DE19914147A1

DE19914147A1 - Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall

Info

Publication number: DE19914147A1
Application number: DE19914147A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kremers; Frank Berger; Andreas Kraetzschmar
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2000-10-05
Also published as: EP1166308A1; EP1166308B1; WO2000058987A1; US6525642B1; DE50000973D1; JP2002540580A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, die Elekroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schützenden Stromkreis und mehrere mit Flüssigmetall (7) teilweise aufgefüllte Verdichterräume (4) enthält. Die Verdichterräume (4) liegen hintereinander zwischen den Elektroden (1) und werden durch druckfeste Isolierkörper (5; 11) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (81; 82; 83; 84) gebildet. Die Zwischenwände (12) sind jeweils mit mehreren Verbindungskanälen (81...84) versehen, die nicht durchgängig konzentrisch bezüglich der sich senkrecht zu den Zwischenwänden (12) erstreckenden Längsachse (6) der Strombegrenzungseinrichtung (10) angeordnet sind. Weiterhin ist die Strombegrenzungseinrichtung (10) derart ausgebildet, daß sie verschiedene Gebrauchslagen zuläßt, die sich durch Verdrehen der Strombegrenzungseinrichtung (10) um ihre im wesentlichen horizontal verlaufende Längsachse (6) ergeben.

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 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 Dicht scheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinan der liegende Verdichterräume ausgebildet, die untereinander über mit Flüs sigmetall ausgefüllte, außermittig angeordnete Verbindungskanäle der Zwi schenwände verbunden sind. Damit besteht im Normalbetrieb über das Flüs sigmetall eine durchgehende innere leitende Verbindung zwischen den Elek troden. Im Strombegrenzungsfall wird infolge der hohen Stromdichte das Flüs sigmetall aus den Verbindungskanälen verdrängt. Damit ist die elektrische Verbindung der Elektroden über das Flüssigmetall unterbrochen, was zur Be grenzung 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 Flüssigkeits spiegel 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 Flüssigme talls nach außen geführt sind, ausgestattet. Diese Strombegrenzungseinrich tung 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 Verdich terräume in aufwendiger Weise einzeln mit Flüssigmetall zu füllen sind.

Um die eingangs genannten Strombegrenzungseinrichtungen für verschie dene Anwendungsfälle nutzen zu können, müssen sie dahingehend unter schiedlich 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 be trägt, oder in Verbindung mit Motoren schlechter Eisenqualität oder Transfor matoren nicht bei einem kurzzeitigen Überlaststrom, der das 6 . . . 18fache des Nennstromes beträgt, ansprechen, sondern dies erst bei einem demgegen über höheren Kurzschlußstrom tun. Daher besteht bisher das nachteilige Er fordernis, herstellerseitig eine erhebliche Anzahl von Strombegrenzungsein richtungen anzubieten, um eine geeignete Auswahl hinsichtlich der anwender seitigen Gegebenheiten zu erlauben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsein richtung anzugeben, die in einfach zu handhabender und in sicher zu reprodu zierender Weise auf ein gewünschtes Strombegrenzungsverhalten, d. h. ins besondere 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 unter schiedlichen Gebrauchslagen paßt sich das Flüssigmetall aufgrund seiner flui den 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 zuneh mender Füllstandshöhe des Flüssigmetalls über den Verbindungskanälen er höht.

Je nach Gestaltung und Anordnung der Verbindungskanäle ergeben sich un terschiedliche 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 Strombegrenzungseinrich tung zusätzlich als Aus- bzw. Einschalter.

Es ist von Vorteil, wenn die Strombegrenzungseinrichtung mit ihren Ge brauchslagen zugeordneten Anzeigemitteln versehen ist, die eine eindeutige Auskunft über die Strombegrenzungscharakteristik der jeweiligen Gebrauchs lage geben.

GaInSn-Legierungen als zu verwendendes Flüssigmetall sind einfach zu handhaben durch ihre physiologische Unbedenklichkeit. Eine Legierung aus 660 Gewichtsanteilen Gallium, 205 Gewichtsanteilen Indium und 135 Ge wichtsanteilen Zinn ist bei Normaldruck von 10°C bis 2000°C flüssig und be sitzt eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit.

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

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Strombegrenzungseinrichtung im Längs schnitt;

Fig. 2 die Strombegrenzungseinrichtung in verschiedenen Gebrauchslagen, jeweils im Querschnitt A-A nach Fig. 1.

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 Anschlußlei ter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichter räume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von ringförmigen Dichtschei ben 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 Ver dichterräume 4 und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Formgehäuse 5 gelagerten Elemente 1, 11 und 12 vorgesehen, jedoch aus Gründen der Über sichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Mittel zum Abdichten können beispiels weise Dichtringe zwischen den Dichtscheiben 11 und den Zwischenwänden 12 bzw. Elektroden 1 sein. Die Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden sind bei spielsweise 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 Ver dichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 12 be grenzt. 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 GaInSn-Legierung, ausgefüllt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 71 be findet sich in diesem Beispiel Vakuum oder ein Schutzgas. Die Zwischen wände 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 Strombe grenzungseinrichtung 10 erstreckt sich senkrecht zu den Zwischenwänden 12.

Die Verbindungskanäle 81, 82, 83 und 84 sind nicht alle konzentrisch bezüg lich der Längsachse 6 angeordnet. Die Strombegrenzungseinrichtung 10 hat nach Fig. 2a bis Fig. 2d vier verschiedene Gebrauchslagen, die sich nachein ander 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 Gebrauchs lage nach Fig. 2d wird keiner der Verbindungskanäle 81 bis 84 vom Flüssig metall 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 unterschiedli che 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 Motor schutz,

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 Generator schutz 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 Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lassen sich beispielsweise durch die Verwendung von Verbindungskanälen mit unterschiedlichen Kanaldurchmes sern die Strombegrenzungscharakteristiken in den verschiedenen Ge brauchslagen weitergehend abwandeln. Kennzeichnungen an den Außen wänden 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.

Bezugszeichenliste

1

Elektroden

2

Anschlußleiter

3

Linien

4

Verdichterräume

5

Formgehäuse

51

Halbschalen

6

Längsachse

7

Flüssigmetall

71

Flüssigkeitsspiegel

81

. . .

84

Verbindungskanäle

10

Strombegrenzungseinrichtung

11

Dichtscheiben

12

Zwischenwände
t1; t2; t3 Eintauchtiefen

Claims

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal tend Elektroden (1) aus Festmetall zum Anschließen an einen zu schüt zenden 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 isolie rende Zwischenwände (12) mit Verbindungskanälen (81; 82; 83; 84) gebil det 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 Längs achse (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.

2. 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 Flüssigkeits spiegels (71) aufweisen.

3. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei verschiedenen Ge brauchslagen eine unterschiedliche Anzahl von Verbindungskanälen (81, 82; 83; 84) vom Flüssigmetall (7) erfaßt wird.

4. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer von mehreren Gebrauchslagen keiner der Verbindungskanäle (81 . . . 84) vom Flüssig metall (7) erfaßt wird.

5. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehen den Ansprüche, gekennzeichnet durch die Strombegrenzungscharakteri stiken kennzeichnende Anzeigemittel der verschiedenen Gebrauchslagen.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GaInSn- Legierung ist.