DE19927065A1

DE19927065A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall

Info

Publication number: DE19927065A1
Application number: DE19927065A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2000-12-21
Also published as: US6603384B1; DE50006892D1; JP3643077B2; WO2000077811A1; JP2003502797A; EP1190429B1; EP1190429A1

Abstract

Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält Elektroden (13) aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (3) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (13) hintereinander liegende Verdichterräume (19), die durch druckfeste Isolierkörper und durch isolierende Zwischenwände (17) mit Verbindungskanälen (21) gebildet werden. Das zu lösende Problem besteht in der kostengünstigen Herstellung und einfachen Einstellung des gewünschten Nennstrombereiches. Dazu besteht ein umschließendes isolierendes Formgehäuse aus einem wannenartigen Unterteil (7) und einem dieses über kraft- und/oder formschlüssige Verbindungsmittel dicht verschließenden Deckel (9). Die Zwischenwände (17) sind einteilig mit dem Unterteil (7) verbunden. Die Verbindungskanäle (21) sind als nach oben offene Langlöcher ausgebildet. Die Elektroden (13) sind im Unterteil (7) gelagert.

Description

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

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine einpolige selbsterholende Strom begrenzungseinrichtung bekannt, die zwei Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper ge trennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischen wände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hinter einander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete, kreisförmige Verbindungs kanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwi schen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Strom dichte 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 Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbereit ist. Die Zwischenwände müssen dem Druckanstieg bei Verdampfung von Flüssigmetall standhalten und bestehen aus hochwertigem keramischem Material mit einer hohen Temperaturfestigkeit und einer gegenüber Lichtbo genwirkung hohen Abbrandfestigkeit. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird eine Strombegrenzungseinrichtung mit nur einem Verdichterraum beschrieben und als Medium über dem Flüssigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigen schaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbindungskanäle be nachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium- Legierungen, insbesondere GalnSn-Legierungen zu verwenden.

Die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen sind mit stromleitenden Ver bindungskanälen kreisförmigen Querschnitts ausgestattet. Der einmal vorge gebene, nicht veränderbare Öffnungsquerschnitt der Verbindungskanäle be stimmt im wesentlichen Maße die Nennstromtragfähigkeit der Strombegren zungseinrichtung. Somit ist eine Strombegrenzungseinrichtung ab Werk nur für einen einzigen Nennstrombereich tauglich. Anwenderseitig besteht keine Mög lichkeit, die Strombegrenzungseinrichtung für einen höheren oder niedrigeren Nennstrombereich umzustellen. Bei den bekannten Strombegrenzungsein richtungen treten außerdem Probleme an den Dichtfugen zwischen den ver bundenen Isolierkörpern auf. Die Kriechfähigkeit von Flüssigmetallen stellt an die Dichtigkeit der Strombegrenzungseinrichtungen hohe Anforderungen.

Weiterhin sind die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen durch einen teileintensiven Aufbau und einen hohen Montageaufwand gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsein richtung anzugeben, die kostengünstig herzustellen und mit einfachen Mitteln auf einen gewünschten Nennstrombereich eingestellt werden kann.

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.

Die erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung erfordert nur noch wenige Teile, nämlich zwei Elektroden, ein als Isolierkörper dienendes zweitei liges Formgehäuse sowie an sich bekannte Mittel zum Verbinden von Unterteil und Deckel, wie Schraub-, Klemm-, Kleb-, Schweiß- oder Preßverbindungen. Damit wird gleichermaßen der Aufwand zur Bereitstellung, zur Montage und zum Abdichten der verbliebenen Teile erheblich reduziert. Das Kriechen von Flüssigmetall stellt kein Problem mehr dar. Deckel und Unterteil einschließlich Zwischenwände bestehen aus hitzebeständigem Material, beispielsweise hitzefestem Thermo- oder Duroplast, Glimmer oder Keramik. Die nach oben offenen, als Langlöcher ausgebildeten Verbindungskanäle erlauben eine pro blemlose Entformung des Unterteils aus dem Formwerkzeug. Durch Einfüllen einer bestimmten Menge Flüssigmetall wird in der horizontalen Gebrauchslage der Strombegrenzungseinrichtung ein bestimmter Teilquerschnitt der ausge füllten Verbindungskanäle als stromleitender Querschnitt und damit der Nenn strombereich festgelegt. Die Nennstromtragfähigkeit steigt mit der Füllhöhe. Die Füllhöhe kann hersteller- oder anwenderseitig bestimmt, angepaßt oder verändert werden. Das gestattet eine optimale Anpassung an Gegebenheiten der zu schützenden Anlagen mit eine minimalen Anzahl von Baugrößen einer Typenreihe von Strombegrenzungseinrichtungen.

Die wechselnd versetzte Anordnung der jeweils einem der Zwischenwände zugeordneten Verbindungskanäle führt zu einem mäanderförmigen Strompfad und zu einer Lichtbogenlängung im Strombegrenzungsfall.

Es dient der mechanischen Stabilität, wenn sowohl die Außenwände als auch die Zwischenwände dicht mit dem Deckel verbunden sind, in vorteilhafter Weise bei gleichen Wandhöhen. Es empfiehlt sich die Verwendung von Dicht mitteln, die vorzugsweise als gespritzte oder geformte Dichtung bzw. Dichtun gen ausgeführt sein können.

Um eine leichte Entformbarkeit des Unterteil aus dem Formwerkzeug zu ge währleisten, ist es zweckmäßig, die entsprechenden Kanten und Wandflächen leicht schräg zu stellen.

Bei Verbindungskanälen mit der üblichen Langlochform besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen Füllhöhe der Flüssigmetall und stromleitendem Quer schnitt. Dagegen ist diese Abhängigkeit bei einer sich deutlich nach oben konisch weitenden Langlochform progressiv, was für eine deutliche Auswei tung der Nennstrombereiche genutzt werden kann.

Die Elektroden lassen sich ein einfacher Weise mit an sich bekannten Mitteln im Unterteil lagern und mit der Montage des Deckels festlegen. Es verringert den Montageaufwand, wenn die Elektroden im Unterteil fixiert sind, vorzugs weise gleichzeitig mit dem Formgebungsprozeß des Unterteils. Eine vollflä chige Abdeckung der entsprechenden Innenflächen durch die Elektroden er leichtert deren Fixierung und dient der Stabilität der Strombegrenzungsein richtung.

Eine wieder verschließbare Einfüllöffnung an geeigneter Stelle des Formge häuses ermöglicht es in einfacher Weise, die Strombegrenzungseinrichtung werks- oder kundenseitig mit Flüssigmetall zu füllen, umzufüllen oder bezüg lich ihrer Füllhöhe an den erforderlichen Nennstrombereich anzupassen. 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.

Die vorstehend als einpolige Einrichtung beschriebene Strombegrenzungsein richtung läßt sich vorteilhaft durch Nebeneinanderreihen gleichartiger Strom begrenzungseinrichtungen zu einer mehrpoligen Einrichtung erweitern. Eine derartige mehrpolige Strombegrenzungseinrichtung verfügt zweckmäßiger weise über ein gemeinsames Unterteil mit voneinander entsprechend der Polzahl voneinander isolierten Strombahnen und bzw. oder über einen ge meinsamen Deckel.

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

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung;

Fig. 2 die Draufsicht der Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1 bei ent ferntem Deckel;

Fig. 3 den Längsschnitt A-A nach Fig. 2;

Fig. 4 den Querschnitt B-B nach Fig. 2;

Fig. 5 den gegenüber letzterem versetzten Querschnitt C-C nach Fig. 2;

Fig. 6 den Querschnitt B-B nach Fig. 2 für eine Ausführungsvariante der Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1.

Die selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung 1 mit Flüssigmetall 3 nach Fig. 1 bis 5 ist dreipolig ausgeführt und dient zum Schutz einer Drehstroman lage. Die Strombegrenzungseinrichtung 1 wird von einem als Formgehäuse 5 ausgebildeten Isolierkörper umschlossen. Das Formgehäuse 5 besteht aus drei gleichen, dicht nebeneinander angeordneten wannenartigen Unterteilen 7 und einem gemeinsamen Deckel 9. Die Unterteile 7 werden im zusammenge bauten Zustand von dem Deckel 9 über kraft- und/oder formschlüssige Verbin dungsmittel, beispielsweise übergreifende Spannmittel in Form von Spann schienen, Spannschrauben und Spannmuttern, verschlossen, wobei ein auf der Unterseite des Deckels 9 aufgespritztes Dichtmittel 11 für die notwendige Dichtheit des Formgehäuses 5 nach innen und außen sorgt. Die Verbin dungsmittel sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Pro Pol sind jeweils zwei Elektroden 13 aus Kupfer in dem zugehörigen Unterteil 7 gelagert. Die Elektroden 13 sind zum Anschließen an einen äußeren zu schüt zenden Stromkreis jeweils mit einem Anschlußleiter 15 versehen, der seitlich aus dem Formgehäuse 5 ragt. Die Unterteile 7 sind durch quer angeordnete Zwischenwände 17 in Verdichterräume 19 unterteilt. Die Zwischenwände 17 sind einteilig mit dem jeweiligen Unterteil 7 ausgeformt. In jeder Zwischenwand 17 ist ein Verbindungskanal 21 ausgebildet, der bei entferntem Deckel 9 nach oben offen ist. Die in jeweils einem Unterteil 7 hintereinander liegenden Ver dichterräume 17 sind bis zu einer gewissen Höhe mit Flüssigmetall 3, z. B. einer GalnSn-Legierung aufgefüllt. Je nach Füllhöhe des Flüssigmetalls 3 sind auch die Verbindungskanäle 21 zu einem gewissen Teil ausgefüllt, so daß unter Nennstrombedingungen über das Flüssigmetall 3 ein durchgehender Strompfad zwischen den Elektroden 13 besteht. Der für den Nennstrombereich entscheidende, vom Flüssigmetall 3 erfüllte Querschnitt wird durch die Füll höhe des Flüssigmetalls 3 bestimmt. Die Verbindungskanäle 21 benachbarter Zwischenwände 17 sind zueinander versetzt angeordnet, so daß sich ein mäanderförmiger Strompfad ergibt. Die Unterteile 7 weisen gleichhohe Außenwände 23, 24 und Zwischenwände 17 auf. Somit ist jedes Unterteil 7 sowohl über seine vier Außenwände 23, 24 als auch über die Zwischenwände 17 mit dem Deckel 9 dicht verbunden.

Damit die Unterteile 7 nach ihrer formgebenden Bearbeitung leicht aus ihrem Formwerkzeug entfernt werden können, sind die Zwischenwände 17 und die Außenwände 23, 24 entsprechend gestaltet. Danach sind die Innenkanten 25 der Verbindungskanäle 21 leicht schräg nach außen und die Wandflächen 27 der Zwischenwände 17 leicht schräg zum Inneren der Zwischenwände 17 ge stellt. Außerdem weisen die Außenwände 23 und 24 leicht nach außen ge stellte Innenflächen 29 bzw. 30 auf. Die gegenüberliegenden Innenflächen 30 werden von den Elektroden 13 vollständig abgedeckt.

Bei der mittels Fig. 1 bis 5 beschriebenen Strombegrenzungseinrichtung 1 ste hen die Füllhöhe des Flüssigmetalls 3 und der vom Flüssigmetall 3 erfüllte, d. h. leitende Querschnitt der Verbindungskanäle 21 in einem nahezu linearen Zusammenhang. Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 6 sind Zwischen wände 18 vorgesehen, deren Innenkanten 26 in der Weise zueinander ver laufen, daß sich die dadurch gebildeten Verbindungskanäle 22 nach ihrem offenen Ende hin erheblich aufweiten. Dadurch nimmt bei steigender Füllhöhe des Flüssigmetalls 3 der leitende Querschnitt in den Verbindungskanälen 22 stärker zu als der Anstieg der Füllhöhe.

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 Erfindung beispielsweise dahingehend ausgestalten, daß die Elektroden bei der Formgebung der Unterteile gleichzeitig mit in diesen eingeformt werden. Weiterhin kann in den Unterteilen, vorzugsweise im unteren Bereich, jeweils eine wieder verschließ bare Einfüllöffnung für das Flüssigmetall vorgesehen werden, durch die ebenso zusätzliche oder überschüssige Mengen von Flüssigmetall hinzugefügt bzw. entfernt werden können.

Bezugszeichenliste

1

Strombegrenzungseinrichtung

3

Flüssigmetall

5

Formgehäuse

7

Unterteil

9

Deckel

11

Dichtmittel

13

Elektroden

15

Anschlußleiter

17

;

18

Zwischenwände

19

Verdichterräume
21;

22

Verbindungskanäle

23

;

24

Außenwände

25

;

26

Innenkanten

27

Wandflächen
29;

30

Innenflächen

Claims

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, ent haltend,

- Elektroden (13) aus Festmetall zum Anschließen an einen äußeren zu schützenden Stromkreis und
- mehrere mit Flüssigmetall (3) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elek troden (13) hintereinander liegende Verdichterräume (19),
- die durch druckfeste Isolierkörper und durch isolierende Zwischen wände (17; 18) mit Verbindungskanälen (21; 22) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- ein umschließendes isolierendes Formgehäuse (5) aus einem wan nenartigen Unterteil (7) und einem dieses über kraft- und/oder form schlüssige Verbindungsmittel dicht verschließenden Deckel (9) be steht,
- die Zwischenwände (17; 18) einteilig mit dem Unterteil (7) verbunden sind,
- die Verbindungskanäle (21; 22) als nach oben offene Langlöcher aus gebildet sind und
- die Elektroden (13) im Unterteil (7) gelagert sind.

2. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß jeder Zwischenwand (17; 18) jeweils ein Verbindungskanal (21; 22) zugeordnet ist und die Verbindungskanäle (21; 22) benachbarter Zwischenwände (17; 18) zueinander seitlich ver setzt angeordnet sind.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (7) so wohl über seine Außenwände (23; 24) als auch über die Zwischenwände (17; 18) mit dem Deckel (9) dicht verbunden ist.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch gleichhohe Außenwände (23; 24) und Zwischenwände (17; 18).

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Unterteil (7) und Deckel (9) über Dichtmittel (11) verbunden sind.

6. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 5, gekennzeichnet durch leicht nach außen gestellte Innen kanten (25) der Verbindungskanäle (21).

7. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 5, gekennzeichnet durch sich erheblich nach oben weitende Innenkanten (26) der Verbindungskanäle (22).

8. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch leicht nach innen gestellte Wandflächen (27) der Zwischenwände (17; 18).

9. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch leicht nach außen gestellte Innenflächen (29; 30) der Außenwände (23; 24).

10. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13) im Unterteil (7) fixiert sind und mit jeweils einem Anschlußleiter (15) nach außen reichen.

11. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach vorstehendem An spruch, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Anschlußleiter der Elektroden vom Unterteil umformt sind.

12. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13) die entsprechenden gegenüberliegenden Innenflächen (30) des Unter teils (7) vollständig abdecken.

13. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine verschließbare Einfüll öffnung im Formgehäuse.

14. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine GalnSn-Legierung als Flüssigmetall (3).

15. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorste henden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere seitlich verbundene gleichartige Pole.

16. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach vorstehendem An spruch, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Unterteil (7) und/oder einen gemeinsamer Deckel (9).