DE2420996A1

DE2420996A1 - Vorrichtung zur strombegrenzung

Info

Publication number: DE2420996A1
Application number: DE2420996A
Authority: DE
Inventors: Ralph Loyd Hurtle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1974-04-30
Publication date: 1974-11-28
Also published as: DE7415211U; DE2420996C2; JPS5922334B2; US3806855A; JPS5031348A; GB1465824A; AU6841374A

Description

41D-11O7 24.April 1974

Ralph Loyd Hurtle ⁴⁵¹¹"⁷⁴

General Electric Company Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Vorrichtung zur Strombegrenzung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strombegrenzung (Sicherung), mit einem im wesentlichen rohrförmigen, eine Kammer enthaltenden Gehäuse, ferner mit zwei beabstandeten elektrischen Klemmen, die am Gehäuse angebracht sind und mit der Kammer in Verbindung stehen, einem in der Kammer angeordneten, elektrisch isolierenden Einsatz, und mindestens einem Stab aus einem elektrisch leitenden, verdampfbaren Metall, der durch den elektrisch isolierenden Einsatz in der Kammer gehaltert ist, im wesentlichen axial in dieser sowie quer zu einer Endfläche des Einsatzes verläuft und einen Stromweg zwischen den elektrischen Klemmen bildet.

Die vorliegende Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Verwendung in Kombination mit einer Schaltvorrichtung und kann insbesondere als"Verdampf-Sicherung" bezeichnet werden, d.h. es handelt sich um eine Vorrichtung, die einen oder mehrere Stäbe oder Säulen aus einem leitfähigen Material enthält, die beim Durchgang von überstrom verdampfen.

Starkstromnetze enthalten gewöhnlich Einrichtungen zum Schutz gegen überlastung oder Kurzschluß. Eine solche Schutzeinrichtung enthält einen rückstellbaren überstromschal-

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ter, der den Stromkreis bei überlastung oder Kurzschluß unterbricht. Wenn der zu unterbrechende Strom über die Nenn-Abschaltleistung des überstromschalters ansteigt, besteht die Gefahr, daß dieser beschädigt wird, um dies zu vermeiden, ist es bekannt, in den Stromkreis in Reihe mit dem Oberstromschalter eine Vorrichtung zur Strombegrenzung (Sicherung) einzuschalten. Die vorliegende Erfindung betrifft eine für diese Zwecke geeignete Vorrichtung zur Strombegrenzung, die zerstörungsfrei ist, mit Verdampfung arbeitet und ein leitfähiges Material enthält, das einen Strom vorgegebener Größe ohne wesentliche Änderung seiner elektrischen Widerstands- oder Impedanzeigenschaften zu führen. Unter dem Einfluß von überströmen wird das leitfähige Material jedoch verdampft, wobei sein Widerstand oder seine Impedanz zunehmen und der es durchfließende Strom und damit auch der Strom in den Reihenkreis,in den die Vorrichtung zur Strombegrenzung eingeschaltet ist, herabgesetzt wird.Durch diese Begrenzung von über- oder Kurzschlußströmen wird gewährleistet, daß der Arbeitsbereich eines zugehörigen, richtig bemessenen Überstromschalters nicht überschritten und dieser Schalter dadurch gegen Beschädigisngen geschützt wird.

Eine bekannte Vorrichtung zur Strombegrenzung enthält ein Gehäuse, an dem zwei beabstandete elektrische Klemmen befestigt sind, mit denen die Vorrichtung in einen elektrischen Stromkreis geschaltet werden kann. Im Gehäuse ist zwischen den beabstandeten Klemmen ein eläctrisch leitendes, relativ leicht schmelzbares Metall angeordnet, das einen Stromfluß zwischen den Klemmen ermöglicht. Das schmelzbare Metall, das in bekannter Weise zusammengesetzt sein kann, wird so gewählt, daß es bei überströmen oder Kurzschlüssen verdampft und die dem Stromdurchgang entgegengesetzte Impedanz oder seinen Widerstand erhöht. Zur Steuerung des Eintrittes der Verdampfung ist im Gehäuse zwischen den Enden der in es hineinreichenden Klemmen ein keramischer Einsatz mit einem Kanal angeordnet, der durch das schmelzbare Metall ausgefüllt ist, das auf diese Weise einen

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verengten Stromweg durch den Einsatz bildet. Durch Vorgabe der Abmessungen der Verengung wird bestimmt, wann die Verdampfung eintritt, so daß der Widerstand des Stromweges bei vorgegebenen Bedingungen zunimmt.

Der keramische Einsatz kann kürzer sein als die Kammer im Gehäuse, in der sich der Einsatz befindet, so daß ein Vorrat an dem schmelzbaren Metall zur Verfügung steht. Außerdem können im Gehäuse Bpansionsvorrichtungen vorgesehen sein, so daß sich bei der Verdampfung der das schmelzbare Metall enthaltende Raum im Gehäuse vergrößern kann, um der Druckzunahme durch den sich ausdehnenden Metalldampf Rechnung zu tragen.

Aus der US-PS 3 117,203 ist eine Vorrichtung zur Strombegrenzung bekannt, die einen keramischen Einsatz mit mehreren internen Kanälen enthält, die sich axial durch den Einsatz erstrecken. Die Verwendung eines Einsatzes mit mehreren Kanälen verbessert die Strombegrenzungswirkung, da durch die Vergrößerung der Anzahl der Kanäle auch die Oberfläche vergrößert wird, die die Wärme aufnehmen kann, welche bei der Verdampfung des Metalls durch einen überstrom entsteht. Da diese Kanäle jedoch im Inneren des Körpers des Einsatzes verlaufen, werden die Teile des keramischen Einsatzes, die die verschiedenen Kanäle umgeben, jeweils einer Zugspannung ausgesetzt. Bekanntlich haben aber Keramikmaterialien eine geringe Zugfestigkeit und eine hohe Druckfestigkeit. Bei Verwendung von Innenkanälen im keramischen Einsatz einer solchen Vorrichtung zur Strombegrenzung ist auch häufig die Wärmeabstrahlung von den verschiedenen Kanälen ungleichmäßig. Dies gilt vor allem dann, wenn ein Mittelkanal und mehrere um diesen herum angeordnete weitere Kanäle vorhanden sind. Bei ungleichmäßiger Wärmeabgabe hat aber der heißeste Kanal den größten Widerstand und führt damit den kleinsten Strom. Es ist jedoch wünschenswert, daß sich der Strom im wesentlichen gleichmäßig auf die Kanäle verteilt, so daß die Impedanzen oder Widerstände längs aller Ka-

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näle im wesentlichen gleich sind und die Verdampfung daher in allengleichzeitig eintritt. Eine gleichzeitige Verdampfung ist wünschenswert, da sich dann die Wirkungen der Druckanstiege in den verschiedenen Kanälen bezüglich des Einsatzes kompensieren. Bei unterschiedlichen Drücken in den verschiedenen Kanälen besteht die Gefahr, daß der Einsatz ausfällt.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Gefahr einer Beschädigung des keramischen Einsatzes herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur Strombegrenzung angegeben, deren Einsatz den durch die Verdampfung entstehenden Drücken besser standzuhalten vermag und der von Natur aus eine gleichmäßgere Abstrahlung der entstehenden Wärme gewährleistet. Außerdem wird durch die Erfindung erreicht, daß das Keramikmaterial nicht wie bisher einer Zugspannung sondern einer Druckspannung ausgesetzt wird und eine weitestgehend gleichzeitige Verdampfung des schmelzbaren Metalles eintritt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Strombegrenzung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines isolierenden keramischen Einsatzes der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

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Fig.2A. eine Stirnansicht des keramischen Einsatzes gemäß Fig. 2; Fig. 3 eine Langsschnittansicht eines keramischen , Einsatzes für eine andere Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3A'eine Stirnansicht des keramischen Einsatzes gemäß Fig. 3.

Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind der oder die leitenden Stäbe oder Säulen an einer Grenzfläche zwischen einem inneren keramischen Einsatz und einer umgebenden keramischen Hülse (keramisches Futter) angeordnet. Der keramische Einsatz hat vorzugsweise mehrere in Längsrichtung verlaufende Kanäle, die in ümfangsrichtung auf seine Außenfläche verteilt sind und Stäbe aus schmelzbarem Metall aufnehmen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Strombegrenzung enthält ein rohrförmiges Gehäuse 11, in das ein hülsenartiges isolierendes keramisches Futter 13 eingesetzt ist. Die Innenwand des keramischen Futters 13 begrenzt eine Kammer 17 im Inneren des Gehäuses. Die Kammer an .entgegengesetzten Enden zwei öffnungen 19, durch die sie für elektrische Klemmen 21 zugänglich ist, mit denen die Vorrichtung zur Strombegrenzung in einen gegen tiberströme zu schützenden Stromkreis einschaltbar ist. Zur gegenseitig isolierten Halterung der Klemmen 21 kann das rohrförmige Gehäuse 11 mit nicht dargestellten, aufgeschraubten Kappen versehen sein. In der Kammer 17 ist zwischen den in ihr Inneres vorspringenden Enden der Klemmen 21 ein Einsatz 23 angeordnet. Der Einsatz besteht aus einem Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, und hat in seiner ümfangsflache mehrere, longitudinal verlaufende und im Querschnitt halbkreisförmige Nuten 25. Diese Nuten bilden zusammen mit der Innenwand des keramischen Futters 13 Durchgänge oder Kanäle, die eine Verbindung zwischen den Klemmen 21 durch die Kammer 13 ermöglichen. In der Kammer 17 ist auf beiden Seiten des Einsatzes 23 sowie in den Nuten 25 ein durch Stromdurchgang schmelzbares Metall 27 angeordnet, das einen Stromweg zwischen den Klemmen 21 bildet. Gewünschtenfalls kann eine der

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Klemmen 21 mit einer Expansionskammer 29 versehen sein. Hierzu hat die eine Klemme 21 eine Bohrung mit zur Kammer 17 hin offenem Ende, in das ein beweglicher Kolben 31 eingesetzt ist, der sich in Längsrichtung in der Bohrung verschieben kann und eine Expansion des verdampfenden Metalles zuläßt, so daß die Vorrichtung durch den Druckanstieg nicht zerstört wird.

Bei der in den Fig. 1, 2 und 2A dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat der verbesserte Einsatz 29 der Vorrichtung mehrere (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 8) in ümfangsrichtung in im wesentlichen gleichen Winkelabständen verteilte Kanäle oder Nuten 25, die sich in Achsrichtung über die Länge des Einsatzes erstrecken und auf die Grenzfläche zwischen dem Einsatz und dem keramischen Futter 13 verteilt sind. Eine solche Anordnung der die Kanäle bildenden Nuten 25 ist sehr vorteilhaft. Beim Auftreten eines Oberstromes wird das schmelzbare Metall in den durch die Nuten 25 gebildeten verengten Kanälen erhitzt und verdampft, so daß der Druck bei diesen Nuten ansteigt. Da sich die Nuten auf der Außenseite des Einsatzes befinden, wirlfc der Druck in Richtung auf das Innere des keramischen Einsatzes 23. Ein Druck dieser Richtung übt aber eine Druckbeanspruchung auf das keramische Material in der Nähe der Kanäle aus. Da keramische Materialien eine hohe Druckfestigkeit und eine niedrige Zugfestigkeit haben, stellt dies eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Einsätzen dar, die bisher in solchen Vorrichtungen zur Strombegrenzung verwendet wurden.

Um dem nach außen gerichteten Druck, der bei der Verdampfung des Materials in den Nuten 25 auftritt, Rechnung zu tragen, ist das Futter 13, das vorzugsweise aus dem gleichen Keramikmaterial besteht wie der Einsatz 23 unter hohem Druck vorgespannt. Dies kann bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch geschehen, daß man der Außenseite des Futters 13 und der Innenseite des Gehäuses 11 die Form von komplemsatären Kegelflächen mit kleinem Scheitelwinkel gibt. Im montierten

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Zustand übt dann das Gehäuse eine entsprechende Druckkraft auf das Futter aus. Der nach außen gerichtete Druck, den der Metalldampf in den Nuten 25 ausübt, muß dann zuerst die Druckvorspannung durch das Gehäuse 11 überwinden, bevor das Putter einer Zugbeanspruchung ausgesetzt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion hat den zusätzlichen Vorteil einer wirtschaftlichen Gehäusekonstruktion, da die Größe des Außendruckes, die auf einen Zylinder zum Erzeugen einer vorgegebenen Druckvorspannung an der Innenwand ausgeübt werden muß, mit zunehmendem Innendurdr messer des Zylinders abnimmt. Durch die versetzte Anordnung der Kanäle oder Nuten bezüglich der Achse des Einsatzes 23 wird der Einsatz selbst also nur einer Druckbeanspruchung ausgesetzt, während an der Innenwand des Futters 13, das aus einem relativ dünnwandigen Hohlzylinder besteht, mittels des Gehäuses 11 leicht eine gewünschte Druckvorspannuhg erzeugt werden kann.

Da außerdem die durch die Nuten gebildeten Kanäle 25 alle auf den Umfang des Einsatzes verteilt sind, geben alle Kanäle bei der Verdampfung des schmelzbaren Metalles in ihnen die Wärme in praktisch identischer, gleichmäßiger Weise ab. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten Einsätzen mit radial überlappenden Innenkanälen, die die Wärme nicht gleichmäßig abgeben können. Die Folge der gleichmäßigen Wärmeabgabe, die bei dem vorliegenden Keramikeinsatz gewährleistet ist, besteht darin, daß eine gleichzeitige Verdampfung des schmelzbaren Metalls in den verschiedenen Kanälen der Vorrichtung zur Strombegrenzung in vorteilhafter Weise erreicht wird.

Die Länge und der Durchmesser der durch die Nuten 25 gebildeten Kanäle sollen ordnungsgemäß aufeinander abgestimmt sein, um ein einwandfreies Arbeiten der Vorrichtung zur Strombegrenzung zu gewährleisten. Ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 3 hat sich bewährt. Wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kanäle wesentlich kleiner als 3 ist, wird die axiale Kühlung der Kanäle für die normalerweise bei überströmen

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angestrebten Betriebseigenschaften zu stark. Wenn das Verhältnis wesentlich größer als 3 ist, wird die durch den normalen Strom erzeugte Verlustleistung zu groß.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines verbesserten Einsatzes für eine Vorrichtung zur Strombegrenzung gemäß der Erfindung. Dieser Einsatz 37 entspricht weitgehend dem Einsatz 23 gemäß Fig. 2, er hat wie dieser longitudinale Nuten 39 in seiner ümfangsfläche. Die Nuten 39 des Einsatzes 37 unterscheiden sich jedoch von den Nuten 25 darin, daß sie im Längsschnitt gesehen bogenförmig sind. Wie aus Fig. 3 und Fig. 3A ersichtlich ist, hat die Querschnittsfläche der durch die Nuten und das Futter 13 (Fig. 1) gebildeten Kanäle in der Nähe der in Längsrichtung gerechneten Mitte dieser Kanäle ein Minimum. Von der Mitte aus nimmt der Querschnitt der bogenförmigen Kanäle nach außen bis zu einem Maximalwert zu. Dementsprechend nimmt auch die Menge an schmelzbarem Metall zu, die jeder Kanal aufnehmen kann. Durch die Änderung der Form der einzelnen Kanäle wird die Geschwindigkeit beeinflußt, mit der die Wärme aus dem Kanal abgeleitet wird, so daß auf diese Weise die Zeitspanne gesteuert werden kann, die zwischen dem Auftreten eines Überstromes vorgegebenen Wertes und dem Eintreten der Verdampfung des Metalles verstreicht. Die durch den überstrom erzeugte Wärme fließt sowohl radial in das umgebende Keramikmaterial als auch axial längs des Kanals.

Mit zunehmender Querschnittsfläche der Kanäle

kann mehr Wärme axial abgeführt werden, so daß weniger Wärme für die Verdampfung des Metalles zur Verfügung steht.

Die beschriebenen Keramikeinsätze haben außerdem den Vorteil, daß sie preiswerter hergestellt werden können als die bekannten Einsätze. Die äußeren Nuten können bei der Herstellung des Einsatzes in diesem geformt werden. Bei den bekannten Einsätzen mußten die das Innere durchsetzenden Löcher nach der Bildung des Einsatzes gebohrt werden. Hier ist also ein zu-

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sätzliche Arbeitsgang für die Herstellung des Einsatzes erforderlich.

Keramische Einsätze für Verdampfungs-Strombegrenzer sind zwar bekannt, sie legen .jedoch nicht eine Struktur der vorgegebenen Art nahe, die eine strukturelle Integrität gewährleistet, da die vorliegenden keramischen Einsätze auf Druck beansprucht werden und da in dem keramischen Futter einfach und wirksam eine Druckvorspannung erzeugt werden kann, um den bei der Verdampfung entstehenden Drücken zu widerstehen. Auch die gleichmäßige Wärmeabgabe trägt dazu bei, die strukturelle Integrität zu gewährleisten. Schließlich haben die vorliegenden Einsätze den Vorteil, daß sie leichter hergestellt werden können als die bekannten Einsätze.

Die Nuten oder Kanäle können selbstverständlich auch andere Querschnittsformen haben als die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele. Außerdem brauchen die Nuten nicht am Umfang des Einsatzes vorgesehen werden, es kann vielmaher stattdessen oder zusätzlich die Innenwand des Futters 13 mit Nuten versehen sein, um mit einer glatten oder komplementär genuteten Umfangsfläche des Einsatzes die erforderlichen Kanäle zu bilden. Gewünschtenfalls kann der Einsatz auch so montiert sein, daS^eine glatte ürafangsflache darbietet, die nahe beim Futter verläuft und damit einen einzigen ringförmigen Kanal oder Durchgang bildet. Der oder die Kanäle können auch wendelförmig in Achsrichtung über die Länge des Einsatzes verlaufen, um ihre wirksame Länge zu vergrößern.

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Claims

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Patentansprüche

Γ 1. !Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einem im wesentlicherT-fohrförmigen, eine Kammer enthaltenden Gehäuse, weiterhin mit zwei beabstandeten elektrischen Klemmen, die am Gehäuse angebracht sind und mit der Kammer in Verbindung stehen, ferner mit einem in der Kammer angeordneten, elektrisch isolierenden Einsatz, und mindestens einer Säule aus einem elektrisch leitenden, verdampfbaren Metall, die durch den isolierenden Einsatz in der Kammer gehaltert ist, in erster Näherung in Achsrichtung und quer zu einer Endfläche des Einsatzes verläuft und einen Stromweg zwischen den Klemmen bildet, dadurch - gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen rohrförmiges, elektrisch isolierendes Futter {13} vorgesehen ist, das von dem Gehäuse (11) umgeben ist und die Kammer (17) begrenzt, und daß die Säule(n) zwischen dem Umfang des isolierenden Einsatzes (23) und der Innenwand des isolierenden Futters (13) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit mehreren, im Abstand voneinander angeordneten Säulen aus verdampfbarem Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Einsatz (23;37) und die Innenwand des Futters (13) flächenmäßig aneinander und an den Säulen aus dem Metall (25) anliegen, welch letztere in entsprechenden beabstandeten Kanälen (25, 39) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Säulen und Kanäle im wesentlichen gleiche Winkelabstände aufweisen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mindestens zum Teil durch in ümfangsrichtung beabstandete, axial verlaufende Nuten (25, 39) in der Außenfläche des isolierenden Einsatzes (23, 37) gebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Futter (13) im Gehäuse (11) auf Druck vorgespannt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn ζ e i chne t, daß die Innenwand des Gehäuses (11) und die an sie angrenzende Außenwand des Futters (13) Durchmesser haben, die sich in Achsrichtung der Vorrichtung progressiv verlaufend ändern.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnfctsfläche jedes Kanals (25), gemessen von der ümfangsflache des Einsatzes (23) längs des betreffenden Kanals im wesentlichen gleichförmig ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge zum Durchmesser eines Kanals ungefähr 3 beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche (39) jedes Kanals, gemessen von der Umfangsfläche des isolierenden Einsatzes Ϊ37) sich in Längsrichtung des Kanales von einem kleinsten Wert in der Nähe der in Längsrichtung gemessenen Mitte des Kanals bis zu einem größten Wert beim Ende des Kanals ändert.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder A, d a durch gekennzeichnet, daß die Kan.'ilo mindestens zum Teil durch azimutal bcabstandetc und axial verlaufende Nuten in der Innenwand des isolierenden Futters (11) gebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch Λ

und einem der Ansprüche 5 bis 10,dadurch gekc nnncichnet, daß sowohl der isolierende Einsatz (23,37) als auch die Innenwand des isolierenden Futters (13) mit sich gegenseitig ergänzenden Nuten versehen sind, die miteinander die Kanäle bilden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kanäle bildenden Nuten spiral- oder wendelförmig längs der Achse des isolierenden Einsatzes verlaufen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kanäle im wesentlichen die gleiche geometrische Form haben.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß der isolierende Einsatz (23, 37) und das isolierende Futter (13) aus dem gleichen Isoliermaterial bestehen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial ein keramisches Material ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material Aluminiumoxid ist.

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