DE19909559C1

DE19909559C1 - Liquid metal-containing self-recovering current limiter including partition walls with connection channels formed by opposed conical opening pairs, for overload and short-circuit protection

Info

Publication number: DE19909559C1
Application number: DE1999109559
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2019-03-06

Abstract

A self-recovering current limiter has partition walls (12) with connection channels (8) formed by pairs of opposed conical openings (81, 82). A liquid metal-containing self-recovering current limiter comprises compression spaces (4) which are partially filled with liquid metal (7) and are arranged between solid metal electrodes (1) connected to a circuit to be protected, the spaces being delimited by pressure-tight insulating bodies (5, 11) and by insulating partition walls (12) with connection channels (8). The connection channels (8) consist of channel pairs of closely adjacent conical openings (81, 82) with opposite opening angles.

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 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. From the publication SU 922 911 A is a self-recovering current limiter 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.

Bei Strombegrenzungseinrichtungen mit mehreren Verdichterräumen wird in folge der hintereinander liegenden Verbindungskanäle beim Auftreten eines Kurzschlusses durch die Anzahl der strombegrenzenden Lichtbögen ein ent sprechend hoher Spannungsabfall aufgebaut, der schließlich zur Unterbre chung des Kurzschlußstromes führt. Die Verbindungskanäle der bekannten Strombegrenzungseinrichtungen sind als zylindrische Bohrungen ausgeführt. Es wurde festgestellt, daß heißes Flüssigmetall, welches hauptsächlich an den Rändern der Verbindungskanäle aufgeheizt wird, durch Flüssigmetallströmun gen in das Kanalinnere transportiert wird. Da dieser Prozeß beidseitig der Zwi schenwände auftritt, kann die Wärme aus den Verbindungskanälen nicht aus reichend abgeführt werden. Dies führt bei Überlastströmen zu unerwünschten Erwärmungen des Flüssigmetalls und somit zu einer unzulässigen Stromun terbrechung. Damit sind die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen bei spielsweise nicht in Verbindung mit Motoren oder Transformatoren geeignet, da deren hohen Anlaufströme bzw. Einschaltströme, die ein mehrfaches ihrer Nennströme betragen, häufig zu einem unerwünschten Ansprechen der Strombegrenzungseinrichtungen führen.In the case of current limiting devices with several compressor rooms, in follow the connecting channels one behind the other when a occurs Short circuit due to the number of current-limiting arcs built up a correspondingly high voltage drop, which finally to the break of the short-circuit current leads. The connection channels of the known Current limiting devices are designed as cylindrical bores. It has been found that hot liquid metal, which is mainly associated with the Edges of the connecting channels is heated by liquid metal flow is transported into the interior of the canal. Since this process on both sides of the Zwi walls occurs, the heat from the connecting channels cannot escape be sufficiently dissipated. This leads to undesirable overload currents Heating of the liquid metal and thus to an impermissible current break. The known current limiting devices are thus included not suitable for example in connection with motors or transformers, since their high starting currents or inrush currents which are a multiple of theirs Nominal currents are often an undesirable response of the Lead current limiting devices.

Aus der DE-PS 756 740 ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrich tung mit Flüssigmetall bekannt, die einen Verbindungskanal aus einem Kanal paar eng benachbarter paralleler Durchbrüche aufweist, die an beiden Enden in trichterförmige Erweiterungen auslaufen.From DE-PS 756 740 is a self-recovering current limiting device tion with liquid metal known that a connecting channel from a channel has a pair of closely adjacent parallel breakthroughs at both ends end in funnel-shaped extensions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Überlastvermögen einer Strombegrenzungseinrichtung zu erhöhen, ohne dabei ihrer Ansprechschwelle und Ansprechzeit im Kurzschlußfall abzusenken.The invention has for its object the overload capacity of a Current limiting device to increase without changing its response threshold and reduce the response time in the event of a short circuit.

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. 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 claim solved, while the dependent claims advantageous developments of the invention can be found.

Aufgrund der entgegengesetzt gerichtet konischen Kanalpaare und der sich daraus einstellenden Stromdichte- und Magnetkraftverteilung wird eine Um laufströmung des Flüssigmetalls im Bereich der Kanalpaare bewirkt, die im Nennbetrieb und im Überlastbetrieb unterhalb von Kurzschlußströmen für einen vorteilhaften Temperaturausgleich im Flüssigmetall sorgt. Mit derartigen Kanalpaaren ausgestattete Strombegrenzungseinrichtungen lassen sich an beliebigen Netzpunkten mit einer zum nachfolgenden Schaltgerät, beispiels weise Leistungsschalter, angepaßten Strombegrenzungskennlinie einsetzen, womit ein Überlast- und Kurzschlußschutz für die Anwendungsbereiche Generator- und Transformatorschutz, Kabel- und Leitungsschutz sowie Motor schutz ermöglicht wird.Because of the oppositely directed conical channel pairs and the resulting current density and magnetic force distribution becomes an order running flow of the liquid metal in the region of the channel pairs causes the Rated operation and in overload operation below short-circuit currents for provides an advantageous temperature compensation in the liquid metal. With such Current limiting devices equipped with pairs of channels can be started arbitrary network points with one of the following switching devices, for example wise circuit breaker, use adapted current limiting characteristic, with an overload and short-circuit protection for the application areas Generator and transformer protection, cable and wire protection and motor protection is made possible.

Durch die geometrischen Abmessungen der konischen Durchbrüche sind die Strömungsgeschwindigkeit und das Umwälzvolumen des Flüssigmetalls und damit die Strombegrenzungskennlinie der Strombegrenzungseinrichtung in einem weiten Bereich wählbar. Zweckmäßig ist ein Öffnungswinkel der koni schen Durchbrüche zwischen 30° und 90°.Due to the geometric dimensions of the conical openings, the Flow velocity and the circulation volume of the liquid metal and thus the current limiting characteristic of the current limiting device in wide range selectable. An opening angle of the koni is expedient breakthroughs between 30 ° and 90 °.

Es ist einerseits zweckmäßig, wenn die Zwischenwände im Bereich der Ver bindungskanäle Buchsen aus hochtemperatur- und abbrandfestem isolieren dem Material aufweisen und im übrigen aus einem demgegenüber geringwer tigeren Werkstoff, beispielsweise einem preiswerten keramischen Material be stehen. Der Einsatz hochwertiger Materialien wird dadurch wirksam auf dieje nigen Bereiche der Zwischenwände, die im Kurzschlußfall den extremen Be dingungen ausgesetzt sind, eingeschränkt. Vorteilhaft sind die Zwischen wände - ausgenommen die Buchsen - aus einem preiswerten Formstoff her gestellt, der den außerhalb des Nahbereiches der Verbindungskanäle auftre tenden geringeren Temperaturanforderungen genügt.On the one hand, it is useful if the partitions in the area of Ver insulation channels Insulate bushings from high temperature and burn-resistant have the material and the rest of a small tiger material, such as an inexpensive ceramic material stand. The use of high quality materials is effective on them nige areas of the partition walls, which in the event of a short circuit the extreme loading conditions are restricted. The intermediate are advantageous walls - with the exception of the sockets - are made of an inexpensive molding material provided that occurs outside the close range of the connecting channels tendency lower temperature requirements is sufficient.

Es ist anderseits zweckmäßig, die Zwischenwände aus einem temperatur- und abbrandfesten nichtkeramischen Werkstoff bestehen. Insbesondere Glimmer ist ein preiswerter und leicht, beispielsweise mittels Zerspanung, bearbeitbarer Werkstoff und weist eine ausreichende Beständigkeit gegen hohe Temperatu ren und gegen Lichtbogeneinwirkung auf. Die Zwischenwände lassen sich auch preiswert, insbesondere bei hohen Stückzahlen, aus einem hochtempe raturfesten Formstoff herstellen.On the other hand, it is expedient to separate the partitions from a temperature and erosion-resistant non-ceramic material. Especially mica is an inexpensive and easy to edit, for example by machining Material and has sufficient resistance to high temperatures and against arcing. The partitions can be also inexpensive, especially for large quantities, from a high temperature Manufacture resistant to aging molding material.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Zwischenwände aus einer bearbeitbaren Glaskeramik bestehen. Derartige Glaskeramiken sind heutzutage preiswerter als die bisher für die Zwischenwände verwendeten herkömmlichen kerami schen Werkstoffe, insbesondere lassen sie sich problemlos spanend bearbei ten oder bei großen Stückzahlen als Formteil herstellen.Furthermore, it is expedient that the partitions from a workable Glass ceramic exist. Such glass ceramics are cheaper today than the traditional kerami previously used for the partition walls materials, in particular they can be machined without problems or as a molded part in large quantities.

GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Ge wichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und be sitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.GaInSn alloys as the liquid metal to be used are simply too handle through their physiological harmlessness. An alloy of 660 parts by weight of gallium, 205 parts by weight of indium and 135 Ge parts by weight Tin is liquid at normal pressure from 10 ° C to 2000 ° C and be there is sufficient electrical conductivity.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebe nen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der einzigen Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt ist.Further details of the invention are explained in the exemplary embodiment described below, the current limiting device being shown in the single FIG. 1 in longitudinal section.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 enthält zu beiden Seiten je eine Elek trode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die bezüglich der Längsachse der Strombegrenzungseinrichtung 10 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befin den 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 Ab dichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssi gen 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 be grenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwi schenwände 12 begrenzt. Das aus zwei gleichen Halbschalen 51 bestehende Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GaInSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigkeits spiegels 71 befindet sich in diesem Beispiel Vakuum oder ein Schutzgas.The current limiting device 10 contains on both sides an electrode 1 made of solid metal, preferably copper, which is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis of the current limiting device 10 and merges into an outer connecting conductor 2 . Between the electrodes 1 there are several compressor spaces 4 , which are formed by a corresponding number of annular sealing disks 11 and insulating partition walls 12 . The electrodes 1 , the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 are held by a molded housing 5 , whereby known means are provided for sealing the compression spaces 4 and for non-positively connecting the elements 1 , 11 and 12 stored in the molded housing 5 , but not shown for reasons of clarity are. The means for sealing off can be, for example, sealing rings between the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 or electrodes 1 . The means for kraftschlüssi gene connections are, for example, continuous clamping screws along the two lines 3rd The two outer compressor chambers 4 are laterally delimited by one of the electrodes 1 and by an intermediate wall 12 . The inner compression spaces 4 are laterally bounded by two intermediate walls 12 . The molded housing 5 consisting of two identical half-shells 51 and the sealing washers 11 are pressure-resistant first and second insulating bodies. All of the compressor rooms 4 are partially filled with a liquid metal 7 , for example a GaInSn alloy. In this example, there is a vacuum or a protective gas above the liquid level 71 .

Die Zwischenwände 12 sind mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbin dungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 sind erfindungsgemäß aus Kanalpaaren 81, 82 zusam mengesetzt. Die Kanalpaare 81, 82 sind als eng benachbarte konische Durchbrüche 81 und 82 ausgebildet, wobei sich im Beispiel die oberen Durch brüche 81 jeweils zum rechten und die unteren Durchbrüche 82 jeweils zum linken benachbarten Verdichterraum 4 weiten. Durch diese Anordnung werden im Normalbetrieb sowie bei Überlast - jedoch nicht bei Kurzschluß - temper turausgleichende Strömungen des Flüssigmetalls 7, angedeutet durch den Ringpfeil 72, im Bereich der Verbindungskanäle 8 hervorgerufen. Die Zwi schenwände 12 bestehen aus einem temperaturbeständigen Formstoff, der jedoch nicht den hohen Anforderungen an die Bedingungen genügen muß, die im Kurzschlußfall durch die entstehenden hohe Temperaturen und die Licht bögen entstehen. Dazu sind die Zwischenwände 12 im Bereich ihrer Verbin dungskanäle 8 mit eingepreßten Buchsen 13 versehen, die aus einem be kannten hochtemperatur- und abbrandfesten keramischen Material bestehen.The intermediate walls 12 are provided with connecting channels 8 . The connec tion channels 8 are also filled with liquid metal 7 , so that there is a continuous electrically conductive connection between the electrodes 1 . The connecting channels 8 are according to the invention composed of channel pairs 81 , 82 together. The channel pairs 81 , 82 are formed as closely adjacent conical openings 81 and 82 , wherein in the example the upper openings 81 each extend to the right and the lower openings 82 each to the left adjacent compression chamber 4 . By this arrangement, in normal operation and in case of overload - but not in short - temper turausgleichende flows of the liquid metal 7, as indicated by the ring arrow 72, caused in the area of the connecting channels. 8 The inter mediate walls 12 consist of a temperature-resistant molding material, which, however, does not have to meet the high requirements for the conditions that arise in the event of a short circuit due to the resulting high temperatures and arcs. For this purpose, the partitions 12 in the area of their connec tion channels 8 are provided with pressed-in sockets 13 , which consist of a known high-temperature and erosion-resistant ceramic material.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausfüh rungsform beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Erfindung beispielsweise auch dahingehend ausgestalten, daß die Zwischenwände 12 als Ganzes aus einem hochtemperatur- und abbrandfesten Material, beispielsweise aus Glim mer oder einer bearbeitbaren Glaskeramik, bestehen, wobei die Kanalpaare 81 und 82 direkt in die Zwischenwände 12 eingearbeitet sind.The present invention is not limited to the embodiment described above, but also includes all embodiments having the same effect in the sense of the invention. Thus, the invention can also be designed, for example, in such a way that the partition walls 12 as a whole consist of a high-temperature and erosion-resistant material, for example Glim mer or a workable glass ceramic, the channel pairs 81 and 82 being incorporated directly into the partition walls 12 .

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 with liquid metal ( 7 ) partially filled, between the electrodes ( 1 ) one behind the other compressor chambers ( 4 ) by pressure-resistant insulating bodies ( 5 ; 11 ) and by this insulating partition walls ( 12 ) with connecting channels ( 8 ) are formed, characterized in that the connecting channels ( 8 ) from channel pairs ( 81 , 82 ) of closely adjacent conical openings ( 81 ; 82 ) each because there are opposite opening angles.

2. Self-recovering current limiting device according to claim 1, marked characterized by opening angles in a range from 30 ° to 90 °.

3. Self-recovering current limiting device according to claim 1 or 2, characterized in that the partitions ( 12 ) in the area of the connecting channels ( 8 ) have bushings ( 13 ) made of high-temperature and erosion-resistant insulating material and, moreover, consist of a material which is less valuable than that.

4. Self-recovering current limiting device according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate walls ( 12 ) consist of a temperature and erosion-resistant non-ceramic material, such as mica or a high temperature resistant molding material.

5. Self-recovering current limiting device according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate walls ( 12 ) consist of a bearable glass ceramic.

6. Current limiting device according to one of the preceding claims, characterized by a GaInSn alloy as the liquid metal ( 7 ).