DE19927065A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit FlüssigmetallInfo
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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.
1
Strombegrenzungseinrichtung
3
Flüssigmetall
5
Formgehäuse
7
Unterteil
9
Deckel
11
Dichtmittel
13
Elektroden
15
Anschlußleiter
17
;
18
Zwischenwände
19
Verdichterräume
21;
21;
22
Verbindungskanäle
23
;
24
Außenwände
25
;
26
Innenkanten
27
Wandflächen
29;
29;
30
Innenflächen
Claims (16)
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).
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