatzfall angepaßt werden.Due to the inclined connection channels on both sides, If necessary, set the recombination time since the current limit the connecting channels more or less depending on the course of their slopes slow down or accelerate with liquid metal. The fiction appropriate current limiting device can therefore by its recombina tion time can be adapted to the relevant application.

Zweckmäßigerweise werden die wechselnden Schrägen der Verbindungska näle als im Inneren der Zwischenwände winklig ineinander übergehende ge rade Teilkanäle ausgeführt. Zum Inneren der Zwischenwände beidseitig an steigende Teilkanäle haben gegenüber durchgängig geradlinig verlaufenden Verbindungskanälen eine verlängerte Rekombinationszeit zur Folge, da nach einem Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf- bzw. Gasblasen er schwert und damit die Wiederbefüllung der Verbindungskanäle mit Flüssig metall verlangsamt wird. Dagegen haben zum Inneren der Zwischenwände beidseitig abfallende Teilkanäle gegenüber durchgängig geradlinig verlaufen den Verbindungskanälen eine verkürzte Rekombinationszeit zur Folge, da nach einem Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf bzw. Gasbla sen erleichtert und damit die Wiederbefüllung der Verbindungskanäle mit Flüssigmetall beschleunigt wird.The changing slopes of the connecting box are expedient channels as ge inside the partition walls even sub-channels executed. To the inside of the partition walls on both sides rising subchannels have straight lines Connection channels result in an extended recombination time because after a short circuit, the escape of steam or gas bubbles sword and thus the refilling of the connecting channels with liquid metal is slowed down. In contrast, have to the interior of the partition walls Partial ducts falling on both sides run in a straight line compared to each other the connection channels result in a shorter recombination time because after a short circuit, the escape of steam or gas blown sen facilitated and thus the refilling of the connecting channels Liquid metal is accelerated.

Derartige Zwischenwände lassen sich vorteilhaft durch Zusammensetzen zweier Teilwände mit jeweils geradlinig schräg eingebrachten Teilkanälen her stellen, wobei die umgekehrt geneigten Teilkanäle aneinanderstoßen und zu den erfindungswesentlichen Verbindungskanälen kombinieren. Gleich ausge bildete Teilwände, deren Wandstärke die halbe nominelle Wandstärke der aus diesen zusammengesetzten Zwischenwände beträgt, führen kostengünstig zu Gleichteilen für die Teilwände. Mit derartigen Teilwänden lassen sich, je nach dem mit welchen ihrer beiden Frontseiten sie aneinander liegen, Zwischen wände mit zum Inneren beidseitig aufsteigenden oder absteigenden Verbin dungskanälen zusammensetzen.Such partitions can advantageously be assembled two partial walls, each with straight, inclined partial channels set, the reverse inclined sub-channels abutting and closing combine the connection channels essential to the invention. Right out formed part walls, the wall thickness of which is half the nominal wall thickness is these composite partitions, lead to inexpensive Same parts for the part walls. With such partitions, depending on the one with which of their two fronts they lie against each other, intermediate walls with the connection rising or falling to the inside on both sides put together channels.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Zwischenwände oder Teilwände besteht darin, daß sie mit einem randseitigen Kragen ausgebildet sind, dessen Höhe der halben oder der gesamten Breite der inneren Verdichterräume entspricht. Damit werden ohne das Erfordernis besonderer Dichtscheiben durch jeweils zwei gegenüberliegende Zwischenwände bzw. Teilwände ein innerer Ver dichterraum bzw. durch jeweils eine Elektrode und eine dieser gegenüberlie genden Zwischen- bzw. Teilwand ein äußerer Verdichterraum begrenzt.An advantageous further development of the partition walls or part walls exists in that they are formed with an edge collar, the height corresponds to half or the entire width of the inner compressor rooms. So that without the need for special sealing washers each two opposite partitions or partitions an inner Ver seal room or by one electrode and one opposite each other boundary an intermediate compressor or part of an outer compressor space.

Wenn in den Zwischenwänden Druckausgleichskanäle oberhalb des Flüssig keitsspiegels vorgesehen sind, empfiehlt es sich, Druckausgleichskanäle be nachbarter Zwischenwände gegenseitig, insbesondere stark zu versetzen. Damit wird im Kurzschlußfall das Zünden ungewollter Lichtbögen über diese Kanäle vermieden und die Rekombinationszeit verlängert.If pressure equalization channels above the liquid are provided, it is recommended to use pressure equalization channels neighboring partition walls mutually, especially to move strongly. In the event of a short circuit, this will ignite unwanted arcs Channels avoided and the recombination time extended.

Mit Vorteil ist als Flüssigmetall eine Gallium-Legierung zu verwenden. Insbe sondere GaInSn-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.It is advantageous to use a gallium alloy as the liquid metal. In particular special GaInSn alloys are easy to handle thanks to their physiolo safety. An alloy of 660 parts by weight gallium, 205 parts by weight of indium and 135 parts by weight of tin are included Normal pressure from 10 ° C to 2000 ° C liquid and has sufficient elec conductivity.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigenFurther details of the invention will become apparent from the following embodiment illustrated by figures. Show it

Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung; FIG. 1 shows in longitudinal section a first embodiment of the self-recovering current-limiting device according to the invention;

Fig. 2 im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä ßen selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung. Fig. 2 in longitudinal section a second embodiment of the inventive self-restoring current limiting device.

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 isolierenden Zwischenwänden 12 mit beidsei tig am Rande kreisringförmig ausgebildeten Kragen 13 gebildet werden. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Ver dichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 be grenzt. Durch einen Isolierkörper in Form eines Formgehäuses 5, das aus zwei gleichen schalenförmigen Gehäuseteilen 51 besteht, werden die Elektroden 1 und die Zwischenwände 12 kraftschlüssig gehalten. Es sind bekannte, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Mittel zum kraftschlüssi gen Verbinden der beiden Gehäuseteile 51 vorgesehen, beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Dichtringe 6, die in gegenüberstehenden stirnseitigen Nuten der Kragen 13 bzw. Elektroden 1 eingelegt sind, dienen zum Abdichten der Verdichterräume 4. Die Gehäuse hälften 51 sind druckfeste Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7 ausgefüllt, beispielsweise einer GaInSn-Legierung. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbin dungskanälen 17 mit V-förmigem Längsprofil versehen. Die Verbindungska näle 17 sind im Nennbetrieb ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwi schen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 17 benachbarter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag versetzt sein, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu erschweren. Die Verbindungskanäle 17 setzen sich aus zwei winklig ineinander übergehenden und geradlinig verlaufenden Teilkanälen 18, 19 zusammen. Die Teilkanäle 18 und 19 verlaufen von den Außenwänden zum Inneren der Zwischenwände 12 schräg nach unten, daß heißt vom Flüssigkeitsspiegel 9 weg gerichtet. Durch diese Ausbildung der Verbindungskanäle 17 wird gegenüber den bekannten Strombegrenzungseinrichtungen mit geradlinig verlaufenden Verbindungska nälen eine verkürzte Rekombinationszeit erreicht, da nach einem äußeren Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf- bzw. Gasblasen aus den Verbindungskanäle 17 erleichtert und damit das Wiederbefüllen der Verbin dungskanäle mit dem Flüssigmetall 7 beschleunigt wird.The current limiting device 10 of FIG. 1 includes on both sides of one electrode 1 made of solid metal, preferably copper, which is formed rotationssymme symmetrical and merges into an outer connection conductor 2. Between the electrodes 1 there are several compressor spaces 4 , which are formed by a corresponding number of insulating partition walls 12 with a ring-shaped collar 13 on both sides at the edge. The two outer compressor chambers 4 are laterally delimited by one of the electrodes 1 and by an intermediate wall 12 . The inner United poetry rooms 4 are laterally bordered by two partitions 12 be. The electrodes 1 and the intermediate walls 12 are held non-positively by an insulating body in the form of a molded housing 5 , which consists of two identical shell-shaped housing parts 51 . There are known, but not shown for reasons of clarity means for kraftschlüssi gene connecting the two housing parts 51 , for example, continuous clamping screws along the two lines 3rd Sealing rings 6 , which are inserted in opposite end grooves of the collar 13 or electrodes 1 , are used to seal the compressor chambers 4 . The housing halves 51 are pressure-resistant insulating bodies. All of the compressor rooms 4 are partially filled with a liquid metal 7 , for example a GaInSn alloy. The partitions 12 are provided below the liquid level 9 with connec tion channels 17 with a V-shaped longitudinal profile. The Verbindungska channels 17 are also filled with liquid metal 7 during nominal operation, so that between the electrodes 1 there is a continuous electrically conductive connection. The connecting channels 17 of adjacent partition walls 12 can advantageously each be offset by a certain angular amount in order to make a continuous arc difficult in the event of a current limitation. The connecting channels 17 are composed of two subchannels 18 , 19 which merge at right angles and run in a straight line. The subchannels 18 and 19 run from the outer walls to the inside of the intermediate walls 12 obliquely downwards, that is, directed away from the liquid level 9 . This design of the connecting channels 17 compared to the known current limiting devices with rectilinear connecting channels achieves a shortened recombination time, since after an external short circuit, the escape of steam or gas bubbles from the connecting channels 17 is facilitated and thus the refilling of the connecting channels with the liquid metal 7 is accelerated.

Die Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen im wesentlichen durch die Ausbildung ihrer Zwi schenwände 22, 23 und durch als ringförmige Dichtscheiben 21 ausgebildete weitere Isolierkörper zwischen den Zwischenwänden 22, 23 bzw. zwischen den äußeren Zwischenwänden 22 und den benachbarten Elektroden 1. Die Zwischenwände 22, 23 sind jeweils aus zwei gleichen Teilwänden 24 und 25 zusammengesetzt, die mit einem schräg verlaufenden Teilkanal 28 bzw. 29 versehen sind. Je nachdem mit welcher ihrer beiden Frontseiten zwei Teil wände 24 und 25 dicht aneinander liegen, werden Verbindungskanäle 26 oder 27 gebildet, die unterschiedliche Neigungsrichtungen von außen nach innen aufweisen. Im Beispiel sind durch die Teilwände 24 und 25 die beiden äuße ren Zwischenwände 22 so zusammengesetzt, daß sich die durch die Teilka näle 28 und 29 gebildeten V-förmigen Verbindungskanäle 26 beidseitig zum Flüssigkeitsspiegel 9 des Flüssigmetalls 7 schräg hin öffnen, wogegen die in neren Zwischenwände 23 so zusammengesetzt sind, daß sich die durch die Teilkanäle 28 und 29 gebildeten umgekehrt V-förmigen Verbindungskanäle 27 beidseitig vom Flüssigkeitsspiegel 9 schräg weg öffnen. Die äußeren Verbin dungskanäle 26 weisen eine verkürzte und die inneren Verbindungskanäle 27 eine verlängerte Rekombinationszeit nach einem Kurzschluß auf.The current limiting device 20 shown in FIG. 2 differs from the one described above essentially by the design of its intermediate walls 22 , 23 and by additional sealing bodies formed as annular sealing disks 21 between the intermediate walls 22 , 23 or between the outer intermediate walls 22 and the adjacent electrodes 1st The intermediate walls 22 , 23 are each composed of two identical partial walls 24 and 25 , which are provided with an inclined partial channel 28 and 29 , respectively. Depending on which of its two front sides two part walls 24 and 25 are close together, connecting channels 26 or 27 are formed which have different directions of inclination from the outside inwards. In the example, by the partial walls 24 and 25, the two äuße ren intermediate walls 22 so composed as to open toward the obliquely through the Teilka ducts 28 and 29 formed V-shaped connecting channels 26 on both sides to the liquid level 9 of the liquid metal 7, whereas in Neren intermediate walls 23 are composed such that the inverted V-shaped connecting channels 27 formed by the partial channels 28 and 29 open obliquely on both sides away from the liquid level 9 . The outer connec tion channels 26 have a shortened and the inner connection channels 27 an extended recombination time after a short circuit.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt. So lassen sich beispielsweise in entsprechender Abwandlung der Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 durch geeig nete Wahl der paarweisen Zusammensetzung der Teilwände 24 und 25 Strombegrenzungseinrichtungen herstellen, die an unterschiedliche Strombe grenzungsbedingungen weitgehend angepaßt sind. Weiterhin können zur weiteren Differenzierung des Strombegrenzungsverhaltens durchaus einige der Zwischenwände mit geradlinig verlaufenden Verbindungskanälen ausge stattet sein.The present invention is not limited to the above-described embodiments. Thus, for example, in a corresponding modification of the current limiting device 20 according to FIG. 2, by suitable selection of the paired composition of the part walls 24 and 25, current limiting devices can be produced which are largely adapted to different current limiting conditions. Furthermore, to further differentiate the current limiting behavior, some of the partition walls can be equipped with straight-line connecting channels.

Claims

1. Self-recovering current limiting device with liquid metal, containing electrodes ( 1 ) made of solid metal for connection to a circuit to be protected and several liquid metal ( 7 ) partially filled, between the electrodes ( 1 ) one behind the other compressor chambers ( 4 ) by pressure-resistant insulating bodies ( 5 ; 21 ) and by this insulating partition walls ( 12 ; 22 ; 23 ) with connecting channels ( 17 ; 26 ; 27 ) for the liquid metal ( 7 ) are formed, characterized in that at least a subset of the connecting channels ( 17 ; 26 ; 27 ) has a substantially V-shaped or vice versa V-shaped longitudinal profile.

2. Self-recovering current limiting device according to claim 1, characterized in that the subset of the connecting channels ( 17 ; 26 ; 27 ) has two straight partial channels ( 18 , 19 ; 28 , 29 ) which merge into one another.

3. Self-recovering current limiting device according to claim 2, characterized in that the sub-channels ( 28 , 29 ) in the direction of the inner walls of the partitions ( 23 ) directed towards the liquid level ( 9 ).

4. Self-recovering current limiting device according to claim 2, characterized in that the partial channels ( 18 , 19 ; 28 , 29 ) in the direction of the interior of the intermediate walls ( 12 ; 22 ) from the liquid level ( 9 ) directed away.

5. Self-recovering current limiting device according to claim 3 or 4, characterized in that the intermediate walls ( 22 ; 23 ) are divided into two overlapping partial walls ( 24 , 25 ) which are provided with the obliquely introduced straight partial channels ( 28 , 29 ).

6. Self-recovering current limiting device according to claim 5, characterized in that the part walls ( 24 , 25 ) are of the same design and optionally touch each other closely via one or the other of their two front sides.

7. Self-recovering current limiting device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the intermediate walls ( 12 ) are provided with collars ( 13 ) at the edges on the sides, the height of which is equal to half the width of the inner compression spaces ( 4 ), and the end faces of the collar ( 13 ) of opposing partition walls ( 12 ) touch one against the other.

8. Self-recovering current limiting device according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the partition walls on a The sides are provided with collars, the height of which is equal to the width of the inner compression spaces, and that the end faces of the collars Touch the opposite partitions tightly.

9. Self-recovering current limiting device according to one of the claims 1 to 8, characterized in that in the partitions above constant pressure of the liquid level equalization channels are provided.

10. Current limiting device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid metal ( 7 ) is a GaInSn alloy.