DE19916324A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4). Diese werden durch druckfeste Isolierkörper (5) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (8) mit Verbindungskanälen (82) gebildet. Auf den inneren Oberflächen (11) der Elektroden (1) sind nichtleitende Keramikscheiben (12) lokal gegenüber den Verbindungskanälen (82) der benachbarten Zwischenwände (8) angebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 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 liegen­ de 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. In Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut leitendes Material für die Elektroden Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 be­ kannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn- Legierungen zu verwenden.

In den Begrenzungsfällen gelangen die inneren Elektrodenoberflächen in Be­ rührung mit den entstehenden Lichtbögen, was in erster Linie zu Abbrander­ scheinungen in den gegenüber den Verbindungskanälen befindlichen Teilen der Elektrodenoberflächen sowie in zweiter Linie zur Verunreinigung des Flüs­ sigmetalls und damit letztendlich zu einer unbefriedigenden Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung führt. Außerdem ist das Strombegrenzungsver­ halten noch verbesserungswürdig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lebensdauer und Strombe­ grenzungsverhalten 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 die Elektroden lokal schützenden nichtleitenden Keramikscheiben brennt ein bei äußeren Kurzschlüssen auftretender Lichtbogen nicht mehr auf den Elektroden, sondern aufgrund der relativ großen Entfernung zu den leitfä­ higen Gebieten der inneren Oberflächen der Elektroden im wesentlichen nur noch im Flüssigmetall. Dadurch wird die Erosion des Elektrodenmaterials durch Abbrand erheblich reduziert und somit eine höhere Lebensdauer auch nach relativ zahlreichen Kurzschlüssen erreicht. Weiterhin wird durch den ver­ größerten Abstand von einem Verbindungskanal zu der erreichbaren leitenden Oberfläche einer Elektrode die Brennspannung des Lichtbogens erhöht. Dies bewirkt ein verbessertes Strombegrenzungsverhalten der Strombegrenzungs­ einrichtung und führt außerdem zu einer geringeren Belastung der Strombe­ grenzungseinrichtung und des zu schützenden Stromkreises. Im Nennbetrieb wird der Strom im Flüssigmetall durch die nichtleitenden Keramikscheiben ge­ zwungen, um diese herum zu fließen. Die Stromverteilung in den Elektroden wird dadurch in einem erheblichen Maße homogenisiert, wodurch lokal aufge­ heizte Gebiete in den Elektroden vermieden werden. Dies wirkt sich wiederum verbessernd auf deren Materialstabilität aus.

Vorteilhaft sind Keramikscheiben auf der Basis von Bornitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, wobei sie in zweckmäßiger Weise auf die inneren Oberflächen geklebt, gelötet oder in einer geeigneten Weise eingefügt sein können.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die inneren Ober­ flächen der Elektroden mit einer gegenüber dem Flüssigmetall diffusionsbe­ ständigen leitenden Materialschicht zu versehen. Damit wird zusätzlich der Diffusion und Korrosion der vom Flüssigmetall benetzten Innenflächen der Elektroden wirksam begegnet, was zu einer erheblichen Vergrößerung der Oberflächenbeständigkeit der Elektroden und damit der Stabilität und Lebens­ dauer der Strombegrenzungseinrichtung führt. Zweckmäßigerweise besteht die Materialschicht aus einer der vorgeschlagenen Übergangsmetalle oder deren Legierungen, wobei die Materialschicht zweckmäßig als aufgefügtes, beispielsweise aufgeklebtes oder aufgelötetes, oder als bündig eingefügtes Plättchen oder als aufgalvanisierte, aufgedampfte oder durch Reibschweißen aufgebrachte Metallschicht ausgeführt werden kann. Die leitende Material­ schicht kann unterhalb einer nichtleitenden Keramikscheibe entweder ganz oder teilweise weitergeführt, aber auch ausgespart sein.

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 Normal­ druck von 10°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebe­ nen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der einzigen Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt ist.

Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach Fig. 1 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von isolierenden Zwischenwänden 8 mit beidseitig am Rande kreisringförmig ausgebildeten Kragen 81 gebildet werden. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 8 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 8 begrenzt. Die Zwischenwände 8 bestehen aus einem tem­ peratur- und abbrandfesten Material. Durch einen Isolierkörper in Form eines Formgehäuse 5, das aus zwei gleichen schalenförmigen Gehäuseteilen 51 besteht, werden die Elektroden 1 und die Zwischenwände 8 kraftschlüssig gehalten. Es sind bekannte, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden der beiden Gehäuseteile 51 vorgesehen, beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Dichtringe 6, die in gegenüberstehenden stirnseitigen Nuten der Kragen 81 bzw. Elektroden 1 eingelegt sind, dienen zum Abdichten der Verdichterräume 4. Die Gehäusehälften 51 sind druckfeste Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7 ausgefüllt, bei­ spielsweise einer GaInSn-Legierung. Die Zwischenwände 8 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 82 versehen. Die Verbin­ dungskanäle 82 sind im Nennbetrieb ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Ver­ bindung besteht. Die Verbindungskanäle 82 benachbarter Zwischenwände 8 sind vorteilhaft zueinander versetzt, um im Strombegrenzungsfall einen durch­ gehenden Lichtbogen zu erschweren. Oberhalb des Flüssigmetalls 7 befindet sich beispielsweise Vakuum; aber auch ein Schutzgas wäre möglich.

In die zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung 10 weisende Oberfläche 11 jeder Elektrode 1 ist jeweils eine plättchenförmige leitende Materialschicht 13 eingefügt, die damit einen Teil der vom Flüssigmetall 7 teilweise benetzten inneren Oberfläche 11 der jeweiligen Elektrode 1 bildet. Die Materialschichten 13 sind bündig in eine dafür vorgesehene gleichförmig flache Vertiefung der Elektroden 1, beispielsweise durch Hartlöten, eingefügt. Die Materialschichten 13 bestehen im Beispiel aus einem hochlegiertem Chrom-Nickel-Stahl, wo­ durch den Innenflächen der Elektroden 1 eine hohe Diffusion- und Korrosions­ beständigkeit gegenüber dem Flüssigmetall 7 verliehen wird. In die Material­ schichten 13 selbst sind gegenüber den Verbindungskanälen 82 der äußeren, d. h. der den Elektroden 1 benachbarten, Zwischenwände 8 nichtleitende Ke­ ramikscheiben 12, beispielsweise aus Bornitrid, eingeklebt. Im Kurzschlußfall kann der entstehende Lichtbogen durch die Keramikscheiben 12 nicht mehr auf kurzem Wege auf den Materialschichten 13 der Elektroden 1 gelangen, sondern wird erzwungenermaßen verlängert. Dadurch wird der Abbrand der inneren Oberflächen 11, insbesondere der Materialschichten 13, infolge des Lichtbogens erheblich reduziert. Durch die kombinierte Ausstattung der Elek­ troden 1 mit den nichtleitenden Keramikschichten 12 und den leitenden Mate­ rialschichten 13 wird die Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung 10 in einem erheblichen Maße erhöht. Außerdem verbessert sich durch die Verlän­ gerung des Lichtbogens das Strombegrenzungsverhalten der Strombegren­ zungseinrichtung 10.

Claims (12)

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) und durch diese gehaltene isolie­ rende Zwischenwände (8) mit Verbindungskanälen (82) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den inneren Oberflächen (11) der Elektroden (1) nichtleitende Keramikscheiben (12) lokal gegenüber den Verbindungskanälen (82) der benachbarten Zwischenwände (8) ange­ bracht sind.

2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Keramikscheiben (12) aus einem Material auf der Basis von Bornitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid bestehen.

3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keramikscheiben (12) auf die inneren Oberflächen (11) geklebt sind.

4. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keramikscheiben (12) auf die inneren Oberflächen (11) gelötet sind.

5. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheiben (12) in die inneren Oberflächen (11) wenigstens teilweise eingefügt sind.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil der vom Flüssigmetall (7) benetzbaren inneren Oberflächen (11) der Elektroden (2) jeweils aus einer gegenüber dem Flüssigmetall (7) beständigeren leitenden Material­ schicht (13) besteht.

7. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Materialschicht (13) aus Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nickel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierungen besteht.

8. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Materialschicht (13) aus hochlegiertem Edelstahl besteht.

9. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein aufgefügtes Plättchen als Materialschicht (13).

10. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens teilweise eingefügtes Plättchen die Materialschicht (13) bildet.

11. Strombegrenzungseinrichtung nach eünem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine aufgalvanisierte, aufgedampfte oder durch Reibschweißen aufgebrachte Metallsclhicht als Materialschicht (13).

12. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine GaInSn-Legierung als Flüssigmetall (7).