DE2403354C3 - Strombegrenzungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strombegrcnzungsvorrichtung mit einem metallischen, zylindrischen Gehäuse, einem vom Gehäuse fcstumschlossenen Isolator, einem axial an den Isolator angrenzenden, metallischen Anschlußblock, der mit einem radial abstehenden Manschetienteil über einen elektrischen Isoliermaniel mit dem Gehäuse verbunden ist, mit einer engen Bohrung im Isolator zwischen Anschlußblock und Gehäuse, welche mit einem bei Durchfluß eines Überstromes durch die Siromwärme verdampfbaren und bei Raumtemperatur wieder kondensierbaren Material gefüllt ist, und mit einer Druckentlastungseinrichtung zur Begrenzung des beim Verdampfen des Materials entstehenden Überdrucks, welche eine mit der Bohrung in Verbindung stehende Expansionskammcr umfaßt.

Eine derartige Strombegrenzungsvorrichtung ist aus der DT-OS 2162 991 bekannt. Diese Strombegrenzungsvorrichtung weist eine Druckenllasiungseinrichtung auf, die dort die Form eines in einer Expansionskammer verschiebbaren Kolbens hat, der auf einer Se te mit dem normalerweise stromleitenden Materia! i Verbindung steht und sich auf der anderen Seite aL einem geschlossenen Gasvorrat abstützt. Bei einer schlagartigen Druckanstieg auf der Seite des Material auf Grund einer Verdampfung desselben weicht de Kolben unter Verkleinerung des Gasvorrates aus. Dii DruckentJastungseinrichlung ist in einem besonderei stirnseitigen Fortsatz des zylindrischen Gehäuses de Strombegrenzungsvorrichtung untergebracht, wahrem in dem gegenüberliegenden Eleklrodenbauteil nur eins Verlängerung der das normalerweise leitende Materia aufnehmenden Bohrung in einer Isolierung vorgesehct ist. Bei dieser bekannten Konstruktion ist jedoch dii Anordnung der Druckentlastungseinrichtung in den besonderen stirnseitigen Fortsatz gelegen, wodurd eine vergleichsweise große Baulänge bedingt ist. Dar über hinaus hat sie, gemessen an ihrer räumlichen Grö ße, nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit. Auch isi das der Druckentlastungseinrichtung gegenüberliegende Elektrodenbauteil der bekannten Strombegrenzungsvorrichtung mit einem Manschettenteil von relativ geringer axialer Ausdehnung ausgestattet. Da derartige Vorrichtungen nach Gießverfahren hergestellt werden, ist dcF Manschettenteil beim Abkühlen der Vorrichtung nach dem Vergießen einer seine höchste zulässige Druckbeanspruchung übersteigenden hohen Druckspannung unterworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte selbstrückstellende Strombegrenzungsvorrichtung mit gegenüber einer Druckbeanspruchung eines Strom-Anschlußblocks erhöhter mechanischer Festigkeit bei verringerter Gesamtlänge der Vorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Strombegrenzungsvorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches I gelöst.

Bei der Strombegrenzungsvorrichtung nach der Erfindung kann die axiale Länge im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung verkürzt werden. Obgleich diese Vorrichtung praktisch den gleichen Außendurchmesser besitzt wie die bekannte Vorrichtung, kann der zylindrische Isolator in einer axir.len Lange ausgeführt werden, welche dem doppellen derjenigen des zylindrischen Isolators bei der bekannten Vorrichtung entspricht. Da die Länge des zylindrischen Isolators verdoppelt werden kann, läßt sich auch an die Strombegrenzungsvorrichtung nach der Erfindung, im Vergleich zur bekannten Vorrichtung, eine doppelt so große hochstzulässige Spannung anlegen, während jedoch die Gesamtlänge der crfindiingsgemäßen Vorrichtung um etwa 30% kleiner sein kann als die bekannte Vorrichtung.

!n einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Seite der Expansionskammer der Druckcntlastungseinrichtung durch einen verschiebbaren, auf einem abgeschlossenen Gasvorrat elastisch abgestützten Kolben begrenzt ist.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß in einer den Gasvorral enthaltenden Kammer ein Anschlag für den Kolben angeordnet ist. Dieser Anschlag begrenzt die Bewegung des Kolbens, μ daß dieser nicht gegen den Verschluß, der in den Anschlußblock eingeschraubt ist, schlägt und somit ein Gasaustritt sicher verhindert wird.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, .laß die Expansionskammer der

Druckenilastungseinrichiung in ihrer ganzen axialen Lange von dem Mansehettenteil des Anschlußblocks jinschlossen ist. Hierdurch wird eine besonders günstige Druckverteilung des Druckes, der in radialer und in nxialer Richtung auf die Druckentkitungseinrichtung wirkt, erreicht, so daß die betreffende Einrichtung nicht, wie in dem bekannten Fall, bis zur Belastungsgrenze belastet wird.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsforni ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gehäuse ein /weiter, ebenfalls eine Druckentlastungseinrichtung aufweisender Anschlußblock in zum ersten Anschlußblock spiegelbildlicher Anordnung und Ausbildung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der besondere Vorteil, daß sich die strengen Anforderungen bezüglich der mechanischen Festigkeit herabsetzen lassen, auch wenn die angelegte Spannung hoch gehalten wird.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strombegrenzungsvorrichtung,

F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2,

F i g. J eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 5 eine F i g. 4 ähnelnde Darstellung einer gegenüber F i g. 4 abgewandelten Ausführungsform,

F i g. 6 eine F i g. 4 ähnelnde Darstellung einer weiter abgewandelten Ausführungsform und

F i g. 8 und 9 Längsschnitte durch noch weiter abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung.

F i g. I zeigt eine erfindungsgemäße Strombegrenzungsvorrichtung. Die dargestellte Ausführungsform weist als Gehäuse eine zylindrische, metallene Hülse 10 auf, die mit einer abgestuften, zylindrischen Bohrung versehen ist, in welche ein metallenes Pufferglicd 12 in rorm eines flachen Napfes, ein zylindrischer Isolator 14 und ein aus dem einen Ende der Hülse 10 herausragcndcr, metallischer Anschlußblock 16 eingesetzt sind. Der Anschlußblock 16 ist mit einem Manschciienteil 18 versehen, das radial von dem neben dem Isolator 14 bcfindlichen Endabschnitt dieses Anschlußblocks absteht. Alle genannten Bauteile sind koaxial zur Hülse 10 angeordnet. Zwischen die Innenwand der abgestuften Bohrung der Hülse 10 und die Bauteile ist eine elektrische Isolierhülse 20 von ringförmigem Querschnitt eingesetzt, während ein Haltering 22 in den oifenen Endabschnitt der Bohrung eingeschraubt ist, so daß er unter Zwischenfügung der Isolierhülse 20 den Anschlußblock 16 umschließt. Eine sich durch das Pufferglicd 12 und den Isolator 14 in den Anschlußblock 16 erstrekkendc, enge zentrale Bohrung 24 ist mit einem strombegrenzenden Material 48 gefüllt.

Der Anschlußblock 16 weist einen zylindrischen Raum auf, mit welchem die enge Bohrung 24 in Verbindung steht. Die von der Bohrung 24 abgewandte Seite dieses Raums ist durch einen Verschluß 50 begrenzt, der in den herausragenden Endabsehnitt des Anschlußblocks 16 unter Zwischenlage einer Dichtung 46' eingeschraubt ist. Der genannte Raum enthält eine Expansionskammer 36, die mit dem gleichen strombegrenzen- <>s den Material 48 wie die Bohrung 24 gefüllt ist, einen Kolben 38 und eine Kammer 40, die mit einem Druckgas 42 gefüllt und durch ein im Verschluß 50 angeordnetes Nadelventil 30 verschlossen ist. Der Kolben 38 weist an seiner Mantelfläche einen O-Ring 44 zur Abdichtung des Druckgases 42 in der Kammer 40 gegenüber dem in der Expansionskamir.er 36 befindlichen strombegrenzenden Material 48 auf. Das von der Expansionskamnier 36 abgewandte Ende der Bohrung 24 ist mit einem Nadelventil 34 verschlossen. Das strombegrenzende Material verbindet den Anschlußblock 16 elektrisch mit der zylindrischen Hülse 10. Es soll ein flüssiges oder festes Material sein, das bei Raumtemperatur eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und bei Auftreten eines Überstroms, beispielsweise eines durchfließenden Kurzschlußstroms verdampft und dabei seine gute Leitfähigkeit erniedrigt. Nach der Stromunterbrechung kann das verdampfte Material auf Raumtemperatur abgekühlt werden, so daß es wieder flüssig bzw. fest wird und seine gute elektrische Leitfähigkeit wieder erhält. Bevorzugte Beispiele für derartige strombegrenzende Materialien sind Natrium (Na), Kalium (K) oder eine Feststofflösung aus Natrium und Kalium. Das Druckgas 42 ist vorzugsweise ein Inertgas.

Die Anordnung gemäß F i g. 1 kann dadurch hergestellt werden, daß zuerst das Pufferglicd 12, der Isolator 14 und der Anschlußblock 16 in der genannten Reihenfolge in die zylindrische Hülse 10 eingesetzt werden, so daß sie zwischen sich einen Ringraum festlegen, der anschließend unter Druck mit einem elektrisch isolierenden Material, /.. B. einem anorganischen Isoliermaterial, bei einer dessen Schmelzpunkt übersteigenden Temperatur gefüllt wird, worauf man die Anordnung bei Raumtemperatur langsam abkühlen läßt. Während der Abkühlung wird infolge der Verkürzung bzw. Kontraktion der zylindrischen Hülse 10 eine axiale Druckbelastung auf den Mansehettenteil 18 des Anschlußblocks 16 ausgeübt. Außerdem wirkt eine radiale Druckbelastung infolge der Kontraktion de^r ! lülse 10 über die Isolierhülse 20 auf den zylindrischen Isolator 14 ein; diese üruckbelastung bleibt als Restdruckbelastung bei Raumtemperatur im Isolator 14 erhalten. Diese Restdruckbelastung erhöht die mechanische Festigkeit des zylindrischen Isolators 14.

Die Anordnung gemäß F i g. 1 arbeitet wie folgt:

Im Betrieb der Vorrichtung fließt ein Strom von der zylindrischen Hülse 10 über das strombegrenzende Material 48 zum Anschlußblock 32. Wenn das strombegrenzende Material von einem Überstrom, etwa einem Kurzschlußstrom, durchflossen wird, so verdampft der in der verengten Bohrung 26 befindliche Teil dieses Materials 48. Sodann pflanzt sich die Verdampfung zum Pufferglicd 12 fort, bis schließlich das gesamte Material 48 innerhalb des zylindrischen Isolators 14 verdampft ist. Außerdem wird dabei das in der Expansionskammer 36 befindliche Material zumindest teilweise verdampft. Das verdampfte Material besitzt dabei einen elektrischen Widerstand, der etwa das Tausendfache seines Widerstands bei Raumtemperatur beträgt. Beispielsweise ist es hierbei möglich, einen Kurzschlußstrom mit einem Spitzenwert von 400 kA auf etwa 20 kA zu begrenzen.

Beim Auftreten eines Kurzschlußstroms nimmt das Volumen des slrombcgrcnzcnden Materials infolge der Verdampfung beträchtlich zu. Dadurch erhöht sich der Druck in den Bohrungen 24, 2b und 28 sowie in der Expansionskammer 36, so daß der Kolben 38 gegen die Wirkung des Druckgases 42 in Richtung auf das Nadelventil 30 verschoben wird, wodurch der Druck des verdampften Materials verkleinert wird.

Es besteht nun die Möglichkeit, den durch das ver-

dampfte Material begrenzten Strom durch eine nicht weiter dargestellte Schaltvorrichtung zu unterbrechen, so daß der Strom dann nicht mehr durch die Anordnung fließt und das verdampfte strombegrenzende Material in seinen ursprünglichen flüssigen oder festen Zustand zurückkehren kann, wobei jedoch der Kolben 38 unter der Wirkung des Druckgases 42 in der Kammer 40 seine Ausgangsstellung wieder einnimmt.

Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 weist eine Druckentlastungseinrichtung auf. die aus der mil dem strombegrenzenden Material 48 gefüllten Expansionskammer 36, dem Kolben 38 und der Kammer 40 besieht und welche sich im Anschlußblock 16 befindet. Die Kammer 40 wird durch den Verschluß 50 im Rndabschnitl des Anschlußblocks 16 verschlossen. Der Manschettenteil 18 des Anschlußblocks 16 weist eine solche Axialausdehnung auf. daß er nicht die Gesamtlänge der mit dem strombegrenzenden Material 48 gefüllten Expansionskammer 36 umschließt.

I- i g. 2 veranschaulicht eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß F i g. 1, bei welcher der Anschlußblock 16 einen Manschettenteil 18 aufweist, dessen Axialerslrcckung groß genug ist, um die gesamte axiale Länge der Expansionskammer 36 und des Kolbens 38 zu überdecken. Damit der Manschetlentcil 18 des Anschlußblocks 16 zufriedenstellend einer Druckbeanspruchung zu widerstehen vermag, die von der Verkürzung bzw. Kontraktion der zylindrischen Hülse 10 während des Vergießens der Vorrichtung herrührt, besitzt der Manschettenteil 18 vorzugsweise eine solche Axialausdehnung, daß er zumindest die Gesamtlänge der mit dem strombegrenzenden Material 48 gefüllten Expansionskammer 36 und insbesondere deren axiale Länge zuzüglich ihrer zusätzlichen axialen Länge, die sich durch die Verschiebung des Kolbens 38 infolge der Verdampfung des strombegrenzenden Materials in der Bohrung 24 vergrößert, sowie zumindest einen Teil des in der Expansionskammer 36 befindlichen strombcgrenz.cndcn Materials, wenn dieses von einem Kurzschlußstrom durchflossen wird, umschließt. Es hat sich herausgestellt, daß ein Manschettenteil 18 mit einer solchen Axialabmcssung zufriedenstellend den beim Vergießen auftretenden Druckbeanspruchungen infolge der Kontraktion der Hülse 10 zu widerstehen vermag. Außer dem besitzt die in F i g. 2 dargestellte Hülse 10 eine größere axiale Länge als die Hülse gemäß Fig. 1, so daß ihr Endabschnitt die Kammer 40 vollständig umschließt. Die Vorrichtung gemäß F i g. 2 kann jedoch die gleiche Gesamtlänge wie die Vorrichtung gemäß F i g. 1 besitzen.

Bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 und 2 be-Weht die Gefahr, daß der Kolben 38 bei der Verdampfung des strombegrenzenden Materials gegen den Verschluß 50 stößt und dabei den an der Dichtung 46' eingestellten Dichtungsflächendruck herabsetzt. Dies würde zu einem Entweichen des in der Kammer 40 enthaltenen Druckgases 42 um die Dichtung 46' herum fühlen. Zur Verhinderung eines derartigen Druckgasaustritts ist gemäß F i g. 3 ein Anschlag 52 in Form eines Rings in der Kammer 40 befestigt. Dieser Anschlag 52 begrenzt die gemäß F i g. 3 nach rechts erfolgende Belegung des Kolbens, so daß dieser nicht gegen den Verschluß 50 schlägt. Im übrigen entspricht die Ausführungsform gemäß F i g. 3 derjenigen gemäß F i g. 2.

In F i g. 4 ist eine weitere Abwandlung der Erfindung dargestellt, bei welcher ein Anschlußblock 16 in axialer Ausrichtung betrieblich mit einer Anordnung ähnlich derjenigen gemäß Fig.! gekoppelt ist. Der zylindrische Isolator 14 besitzt eine etwa das Doppelte de: Isolators 14 gemäß F i g. 1 betragende Axialcrstrck kung und wird von einer engen Bohrung 24 durchsetzt die in ihrem Mittelteil eine verengte Bohrung 26 ent hält, während das Nadelventil 34 gem;if3 F i g. I weggelassen ist. Der Isolator 14 gemäß F i g. 4 besitzt auch iir Vergleich zum Isolator 14 gemäß F i g. 1 doppelte Axialausdehnung.

Die zylindrische Hülse 10 ist über einen mit Bohrung

ίο versehenen Dichtungsring 46 in einen Anschlußblock 32 eingeschraubt. Die auf diese Weise erhaltene Vorrichtung eignet sich für Hochspannungs-Anwendungszwcckc und besitzt praktisch die doppelle axiale Länge wie die Anordnung gemäß F i g. 1, wobei die in der Mitte der engen Bohrung 24 ausgebildete verengte Bohrung 26 mit zwei zu beiden Seiten des zylindrischen Isolators 14 vorgesehenen Druckentlasungseinrichtungen verbunden ist. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Hülse 10 nur über den zylindrischen Isolator 20 am Anschlußblock 16 angreift.

Beim Auftreten eines Übcrslroms, etwa eines Kurzschlußstroms, wird zuerst der in der zentralen, verengten Bohrung 26 befindliche Teil des strombegrenzenden Materials verdampft, worauf sich die Verdampfung zu beiden Enden der Bohrung 24 hin fortsetzt. Hierbei wird der gemäß F i g. 4 linke Kolben 38 gegen das Nadelventil 34 und der rechte Kolben 38 gegen das Nadelventil 30 verlagert. Die Druckentlastung findet also zu beiden Seiten der verengten Bohrung 26 statt.

F i g. 5 veranschaulicht eine der Vorrichtung gemäß F i g. 4 entsprechende Anordnung, nur mit dem Unterschied, daß der Manschettenteil 18 des Anschlußblocks 16 eine wie bei der Anordnung gemäß F i g. 2 vergrößerte axiale Länge besitzt.

Die Anordnung gemäß F i g. 6 ähnelt derjenigen gemäß F i g. 5 mit dem Unterschied, daß wie im Fall der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ein Anschlag 52 in die Expansionskammer 40 eingesetzt ist.
In F i g. 7 ist eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche an der rechten Seite aus der gleichen Anordnung wie derjenigen gemäß Fig.4 besieht, mit welcher eine spiegelbildlich gleiche Konstruktion einstückig verbunden ist. Diese Ausfülirungsform weist somit zwei Druckentlastungseinrichtungen der vorstehend beschriebenen Konstruktion auf, die in zweiseitig symmetrischem Verhältnis zu beiden Seiten des Isolators 14 angeordnet sind. Ersichtlicherweise greift hierbei die zylindrische Hülse 10 an beiden Anschlußblöcken 16 über die Isolierhülse 20 an, so daß sie gegenüber den Anschlußblökken 16 elektrisch isoliert ist.

Die dargestellte Ausführungsform besitzt neben den vorher in Verbindung mit F i g. 4 beschriebenen Vorteilen auch den Vorteil, daß die zylindrische Hülse 10 zur Halterung und/oder Befestigung der Vorrichtung an einem anderen Bauteil benutzt werden kann, ohne daß eine getrennte Isolierung in Form eines oder mehrerer Isolatoren zwischen beide Teile eingefügt zu werden brauchte. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Hülse 10 gegenüber dem zwischen den Anschlußblöcken 16 verlaufenden Strompfad vollständig elektrisch isoliert ist.

F i g. 8 zeigt eine Ausführungsform, welche derjenigen gemäß F i g. 7 mit dem Unterschied entspricht, daß jeder Anschlußblock 16 einen Manschettcnieil 18 aufweist, dessen Axialausdehnung wie bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 größer ist als beim Anschlußblock 10 gemäß F i g. 7.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 9 unterscheidet ι von derjenigen gemäß F i g. 8 nur darin, daß ein jförmiger Anschlag der in F i g. 3 beschriebenen Art ede Kammer 40 eingesetzt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Strombegrenzungsvorrichtung mil einem metallischen, zylindrischen Gehäuse, einem vom Gehäuse festumschlossenen Isolator, einem axial an den Isolator angrenzenden, metallischen Anschlußblock, der mit einem radial abstehenden Manschettenteil über einen elektrischen Isoliennantel mit dem Gehäuse verbunden ist. mit einer engen Bohrung im Isolator zwischen Anschlußblock und Gehäuse, welche mit einem bei Durchfluß eines Überstroms durch die Stromwärme verdampfbaren und bei Raumtemperatur wieder kondensierbaren Material gefüllt ist, und mit einer Druckentlastungseinrichtung zur Begrenzung des beim Verdampfen des Materials entstehenden Überdrucks, welche eine mit der Bohrung in Verbindung stehende Expansionskammer umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckentlasuingseinrichtung (36 bis 44) innerhalb des Anschlußblockes (16) vorgesehen ist.

2. Strombegrenzungsvorrichlung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der Expansionskammer (36) der Druckenllastungseinrichtung (36 bis 44) durch einen verschiebbaren, auf einem abgeschlossenen Gasvorrat elastisch abgestützten Kolben (38) begrenzt ist.

3. Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer den Gasvorrat enthaltenen Kammer (40) ein Anschlag (52) für den Kolben (38) angeordnet ist.

4. Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskammer (36) der Druckentlastungseinrichtung (36 bis 44) in ihrer ganzen axialen Länge von dem Manschettcnieil (18) der. Anschlußblockes (16) umschlossen ist.

5. Strombegrenzungsvorrichlung nach Anspruch

I, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, uaß mit dem Gehäuse (Hülse 10) ein zweiter, ebenfalls eine Druckentlastungscinrichtung (36 bis 44) aufweisender Anschlußblock (16) in zum ersten Anschlußblock (16) spiegelbildlicher Anordnung und Ausbildung verbunden ist.