DE2462365A1

DE2462365A1 - Elektrische strombegrenzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2462365A1
Application number: DE19742462365
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Rer Nat Niemeyer
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1974-09-27
Publication date: 1976-11-25
Also published as: DE7432450U; NL7510108A; DE2446121C3; CH631029A5; DE2446121B2; CH574676A5; US3987388A; DE2462366A1; FR2283543A1; GB1506775A; DE2446121A1; IT1040306B; JPS5150450A; FR2283543B3

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Strombegrenzungsvorrichtung, bei der zwischen den äusseren Anschlussstücken ein ein verdampfbares Strombegrenzungsmaterial enthaltender Kanal eingeschaltet ist.

Aus der DT-AS 2 028 593 ist eine Strombegrenzungsvorrichtung bekannt, bei welcher zwischen den Anschlusselektroden ein Isolierkörper angeordnet ist, der eine kanalförmige Längsbohrung aufweist. Der Isolierkörper ist homogen und besteht aus Berylliumoxyd. Gemäs.s einem Ausführungsbeispiel besitzt die kanalförmige Längsbohrung einen Endbereich geringeren

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Querschnitts. Die Längsbohrung enthält ein Strombegrenzungsmaterial, z.B. aus der Gruppe von Metallen wie Natrium und Kalium und deren Legierungen, welches bei normalen Betriebsströmen die Anschlusselektroden miteinander elektrisch verbindet, welches jedoch beim Auftreten eines oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegenden Ueberstromes verdampfbar ist. Sobald der Schwellwert überschritten wird, wird das Strombegrenzungsmaterial zuerst im Bereich geringeren Querschnitts verdampft (Ansprechen), worauf die Verdampfung in Richtung des übrigen Kanalteils fortschreitet. Im verdampften Material zündet ein Lichtbogen, der einen Abbrand der Kanalwandung verursacht. Sin Abbrand im für das Ansprechen entscheidenden Teil des Kanals ist jedoch im Hinblick auf ein möglichst gleichbleibendes Ansprechverhalten schädlich, dagegen ist im übrigen Kanalteil, z.B. in dessen erweiterten Teil, ein Abbrand erwünscht, indem abgedampftes Kanalwandmaterial die Kühlung des Lichtbogens und damit dessen Brennspannung erhöht.

Die Erfindung hat zum Ziel, den Abbrand des den Strombegrenzungsvorgang auslösenden Teiles des Kanals zu vermindern und dadurch ein reproduzierbares Verhalten und eine grössere Lebensdauer der Strombegrenzungsvorrichtung zu ermöglichen.

Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Strombegrenzungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kanalwandung des Kanals zwischen den äusseren Anschluss-

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stücken durch mindestens zwei hintereinander liegende, elektrisch isolierende Teile, vorzugsweise mit verschiedener Lichtbogenabbrandfestigkeit, gebildet ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der für das Ansprechen entscheidende Teil, der vorzugsweise aus dem Material mit einer höheren Lichtbogenabbrandfestigkeit hergestellt ist, langsamer abbrennt und die Lebensdauer der Strombegrenzungsvorrichtung wird länger. Die Wandung des übrigen Teiles des Kanals besteht dagegen aus einem unter Lichtbogeneinwirkung stark abbrennenden Material und liefert daher die erforderliche hohe strombegrenzende Spannung im angesprochenen Zustand. Der Abbrand in diesem Teil· des Kanals ist für die Lebensdauer von untergeordneter Bedeutung,

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kanal in einem Bereich geringeren Querschnitt aufweist, wobei die Kanalwandung wenigstens in diesem Bereich mindestens teilweise aus dem Material mit einer höheren Lichtbogenabbrandfestigkeit besteht. Die Verjüngung des Kanals lokalisiert auf einfache Weise die Ansprechstelle im Kanal, wobei die Herstellung dieses Teiles aus dem Material mit einer höheren Lichtbogenabbrandfestigkeit die Lebensdauer der Vorrichtung sichert. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den die Kanalwandung des Kanals wenigstens teilweise bildenden Teilen, vorzugsweise mit ver-

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schiedener Lichtbogenabbrandfestigkeit, mindestens ein elektrisch und/oder thermisch leitender und einen Teil der Kanalwandung bildender Zwischenteil angeordnet. Eine gute thermische Leitfähigkeit des Zwischenteils ermöglicht eine bessere Kühlung des für das Ansprechen entscheidenden Teils des Kanals und damit die erhöhte Dauerstromtragfähigkeit. Es empfiehlt sich, den zwischen den Teilen mit verschiedener Lichtbogenabbrandfestigkeit angeordneten Zwischenteil als eine Elektrode auszubilden und elektrisch über wenigstens eine Impedanz mit einem oder beiden äusseren Anschlussstücken und/oder mit wenigstens einem weiteren, als eine Elektrode ausgebildeten Zwischenteil zu verbinden. Die Impedanz kann z.B. zu einer Stromentlastung dienen, so dass der Abbrand der Kanalwandung weiter wesentlich reduziert wird. Die Impedanz kann vorteilhaft durch einen linearen Widerstand, durch einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten oder durch einen spannungsabhängigen Widerstand gebildet sein. Im Falle des linearenjWiderstands ergibt sich aufgrund der beim Ansprechen des Elementes im Kanal auftretenden Widerstandserhöhung eine Umverteilung des Stromes aus dem Kanal in den Widerstand, wodurch die thermische Belastung und damit der Abbrand der Kanalwandung reduziert wird. Im Falle des Widerstandes mit negativem Temperaturkoeffizienten verstärkt sich dieser Stromumverteilungseffekt insofern, als der Widerstand mit negativem .Temperaturkoeffizienten mit zunehmender Dauer des hindurchfliessenden Stromes immer niederohmiger

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wird und daher immer mehr aus dem Kanal abkommutiert. Der spannungsabhängige Widerstand schlägt von seinem anfangs hochohmigen Wert in einen niederohmigen Wert um, sobald sich infolge des Ansprechens im Kanal ein erhöhter Spannungsaufbau einstellt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung enthält die Impedanz eine elektromagnetische Auslösevorricht. Diese erlaubt es, einen oder mehrere ausserhalb der Strombegrenzungsvorrichtung vorgesehene Kontakte zu betätigen und damit z.B. eine Unterbrechung in Serie zur Strombegrenzungsvorrichtung herzustellen oder weitere Schaltelemente ein- und/oder auszuschalten. Die Impedanz kann durch einen Kondensator gebildet sein. Diese Anordnung ermöglicht die Herabsetzung von kurzzeitig beim Ansprechen der Strombegrenzungsvorrichtung auftretenden Ueberspannungsspitzen. Die Kombination von verschiedenen Impedanzarten steigert weiter die Punktionssicherheit und die Lebensdauer der Strombegrenzungsvorrichtung. Es ist vorteilhaft, wenn mindestens einer der Teile der Kanalwandung von einem Widerstandskörper umgeben ist, dessen Widerstandswert so beschaffen ist, dass nach dem Ansprechen eine Stromentlastung des sich im umgebenen Teil des Kanals befindenden verdampfbaren Strombegrenzungsmaterial auftritt. Dies erlaubt eine kompakte und platzsparende Bauweise der Strombegrenzungsvorrichtung. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Kanal vor-

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zugsweise im Bereich geringeren Querschnitts stufenförmig und/oder mit einem variablen Querschnitt ausgebildet. Hierdurch können bei geeigneter Dimensionierung der Strombegrenzungsvorrichtung die beim Ansprechen auftretenden Druckspitzen erniedrigt werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht wiedergegeben.

Es zeigt

Fig. 1 ■ eine erste beispielsweise Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine zweite beispielsweise Ausführungsform, Fig. 3 eine dritte beispielsweise Ausführungsform und

Fig. ¹J eine vierte beispielsweise Aus führungs form der Erfindung im Längsschnitt.

Gemäss Fig. 1 ist ein Kanal mit 12 bezeichnet, eine Kanalwandung mit höherer Lichtbogenabbrandfestigkeit mit ²J und eine Kanalwandung mit niedrigerer Lichtbogenfestigkeit mit 5. Mit der Bezugsziffer ^a ist ein mit der Kanalwandung 4 umgebene Kanalteil benannt und mit der Bezugsziffer 5a ein mit der Kanalwandung 5 umgebene Kanalteil« Gleiche Teile sind in Fig. 2 bis 4 mit denselben Besugszahlen versehen wie in

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Fig. 1. In Fig. 2 ist ein erstes äusseres Anschlussstück durch die Zahl 1 gekennzeichnet, ein zweites äusseres Anschlussstück durch die Zahl 2, ein Isolierkörper durch die Zahl 3, ein Widerstandskörper durch die Zahl 6 und eine Elektrode durch die Zahl 7. Mit der Bezugsziffer 8 ist ein Kolben benannt, mit der Bezugsziffer 9 eine Kammer mit Druckgas, mit der Bezugsziffer 10 eine Kammer mit verdampfbarem Strombegrenzungsmaterial und mit der Bezugsziffer 11 eine Dichtung. Die Bezugszahlen von Fig. 2 gelten für gleiche Teile auch in Fig. 3 und ¹I. In Fig. 4 sind Kanalwandungen mit höherer Lichtbogenabbrandfestigkeit mit 4¹ bis 4¹¹¹ bezeichnet, mit den Kanalwandungen ¹I¹,¹!'¹ umgebene Kanalteile mit ¹Ia und 4b, Widerstandskörper mit 6a bis 6c und Elektroden mit 7a bis 7c.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung der elektrischen Strombegrenzungsvorrichtung dargestellt. Die Kanalwandung 4 des Kanals 12 besteht aus einem Material mit höherer Lichtbogenabbrandfestigkeit, z.B. aus Aluminiumoxydkeramik oder Siliziumnitrid-Keramik. Die Kanalwandung 5 besteht dagegen aus einem unter Lichtbogeneinwirkung stark abbrennenden Material, z.B. Berylliumoxydkeramik. Der mit der Kanalwandung 4 umgebene Kanalteil 4a weist einen kleineren Querschnitt auf als der mit der Kanalwandung 5 umgebene Kanalteil 5a.

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Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgende: Beim Auftreten, eines Kurzschlussstromes verdampft das Strombegrenzungsmaterial zunächst in der engeren Bohrung 4a. Der entstehende Lichtbogen beginnt sich dann in Richtung der Erweiterten Bohrung 5a auszubreiten und gelangt dadurch in den Kanalteil mit höherem Abbrand, wo er eine stärkere Kühlung und damit einen höheren Spannungsaufbau erfährt.

In Fig. 2 ist die zweite beispielsweise Ausführungsform dargestellt. Die äusseren Anschlussstücke 1 und 2 sind mit dem Isolierkörper 3 in bekannter Weise druckdicht verbunden. Zwischen den Kanalwandungen 4 und 5 ist die Elektrode 7 angeordnet, die scheibenförmig ausgeführt ist und einen grösseren äusseren Durchmesser als die Kanalwandung 4 aufweist. Die Kanalwandung 4 ist mit dem Widerstandskörper 6 umgeben, der zwischen dem ersten äusseren Anschlussstück 1 und der Elektrode 7 einen Nebenwiderstand zu dem im Kanalteil 4a befindlichen Strombegrenzungsmaterial bildet. Im Anschluss an den Ansprechvorgang wird die Engstelle des Kanalsteils 4a durch den Widerstandskörper 6 so weitgehend stromentlastet, dass damit der Abbrand der Kanalwandung 4 wesentlich reduziert wird. Die Bohrung des zweiten äusseren Anschlussstückes 2 bildet für den Kolben 8 einen Zylinder. Die Kammer 9 ist mit Druckgas gefüllt, welches als Druckgasausgleich dient. Die Dichtung 11 dichtet die Kammer 9 mit Druckgas gegen die Kammer 10 mit verdampfbarem Str'ombegrenzungsmaterial auf der anderen Seite des Kolbens 8 ab.

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Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 entspricht im wesentlichen demjenigen gemäss Fig. 2, die Kanalwandung M aus dem Material mit höherer Lichtbogenabbrandfestigkeit weist jedoch ei'ne -grossere Länge auf als es dem verjüngten Kanalteil ^a entspricht.

SchliessIich kann der Uebergang vom engen zum erweiterten Kanalteil in Stufen erfolgen. Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 zeigt eine Strombegrenzungsvorrichtung, die drei scheibenförmige Elektroden 7 a bis 7c enthält. Die Grossen der Oeffnungen in diesen Elektroden sind den Stufen des Kanals 12 ange*· passt. Zwischen dem ersten äusseren Anschlussstück 1 und der Elektrode 7a und weiter zwischen den Elektroden 7a und 7b und zwischen den Elektroden 7b und 7c sind die Widerstandskörper 6a bis 6c eingeschaltet, die Nebenwiderstände zu den entsprechenden Teilen des Kanals 12 bilden. Durch Staffelung der Widerstandswerte der Widerstandskörper 6a bis 6c, etwa durch geeignete Abmessungen und/oder durch geeignete Materialwahl, kann eine optimale Stromentlastung und damit ein minimaler Abbrand der Kanalwandungen ¹J¹J,^'¹ und 4^tlf erzielt werden.

Der Erfindungsgegenstand ist auf das in der Zeichnung Darge- ■ stellte selbstverständlich nicht beschränkt. So kann der Kanal 12 auch eine andere Form aufweisen als dargestellt und die

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Impedanz kann auch anders realisiert werden,.z.B. als eine thermische Auslösevorrichtung, eine Induktivität oder eine SpannungsquelIe.

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Claims

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Patentansprüche

1. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung, bei der zwischen den äusseren Anschlussstücken ein ein verdampfbares Strombegrenzungsmaterial enthaltender Kanal eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwandung des Kanals (12) zwischen den äusseren Anschlussstücken (1, 2) durch mindestens zwei hintereinander liegende, elektrisch isolierende Teile (M, 5; M¹, ¹J'¹, 5¹» 5¹¹) vorzugsweise mit verschiedener Lichtbogenabbrandfestigkeit, wenigstens teilweise gebildet ist.

2. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) in einem Bereich (Ma) geringeren Querschnitt aufweist, wobei die Kanalwandung (M; M', M'^f) wenigstens in diesem Bereich (¹Ia) mindestens teilweise aus dem Material mit einer höheren Lichtbogenabbrandfestigkeit besteht.

3. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den die Kanalwandung (M, 5; M¹, M" , 5», 5") des Kanals (12) wenigstens teilweise bildenden Teilen, vorzugsweise mit verschiedener

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Lichtbogenabbrandfestigkeit mindestens ein elektrisch und/ oder thermisch leitender und einen Teil der Kanalwandung bildender Zwischenteil (7; 7a, 7b, 7c) angeordnet ist.

ή. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Teilen der Kanalwandung (¹I, 5-J ^'» 4 ''» ¹J' *') angeordnete Zwischenteil (7; 7a, 7b, 7c) als eine Elektrode ausgebildet und elektrisch über wenigstens eine Impedanz mit einem oder beiden äusseren Anschlussstücken (1, 2) und/oder mit wenigstens einem weiteren, als eine Elektrode ausgebildeten Zwischenteil (7a, 7c) verbunden ist.

5. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch einen linearen Widerstand (6; 6a, 6b, 6c) gebildet ist.

6. Elektrisch Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die,Impedanz durch einen Widerstand (6; 6a, 6b, 6c) mit negativem Temperaturkoeffizienten gebildet ist.

7. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1.und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch

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einen spannungsabhängigen Widerstand (6; 6a, 6b, 6c) ge-· bildet ist.

8. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und b, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz eine elektromagnetische Auslösevorrichtung enthält.

9. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch einen Kondensator gebildet ist.

10. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1 und wenigstens zwei der Ansprüche ¹J bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz durch eine Parallel- und/oder Serienkombination von verschiedenen Impedanzarten gebildetist.

11. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1 und wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der· Teile (*i; ¹J¹, 4¹¹,' V¹¹, 5) der Kanalwandung von einem Widerstandskörper (6; 6a, 6b, 6c) umgeben ist, dessen Widerstandswert so beschaffen ist, dass nach dem Ansprechen eine Stromentlastung des sich im umgebenen Teil des Kanals (12)

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befindenden verdampfbaren Strombegrenzungsmaterials auftritt.

12. Elektrische Strombegrenzungsvorrichtung nach den Ansprüchen. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) vorzugsweise im Bereich (4a, 4b) geringeren Querschnitts stufenförmig und/oder mit einem variablen Querschnitt ausgebildet ist.

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