EP1153406B1 - Selbsterholende strombegrenzungseinrichtung mit flüssigmetall - Google Patents
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- EP1153406B1 EP1153406B1 EP00905038A EP00905038A EP1153406B1 EP 1153406 B1 EP1153406 B1 EP 1153406B1 EP 00905038 A EP00905038 A EP 00905038A EP 00905038 A EP00905038 A EP 00905038A EP 1153406 B1 EP1153406 B1 EP 1153406B1
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- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- 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 Liquid metal according to the preamble of claim 1.
- Such a self-recovering current limiting device is known from the publication SU 922 911 A.
- known which contains electrodes made of solid metal separated by first insulating bodies designed as pressure-resistant insulating housings are. Inside the insulating housing are through insulating partitions and second insulating bodies arranged in between, which act as annular sealing washers are executed, partially filled with liquid metal, one after the other horizontal compressor rooms formed, one above the other with liquid metal filled, eccentrically arranged connecting channels of the partition walls are connected. So there is normal operation over the liquid metal a continuous inner conductive connection between the electrodes. In the case of current limitation, the liquid metal becomes due to the high current density displaced from the connecting channels.
- the known current limiting devices with Liquid metal has the desired property of self-recovery, but with a relatively long switch-off time of a circuit breaker with a Current limiting device is connected in series, there is a frequent risk Reignition of the arc or arcs in the current limiting device. This leads to an increased material load and thus shortened life of the current limiting device.
- the invention is therefore based on the object of means for targeted influencing the recombination time.
- the changing slopes of the connecting channels are expedient than straight in the interior of the partition walls which merge into one another at an angle Subchannels executed. Rising to the inside of the partition walls on both sides Subchannels have straight lines Connection channels result in an extended recombination time since after A short circuit makes it difficult for steam or gas bubbles to escape and thus the refilling of the connection channels with liquid metal is slowed down. In contrast, have to the interior of the partition walls sub-channels dropping on both sides compared to continuous straight lines Connection channels result in a shorter recombination time because after a short circuit, the escape of vapor or gas bubbles facilitated and thus the refilling of the connecting channels Liquid metal is accelerated.
- Such partitions can advantageously be assembled produce two part walls, each with straight, inclined part channels, the reverse-inclined sub-channels abutting and closing combine the connection channels essential to the invention.
- Equally trained Partial walls whose wall thickness is half the nominal wall thickness of the these composite partitions, lead to inexpensive Same parts for the part walls.
- partition walls or part walls are formed with an edge collar, the height corresponds to half or the entire width of the inner compressor rooms. So that without the need for special sealing washers by each two opposing partition walls or partial walls an inner compressor room or by one electrode and one opposite each other An outer compressor space is delimited between the partition or partial wall.
- pressure equalization channels in the partition walls above the liquid level are provided, it is recommended to use pressure equalization channels adjacent Partitions mutually, especially to move strongly. In the event of a short circuit, this will ignite unwanted arcs Channels avoided and the recombination time extended.
- GaInSn alloys are easy to handle due to their physiological Safety.
- An alloy of 660 parts by weight gallium, 205 parts by weight of indium and 135 parts by weight of tin are included Normal pressure from 10 ° C to 2000 ° C liquid 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 is formed and merges into an outer lead 2. Between the electrodes 1 are a plurality of compressor rooms 4, through a corresponding number of insulating partitions 12 on both sides collar 13 formed in the shape of an annular ring.
- the two outer compressor rooms 4 are laterally by one of the Electrodes 1 and delimited by an intermediate wall 12.
- the inner compressor rooms 4 are laterally delimited by two partitions 12.
- the connecting channels 17 of adjacent partitions 12 can advantageously be offset by a certain angular amount in order to Current limiting case to complicate a continuous arc.
- the Connection channels 17 consist of two angularly merging and rectilinear sub-channels 18, 19 together.
- the subchannels 18 and 19 extend from the outer walls to the interior of the intermediate walls 12 obliquely downwards, that is directed away from the liquid level 9.
- the current limiting device 20 according to FIG. 2 differs from that described above essentially by the formation of their partitions 22, 23 and formed by annular sealing disks 21 further insulating body between the partition walls 22, 23 and between the outer partitions 22 and the adjacent electrodes 1.
- Die Partitions 22, 23 are each made of two identical partitions 24 and 25 composed with an inclined subchannel 28 and 29th are provided. Depending on which of your two front sides two partitions 24 and 25 are close together, connecting channels 26 or 27 formed, the different directions of inclination from the outside inwards exhibit.
- the two outer walls are through the partial walls 24 and 25 Partitions 22 composed so that the through the sub-channels 28 and 29 formed V-shaped connecting channels 26 on both sides for Liquid level 9 of the liquid metal 7 open obliquely, whereas the inner Partitions 23 are composed so that the by Subchannels 28 and 29 formed inverted V-shaped connecting channels 27 Open diagonally away from the liquid level 9 on both sides.
- the outer connection channels 26 have a shortened and the inner connecting channels 27 an extended recombination time after a short circuit.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments limited.
- Manufacture current limiting devices that meet different current limiting conditions are largely adapted.
Landscapes
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit
Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine solche selbsterholende 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. Zur
Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1
076 981 A die Verbindungskanäle benachbarter 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 mit
Flüssigmetall weisen zwar die erwünschte Eigenschaft der Selbsterholung auf,
doch bei relativ langen Abschaltzeiten eines Schutzschalters, der mit einer
Strombegrenzungseinrichtung in Reihe geschaltet ist, besteht die Gefahr häufigen
Wiederzündens des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen in der Strombegrenzungseinrichtung.
Dies führt zu einer erhöhten Materialbelastung und damit
verkürzten Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung. Eine Beeinflussung
der Rekombinationszeit, das heißt der Zeit bis zur Wiederherstellung
der durchgehenden metallisch leitenden Verbindung, ist mit den bekannten
Strombegrenzungseinrichtungen nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zur gezielten Beeinflussung
der Rekombinationszeit anzugeben.
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 beidseitig schräg eingebrachten Verbindungskanäle läßt sich nach
Bedarf die Rekombinationszeit einstellen, da sich nach der Strombegrenzung
die Verbindungskanäle je nach Verlauf ihrer Schrägen mehr oder weniger
verlangsamt bzw. beschleunigt mit Flüssigmetall wieder füllen. Die erfindungsgemäße
Strombegrenzungseinrichtung kann demnach durch ihre Rekombinationszeit
auf den entsprechenden Einsatzfall angepaßt werden.
Zweckmäßigerweise werden die wechselnden Schrägen der Verbindungskanäle
als im Inneren der Zwischenwände winklig ineinander übergehende gerade
Teilkanäle ausgeführt. Zum Inneren der Zwischenwände beidseitig ansteigende
Teilkanäle haben gegenüber durchgängig geradlinig verlaufenden
Verbindungskanälen eine verlängerte Rekombinationszeit zur Folge, da nach
einem Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf- bzw. Gasblasen erschwert
und damit die Wiederbefüllung der Verbindungskanäle mit Flüssigmetall
verlangsamt wird. Dagegen haben zum Inneren der Zwischenwände
beidseitig abfallende Teilkanäle gegenüber durchgängig geradlinig verlaufenden
Verbindungskanälen eine verkürzte Rekombinationszeit zur Folge, da
nach einem Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf- bzw. Gasblasen
erleichtert und damit die Wiederbefüllung der Verbindungskanäle mit
Flüssigmetall beschleunigt wird.
Derartige Zwischenwände lassen sich vorteilhaft durch Zusammensetzen
zweier Teilwände mit jeweils geradlinig schräg eingebrachten Teilkanälen herstellen,
wobei die umgekehrt geneigten Teilkanäle aneinanderstoßen und zu
den erfindungswesentlichen Verbindungskanälen kombinieren. Gleich ausgebildete
Teilwände, deren Wandstärke die halbe nominelle Wandstärke der aus
diesen zusammengesetzten Zwischenwände beträgt, führen kostengünstig zu
Gleichteilen für die Teilwände. Mit derartigen Teilwänden lassen sich, je nachdem
mit welchen ihrer beiden Frontseiten sie aneinander liegen, Zwischenwände
mit zum Inneren beidseitig aufsteigenden oder absteigenden Verbindungskanälen
zusammensetzen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Zwischenwände oder Teilwände besteht
darin, daß sie mit einem randseitigen Kragen ausgebildet sind, dessen Höhe
der halben oder der gesamten Breite der inneren Verdichterräume entspricht.
Damit werden ohne das Erfordernis besonderer Dichtscheiben durch jeweils
zwei gegenüberliegende Zwischenwände bzw. Teilwände ein innerer Verdichterraum
bzw. durch jeweils eine Elektrode und eine dieser gegenüberliegenden
Zwischen- bzw. Teilwand ein äußerer Verdichterraum begrenzt.
Wenn in den Zwischenwänden Druckausgleichskanäle oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
vorgesehen sind, empfiehlt es sich, Druckausgleichskanäle benachbarter
Zwischenwände gegenseitig, insbesondere stark zu versetzen.
Damit wird im Kurzschlußfall das Zünden ungewollter Lichtbögen über diese
Kanäle vermieden und die Rekombinationszeit verlängert.
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 der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand
von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
- Figur 1:
- im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung;
- Figur 2:
- im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen selbsterholende 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 isolierenden Zwischenwänden 12 mit beidseitig
am Rande kreisringförmig ausgebildeten Kragen 13 gebildet werden. 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.
Durch einen Isolierkörper in Form eines Formgehäuse 5, das aus zwei
gleichen schalenförmigen Gehäuseteilen 51 besteht, werden die Elektroden 1
und die Zwischenwände 12 kraftschlüssig gehalten. Es sind bekannte, jedoch
aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Mittel zum kraftschlüssigen
Verbinden der beiden Gehäuseteile 51 vorgesehen, beispielsweise
durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Dichtringe 6, die
in gegenüberstehenden stirnseitigen Nuten der Kragen 13 bzw. Elektroden 1
eingelegt sind, dienen zum Abdichten der Verdichterräume 4. Die Gehäusehälften
51 sind druckfeste 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
17 mit V-förmigem Längsprofil versehen. Die Verbindungskanäle
17 sind im Nennbetrieb ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen
den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung
besteht. Die Verbindungskanäle 17 benachbarter Zwischenwände 12 können
vorteilhaft jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag versetzt sein, um im
Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu erschweren. Die
Verbindungskanäle 17 setzen sich aus zwei winklig ineinander übergehenden
und geradlinig verlaufenden Teilkanälen 18, 19 zusammen. Die Teilkanäle 18
und 19 verlaufen von den Außenwänden zum Inneren der Zwischenwände 12
schräg nach unten, daß heißt vom Flüssigkeitsspiegel 9 weg gerichtet. Durch
diese Ausbildung der Verbindungskanäle 17 wird gegenüber den bekannten
Strombegrenzungseinrichtungen mit geradlinig verlaufenden Verbindungskanälen
eine verkürzte Rekombinationszeit erreicht, da nach einem äußeren
Kurzschluß das Entweichen entstandener Dampf- bzw. Gasblasen aus den
Verbindungskanäle 17 erleichtert und damit das Wiederbefüllen der Verbindungskanäle
mit dem Flüssigmetall 7 beschleunigt wird.
Die Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 unterscheidet sich von der
vorstehend beschriebenen im wesentlichen durch die Ausbildung ihrer Zwischenwände
22, 23 und durch als ringförmige Dichtscheiben 21 ausgebildete
weitere Isolierkörper zwischen den Zwischenwänden 22, 23 bzw. zwischen
den äußeren Zwischenwänden 22 und den benachbarten Elektroden 1. Die
Zwischenwände 22, 23 sind jeweils aus zwei gleichen Teilwänden 24 und 25
zusammengesetzt, die mit einem schräg verlaufenden Teilkanal 28 bzw. 29
versehen sind. Je nachdem mit welcher ihrer beiden Frontseiten zwei Teilwände
24 und 25 dicht aneinander liegen, werden Verbindungskanäle 26 oder
27 gebildet, die unterschiedliche Neigungsrichtungen von außen nach innen
aufweisen. Im Beispiel sind durch die Teilwände 24 und 25 die beiden äußeren
Zwischenwände 22 so zusammengesetzt, daß sich die durch die Teilkanäle
28 und 29 gebildeten V-förmigen Verbindungskanäle 26 beidseitig zum
Flüssigkeitsspiegel 9 des Flüssigmetalls 7 schräg hin öffnen, wogegen die inneren
Zwischenwände 23 so zusammengesetzt sind, daß sich die durch die
Teilkanäle 28 und 29 gebildeten umgekehrt V-förmigen Verbindungskanäle 27
beidseitig vom Flüssigkeitsspiegel 9 schräg weg öffnen. Die äußeren Verbindungskanäle
26 weisen eine verkürzte und die inneren Verbindungskanäle 27
eine verlängerte Rekombinationszeit nach einem Kurzschluß auf.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt. So lassen sich beispielsweise in entsprechender
Abwandlung der Strombegrenzungseinrichtung 20 nach Fig. 2 durch geeignete
Wahl der paarweisen Zusammensetzung der Teilwände 24 und 25
Strombegrenzungseinrichtungen herstellen, die an unterschiedliche Strombegrenzungsbedingungen
weitgehend angepaßt sind. Weiterhin können zur
weiteren Differenzierung des Strombegrenzungsverhaltens durchaus einige
der Zwischenwände mit geradlinig verlaufenden Verbindungskanälen ausgestattet
sein.
Claims (10)
- 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; 21) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12; 22; 23) mit Verbindungskanälen (17; 26; 27) für das Flüssigmetall (7) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Teilmenge der Verbindungskanäle (17; 26; 27) ein im wesentlichen V-förmiges bzw. umgekehrt V-förmiges Längsprofil aufweist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmenge der Verbindungskanäle (17; 26; 27) zwei winklig ineinander übergehende gerade Teilkanäle (18, 19; 28, 29) aufweist.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkanäle (28, 29) in Richtung zum Inneren der Zwischenwände (23) und zum Flüssigkeitsspiegel (9) hin gerichtet verlaufen.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkanäle (18, 19; 28, 29) in Richtung zum Inneren der Zwischenwände (12; 22) und vom Flüssigkeitsspiegel (9) weg gerichtet verlaufen.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (22; 23) in zwei sich überdeckende Teilwände (24, 25) geteilt sind, die mit den schräg eingebrachten geraden Teilkanälen (28, 29) versehen sind.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwände (24, 25) gleich ausgebildet sind und sich wahlweise über die jeweils eine oder die jeweils andere ihrer beiden Frontseiten einander dicht berühren.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (12) zu beiden Seiten randseitig mit Kragen (13) versehen sind, deren Höhe gleich der halben Breite der inneren Verdichterräume (4) ist, und daß die Stirnflächen der Kragen (13) gegenüberstehender Zwischenwände (12) einander dicht berühren.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände auf einer Seite randseitig mit Kragen versehen sind, deren Höhe gleich der Breite der inneren Verdichterräume ist, und daß sich die Stirnflächen der Kragen der gegenüberstehenden Zwischenwände dicht berühren.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zwischenwänden oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gegeneinander versetzte, durchgehende Druckausgleichskanäle vorgesehen sind.
- Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GaInSn-Legierung ist.
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