DE19853577C1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall - Google Patents
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit FlüssigmetallInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall. Sie enthält zwei bezüglich der Längsachse (3) der Strombegrenzungseinrichtung (1) rotationssymmetrische Elektroden (11, 12) aus Festmetall und mehrere teilweise mit Flüssigmetall (8) aufgefüllte, zwischen den Elektroden (11, 12) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste Isolierkörper (5, 7) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (6) mit mehreren kreisförmig verteilten Verbindungskanälen (9) gebildet werden. Das zu lösende Problem besteht in der Erweiterung der Gebrauchslagen. Dazu weisen die Elektroden (11, 12) über Durchbrüche (16) mit den benachbarten Verdichterräumen (4) verbundene Hohlräume (14) auf, die je nach Gebrauchslage von dem Flüssigmetall (8) ausreichend benetzt bis vollständig gefüllt sind.
Description
Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit
Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegren
zungseinrichtung bekannt, die zwei zum Inneren der Strombegrenzungsein
richtung eben ausgebildete Elektroden aus Festmetall enthält, die durch als
zylindrisches, druckfestes Isoliergehäuse ausgebildete erste Isolierkörper ge
trennt sind. Innerhalb des Isoliergehäuses sind durch isolierende Zwischen
wände und dazwischen angeordnete zweite Isolierkörper, die als ringförmige
Dichtscheiben ausgebildet sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hinter
einander 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
schlagartig das Flüssigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit
ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbro
chen, was zur Begrenzung des Kurzschlußstromes führt. Nach Abschaltung
oder Beseitigung des Kurzschlusses füllen sich die Verbindungskanäle wieder
mit Flüssigmetall, worauf die Strombegrenzungseinrichtung erneut betriebsbe
reit ist. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird als Medium über dem Flüs
sigkeitsspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt.
Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1
076 981 A die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinan
der versetzt angeordnet. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt,
bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere Gallium-Indium-
Zinn-Legierungen (GaInSn-Legierungen) zu verwenden. Von Nachteil ist, daß
die bekannten Strombegrenzungseinrichtungen nur in waagerechten und ge
ring davon abweichenden Gebrauchslagen funktionieren. Eine bekannte
Strombegrenzungseinrichtung nach Druckschrift SU 1 094 088 A ist mit Zwi
schenwänden, in denen mehrere Verbindungskanäle kreisförmig um die Mit
telachse ausgebildet sind, sowie mit zwischen den Zwischenwänden angeord
neten kupfernen Trennwänden, die zwecks Kühlung des Flüssigmetalls nach
außen geführt sind, ausgestattet. Diese Strombegrenzungseinrichtung erlaubt
Gebrauchslagen bei Drehungen bis zu 360° um die horizontale Mittelachse
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 auf
wendiger Weise einzeln mit Flüssigmetall zu füllen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in fertigungs- und anwender
freundlicher Weise den Bereich der Gebrauchslagen zu erweitern.
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 Hohlräume der Elektroden wird ein zusätzlicher Raum geschaffen,
der als Reservoir für Flüssigmetall dient, das bei Veränderung der Ge
brauchslage an anderer Stelle zur Verfügung steht und damit der hinreichen
den Funktionstüchtigkeit der Strombegrenzungseinrichtung dient. In der waa
gerechten Gebrauchslage, das heißt bei horizontal ausgerichteter Längsachse
der Strombegrenzungseinrichtung, ist die Ausfüllung der Hohlräume und die
Benetzung der für die Stromübertragung maßgeblichen Oberflächen mit Flüs
sigmetall für beide Elektroden gleich. Bei Neigung der Längsachse leert sich
durch die Schwerkraft der Hohlraum der nach oben gelangenden Elektrode in
dem Maße von Flüssigmetall, wie sich der Hohlraum der nach unten gelan
genden Elektrode mit Flüssigmetall füllt, bis sich bei weiter zunehmender Nei
gung der Hohlraum der unteren Elektrode vollständig mit Flüssigmetall füllt
und sich der Hohlraum der oberen Elektrode im Extremfall vollständig entleert,
diese Elektrode jedoch noch ausreichend vom Flüssigmetall benetzt ist. Eine
entsprechende Umverteilung der Füllmenge findet in den Verdichterräumen
statt, wobei durch die mehrfach pro Zwischenwand angeordneten Verbin
dungskanäle gewährleistet ist, daß bei allen vorgesehenen Gebrauchslagen
jede Zwischenwand mit wenigstens einem ihrer Verbindungskanäle mit dem
Flüssigmetall in Verbindung steht. Der rotationssymmetrische Aufbau der
Strombegrenzungseinrichtung bewirkt in jeder Neigungslage bei einer zusätz
lichen Verdrehung um die Längsachse keine effektive Veränderung der Ver
teilung des Flüssigmetalls in den Hohlräumen und in den Verdichterräumen,
so daß bei Normalbetrieb in allen möglichen Gebrauchslagen eine ausrei
chende elektrische Verbindung zwischen den Elektroden besteht. Die nicht mit
dem Flüssigmetall in Verbindung stehenden Verbindungskanäle dienen einer
seits beim Befüllen der Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall zur
gleichmäßigen Entlüftung der Verdichterräume und anderseits während und
nach einem Kurzschlußfall zum Druckausgleich zwischen benachbarten Ver
dichterräumen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hohlräume bestehen zum einen in einer
topfartig, sich konisch verjüngenden und zum anderen in einer doppeltopfarti
gen zylindrischen Ausbildung. Im letzeren Fall kann durch den jeweils äußeren
Hohlraum ein flacher Anschlußleiter reichen, der zur Erhöhung der Formbe
ständigkeit die gesamte Breite des äußeren Hohlraumes einnimmt, wobei eine
weiterer Durchbruch zur Umverteilung des Flüssigmetalls in dem äußeren
Hohlraum beim Neigen und beim Verdrehen der Strombegrenzungseinrich
tung dient. Eine versetzte Anordnung der Verbindungskanäle benachbarter
Zwischenwände verhindert das Brennen eines langen Lichtbogens über alle
Verdichterräume und zwingt dagegen zur Aufteilung in mehrere, wirksamer
begrenzende Teillichtbögen. GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüs
sigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklich
keit. 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 folgen
den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen
Fig. 1: im Längsschnitt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Strombegrenzungseinrichtung in horizontaler Lage;
Fig. 2: die Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1 in vertikaler Lage;
Fig. 3: im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä
ßen Strombegrenzungseinrichtung in horizontaler Lage;
Fig. 4: die Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 3 in vertikaler Lage;
Fig. 5: im Querschnitt A-A die Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1
oder Fig. 3;
Fig. 6: im Querschnitt B-B die Strombegrenzungseinrichtung nach Fig. 1
oder Fig. 3
Die Strombegrenzungseinrichtung 1 nach Fig. 1 und Fig. 2 enthält zu beiden
Seiten je eine Elektrode 11 bzw. 12 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die
bezüglich der Längsachse 3 der Strombegrenzungseinrichtung 1 rotations
symmetrisch ausgebildet ist und in einen äußeren Anschlußleiter 13 übergeht.
Zwischen den Elektroden 11 und 12 befinden sich mehrere Verdichterräume
4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtscheiben 5 aus
Isolierstoff sowie von isolierenden Zwischenwänden 6 gebildet werden. Durch
ein Isoliergehäuse 7 werden die Elektroden 11 und 12, die Dichtscheiben 5
und die Zwischenwände 6 gehalten, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der
Verdichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Isoliergehäuse
7 gelagerten Elemente 5, 6, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können bei
spielsweise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 5 und den Zwischenwän
den 6 sein. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils
durch eine der Elektroden 11 bzw. 12 sowie durch eine Zwischenwand 6 be
grenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwi
schenwände 6 begrenzt. Die Dichtscheiben 5 und das im allgemeinen mehr
teilige Isoliergehäuse 7 sind druckfeste Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4
sind wenigstens teilweise mit einem Flüssigmetall 8, beispielsweise einer
GaInSn-Legierung ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigmetalls 8 befindet sich bei
spielsweise Vakuum. Die Zwischenwände 6 sind mit Verbindungskanälen 9
versehen. Mindestens ein Verbindungskanal 9 jeder Zwischenwand 6 ist mit
Flüssigmetall 8 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 11 und 12 eine
durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Zwischenwände 6
weisen jeweils mehrere kreisförmig um die Längsachse 3 angeordnete Ver
bindungskanäle 9 auf, die gemäß Fig. 5 und Fig. 6 zwischen benachbarten
Zwischenwänden 6 um eine bestimmten Winkelbetrag versetzt sind, um im
Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu verhindern. Die
Elektroden 11 und 12 sind erfindungsgemäß mit einem topfartigen Hohlraum
14 ausgestattet, der sich konisch verjüngend über einen Durchbruch 16 mit
dem jeweils benachbarten Verdichterraum 4 verbunden ist. Über die Durch
brüche 16 sowie über die Verbindungskanäle 9 verteilt sich das Flüssigmetall
8 über die Hohlräume 14 der Elektroden 11, 12 sowie über die Verdichter
räume 4 je nach Gebrauchslage der Strombegrenzungseinrichtung 1. Die
Hohlräume 14 sind dabei mehr oder weniger mit Flüssigmetall 8 ausgefüllt. Bei
der in Fig. 1 dargestellten horizontalen Lage der Strombegrenzungseinrich
tung 1 ist das Flüssigmetall 8 gleichmäßig sowohl über beide Hohlräume 14
der Elektroden 11 und 12 als auch über alle Verdichterräume 4 verteilt. In die
ser Lage ist bei jeder Elektrode 11 und 12 sowohl ein großer Teil der inneren
Oberfläche des Hohlraumes 14 als auch die an den benachbarten Verdichter
raum 4 grenzende Oberfläche vom Flüssigmetall 8 benetzt. Weiterhin befindet
sich in dieser Lage der größte Teil der Verbindungskanäle 9 unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels 81, während der restliche Teil sich oberhalb davon befin
det. Bei der in Fig. 2 dargestellten, extrem von der horizontalen Lage abwei
chenden vertikalen Lage der Strombegrenzungseinrichtung 1 hat sich der
Hohlraum 14 der nach unten gelangten Elektrode 11 vollständig mit Flüssig
metall 8 gefüllt, während der Hohlraum 14 der nach oben gelangten Elektrode
12 zum größten Teil vom Flüssigmetall 8 entleert ist, wobei allerdings noch ein
ausreichender Teil der Oberfläche der oberen Elektrode 12, nämlich vollstän
dig die an den benachbarten Verdichterraum 4 angrenzende Oberfläche und
der Durchbruch 16, von Flüssigmetall 8 benetzt ist. Weiterhin befinden sich
sämtliche Verbindungskanäle 9 aller Zwischenwände 6 unterhalb des Flüssig
keitsspiegels 82, der im Bereich des Durchbruches 16 der oberen Elektrode
12 verläuft.
Von der zuvor beschriebenen Strombegrenzungseinrichtung 1 unterscheidet
sich die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Strombegrenzungseinrichtung 2 durch
die Ausbildung der Elektroden 21 und 22. Die Elektroden 21 und 22 sind erfin
dungsgemäß doppeltopfartig ausgebildet. Sie besitzen jeweils einen zum an
grenzenden Verdichterraum 4 hin offenen zylindrischen inneren Hohlraum 25
und einen davon durch eine Trennwand 27 abgeteilten zylindrischen äußeren
Hohlraum 24. Der äußere Hohlraum 24 kommuniziert mit dem benachbarten
inneren Hohlraum 25 über mehrere Durchbrüche 26, die in der Trennwand 27
kreisförmig um die Längsachse 3 angeordnet sind. Von der Trennwand 27
jeder Elektrode 21 bzw. 22 erstreckt sich jeweils ein flacher Anschlußleiter 23,
der den äußeren Hohlraum 24 in zwei Teilräume 241 und 242 teilt, die über
mindestens einen weiteren Durchbruch 28 im Anschlußleiter 23 verbunden
sind. Über die Durchbrüche 26, 28 sowie über die Verbindungskanäle 9 ver
teilt sich das Flüssigmetall 8 über die Hohlräume 24, 25 der Elektroden 21, 22
sowie über die Verdichterräume 4 je nach Gebrauchslage der Strombegren
zungseinrichtung 2. Bei der in Fig. 3 dargestellten horizontalen Lage der
Strombegrenzungseinrichtung 2 ist das Flüssigmetall 8 gleichmäßig jeweils
über die äußeren Hohlräume 24 und die inneren Hohlräume 25 beider Elek
troden 21 und 22 sowie gleichmäßig über alle Verdichterräume 4 verteilt. In
dieser Lage ist bei jeder Elektrode 21 und 22 ein großer Teil der inneren
Oberflächen der Hohlräume 24 und 25 vom Flüssigmetall 8 benetzt. Weiterhin
befindet sich in dieser Lage der größte Teil der kreisförmig angeordneten Ver
bindungskanäle 9 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 83, während der restli
che Teil sich oberhalb davon befindet. Bei der in Fig. 4 dargestellten, extrem
von der horizontalen Lage abweichenden vertikalen Lage der Strombegren
zungseinrichtung 2 haben sich die Hohlräume 24 und 25 der nach unten ge
langten Elektrode 21 vollständig mit Flüssigmetall 8 gefüllt, während der äu
ßere Hohlraum 24 der nach oben gelangten Elektrode 22 vollständig vom
Flüssigmetall 8 entleert ist, wobei allerdings die vollständige Füllung des inne
ren Hohlraumes 25 für eine ausreichende Benetzung der oberen Elektrode 22
mit Flüssigmetall 8 sorgt. Weiterhin befinden sich sämtliche Verbindungska
näle 9 aller Zwischenwände 6 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 84, der im
Bereich der Durchbrüche 26 der oberen Elektrode 22 verläuft.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh
rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung
gleichwirkenden Ausführungsformen. So stellt beispielsweise die Kenntnis des
Innendruckes des über dem Flüssigmetall stehenden Mediums eine aussage
kräftige Information über die Funktionssicherheit der Strombegrenzungsein
richtung dar. Dies läßt sich mit Vorteil durch eine ins Innere der Strombegren
zungseinrichtung reichende und von außen ablesbare Druckmeßeinrichtung
realisieren, beispielsweise mit einem Membranmanometer, das seine Anzeige
aus der im Inneren vorhandenen Druckenergie herleitet, oder mit einem Gas
reibungsvakuummeter, welches über einen entsprechenden Meßkopf und
einem Anzeigegerät den Druck auf Wunsch angeben kann. Zur regelmäßigen
Überwachung der Strombegrenzungseinrichtung ist es weiterhin von Vorteil,
wenn qualitätsverschlechternde Veränderungen des Flüssigmetalls, beispiels
weise durch verunreinigende bzw. verschleißende thermische und/oder che
mische Zersetzungsprodukte bzw. Verunreinigungen, durch eine ins Innere
der Strombegrenzungseinrichtung reichende Diagnoseöffnung, beispielsweise
für eine entsprechende Diagnosesonde oder eine absaugende Probeentnah
mevorrichtung, kontrolliert werden können.
Claims (6)
1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal
tend zwei bezüglich der Längsachse (3) der Strombegrenzungseinrichtung
(1; 2) rotationssymmetrische Elektroden (11, 12; 21, 22) aus Festmetall
zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere teil
weise mit Flüssigmetall (8) aufgefüllte, zwischen den Elektroden (11, 12;
21, 22) hintereinander liegende Verdichterräume (4), die durch druckfeste
Isolierkörper (5, 7) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände
(6) mit mehreren kreisförmig verteilten Verbindungskanälen (9) gebildet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11, 12; 21, 22)
mit den benachbarten Verdichterräumen (4) verbundene Hohlräume (14;
24, 25) aufweisen und daß das Volumen des Flüssigmetalls (8) größer als
das von den Verdichterräumen (4), den Verbindungskanälen (9) und
einem der Hohlräume (14; 24, 25) gebildete Raumvolumen ist, so daß die
Elektroden (11, 12; 21, 22) unabhängig von der Gebrauchslage ausrei
chend von dem Flüssigmetall (8) benetzt sind.
2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Elektroden (11; 12) jeweils mit einem topfartigen Hohlraum
(14) ausgebildet sind, der konisch verengt in einen Durchbruch (16) zum
benachbarten Verdichterraum (4) übergeht.
3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Elektroden (21, 22) doppeltopfartig mit einem im wesentlichen
zylindrischen inneren Hohlraum (25) und einem gleichartigen äußeren
Hohlraum (24), der über konzentrisch angeordnete Durchbrüche (26) mit
dem zum benachbarten Verdichterraum (4) hin offenen inneren Hohlraum
(25) verbunden ist, ausgebildet sind.
4. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Elektroden (21, 22) mit einem den jeweiligen äußeren Hohl
raum (24) in zwei Teilräume (241, 242) aufteilenden flachen Anschlußleiter
(23), der über mindestens einem weiteren Durchbruch (28) die beiden
Teilräume (241, 242) verbindet, ausgebildet sind.
5. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (9) benachbarter
Zwischenwände (6) jeweils winkelversetzt sind.
6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (8) eine GaInSn-Legie
rung ist.
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