DE19918451A1

DE19918451A1 - Selbstholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall

Info

Publication number: DE19918451A1
Application number: DE19918451A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-10-26
Also published as: WO2000065618A3; US6714115B1; EP1173860B1; DE50003372D1; WO2000065618A2; EP1173860A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (221, 222) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (221, 222) hintereinander liegende Verdichterräume (61). Diese werden durch druckfeste Isolierkörper (3, 20) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (41...44) mit Verbindungskanälen (5) gebildet. Zur Einstellung der Strombegrenzungseinrichtung (2) auf den gewünschten Nennstromfaktor ist das das Flüssigmetall (7) beinhaltende Volumen der Verdichterräume (61) in Verbindung mit einer Einstellvorrichtung (24) veränderbar. Dazu ist beispielsweise ein Vorratsbehälter (26) mit der von außen verstellbaren und feststellbaren Einstellvorrichtung (24) verbunden.

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 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 Dicht scheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinan der liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüs sigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwi schenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüs sigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elek troden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüs sigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Be grenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung oder Beseitigung des Kurzschlusses 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 Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeits spiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen als Flüssigmetall Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden. Es sind, beispielsweise nach Patent Abstract1 JP 40 4312737 A, Strombegrenzungseinrichtungen bekannt, bei denen zur Absorption des im Strombegrenzungsfall durch Verdampfung von Flüssigmetall entstehenden schlagartigen Druckanstieges ein röhrenartiger, mit Flüssigmetall gefüllter Strombegrenzungsraum mit einer durch Federkraft beaufschlagten, gasge füllten Zylinder-Kolben-Einrichtung in Verbindung steht.

Um die eingangs genannten Strombegrenzungseinrichtungen für verschie dene Anwendungsfälle nutzen zu können, müssen sie dahingehend unter schiedlich ausgelegt sein, daß sie bei einer vom Anwendungsfall abhängigen, mehr oder weniger kurzzeitigen Überlastung nicht ansprechen. So dürfen z. B. Strombegrenzungseinrichtungen in Verbindung mit Generatoren nicht bei einem kurzzeitigen Überlaststrom, der das 2. . .6fache des Nennstromes be trägt, oder in Verbindung mit Motoren schlechter Eisenqualität oder Transfor matoren nicht bei einem kurzzeitigen Überlaststrom, der das 6. . .18fache des Nennstromes beträgt, ansprechen; sondern dies erst bei einem demgegen über höheren Strom tun. Daher besteht bisher das nachteilige Erfordernis, herstellerseitig eine erhebliche Anzahl von Strombegrenzungseinrichtungen anzubieten, damit eine geeignete Auswahl hinsichtlich der anwenderseitigen Gegebenheiten stattfinden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsein richtung anzugeben, die in einfach zu handhabender und in sicher zu reprodu zierender Weise auf ein gewünschtes Strombegrenzungsverhalten, d. h. ins besondere hinsichtlich des Ansprechstromes, wenigstens annähernd optimal anzupassen ist.

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 eine Verstellung der Einstellvorrichtung wird eine die Füllstandshöhe über den Verbindungskanälen verändernde Volumenänderung des Flüssig metalls innerhalb der Verdichterräume vorgenommen wird. Es wurde gefun den, daß sich die Größe des Ansprechstromes bei im übrigen gleichen Bedin gungen mit zunehmender Füllstandshöhe des Flüssigmetalls über den Ver bindungskanälen erhöht. Damit wird erreicht, daß ein einziges Gerät anwen derseitig auf einen erforderlichen Nennstromfaktor aus einer Vielzahl von möglichen Nennstromfaktoren eingestellt werden kann. Bei dem mit dem Nennstromfaktor multiplizierten Nennstrom, für den die zu schützende Anlage ausgelegt ist, soll die Strombegrenzungseinrichtung ansprechen.

Eine erste Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß wenigstens einer der Verdichterräume wenigstens teilweise als Zylinder-Kolben-Einrichtung ausgebildet ist, deren Kolben und damit die Füllstandshöhe durch eine verstell- und feststellbare Einstellvorrichtung einzustellen ist. Vorteilhaft ist hierbei die leitende Verbindung des Kolbens mit der benachbarten Elektrode, beispielsweise über angeschweißte flexible Leiter, so daß der Kolben in der Art einer inneren Elektrode wirkt.

Eine zweite Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß wenigstens einer der Verdichterräume mit einem mit Flüssigmetall gefüllten Vorratsbehälter ver bunden ist, wobei der Vorratsbehälter mit einer von außen verstellbaren und feststellbaren Einstellvorrichtung wirkverbunden ist. Bevorzugt steht eine der Elektroden mit dem Vorratsbehälter in Verbindung. Der Vorratsbehälter be steht vorteilhaft aus einer Zylinder-Kolben-Einrichtung oder aus einem Falten balg.

Die Einstellvorrichtung ist zweckmäßig mit einem Stößel verbunden und/oder über Rast- oder Klemmitteln festzustellen und/ oder mit einer Einstellskala, in diesem Falle vorteilhaft in Verbindung mit einem Zeiger, versehen.

Sind mehrere Strombegrenzungseinrichtungen zu einer mehrpoligen Einrich tung zusammengeführt, dann empfiehlt sich die Verbindung der Einstellvor richtungen aller Pole zur gemeinsamen Einstellung des gleichen Nennstrom faktors der Pole, beispielsweise über eine Brücke.

GalnSn-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.

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

Fig. 1a, b im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsge mäßen Strombegrenzungseinrichtung;

Fig. 2a, b im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsge mäßen Strombegrenzungseinrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1a und Fig. 1b wird die Strombegrenzungseinrichtung 1 von einem druckfesten ersten Isolierkör per in Form eines Formgehäuses 10 umgeben. Das Formgehäuse 10 besteht aus einer linksseitigen Halbschale 101 und einer rechtsseitigen Halbschale 102. Innerhalb des Formgehäuses 10 befindet sich eine linksseitige Elektrode 121 und eine rechtsseitige Elektrode 122. Die Elektroden 121 und 122 beste hen aus massivem Kupfer und reichen mit jeweils einem äußeren Anschluß leiter 123 durch das Formgehäuse 10. Ausgehend von der linksseitigen Elek trode 121 sind in dem Formgehäuse 10 weiterhin abwechselnd druckfeste zweite Isolierkörper in Form von ringförmigen Dichtscheiben 3 und isolierende Zwischenwände 41 bis 44, die mit Verbindungskanälen 5 versehen sind, an geordnet.

Zwischen der am weitesten rechts gelegenen Zwischenwand 44 und der rechtsseitigen Elektrode 122 ist eine Zylinder-Kolben-Einrichtung 13 angeord net. Die Zylinder-Kolben-Einrichtung 13 besteht im wesentlichen aus einem druckfesten isolierenden Zylinder 131 und einem in diesem senkrecht zu den Zwischenwänden 41 bis 44 geführten Kolben 132. Der Zylinder 131 wird in gleicher Weise wie die Dichtscheiben 3 und die Zwischenwände 41 bis 44 in dem Formgehäuse 10 gehalten, wobei nicht dargestellte Mittel zum kraft schlüssigen Verbinden dieser Elemente, beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 8, und vorzugsweise Dichtringe zwischen diesen Elementen vorhanden sind. Der als offener Hohlzylinder ausgebildete Kolben 132 wird in dem Zylinder 131 dicht geführt, wozu ein Dichtring 133 an der Mantelfläche des Kolbens 132 vorgesehen ist. Der Stößel 134 des Kolbens 132 reicht durch die rechtsseitige Elektrode 122 und Halb schale 102. Die Bewegung des Kolbens 132 erfolgt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 135, die sich zwischen dem Kolben 132 und der rechtsseitigen Elektrode 122 abstützt. Die Rückstellfeder 135 beaufschlagt den Kolben 132 in Richtung zur Zwischenwand 44. Der ebenfalls aus Kupfer bestehende Kol ben 132 ist über beidseitig angeschweißte flexible Kupferlitzen 136 mit der rechtsseitigen Elektrode 122 leitend verbunden, so daß der Kolben 132 im Sinne einer Elektrode wirkt.

Durch die Dichtscheiben 3, die linksseitige Elektrode 121 und die Zwischen wände 41 bis 44 werden erste Verdichterräume 61 mit gleichbleibendem Rauminhalt ausgebildet. Durch die am weitesten rechts gelegene Zwischen wand 44, dem Zylinder 131 und dem Kolben wird ein zweiter Verdichterraum 62 mit einem veränderbaren Rauminhalt ausgebildet. Alle Verdichterräume 61 und 62 sind teilweise mit Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GaInSn- Legierung, aufgefüllt. Deren Flüssigkeitsspiegel 71 befindet sich in jedem Fall oberhalb der Verbindungskanäle 5, so daß normalerweise über dem Flüssig metall 7, dem Kolben 132 und den Kupferlitzen 136 eine durchgehende lei tende Verbindung zwischen den Elektroden 121 und 122 besteht, die erst bei Überschreiten des Ansprechstromes begrenzt oder unterbrochen wird. Ober halb des Flüssigmetalls 7 befindet sich Vakuum oder ein Schutzgas, dessen Druck herstellerseitig eingestellt worden ist.

Beim Verstellen des Stößels 134 wird durch die damit verbundene Volumen änderung des Verdichterraumes 62 der Flüssigkeitsspiegel 71 des sich ver teilenden Flüssigmetalls 71 in allen Verdichterräumen 61, 62 verändert. In der äußersten linken bzw. rechten Stellung des Kolbens 132 nimmt der Flüssig keitsspiegel 71 die maximale Höhe Hmax (Fig. 1a) bzw. die minimale Höhe Hmin (Fig. 1b) über den Verbindungskanälen 5 ein, wobei die dargestellte horizontale Gebrauchslage der Strombegrenzungseinrichtung 1 vorausgesetzt wird. Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 71 über den Verbindungskanälen 5 beeinflußt die Höhe des Ansprechstromes der Strombegrenzungseinrichtung 1. Der Stößel 134 ist in Richtung zu seinem freien Ende mit Rastkerben 141 versehen, die mit einem in der rechtsseitigen Halbschale 102 geführten und mit einem unter der Einwirkung einer Rastfeder 142 stehenden Zeiger 143 rastend zusammenwirken. Den Rastkerben 141 sind Werte einer Einstellskala 144 zugeordnet. Diese Werte entsprechen den mittels der Einstellvorrichtung 14, die aus den Einstellmitteln 141 bis 144 gebildet ist, einstellbaren Werten der Nennstromfaktoren. Im Beispiel sind die Nennstromfaktoren "6" (Fig. 1b), "12" und "14" (Fig. 1a) einstellbar.

Bei der nunmehr folgenden Beschreibung und Darstellung der Strombegren zungseinrichtung 2 gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 2a und Fig. 2b werden nur die wesentlichen Unterschiede gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1a und Fig. 1b hervorgehoben, wobei Bezugszei chen für gleiche Elemente übernommen werden.

Durch die linksseitige Elektrode 221, die Dichtscheiben 3, die Zwischenwände 41 bis 44 sowie die rechtsseitige Elektrode 222 werden Verdichterräume 61 mit gleichbleibendem Rauminhalt gebildet. Die Strombegrenzungseinrichtung 2 wird isolierend und kraftschlüssig umgeben von einem Formgehäuse 20 aus einer linksseitigen und einer rechtsseitigen Halbschale 201 bzw. 202. Die Ver dichterräume 61 stehen über eine Verbindungsöffnung 25 mit einem Vorrats behälter 26 in Verbindung, der vorzugsweise vollständig mit Flüssigmetall 7 ausgefüllt ist. Der Vorratsbehälter 26 ist als (beispielsweise metallischer) Fal tenbalg ausgeführt, der im Bereich einer Zutrittsöffnung 203 in der rechtsseiti gen Halbschale 202 dicht mit der Außenseite der rechtsseitigen Elektrode 222 dicht verbunden ist. Die freie Stirnseite des Vorratsbehälters 26 ist mit einem Stößel 264 verbunden, der in einem ortsfesten Lager 245 verschiebbar geführt ist. Bei der äußersten Verschiebung des Stößels 264 nach rechts nimmt der Vorratsbehälter 26 sein größtes Volumen ein, das mit einer Aufnahme von Flüssigmetall 7 aus den Verdichterräumen 61 verbunden ist, wodurch der Flüssigkeitsspiegel 71 die kleinste einstellbare Höhe Hmin über den Verbin dungskanälen 5 einnimmt (Fig. 2a). Bei der äußersten Verschiebung des Stö ßels 264 nach links nimmt der Vorratsbehälter 26 sein kleinstes Volumen ein, das mit einer Abgabe von Flüssigmetall 7 in die Verdichterräume 61 verbun den ist, wodurch der Flüssigkeitsspiegel 71 die größte einstellbare Höhe Hmax über den Verbindungskanälen 5 einnimmt (Fig. 2b). Zur definierten Einstellung ist der Stößel 264 mit einer Einstellskala 244 ausgestattet. Zwischen Hmin und Hmax kann jede beliebige Höhe des Flüssigkeitsspiegels 71 und damit konti nuierlich der Nennstromfaktor der Strombegrenzungseinrichtung 2 mittels der sich aus den Einstellmitteln 244 bis 246 zusammensetzenden Einstellvorrich tung 24 eingestellt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Strombegrenzungsein richtung 2 beispielsweise dahingehend abwandeln, daß für den Vorratsbehäl ter 26 statt eines Faltenbalges eine Zylinder-Kolben-Einrichtung vorgesehen wird.

Eine weitere möglicher Ausbildung besteht darin, daß bei Verwendung mehre rer parallel angeordneter Strombegrenzungseinrichtungen 1 oder 2 zu einer mehrpoligen Einrichtung die Stößel 134 der Zylinder-Kolben-Einrichtungen 13 bzw. die Stößel 264 der Vorratsbehälter 26 untereinander starr verbunden sind, wobei hier nur eine einzige Einstellvorrichtung 14 bzw. 24 für alle Pole der mehrpoligen strombegrenzenden Einrichtung erforderlich ist.

Die Strombegrenzungseinrichtung 1 läßt sich außerdem in der Weise abwan deln, daß unter Fortfall der rechtsseitigen Elektrode 122 die Kupferlitzen 136 direkt mit dem rechtsseitigen Anschlußleiter 123 verbunden sind.

Bezugszeichenliste

1

Strombegrenzungseinrichtung

10

Formgehäuse

101

;

102

Halbschalen

121

;

122

Elektroden

123

Anschlußleiter

13

Zylinder-Kolben-Einrichtung

131

Zylinder

132

Kolben

133

Dichtring

134

Stößel

135

Rückstellfeder

136

Kupferlitzen

14

Einstellvorrichtung

141

Rastkerben

142

Rastfeder

143

Zeiger

144

Einstellskala

2

Strombegrenzungseinrichtung

20

Formgehäuse

201

;

202

Halbschalen

221

;

222

Elektroden

24

Einstellvorrichtung

244

Einstellskala

245

Lager

246

Klemmschraube

25

Verbindungsöffnung

26

Vorratsbehälter

264

Stößel

3

Dichtscheiben

41

. . .

44

Zwischenwände

5

Verbindungskanäle

61

;

62

Verdichterräume

7

Flüssigmetall

71

Flüssigkeitsspiegel

8

Linien

Claims

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, ent haltend Elektroden (121, 122; 221, 222) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (121, 122; 221, 222) hin tereinander liegende Verdichterräume (61; 62), die durch druckfeste Iso lierkörper (3, 10) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (41. . .44) mit Verbindungskanälen (5) gebildet werden, dadurch ge kennzeichnet, daß das das Flüssigmetall (7) beinhaltende Volumen der Verdichterräume (61; 62) in Verbindung mit einer Einstellvorrichtung (14; 24) veränderbar ist.

2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Verdichterräume (61, 62) durch eine diesen Verdichterraum (62) abdichtende Zylinder-Kolben- Einrichtung (13) mitgebildet wird, wobei der wenigstens teilweise vom Flüssigmetall (7) bedeckte Kolben (132) mit einer von außen verstellba ren und feststellbaren Einstellvorrichtung (14) wirkverbunden ist.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der Kolben (132) benachbart zu einer der Elektroden (122) angeordnet, mit dieser elektrisch leitend verbunden und senkrecht zur Erstreckung der Zwischenwände (41. . .44) verschiebbar ist.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Verdichterräume (61) mit einem mit Flüssigmetall (7) gefüllten Vorratsbehälter (26) veränderba ren Volumens verbunden ist, wobei der Vorratsbehälter (26) mit einer von außen verstellbaren und feststellbaren Einstellvorrichtung (24) wirk verbunden ist.

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (26) über eine Verbin dungsöffnung (25) durch eine der Elektroden (222) in Verbindung mit dem an diese Elektrode (222) grenzenden Verdichterraum (61) steht.

6. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter eine den Verdichter raum abdichtende Zylinder-Kolben-Einrichtung ist.

7. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (26) ein Faltenbalg ist.

8. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich tung (14; 24) mit einem Stößel (134; 264) verbunden ist.

9. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich tung (14; 24) über Rastmittel (141, 142, 143) oder Klemmittel (245, 246) in mehreren Stellungen feststellbar ist.

10. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich tung (14; 24) mit einer Einstellskala (144; 244) für einzustellende Strom begrenzungscharakteristiken versehen ist.

11. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß der Einstellskala (14) ein Zeiger (143) zu geordnet ist.

12. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich tung (14; 24) mit Einstellvorrichtungen benachbarter oder integrierter baugleicher Strombegrenzungseinrichtungen zusätzlicher Pole verbun den ist.

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