EP1166308B1

EP1166308B1 - Selbsterholende strombegrenzungseinrichtung mit flüssigmetall

Info

Publication number: EP1166308B1
Application number: EP00916931A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Kremers; Andreas Krätzschmar; Frank Berger
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-11
Publication date: 2002-12-18
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: JP2002540580A; US6525642B1; DE19914147A1; WO2000058987A1; DE50000973D1; EP1166308A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend Elektroden aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, zwischen den Elektroden hintereinander liegende Verdichterräume, die durch druckfeste Isolierkörper und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände mit Verbindungskanälen gebildet werden.

Stand der Technik

Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die zwei 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. Eine bekannte Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift SU 1 094 088 A ist mit Zwischenwänden, in denen mehrere Verbindungskanäle konzentrisch um die Längsachse ausgebildet sind, sowie mit zwischen den Zwischenwänden angeordneten kupfernen Trennwänden, die zwecks Kühlung des Flüssigmetalls nach außen geführt sind, ausgestattet. Diese Strombegrenzungseinrichtung erlaubt Gebrauchslagen bei Drehungen bis zu 360° um die horizontale Längsachse und Neigungen bis zu 50° gegenüber der Horizontalen, was allerdings nur in Verbindung mit den in nachteiliger Weise potentialbehafteten Trennwänden ermöglicht wird, wobei wegen dieser Trennwände die Verdichterräume in aufwendiger Weise einzeln mit Flüssigmetall zu füllen sind.

Um die eingangs genannten Strombegrenzungseinrichtungen für verschiedene Anwendungsfälle nutzen zu können, müssen sie dahingehend unterschiedlich ausgelegt sein, daß sie bei einer vom Anwendungsfall abhängigen mehr oder weniger kurzzeitigen Überlastung nicht ansprechen. So dürfen z.B. Strombegrenzungseinrichtungen in Verbindung mit Generatoren nicht bei einem kurzzeitigen Überlaststrom, der das 2...6fache des Nennstromes beträgt, oder in Verbindung mit Motoren schlechter Eisenqualität oder Transformatoren nicht bei einem kurzzeitigen Überlaststrom, der das 6...18fache des Nennstromes beträgt, ansprechen, sondern dies erst bei einem demgegenüber höheren Kurzschlußstrom tun. Daher besteht bisher das nachteilige Erfordemis, herstellerseitig eine erhebliche Anzahl von Strombegrenzungseinrichtungen anzubieten, um eine geeignete Auswahl hinsichtlich der anwenderseitigen Gegebenheiten zu erlauben.

Nach DE-PS 373 009 ist ein Schalter, bei welchem die Kontaktgebung durch das Innere teilweise ausfüllende Flüssigmetall erfolgt und der Schaltkörper mit einer das Flüssigmetall unterteilenden gelochten Trennwand versehen. Die Verbindungskanäle in der Trennwand sind auf einem gegenüber der Längsachse des Schalters konzentrischen Teilkreis gleichmäßig angeordnet. Die beiden Teile des Flüssigmetalls sind durch einen einstellbaren Kanalquerschnitt verbunden, wobei die Einstellung durch Verdrehen um die Längsachse des Schalters erfolgt. Nach Durchgang einer bestimmten Strommenge verdampft das Flüssigmetall im Kanal und unterbricht den Strom, während gleichzeitig ein mit dem Kanal in Reihe geschalteter Auslösemagnet den Schalter in die nichtleitende Ausgangsstellung zurückkehren läßt, so daß erst nach einer neuen, von außen zu betätigender Verdrehung die Wiederbereitschaft des Schalters erreicht wird. Diese Lösung muß zum einen nach dem Auftreten des Strombegrenzungsfalles mit äußeren Mitteln in die Betriebstellung zurückgesetzt werden. Zum anderen ist durch die gleichmäßig konzentrischen Anordnung. Zum anderen sind zum Einstellen eines bestimmten Ansprechstromes Regulierungsmittel, beispielsweise eine Regelschraube erforderlich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung anzugeben, die in einfach zu handhabender und in sicher zu reproduzierender Weise auf ein gewünschtes Strombegrenzungsverhalten, d.h. insbesondere hinsichtlich des Ansprechstromes, wenigstens annähernd optimal anzupassen ist.

Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Durch die bewußte Montage der Strombegrenzungseinrichtung in unterschiedlichen Gebrauchslagen paßt sich das Flüssigmetall aufgrund seiner fluiden Eigenschaften an die dann jeweils entstandene innere Raumgeometrie der Strombegrenzungseinrichtung an. Es wurde gefunden, daß sich die Größe des Ansprechstromes bei im übrigen gleichen Voraussetzungen mit zunehmender Füllstandshöhe des Flüssigmetalls über den Verbindungskanälen erhöht.

Je nach Gestaltung und Anordnung der Verbindungskanäle ergeben sich unterschiedliche Eintauchtiefen und bzw. oder eine unterschiedliche Anzahl für unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befindliche Verbindungskanäle.

Eine besondere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in einer der Gebrauchslagen alle Verbindungskanäle oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet sind. Durch Verschwenken in diese Gebrauchslage aus einer anderen Gebrauchslage bzw. umgekehrt wirkt die Strombegrenzungseinrichtung zusätzlich als Aus- bzw. Einschalter.

Es ist von Vorteil, wenn die Strombegrenzungseinrichtung mit ihren Gebrauchslagen zugeordneten Anzeigemitteln versehen ist, die eine eindeutige Auskunft über die Strombegrenzungscharakteristik der jeweiligen Gebrauchslage geben.

GalnSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen

Figur 1:: eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung im Längsschnitt;
Figur 2:: die Strombegrenzungseinrichtung in verschiedenen Gebrauchslagen, jeweils im Querschnitt A-A nach Fig. 1.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 enthält die Strombegrenzungseinrichtung 10 zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die quaderförmig mit quadratischem Querschnitt 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 aus zwei gleichartige Halbschalen 51 bestehende Formgehäuse 5 und die Dichtscheiben 11 sind druckfeste erste bzw. zweite Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7, beispielsweise einer GalnSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 71 befindet sich in diesem Beispiel Vakuum oder ein Schutzgas. Die Zwischenwände 12 sind mit Verbindungskanälen 81 bis 84 versehen. Wenn mindestens einer der Verbindungskanäle 81 bis 84 ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt ist, besteht zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung.

Nach Fig. 2 sind die Zwischenwände 12 jeweils mit vier Verbindungskanälen 81 bis 84 versehen. Die horizontal verlaufende Längsachse 6 der Strombegrenzungseinrichtung 10 erstreckt sich senkrecht zu den Zwischenwänden 12. Die Verbindungskanäle 81, 82, 83 und 84 sind nicht alle konzentrisch bezüglich der Längsachse 6 angeordnet. Die Strombegrenzungseinrichtung 10 hat nach Fig. 2a bis Fig. 2d vier verschiedene Gebrauchslagen, die sich nacheinander durch Verdrehen der Strombegrenzungseinrichtung 10 um jeweils 90° um ihre Längsachse 6 ergeben. In den Gebrauchslagen nach Fig. 2a bis Fig. 2c weisen die vom Flüssigmetall 7 erfaßten Verbindungskanäle 81, 82 bzw. 83 bzw. 84 jeweils unterschiedliche Eintauchtiefen t1 bzw. t2 bzw. t3 bezüglich des Flüssigkeitsspiegels 71 - und zwar in abnehmender Reihenfolge - auf. In der Gebrauchslage nach Fig. 2a werden die zwei Verbindungskanäle 81 und 82 vom Flüssigmetall 7 erfaßt. In der Gebrauchslage nach Fig. 2b bzw. nach Fig. 2c wird jeweils ein Verbindungskanal, nämlich der Verbindungskanal 83 bzw. der Verbindungskanal 84, vom Flüssigmetall 7 erfaßt. In der Gebrauchslage nach Fig. 2d wird keiner der Verbindungskanäle 81 bis 84 vom Flüssigmetall 7 erfaßt. Durch die unterschiedlichen Eintauchtiefen t1 bis t3 und die unterschiedliche Anzahl der vom Flüssigmetall 7 erfaßten Verbindungskanäle 81 bis 84 in den vier dargestellten Gebrauchslagen werden vier unterschiedliche Charakteristiken für ein und dieselbe Strombegrenzungseinrichtung 10 erreicht. So nimmt beispielsweise die Strombegrenzungseinrichtung 10 in den einzelnen Gebrauchslagen eine Strombegrenzungscharakteristik ein, die in

Fig. 2a mit einem Nennstromfaktor von sechs bis vierzehn für den Motorschutz,
Fig. 2b mit einem Nennstromfaktor von sechs bis zwölf für den Kabel- und Anlagenschutz,
Fig. 2c mit einem Nennstromfaktor von zwei bis sechs für den Generatorschutz und
Fig. 2d mangels eines mit Flüssigmetall 7 gefüllten Verbindungskanals für eine ständig stromunterbrochene AUS-Stellung

geeignet ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lassen sich beispielsweise durch die Verwendung von Verbindungskanälen mit unterschiedlichen Kanaldurchmessem die Strombegrenzungscharakteristiken in den verschiedenen Gebrauchslagen weitergehend abwandeln. Kennzeichnungen an den Außenwänden des Formgehäuses 5 können zur eindeutigen Zuordnung einer Strombegrenzungscharakteristik zu der jeweiligen Gebrauchslage nach Fig. 2a bis Fig. 2c sowie der AUS-Stellung zu der Gebrauchslage nach Fig. 2d dienen.

Claims

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 mehrere durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (81; 82; 83; 84) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zwischenwände (12) jeweils mit mehreren Verbindungskanälen (81 ... 84) versehen sind, die nicht durchgängig konzentrisch bezüglich der sich senkrecht zu den Zwischenwänden (12) erstreckenden Längsachse (6) der Strombegrenzungseinrichtung (10) angeordnet sind, und

daß die Strombegrenzungseinrichtung (10) derart ausgebildet ist, daß sie verschiedene Gebrauchslagen, die sich durch Verdrehen der Strombegrenzungseinrichtung (10) um ihre im wesentlichen horizontal verlaufende Längsachse (6) ergeben, zuläßt.
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei verschiedenen Gebrauchslagen die jeweils vom Flüssigmetall (7) erfaßten Verbindungskanäle (81, 82; 83; 84) unterschiedliche Eintauchtiefen (t1; t2; t3) bezüglich des Flüssigkeitsspiegels (71) aufweisen.
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei verschiedenen Gebrauchslagen eine unterschiedliche Anzahl von Verbindungskanälen (81, 82; 83; 84) vom Flüssigmetall (7) erfaßt wird.
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer von mehreren Gebrauchslagen keiner der Verbindungskanäle (81 ... 84) vom Flüssigmetall (7) erfaßt wird.
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Strombegrenzungscharakteristiken kennzeichnende Anzeigemittel der verschiedenen Gebrauchslagen.
Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GalnSn-Legierung ist.