DE2028593C - Strombegrenzungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich v.f eine Strombegrenzungsvorrichti.ng mit zwii durch eine elektrische isolierung voneinander getrennte; metallischen Elektroden, mit einer zwischen den Elektroden vorhandenen, wenigstens durch die elektrische Isolierung hindurcngehendeen Längsbohrung und mit einem in tlieser Längsbohrung angeordneten, bei Raumtempcratur in festem oder flüssigem Zustand befindliehen, elektrisch leitfiihigen Strombegrenzungsmaterial aus der Gruppe von Metallen wie Natrium und Kalium und deren Legierungen, welches bei normalen Betriebsströmen die beiden Elektroden elek-Irisch miteinander verbindet, welches jedoch beim Auftreten eines oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegenden Überstromes verdampfbar ist.

Bekannte Strombegrenzungsvorrichtungen (DT-AS I 146 966, US-PS 3 389 359, 3 389 360) weisen durchwec.s zwei in einem gewissen Abstand voneinander angeordnete metallische Elektroden auf, zwischen welchen ein Leiter angeordnet ist, der aus einem bei Raumtemperatur in festem oder flüssigem Zustand befindlichen elektrisch leitfälligen Strombegrenzungmaterial besteht. Als Strombegrenzungsmaterialicn kommen dabei Metalle wie Natrium, Kalium oder Quecksilber in Frage. Um diesen zwischen den metaltischen Elektroden vorhandenen elektrischen Leiter ist eine elektrische Isolierung vorgesehen, welche in der Regel aus einem keramischen Material wie AIuminiumoxyd besteht.

Wenn durch eine derartige Strombegrenzungsvorrichtung ein Kurzschlußstrom fließt, wird der durch das Strombegrenzungsmaterial gebildete elektrische Leiter sehr stark erhitzt, so daß eine Verdampfung desselben stattfindet. Da dabei der elektrische Widerstand des durch das Strombegrenzungsmaterial gebildeten elektrischen Leiters um mehrere Zehnerpotenzen ansteigt, erfolgt in gewünschtem Maße eine Strombegrenzung. Sobald dann der durch die Strombegrenzungsvorrichlung fließende Strom erneut auf ■vinen Normalwert absinkt, verflüssigt bzw. verfestigt sich der durch das Strombegrenzungsmaterial gebildete metallische Leiter, so daß der elektrische Widerstand der Strombegrenzungsvorrichtung erneut relativ niedrige Werte annimmt.

Es zeigt sich jedoch, daß bei lang andauernden hohen Betriebsströmen ein ungewünschter Strombegrenzungsvorgang stattfinden kann, weil die in dem Strombegrenzungsmaterial erzeugte Wärme durch die aus keramischem Material wie Aluminiumoxyd bestehende elektrische Isolierung nicht schnell abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsvorrichtung zu schaffen, bei der ein Strombegrenzungsvorgang selbst bei lang

andauernden hohen Betriebsströmen mit Sicherheit vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Strombegrenzungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die die Längsbohrung um-

gebende Isolierung aus Berylliumoxyd besteht.

In diesem Zusammenhang ist es von Berylliun oxyd bekannt (»Enzyklopädfe der Technischen Chemie«, 1928. Band 2, Seite 300, Verlag Urban und Schwarzenberg, Wien-Berlin), daß dasselbe im Lichtbogen schmilzt. Während des eine Dauer von einigen Millisekunden aufweisenden Strombegrenzungsvorgangs tritt naturgemäß in dem verdampften Strombegrenzungsvorgangs tritt naturgemäß in dem verdampften Strombegrenzungsmaterial ein Lichtbogen

auf. Da jedoch zwischen dem heißen Plasma des Strombegrenzungsmaterials und der Oberfläche des Berylliumoxyds eine Trennschicht gebildet wird, wird das die elektrische Isolierung bildende Berylliumoxyd nicht in ungewünschter Weise zum Schmelzen gcbracht.

Im Gegensatz zu Aluminiumoxyd, welches Material eine thermische Leitfähigkei! zwischen 0,002 und 0,09 cal/sec cm' C aufweist, besitzt Berylliumoxyd eine thermische Leitfähigkeit von etwa 0,5 bis 0,7 cal/sec cm" C. Aufgrund der besonderen thermischen Eigenschaften von Berylliumoxyd erfolgt eine sehr gute und rasche Ableitung der in dem Strombegrenzungsmaterial erzeugten Wärme. Dadurch wird verhindert, daß bei lang andauernden hohen Betriebsströmen ein ungewünschter Strombegrenzungsvorgang stattfindet.

Die besonderen thermischen Eigenschaften von tJerylliumoxyd erweisen sich auch beim Auftreten eines Strombegrenzungsvorgangs als günstig, weil h_cj_m Abschwellen eines Kurzschlußstromcs das verdampfte und in Form eines Plasmas vorhandene metallische Strombegrenzungsmaterial sich sehr schnell erneut verflüssigt bzw. verfestigt, so daß der Zeitraum, während welchem der Strombegrenzungs-

^r>5 Vorgang stattfindet, nicht unnötigerweise verlängert wird.

Um zu erreichen, daß der Beginn einer Verdampfung des aus einem festen oder flüssigen Strombegrenzungsmaterial bestehenden elektrischen Leiters ;in einer vorgegebenen Stelle reproduzierbar stattfindet, erweist es sich als zweckmäßig, wenn die I.ängsbohrung einen Endbereich geringeren QuerSchnitts aulweist.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Auslührungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschniltansicht einer eisten Aus-

fiihrungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung und

Fi g. 2 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Strombegrenzungsvorrichtung mit einer ersten metallischen Elektrode 10 und einer diese teilweise umgebenden zweiten metallischen Elektrode 12. Zwischen beiden besteht ein Spalt, der mit einer elektrischen Isolierung 14 gefüllt ist, durch Welche die beiden Elektroden 10, 12 in räumlicher Zuordnung zueinander gehalten und elektrisch isoliert sind. Zur Halterung der zweiten Elektrode 12 und der Isolierung 14 ist ein äußeres metallisches, zylindrisches Element 16 vorgesehen. Zwischen der ersten Elektrode K) und dem äußeren zylindrischen Element 16 ist forner eine aus elektrischem Isoliermaterial bestehende Scheibe 18 angeordnet, durch welche die Elektrode 10 von dem Heme.it 16 isoliert wird. Die zweite Elektrode 12 ist an dem der ersten Elektrode 10 abgewandten Ende mit einer Ausnehmung versehen, in welche eine in Form eines Behälters ausgebildete Elektrode 20 eingesetzt ist. Zwischen der Elektrode 20 und der Elektrode 12 ist eine Überschlagschwelle 22 vorgesehen, in welcher eine zentrale Öffnung angeordnet ist. In dem hohlen ■ Teil der Elektrode 20 ist ein Kolben 24 verschiebbar gelagert, wodurch sich zwei getrennte Kammern ergeben.

Eine Längsbohrung 26 erstreckt sich durch die erste Elektrode 10, die Isolierung 14 und die zweite Eiektrode 12 und führt durch eine zentrale Öffnung innerhalb der Überschlagschwelle 22 bis in die der eisten Elektrode 10 zugekehrte Kammer der Elektrode 20. Die Längsbohrung 26 ist auf der einen Seite im Bereich der ersten Elektrode 10 mit einem Ventil 28 versehen. Eine äußere Kammer 30 der Elektrode 20 ist mit Druckgas gefüllt, welches als Druckausgleich dient. In einer Ringnut des Kolbens 24 ist ein Ring 32 vorgesehen, der die beiden Kammern gegeneinander abdichtet.

Durch das Ventil 28 wird in die Längsbohrung 26 ein geeignetes Slrombegrenzungsmateria! eingefüllt, bis die Längsbohrung 26 und die damit in Verbindung stehende Kammer innerhalb der Elektrode 20 gefüllt sind. Danach wird das Ventil 28 geschlossen.

Das in der Längsbohrung 26 vorhandene Strombegrenzungsmaterial ist bei Raumtemperatur fest oder flüssig und wird auf Grund eines Kurzsch'uß stromes verdampft, wobei hohe Dampfdrücke auftreten. Das verdampfte Material weist einen elektrischen Widerstand auf, der wesentlich höher ist als die Kurzschlußimpedanz des dazugehörigen Schaltkreises, so dal.' der Kurz.ichluBstrom auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird. Nach Abklingen des Kurzschluüstromes kühlt sich das verdampfte Material sehr rasch ab, so daß es sich wieder verfestigl oder verflüssigt. Dabei wird der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt, in welchem die beiden Elektroden 10 und 12 elektrisch gut miteinander verbunden sind. Die Strombegrenzungsvorrichtung ä kann nun erneut einen Strombegrenzungsvorgang durchführen. Als Strombegrenzungsmaterial werden vorzugsweise Natrium. Kalium und darauf aufbauende Legierungen verwendet.

Beim Verdampfen des Strombegrenzungsmaterials

i" treten innerhalb der Längsbohrung 26 und der innerhalb der Elektrode 20 "vorhandenen Kammer sehr hohe Drücke auf. Diese Drücke bewegen den Kolben 24 gemäß Fig. 1 nach rechts, wodurch das Druckgas in der Kammer 30 zusammengedrückt wird. Demzufolge ergibt sich eine Verringerung des Druckes, so daß die Strombcgrenzun^svorrichtung vor Schäden geschützt ist.

Beim Verdampfen du.. Stromhegrenzungsmateriais wird das darum angeordnete Material sehr hohen

Temperaturen ausgesetzt. Demzufolge muß die elektrische Isolierung 14, in welcher die f.ängsbohrung 26 angeordnet ist, aus einem geeigneten Material bestehen, das wenigstens 1000 K aushält. Ein hierzu geeignetes Isoliermaterial ist "?r\Iliumoxyd.

Bekannte Strombegrenzu -Miuüjr;-.ilicn wie Natrium. Kalium und ihre Legierungen haben eine thermische Leitfähigkeit / in der Größenordnung von 0,1 Cal/sec cm° C. Dagegen weist Berylliumoxyd eine thermische Leitfähigkeit λ von ungefähr 0,5 CaI see

cm ' C auf, weshalb es besonders als Isoliermaterial für den vorliegenden Fall geeignet ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Strombegrenzungsvorrichtting ist die erste Elektrode 10 mit der elektrischen Isolierung 14 mit dei Elektrode 20 verbunden, so daß die zweite Elektrode der Fig. 1 hierbei entfällt. Das Strombegrenzung--material dient zur elektrischen Verbindung der Elektroden 10 und 20. Hierbei weist ein Endbereich 26' der Längsbohrung 26 im Bereich der ersten Elek

trode 10 einen kleineren Querschnitt auf als der übrige Teil der Längsbohrung 26.

Bei dieser Anordnung erkennt man, dali beim Auftreten eines Überstromes das Strombegrenzungsmaterial im verjüngten Endbereich 26' der Längs bohrung 26 zuerst verdampft wird, worauf die Ver dampfung in Richtung des verbleibenden Teiles fortschreitet, was durch die Richtung eines Pfeiles 36 dargestellt ir.t. Es hat sich herausgestellt, daß das Vorsehen eines verjüngten Endbereiches 26' im Dereich der ersten Elektrode 10 sehr gut zur Ableitung und Absorbierung von Wärme von normalen Strömen geeignet ist.

Innerhalb der Elektrode 20 arbeitet der Kolben 24 in Verladung mit dem zusammendrückbaren Druckgas in der Kammer 30, wodurch der in der .Strombegrenzungsvorrichtung auftretende Druck vermindert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Strombegrenzungsvorrichtung mit zwei durch eine elektrische Isolierung voneinander getrennten metallischen Elektroden, mit einer zwischen den Elektroden vorhandenen, wenigstens durch die elektrische Isolierung hindurchgehenden Längsbohrung und mit einem in dieser Längsbohrung angeordneten, bei Raumtemperatur in festem oder flüssigem Zustand befindlichen, elek-Irisch leitfähigen Strombegrenzungsmaterial aus der Gruppe von Metallen wie Natrium und Kalium und deren Legierungen, welches bei normalen Betriebsströmen die . den Elektroden elektrisch miteinander verbindet, welches jedoch beim Auftreten ein>^ oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegenden Überstromes verdampfbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Längsbohrung (26) umgebende Isolierung (14) aus Berylliumoxyd besteht.

2. Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrung (26) einen Endbereich (26') geringeren Querschnitts aufweist.