EP1026720B1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents
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- H01H87/00—Protective devices in which a current flowing through a liquid or solid is interrupted by the evaporation of the liquid or by the melting and evaporation of the solid when the current becomes excessive, the circuit continuity being reestablished on cooling
Definitions
- the invention relates to a self-recovering current-limiting device with liquid metal according to the preamble of claim 1 or claim 7.
- Such a current-limiting device which contains electrodes made of solid metal, which are separated by first insulating body designed as a pressure-resistant insulating housing. Within the insulating housing are formed by insulating intermediate walls and interposed second insulating body, which are designed as annular sealing discs with liquid metal partially filled, one behind the other compressor spaces, which are connected to each other via filled with liquid metal, off-center connection channels of the intermediate walls.
- first insulating body designed as a pressure-resistant insulating housing.
- second insulating body which are designed as annular sealing discs with liquid metal partially filled, one behind the other compressor spaces, which are connected to each other via filled with liquid metal, off-center connection channels of the intermediate walls.
- the electrical connection of the electrodes is interrupted via the liquid metal, which leads to the limitation of the short-circuit current.
- the connecting channels fill again with liquid metal, whereupon the current limiting device is ready for operation again.
- a current limiting device is described with only one compressor chamber and mentioned as a medium above the liquid level vacuum, inert gas or an insulating liquid. It is known from document DE 26 52 506 A1 to use gallium alloys, in particular GaInSn alloys, in contact devices.
- the electrodes of solid metal for connection to a protective circuit and a plurality of liquid metal partially filled compressor compartments, which are open at the top and annularly formed between insulation includes.
- a non-conductive liquid that is immiscible and non-bondable with the liquid metal.
- the liquid metal is displaced due to electrodynamic forces from the compressor chambers.
- the invention is therefore based on the object to improve the current limiting behavior of a current limiting device, in particular with regard to their current limiting factor and their response time.
- the proposed means are compared to the known current limiting devices alone under the action of a short-circuit current, the arc ignition and thus the beginning of the current limit advanced both in time and in dependence on the amount of short-circuit current.
- the porous material of the intermediate walls sucks due to the capillary action with the non-conductive liquid, which is thus available directly on the walls of the connecting channels.
- the area of each connecting channel is very much heated by the current racks, and it comes to the evaporation of the non-conductive liquid that has passed through the pores in this area.
- vapor bubbles form in the connecting channel, which lead to constriction of the conductive cross section. This process develops like an avalanche, as the narrowed cross-section leads to even more heating, until finally the liquid metal itself evaporates and an electric arc is ignited.
- the boiling point of the non-conductive liquid must be well above the heating temperature in nominal operation, but also well below the boiling point of the liquid metal. Furthermore, the non-conductive liquid must not mix or chemically bond with the liquid metal.
- the capillary action on the nonconducting liquid is substantially greater than the capillary action on the liquid metal.
- nonconducting liquid which additionally protects the liquid metal from adverse chemical and physical changes, in particular from oxidation; protects.
- the nonconducting liquid is an oil, in particular an organic oil having a boiling point of 250 to 350 ° C.
- an alcohol or a mixture of alcohols, deionized water or a mixture of deionized water and at least one alcohol is to be used with advantage as a nonconductive liquid.
- the porous material of the intermediate walls "sucks" with the inert protective gas, which is thus available directly on the walls of the connecting channels.
- the area of each connecting channel is very much heated by the current racks, and it comes to the escape of the protective gas, which through the Pores has entered this area.
- gas bubbles form in the connecting channel, which lead to constriction of the conductive cross section. This process develops like an avalanche, as the narrowed cross-section leads to even more heating, until finally the liquid metal itself evaporates and an electric arc is ignited.
- the protective gas consists of nitrogen or of a noble gas or noble gas mixture or of a mixture of nitrogen and at least one noble gas.
- the partition walls can be advantageously produced from an open-cell foam ceramic or porous, porous mica.
- GaInSn alloys are easy to handle due to their physiological safety.
- An alloy of 660 parts by weight of gallium, 205 parts by weight of indium and 135 parts by weight of tin is liquid under normal pressure of 10 ° C to 2000 ° C and has sufficient electrical conductivity.
- the current-limiting device 10 contains on both sides an electrode 1 made of solid metal, preferably copper, which is rotationally symmetrical and merges into an outer connecting conductor 2. Between The electrodes 1 are a plurality of compressor chambers 4, which are formed by a corresponding number of annular sealing disks 11 and insulating partitions 12. By a mold housing 5, the electrodes 1, the sealing discs 11 and the intermediate walls 12 are held, with known means for sealing the compressor chambers 4 and the non-positive connection of the mold housing 5 mounted elements 1, 11 and 12 are provided, but not shown for reasons of clarity are.
- the means for sealing can be, for example, sealing rings between the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 or electrodes 1.
- the means for non-positive connection for example, continuous clamping screws along the two lines 3.
- the two outer compressor chambers 4 are each bounded laterally by one of the electrodes 1 and by an intermediate wall 12.
- the inner compressor chambers 4 are each bounded laterally by two intermediate walls 12.
- the generally multi-part mold housing 5 and the sealing washers 11 are pressure-resistant first and second insulating body. All compressor chambers 4 are partially filled with a liquid metal 7, for example a GaInSn alloy.
- the intermediate walls 12 are provided below the liquid level 9 with connecting channels 8.
- the connecting channels 8 are also filled with liquid metal 7, so that there is a continuous electrically conductive connection between the electrodes 1.
- the connecting channels 8 of adjacent intermediate walls 12 can advantageously be offset by a certain angle in order to prevent a continuous arc in the current limiting case.
- liquid metal 7 there is a sufficiently thick layer of a non-conductive liquid 6, which can neither mix nor chemically combine with the liquid metal 7, for example an organic oil having a boiling point of about 300 ° C.
- a non-conductive liquid 6 which can neither mix nor chemically combine with the liquid metal 7, for example an organic oil having a boiling point of about 300 ° C.
- the partitions 12 are made of an open-porous material, such as ceramic foam. Due to the capillary action of the pores on the nonconductive liquid 6, it is partially absorbed by the intermediate walls 12, so that it also reaches the immediate area of the connecting channels 8.
- the current limiting device 20 differs from the one described above in that an inert protective gas 16, for example argon, is located above the liquid level 9.
- the protective gas 16 has reached the immediate area of the connecting channels 8 via the pores of the intermediate walls 12.
- the protective gas 16 extending close to the connecting channels 8 expands due to the resulting heat, whereby an increasing constriction of the current paths and further heating of the liquid metal 7 in the connecting channels 8 takes place as a result of the part of the protective gas 16 entering the connecting channels 8 , which eventually leads to the rapid ignition of a current-limiting arc.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder des Anspruches 7.
- Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine solche Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper getrennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischenwände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinander liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüssigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwischenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüssigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte 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. 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. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden.
- Aus der US-PS 3 474 339 ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die Elektroden aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte Verdichterräume, die nach oben offen und zwischen Isolierungen ringförmig ausgebildet sind, enthält. Über dem Flüssigmetall lagert eine nichtleitende Flüssigkeit, die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall ist. Im Strombegrenzungsfall und bei gleichzeitiger Druckentlastung der nichtleitenden Flüssigkeit wird das Flüssigmetall infolge elektrodynamischer Kräfte aus den Verdichterräumen verdrängt.
- Bei Strombegrenzungseinrichtungen mit mehreren Verdichterräumen wird infolge der hintereinander liegenden Verbindungskanäle beim Auftreten eines Kurzschlusses durch die Anzahl der strombegrenzenden Teillichtbögen ein entsprechend hoher Spannungsabfall aufgebaut, der schließlich zur Unterbrechung des Kurzschlußstromes führt. Die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen weisen allerdings einen zu hohen Strombegrenzungsfaktor, das heißt ein zu hohes Verhältnis zwischen Durchlaßstrom und zu begrenzendem Kurzschlußstrom, auf.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Strombegrenzungsverhalten einer Strombegrenzungseinrichtung, insbesondere hinsichtlich ihres Strombegrenzungsfaktors und ihrer Ansprechzeit, zu verbessern.
- Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
- Durch die vorgeschlagenen Mittel werden gegenüber den bekannten Strombegrenzungseinrichtungen allein unter der Einwirkung eines Kurzschlußstromes die Lichtbogenzündung und damit der Beginn der Strombegrenzung sowohl zeitlich als auch in Abhängigkeit von der Höhe des Kurzschlußstromes vorverlegt.
- Nach der ersten Lösung saugt sich das poröse Material der Zwischenwände infolge der Kapillarwirkung mit der nichtleitenden Flüssigkeit voll, die somit direkt an den Wänden der Verbindungskanäle zur Verfügung steht. Durch einen äußeren Kurzschlußstrom wird der Bereich jedes Verbindungskanals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zur Verdampfung der nichtleitenden Flüssigkeit, die durch die Poren in diesen Bereich gelangt ist. Dabei bilden sich im Verbindungskanal Dampfblasen, welche zur Einengung des leitfähigen Querschnitts führen. Dieser Prozeß entwickelt sich lawinenartig, da der verengte Querschnitt zu einer noch stärkeren Erwärmung führt, bis schließlich das Flüssigmetall selbst verdampft und ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird. Hierzu muß der Siedepunkt der nichtleitenden Flüssigkeit deutlich über der Erwärmungstemperatur im Nennbetrieb, aber auch deutlich unter der Siedetemperatur des Flüssigmetalls liegen. Weiterhin darf sich die nichtleitende Flüssigkeit nicht mit dem Flüssigmetall vermischen oder chemisch verbinden. Bei der Wahl des Flüssigmetalls, der nichtleitenden Flüssigkeit und des porösen Materials ist zu beachten, daß die Kapillarwirkung auf die nichtleitende Flüssigkeit wesentlich größer als die Kapillarwirkung auf das Flüssigmetall ist.
- Es ist von Vorteil, eine nichtleitende Flüssigkeit zu verwenden, die das Flüssigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Veränderungen, insbesondere vor Oxidation; schützt. Vorteilhaft ist die nichtleitende Flüssigkeit ein Öl, insbesondere ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350 °C. Anderseits ist als nichtleitende Flüssigkeit mit Vorteil auch ein Alkohol oder ein Gemisch von Alkoholen, deionisiertes Wasser oder ein Gemisch aus deionisiertem Wasser und wenigstens einem Alkohol zu verwenden.
- Nach der zweiten Lösung "saugt" sich das poröse Material der Zwischenwände mit dem inerten Schutzgas, das somit direkt an den Wänden der Verbindungskanäle zur Verfügung steht. Durch einen äußeren Kurzschlußstrom wird der Bereich jedes Verbindungskanals durch die Stromengestelle sehr stark erwärmt, und es kommt zum Austritt des Schutzgases, das durch die Poren in diesen Bereich gelangt ist. Dabei bilden sich im Verbindungskanal Gasblasen, welche zur Einengung des leitfähigen Querschnitts führen. Dieser Prozeß entwickelt sich lawinenartig, da der verengte Querschnitt zu einer noch stärkeren Erwärmung führt, bis schließlich das Flüssigmetall selbst verdampft und ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird.
- Es ist von Vorteil, ein Schutzgas, zu verwenden, welches das Flüssigmetall zusätzlich vor nachteiligen chemischen und physikalischen Veränderungen, insbesondere vor Oxydation, schützt. Vorteilhaft besteht das Schutzgas aus Stickstoff oder aus einem Edelgas bzw. Edelgasgemisch oder aus einem Gemisch aus Stickstoff und wenigstens einem Edelgas.
- Die Zwischenwände lassen sich vorteilhaft aus einer offenporigen Schaumkeramik oder aus offenporigem, porösem Glimmer herstellen.
- Mit Vorteil ist als Flüssigmetall eine Gallium-Legierung zu verwenden. Insbesondere GaInSn-Legierungen sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Gewichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und besitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen
- Figur 1:
- im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung;
- Figur 2:
- im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung.
- Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach Fig. 1 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 11 sowie von isolierenden Zwischenwänden 12 gebildet werden. Durch ein Formgehäuse 5 werden die Elektroden 1, die Dichtscheiben 11 und die Zwischenwände 12 gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 12 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 begrenzt. Das im allgemeinen mehrteilige Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7 ausgefüllt, beispielsweise einer GaInSn-Legierung. Die Zwischenwände 12 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 8 versehen. Die Verbindungskanäle 8 sind ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 8 benachbarter Zwischenwände 12 können vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag versetzt sein, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu verhindern. Über dem Flüssigmetall 7 befindet sich eine ausreichend dicke Schicht einer nichtleitenden Flüssigkeit 6, die sich mit dem Flüssigmetall 7 weder vermischen noch chemisch verbinden kann, beispielsweise ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von etwa 300 °C. Oberhalb der Flüssigkeit 6 besteht in den Verdichterräumen 4 Vakuum. Die Zwischenwänden 12 bestehen aus einem offenporigen, porösen Material, beispielsweise aus Schaumkeramik. Durch die Kapillarwirkung der Poren auf die nichtleitende Flüssigkeit 6 wird diese von den Zwischenwänden 12 teilweise aufgesaugt, so daß sie auch in den unmittelbaren Bereich der Verbindungskanäle 8 gelangt. Im Kurzschlußfall verdampft ein Teil der den Verbindungskanälen 7 nahen nichtleitenden Flüssigkeit 6, wodurch in sehr kurzer Zeit eine zunehmende Verengung der Strompfade und eine weitere Erhitzung des Flüssigmetalls 7 in den Verbindungskanälen 8 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.
- Die Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dadurch, daß sich über dem Flüssigkeitsspiegel 9 ein inertes Schutzgas 16, beispielsweise Argon, befindet. Das Schutzgas 16 ist über die Poren der Zwischenwände 12 bis in den unmittelbaren Bereich der Verbindungskanäle 8 gelangt. Im Kurzschlußfall dehnt sich durch die entstehende Wärme das den Verbindungskanälen 8 nahen Schutzgases 16 aus, wodurch infolge des in die Verbindungskanäle 8 eintretenden Teil des Schutzgases 16 in sehr kurzer Zeit eine zunehmende Verengung der Strompfade und eine weitere Erhitzung des Flüssigmetalls 7 in den Verbindungskanälen 8 stattfindet, was schließlich zum raschen Zünden eines strombegrenzenden Lichtbogens führt.
Claims (13)
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, wobei über dem Flüssigmetall (7) eine nichtleitende Flüssigkeit (6) lagert, die unvermischbar sowie unverbindbar mit dem Flüssigmetall (7) ist, deren Siedetemperatur deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Flüssigmetalls (7) sowie deutlich oberhalb der Erwärmungstemperatur bei Nennbedingungen liegt dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einem offenporigen, porösen Material bestehen und die nicht leitende Flüssigkeit (6) unter dem Einfluß von Kapillarkräften in den Zwischenwänden (12) bis an die Verbindungskanäle (8) grenzt.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Öl ist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein organisches Öl mit einer Siedetemperatur von 250 bis 350 °C ist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Alkohol oder ein Gemisch von Alkoholen ist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) deionisiertes Wasser ist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Flüssigkeit (6) ein Gemisch aus deionisiertem Wasser und wenigstens einem Alkohol ist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden (1) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (8) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einem offenporigen, porösen Material bestehen und daß über dem Flüssigmetall (7) ein inertes Schutzgas (16) lagert, das über die Poren der Zwischenwände (12) bis an die Verbindungskanäle (8) grenzt.
- Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas (16) Stickstoff ist.
- Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas (16) ein Edelgas oder ein Gemisch von Edelgasen ist.
- Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas (16) ein Gemisch aus Stickstoff und wenigstens einem Edelgas ist.
- Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus einer Schaumkeramik bestehen.
- Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) aus Glimmer bestehen.
- Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GaInSn-Legierung ist.
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