EP1166308A1 - Selbsterholende strombegrenzungseinrichtung mit flüssigmetall - Google Patents

Selbsterholende strombegrenzungseinrichtung mit flüssigmetall

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EP1166308A1
EP1166308A1 EP00916931A EP00916931A EP1166308A1 EP 1166308 A1 EP1166308 A1 EP 1166308A1 EP 00916931 A EP00916931 A EP 00916931A EP 00916931 A EP00916931 A EP 00916931A EP 1166308 A1 EP1166308 A1 EP 1166308A1
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EP
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current limiting
limiting device
liquid metal
self
connecting channels
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Wolfgang Kremers
Andreas Krätzschmar
Frank Berger
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Eaton Industries GmbH
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Moeller GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H87/00—Protective devices in which a current flowing through a liquid or solid is interrupted by the evaporation of the liquid or by the melting and evaporation of the solid when the current becomes excessive, the circuit continuity being reestablished on cooling

Definitions

  • the invention relates to a self-recovering current limiting device with liquid metal, containing electrodes made of solid metal for connection to a circuit to be protected and several compressor rooms partially filled with liquid metal and lying one behind the other between the electrodes, which are formed by pressure-resistant insulating bodies and insulating partition walls held by them with connecting channels.
  • a self-recovering current limiting device which contains two electrodes made of solid metal, which are separated by first insulating bodies designed as pressure-resistant insulating housings. Inside the insulating housing, insulated intermediate walls and second insulating bodies arranged between them, which are designed as ring-shaped sealing disks, form compressor chambers which are partially filled with liquid metal and which are connected to one another via eccentrically arranged connecting channels of the intermediate walls filled with liquid metal. In normal operation, there is therefore a continuous internal conductive connection between the electrodes via the liquid metal. In the event of a current limitation, the liquid metal is displaced from the connecting channels due to the high current density. So that is electrical
  • a current limiting device with only one compressor chamber is described and vacuum, protective gas or an insulating liquid is mentioned as the medium above the liquid level.
  • a known current limiting device according to document SU 1 094 088 A is equipped with partition walls in which a plurality of connecting channels are formed concentrically around the longitudinal axis, and with copper partition walls arranged between the partition walls and leading to the outside for cooling the liquid metal.
  • This current limiting device permits use positions for rotations of up to 360 ° around the horizontal longitudinal axis and inclinations of up to 50 ° with respect to the horizontal, which is only possible in connection with the disadvantageously partition walls, which, because of these partition walls, make the compressor rooms complex must be filled individually with liquid metal.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a current limiting device which, in an easy-to-use and safely reproducible manner, is based on a desired current limiting behavior, i.e. in particular with regard to the response current, is to be at least approximately optimally adapted.
  • the liquid metal adapts due to its fluid properties to the internal spatial geometry of the current limiting device that is then created. It has been found that the size of the response current increases with the same conditions as the level of the liquid metal above the connecting channels increases.
  • a special development of the invention consists in that in one of the positions of use, all the connecting channels are arranged above the liquid level. By pivoting into this position of use from another position of use or vice versa, the current limiting device additionally acts as an on / off switch.
  • the current limiting device is provided with display means associated with its use positions, which are unambiguous Provide information about the current limitation characteristics of the respective usage situation.
  • GalnSn alloys as the liquid metal to be used are easy to handle due to their physiological harmlessness.
  • An alloy of 660 parts by weight gallium, 205 parts by weight indium and 135 parts by weight tin is liquid at normal pressure from 10 ° C to 2000 ° C and has sufficient electrical conductivity.
  • Figure 1 a current limiting device according to the invention in longitudinal section
  • Figure 2 the current limiting device in different positions of use, each in cross section A-A of FIG. 1st
  • the current limiting device 10 contains on both sides an electrode 1 made of solid metal, preferably copper, which is cuboid with a square cross section and merges into an outer connecting conductor 2. Between the electrodes 1 there are several compressor spaces 4, which are formed by a corresponding number of annular sealing disks 11 and insulating partition walls 12. The electrodes 1, the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 are held by a molded housing 5, whereby known means are provided for sealing the compression spaces 4 and for non-positively connecting the elements 1, 11 and 12 stored in the molded housing 5, but for reasons of Visibility are not shown.
  • the means for sealing can be, for example, sealing rings between the sealing disks 11 and the intermediate walls 12 or electrodes 1.
  • the means for non-positive connection are, for example, continuous tensioning screws along the two lines 3.
  • the two outer compression spaces 4 are laterally delimited by one of the electrodes 1 and by an intermediate wall 12.
  • the inner compression spaces 4 are laterally delimited by two intermediate walls 12.
  • the molded housing 5 consisting of two identical half-shells 51 and the sealing disks 11 are pressure-resistant first and second insulating bodies. All the compressor rooms 4 are partially filled with a liquid metal 7, for example a GalnSn alloy. In this example, there is a vacuum or a protective gas above the liquid level 71.
  • the intermediate walls 12 are provided with connecting channels 81 to 84. If at least one of the connecting channels 81 to 84 is also filled with liquid metal 7, there is a continuous electrically conductive connection between the electrodes 1.
  • the partitions 12 are each provided with four connecting channels 81 to 84.
  • the horizontal longitudinal axis 6 of the current limiting device 10 extends perpendicular to the intermediate walls 12.
  • the connecting channels 81, 82, 83 and 84 are not all arranged concentrically with respect to the longitudinal axis 6.
  • the current limiting device 10 has four different positions of use, which result one after the other by rotating the current limiting device 10 by 90 ° about its longitudinal axis 6.
  • the connecting channels 81, 82 or 83 or 84 detected by the liquid metal 7 each have different immersion depths t1 or t2 or t3 with respect to the liquid level 71 - in descending order.
  • the two connecting channels 81 and 82 are captured by the liquid metal 7.
  • a connecting channel namely the connecting channel 83 or the connecting channel 84
  • none of the connecting channels 81 to 84 is metal 7 detected. Due to the different immersion depths t1 to t3 and the different number of connecting channels 81 to 84 detected by the liquid metal 7 in the four positions of use shown, four different characteristics are achieved for one and the same current limiting device 10. For example, the current limiting device 10 assumes a current limiting characteristic in the individual operating positions, which is shown in FIG. 2a
  • 2d is suitable for a constantly interrupted OFF position due to the lack of a connecting channel filled with liquid metal 7.
  • connection channels with different channel diameters allows the current limiting characteristics to be further modified in the various use situations. Markings on the outer walls of the molded housing 5 can be used to clearly assign a current limiting characteristic to the respective position of use according to FIGS. 2a to 2c and the OFF position to the position of use according to FIG. 2d.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, die Elektroden (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

B e s c h r e i b u n g
Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall
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 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 Dichtscheiben ausgeführt sind, mit Flüssigmetall teilweise aufgefüllte, hintereinan- der 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 Flüs- sigmetall 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 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 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..J8fache des Nennstromes beträgt, ansprechen, sondern dies erst bei einem demgegen- über höheren Kurzschlußstrom tun. Daher besteht bisher das nachteilige Erfordernis, herstellerseitig eine erhebliche Anzahl von Strombegrenzungseinrichtungen anzubieten, um eine geeignete Auswahl hinsichtlich der anwender- seitigen Gegebenheiten zu erlauben. Darstellunq der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung anzugeben, die in einfach zu handhabender und in sicher zu reprodu- zierender 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 unterschied- liehen 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 Über- sichtlichkeit 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 Strombe- grenzungseinrichtung 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 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 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 Kanaldurchmessern 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

A n s p r ü c h e
1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthal- tend 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 durch diese gehaltene isolierende 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 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.
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 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.
5. Selbsterhoiende Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehen- den Ansprüche, gekennzeichnet durch die Strombegrenzungscharakteristiken kennzeichnende Anzeigemittel der verschiedenen Gebrauchslagen.
6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall (7) eine GalnSn-Legie- rung ist.
EP00916931A 1999-03-29 2000-03-11 Selbsterholende strombegrenzungseinrichtung mit flüssigmetall Expired - Lifetime EP1166308B1 (de)

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