DE2114879A1 - Elektrischer Strombegrenzer - Google Patents

Description

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC COMPANY LIMITED,' 72 Horikawa-cho, Kawasaki-shi, (Japan)

Elektrischer Strombeqrenzer

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Strombegrenzer zur Einschaltung in einen elektrischen Stromkreis, in dem dieser Strombegrenzer mit einem Trennschalter und einem Verbraucher in Serie liegt. Derartige Strombegrenzer besitzen einen aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Körper, dessen zwei sich gegenüberliegende Enden durch eine innere Bohrung miteinander verbunden und mit je einer hohlen elektrisch leitenden Anschlußkappe überzogen sind.

Der erfindungsgemäße Strombecrenzer zeichnet sich dadurch aus, daß auf jeder Anschlußkappe ein Balg so befestigt ist, daß dessen Innenraum mit dem Innenraum der Anschlußkappe in Verbindung steht; daß die Bohrung, die Anschlußkappen und die Bälge mit einem Material gefüllt sind, welches bei Umgebungstemperatur flüssig, in flüssigem Zustand elektrisch hochleitend ist und im verdampften Zustand einen hohen elektrischen Widerstand aufweist; und daß sich in

10*842/1278

jeder der beiden Anschlußkappen je eine Puffereinrichtung befindet, die den beim Fließen eines Fehlerstromes durch das in der Bohrung befindliche flüssige Material entstehenden Dampfdruck von den Bälgen fernhält.

Tritt in dem elektrischen Stromkreis,, in welchen der erfindungsgemäße Strombegrenzer eingeschaltet ist, ein Kurzschluß- auf, so fließt durch das flüssige Material . in der Bohrung des aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Körpers ein hoher überstrom. Die Energie des Fehlerstrcmes bringt das flüssige Material in der Bohrung des Körpers aus seinem flüssigen Zustand zur Verdampfung. Das Ergebnis ist, daß sich in der Bohrung des Körpers anstatt des unter normalen Betriebsbedingungen hochleitenden flüssigen Materials in der Bohrung des körpers ein ' Dampf mit hohem elektrischen Widerstand befindet. Damit wird der durch den Strombegrenzer fließende Fehlerstrom begrenzt, und die Stromunterbrechung mit Hilfe des Trennschalters wird erleichtert.

Im Betrieb eines derartigen Strombecrenzers ist jedoch ein gewichtiges Problem zu lösen. Dieses Problem stellt die gewaltige Ausdehnung einer verdampfenden Flüssigkeit dar. Das im Innern des Strombecrenzers verwendete Materi?! kann Natrium-Kalium, Quecksilber oder Gallium sein. Der Volumen—Vergrößerungsfaktor von Quecksilber hat beispielsweise eine Größenordnung von 1.500. Nun kann unter Fehlerstrom-Bedingungen die Temperatur innerhalb der Bohrung des Isolierkörpers auf etwa 6.000 Grad Celsius ansteigen, während der Siedepunkt von Quecksilber bereits bei 3 57 Grad Celsius liegt. Zwischen dem Siedepunkt und der Endtemperatur von etwa 6.000 Grad Celsius muß noch einmal mit einer zehnfachen Volumenvergrößerung, gerechnet werden, so daß die Gesamtexpansion des Quecksilbers unter Fehlerstrom-Bedingungen in der Größenordnung von 15.000 liegt. Der

1098 4 2/1278

innerhalb des Strombegrenzers unter Fehlerstrom-Bedingungen erzeugte'hohe Druck wirkt auf die Einzelteile des Strombegrenzers und besonders auf die an den Anschlußkappen befestigten Bälge ein» So könnte durch die Schockenerqie des Dampfes eine Beschädigung der metallischen Bälge eintreten. Erfindungsgemäß ist deshalb in jeder der beiden Anschlußkappen je eine Puffereinrichtung vorgesehen, welche die Bälge vor dem Druck des in der Bohrung des Isolierkörpers verdampfenden Materials schützt, wenn ein überstrom durch das flüssige Material in dieser Bohrung fließt.

Jede dieser Puffereinrichtungen kann aus einem im wesentlichen konischen Bauteil bestehen, das koaxial zur Bohrung und mit seinem schmalen Ende in Richtung auf die Bohrung, jedoch ein Stück von der Bohrung entfernt angeordnet ist, und das in seinem Kegelmantel Durchlässe besitzt, welche einen begrenzten Ausgleichskanal zwischen der Bohrung und den zugeordneten Bälgen darstellen.

Es ist jedoch auch möglich, daß jede der -beiden Puffereinrichtungen aus einem elektrisch leitenden Verschlußelement besteht, welcher unter elastischer Vorspannung am isolierenden Körper anliegt, so daß das zugehörige g

Ende der Bohrung solange verschlossen bleibt, bis der auf das Verschlußelement wirksame Druck des in der Bohrung verdampften Materials die Vorspannung übersteigt.

Nähere Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit einer Zeichnung entnommen werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Strombegrenzer;

Fig. 2 einen' ähnlichen Schnitt durch den Strombegrenzer von Fig. 1, jedoch im ausgelösten Zustand;

109-842/1276

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Strombegrenzungscharakteristik eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers;

Fig.' 4 einen abgebrochenen Längsschnitt durch ein

anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers ;

Fig. 6 einen- Längsschnitt durch den Strombegrenzer aus Fig. 5, jedoch in ausgelöstem Zustand; und

Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Innerhalb der einzelnen Figuren der Zeichnung sind identische oder ähnliche Einzelteile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. ■ .

Ein erfindungsgemäßer Strombegrenzer 10 besitzt einen Körper aas einem elektrisch isolierenden Werkstoff in Form eines keramischen Isolierrohres 12, mit einer zentralen Bohrung 13, die sich in Längsrichtung durch das Isolierrohr 12 hindurch erstreckt und seine beiden gegenüberliegenden Enden miteinander verbindet. Das Isolierrohr 12 ist an jedem Ende mit je einem Flansch 17 bzw. 18 versehen, der zur abdichtenden Befestigung je einer hohlen un d elektrisch leitenden Anschlußkappe 15 bzw. 16 dient. Diese abdichtende Befestigung der Anschluß- ■ kappe 15 bzw. 16 wird dadurch erreicht, daß je ein Innenflansch 19 bzw. 20 den zugehörigen Flansch 17 bzw. 18 am Isolierrohr 12 hintergreift und mit Hilfe eines Klebstoffes flüssigkeitsdicht versiegelt ist. Ferner besitzen die Anschlußkappen 15 und 16 je einen Durchbruch 21 bzw. 22 an ihrem Ende, und an den Außenrändern dieser Durchbrüche 21 und 22 ist je ein" Metallbalg 23 bzw. 24 so angeschweißt, daß die Inrienräume der Anschlußkappen 15 -bzw. 16 mit den Innenräumen der Metallbälge 23 bzw. 24 über

109842/1276

- 5 - : 21U879

die Durchbrüche 21 bzw. 22 in Verbindung stehen.

Jede Anschlußkappe 15 bzw. 16 besitzt eine Puffereinrichtung in Form eines im wesentlichen konischen Bauteils 25 bzw. 26, das jeweils mehrere Durchlässe 27 bzw. 28 besitzt.. Die konischen Bauteile 25 und 26 sind aus Metall und konzentrisch zur Bohrung 13 im Innern der Anschlußkappen 15 und 16 befestigt. Das spitze Ende der konischen Bauteile 25 und 26 befindet sich jeweils dicht vor einem der beiden offenen Enden der Bohrung 13, während die Füße der konischen Bauteile mit nicht gezeigten Fahnen in ebenfalls nicht dargestellte Nuten in den " Anschlußkappen 15 und 16 eingelegt und dor t mit diesen verschweißt sind. Die offenen Enden der Bohrung 13 im Isolierrohr 12 sind beiderseits zu je einer Düse 29 und 30 erweitert.

Die Metallbälge 23 und 24 , die Anschlußkappen 15 und 16 und die Bohrung 13 sind mit einem Metall 31 gefüllt, das bei Umgebungstemperatur.flüssig ist. Dieses Metall kann beispielsweise NaK, Hg oder Ga sein, besitzt im flüssigen Zustand eine gute elektrische Leitfähigkeit und im verdampften Zustand einen hohen elektrischen Widerstand. Dieses als Füllung dienende Metall 31 ist so gewählt, daß Λ es bei Umgebungstemperatur die Metallbälge 23 und 24 nicht angreift.

Im Gebrauch ist der erfindungsgemäße Strombegrenzer 10 in der Weise in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet, daß die elektrische Stromquelle mit der einen Anschlußkappe und die andere Anschlußkappe in Serie mit einem nicht dargestellten Trennschalter und einem Verbraucher verbunden ist. Bei normalem Betriebsstrom tritt nur ein geringfügiger Temperaturanstieg im flüssigen Metall 31 auf, der nicht zur Verdampfung dieses Metalls

109842/1276

führt. Tritt jedoch ein schwerer Kurzschluß auf, so fließt ein extrem hoher Kurzschlußstrom durch das flüssige Metall 31 und heizt dieses auf. Es leuchtet ein, daß die Stromdichte innerhalb der Bohrung 13 des Isolierrohres 12 größer als die innerhalb der Anschlußkappen 15 und 16 ist, weil die Bohrung einen kleineren Querschnitt besitzt. Dabei verdampft das flüssige Metall 31 innerhalb der Bohrung 13 schnell, so daß sich der innere Widerstand des gesamten Strombegrenzers erhöht und dadurch den Kurzschlußstrom auf einen Reststrom begrenzt, der leicht mit Hilfe des Trennschalters unterbrochen werden kann.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie das flüssige Metall innerhalb der Bohrung 13 bereits verdampft ist und der Dampf in die Anschlußkappen 15 und 16 eingedrungen ist. Der Dampfstrom wird von der Kuppe der beiden konischen Bauteile 2 5 und 26 oegen die Innenwände der Anschlußkappen 15 und 16 abgelenkt und dabei turbulent verwirbelt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Außerdem gelangt der Dampf durch die Durchlässe 27 und 28 und durch die Durchbrüche 21 und 22 schließlich in die Metallbälge 23 und 24. Die unvermeidliche Volumenvergrößerunc des Dampfes wird durch die Nachgiebigkeit der Metallbälge 23 und 24 abgefangen. Die Energie des Metalldampfes wird weitgehend durch die konischen Bauteile 25 und 26 reduziert, so daß Beschädigungen der Metallbäige 23 und 24 wirksam verhindert werden.

In Fig. 3 ist in schematischer Weise die Wellenform eines Wechselstrom-Fehlerstromes während einer Halbwelle aufgetragen, wobei auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Stromamplitude abgelesen werden kann.

109 842/127 6

" ⁷ " 21U879

An dieser Stelle sei gesagt, daß beim Fehlen eines erfindungsgemäßen Strombegrenzers 10 innerhalb des Stromkreises der Trennschalter den Kurzschlusstrom 32 unterbrechen würde. Liegt jedoch der Strombegrenzer 10 mit in Serie, so hat der Trennschalter nur den ebenfalls in Fig. 3 dargestellten kleinen 'Kurzschlußstrom 33 zu unterbrechen, der eben durch jenen Strombegrenzer 10 auf diese Restamplitude reduziert wird.

Nach erfolgter Stromunterbrechung kühlt das verdampfte flüssige Metall 31 nach und nach wieder ab und gelangt in seinen flüssigen Ausgangszustand zurück, wobei das "

flüssige Metall 31 durch die sich zusammenziehenden Metallbälge 23 und 24 in die Bohrung 13 zurückgedrückt wird. Damit ist der Strcmbegrenzer 10 betriebsbereit für die nächste Kurzschlußstrom—Auslösung.

Bei einem anderen Ausführunqsbeispiel der Erfindung ist gemäß Fig. 4 ei-ne konisches Bauteil 125 mit einer Spitze vorgesehen, das Durchlässe 127 in seiner Kantelfläche besitzt und mit seiner Spitze dem offenen Ende der Bohrung 13 gegenüberliegt. Bei Auftreten eines Kurzschlußstromes strömt der in der Bohrung 13 erzeugte

metallische Dampf unter Druck aus den offenen Enden -

der Bohrung aus und trifft dort auf die Oberfläche des konischen Bauteils 125, von dort in den Innenraum der Anschlußkappe 15 und weiter durch die Durchlässe 127 in den Metallbalg 23, welcher in zuvor beschriebener Weise die Expansion durch Volumenerweiterung absorbiert..

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 5 sind als Puffereinrichtung zwei Halbkugel-Ventilkörper 34 und 35 angeordnet, welche im normalen Betriebszustand je eines der beiden offenen Enden der Bohrung verschließen. Die beiden Hälbkugel-Ventilkörper 34 und

1098427 1276

werden in diese Normalstellung durch Kegelfedern 36 und 37 gedruckt, welche zwischen den Ventilkörpern und den Innenwänden der Anschlußkappen 15 und 16 eingespannt sind.

Den Betriebsfall dieses Ausführungsbeispieles kann man aus Fig. 6 entnehmen, wo das flüssige Metall unter einem hindurchfließenden Kurzschlußstrom bereits verdampft ist und die beiden Halbkugel-Veötilkörper 34 und 35 von den jeweiligen Enden der Bohrung 13 abgedrückt hat. Der Metalldampf dringt dabei in turbulenter Weise, wie zuvor beschrieben und durch Pfeile angedeutet, in den Innenraum der Anschlußkappen 15 und 16 ein.

Hat der Strombegrenzer 10 aus Fig. 6 seine strombegrenzende Aufgabe erfüllt, d.h. hat der Dampfdruck einen gleichbleibenden Wert angenommen, so werden die beiden Halbkugel-Ventilkö'rper 34 und 35 unter dem Druck der ihnen zugeordneten Kegel federn 36 bzw. 3 7 wieder auf die ihnen zugeordneten Enden der Bohrung 13 gedrückt und verhindern dabei ein Rückfließen des flüssigen Metalles in die Bohrung. Dadurch wird verhindert, daß sich innerhalb der Bohrung 13 ein elektrischer Lichtbogen ausbildet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, dargestellt in Fig. 7, sind die beiden Halbkugel-Ventilkö'rper 34 und 35 mit je einer Axialbohrung 38 bzw. 39 versehen, welche einen ständig geöffneten Verbindungsweg zwischen dem Innenraum der Anschlußkappen 15 bzw. 16 und der Bohrung 13 darstellen. Dadurch wird erreicht, daß nach Erfüllung der strombegrenzenden Aufgabe bzw. einheitlich ausgebildetem Dampfdruck innerhalb des Strombegrenzers 10 das flüssige Metall wieder langsam und in begrenzter Menge durch die Axialbohrungen 38 und 39 in die Bohrung 13 zurückfließen kann. Diese Ausführung verhindert einer-

1098 42/1276

seits eine Wiederzündung eines elektrischen Lichtbogens innerhalb der Bohrung 13, stellt aber nach einer gewissen Zeit wieder den normalen Betriebszustand des Strombegrenzers *10 her.

109842/127

Claims (7)

-ίο- 2T1A879 Patentansprüche

1.] Elektrischer Strombegrenzer mit einem aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Körper, dessen zwei sich gegenüberliegende Enden durch eine innere Bohrunq miteinander verbunden-und mit je einer hohlen elektrisch leitenden Anschlußkappe überzogen sind, dadurch Gekennzeichnet, daß die beiden Anschlußkappen (15, 16) abdichtend mit den Enden (17, 18) des Körpers (12) verbunden sind;; daß auf jeder Anschlußkappe (15,16; ein Bale (23, 24) so befestigt ist,, daß dessen Innenraum mit dem Innenraum der Anschlußkappe in Verbindung steht} daß die Bohrung (13) die Anschlußkappen (15, 16) und die Bälge (23, 24) mit einem Material (31) gefüllt sind, welches bei Umgebungstemperatur flüssig, in flüssigem Zustand elektrisch hochleitend ist, und das im verdampften Zustand einen hohen elektrischen Widerstand'aufweist; und daß sich in jeder der beiden Anschlußkappen (15, 16) je eine Puffereinrichtung (25...) befindet, die den beim Fließen eines Kurzschlußstromes durch das in der Bohrung,-. (13) befindliche flüssige Material (31) entstehenden Dampfdruck von den Bälgen (23, 24) fernhält. -

2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das Füllmaterial (3D aus Natrium-Kalium (NaK) oder Quecksilber oder Gallium besteht.

3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Puffereinrichtungen als im wesentlichen konisches, koaxial zur Längsachse des Körpers (12) und mit seinem schmalen Ende in einem Abstand von der Bohrung (13) in auf die Bohrung weisender Lage in der zugehörigen Anschlußkappe (15, 16) untergebrachtes Bauteil (25, 12 5...) ausgebildet ist}

109842/127©

2114873

und daß das konische Bauteil (25...) in seinem Kegelmantel Durchlässe ( 27... ) besitzt, welche einen begrenzten Ausgleichskanal zwischen der Bohrung (13) und den zugeordneten Bälgen (23, 24) darstellen.

4. Strombegrenzer nach.Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Puffereinrichtungen aus einem elektrisch leitenden Verschlußelement (34...) besteht, welcher unter elastischer Vorspannung am isolierenden Körper (12) anliegt, so daß das zugehörige Ende der Bohrung (13) so lange verschlossen bleibt, bis der auf das Verschlußelement wirksame Druck des in der Bohrung verdampften Materials (31) die Vorspannung übersteigt* .

5. Strombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (34...) die Form einer Halbkugel besitzt und durch eine zwischen diesem und einer Wand der Anschlußkappe (15, 16) eingespannten gewundenen Feder (36, 37) vorgespannt ist.

6. Strombegrenzer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper (.34, 35) mindestens einen Durchlaß (38, 39) besitzt, der die Bohrung (13) mit dem Innenraum der zugehörigen Anschlußkappe (15, 16) verbindet und einen begrenzten Flüssigkeitsausgleich für das flüssige Füllmaterial (31) zwischen Anschlußkappe und Bohrung darstellt.

7. Strombegrenzer nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Körper (12) aus Keramik besteht.

109-842/127