SELBSTERHOLENDE STROMBEGRENZUNGSEINRICHTUNG MIT FLÜSSIGMETALL

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] 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

[0002] Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung bekannt, die 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, hintereinander 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 Flüssigmetall 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. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 A die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände gegeneinander versetzt angeordnet. In Druckschrift SU 1 094 088 A ist als gut leitendes Material für die Elektroden Kupfer angegeben. Es ist nach Druckschrift DE 26 52 506 A1 bekannt, bei Kontakteinrichtungen Gallium-Legierungen, insbesondere GaInSn-Legierungen zu verwenden.

[0003] In den Begrenzungsfällen gelangen die inneren Elektrodenoberflächen in Berührung mit den entstehenden Lichtbögen, was in erster Linie zu Abbranderscheinungen in den gegenüber den Verbindungskanälen befindlichen Teilen der Elektrodenoberflächen sowie in zweiter Linie zur Verunreinigung des Flüssigmetalls und damit letztendlich zu einer unbefriedigenden Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung führt. Außerdem ist das Strombegrenzungsverhalten noch verbesserungswürdig.

Darstellung der Erfindung

[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lebensdauer und Strombegrenzungsverhalten zu verbessern.

[0005] Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

[0006] Durch die die Elektroden lokal schützenden nichtleitenden Keramikscheiben brennt ein bei äußeren Kurzschlüssen auftretender Lichtbogen nicht mehr auf den Elektroden, sondern aufgrund der relativ großen Entfernung zu den leitfähigen Gebieten der inneren Oberflächen der Elektroden im wesentlichen nur noch im Flüssigmetall. Dadurch wird die Erosion des Elektrodenmaterials durch Abbrand erheblich reduziert und somit eine höhere Lebensdauer auch nach relativ zahlreichen Kurzschlüssen erreicht. Weiterhin wird durch den vergrößerten Abstand von einem Verbindungskanal zu der erreichbaren leitenden Oberfläche einer Elektrode die Brennspannung des Lichtbogens erhöht. Dies bewirkt ein verbessertes Strombegrenzungsverhalten der Strombegrenzungseinrichtung und führt außerdem zu einer geringeren Belastung der Strombegrenzungseinrichtung und des zu schützenden Stromkreises. Im Nennbetrieb wird der Strom im Flüssigmetall durch die nichtleitenden Keramikscheiben gezwungen, um diese herum zu fließen. Die Stromverteilung in den Elektroden wird dadurch in einem erheblichen Maße homogenisiert, wodurch lokal aufgeheizte Gebiete in den Elektroden vermieden werden. Dies wirkt sich wiederum verbessemd auf deren Materialstabilität aus.

[0007] Vorteilhaft sind Keramikscheiben auf der Basis von Bomitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, wobei sie in zweckmäßiger Weise auf die inneren Oberflächen geklebt, gelötet oder in einer geeigneten Weise eingefügt sein können.

[0008] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die inneren Oberflächen der Elektroden mit einer gegenüber dem Flüssigmetall diffusionsbeständigen leitenden Materialschicht zu versehen. Damit wird zusätzlich der Diffusion und Korrosion der vom Flüssigmetall benetzten Innenflächen der Elektroden wirksam begegnet, was zu einer erheblichen Vergrößerung der Oberflächenbeständigkeit der Elektroden und damit der Stabilität und Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung führt. Zweckmäßigerweise besteht die Materialschicht aus einer der vorgeschlagenen Übergangsmetalle oder deren Legierungen, wobei die Materialschicht zweckmäßig als aufgefügtes, beispielsweise aufgeklebtes oder aufgelötetes, oder als bündig eingefügtes Plättchen oder als aufgalvanisierte, aufgedampfte oder durch Reibschweißen aufgebrachte Metallschicht ausgeführt werden kann. Die leitende Materialschicht kann unterhalb einer nichtleitenden Keramikscheibe entweder ganz oder teilweise weitergeführt, aber auch ausgespart sein.

[0009] Mit Vorteil ist als Flüssigmetall eine Gallium-Legierung zu verwenden. Insbesondere GaInSn-Legierungen 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

[0010] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Strombegrenzungseinrichtung in der einzigen Figur 1 im Längsschnitt dargestellt ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

[0011] Die Strombegrenzungseinrichtung 10 nach Fig. 1 enthält zu beiden Seiten je eine Elektrode 1 aus Festmetall, vorzugsweise Kupfer, die in einen äußeren Anschlußleiter 2 übergeht. Zwischen den Elektroden 1 befinden sich mehrere Verdichterräume 4, die durch eine entsprechende Anzahl von isolierenden Zwischenwänden 8 mit beidseitig am Rande kreisringförmig ausgebildeten Kragen 81 gebildet werden. Die beiden äußeren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch eine der Elektroden 1 sowie durch eine Zwischenwand 8 begrenzt. Die inneren Verdichterräume 4 werden seitlich jeweils durch zwei Zwischenwände 8 begrenzt. Die Zwischenwände 8 bestehen aus einem temperatur- und abbrandfesten Material. Durch einen Isolierkörper in Form eines Formgehäuse 5, das aus zwei gleichen schalenförmigen Gehäuseteilen 51 besteht, werden die Elektroden 1 und die Zwischenwände 8 kraftschlüssig gehalten. Es sind bekannte, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Mittel zum kraftschlüssigen Verbinden der beiden Gehäuseteile 51 vorgesehen, beispielsweise durchgehende Spannschrauben entlang der beiden Linien 3. Dichtringe 6, die in gegenüberstehenden stimseitigen Nuten der Kragen 81 bzw. Elektroden 1 eingelegt sind, dienen zum Abdichten der Verdichterräume 4. Die Gehäusehälften 51 sind druckfeste Isolierkörper. Alle Verdichterräume 4 sind teilweise mit einem Flüssigmetall 7 ausgefüllt, beispielsweise einer GalnSn-Legierung. Die Zwischenwände 8 sind unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 9 mit Verbindungskanälen 82 versehen. Die Verbindungskanäle 82 sind im Nennbetrieb ebenfalls mit Flüssigmetall 7 gefüllt, so daß zwischen den Elektroden 1 eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Die Verbindungskanäle 82 benachbarter Zwischenwände 8 sind vorteilhaft zueinander versetzt, um im Strombegrenzungsfall einen durchgehenden Lichtbogen zu erschweren. Oberhalb des Flüssigmetalls 7 befindet sich beispielsweise Vakuum; aber auch ein Schutzgas wäre möglich.

[0012] In die zum Inneren der Strombegrenzungseinrichtung 10 weisende Oberfläche 11 jeder Elektrode 1 ist jeweils eine plättchenförmige leitende Materialschicht 13 eingefügt, die damit einen Teil der vom Flüssigmetall 7 teilweise benetzten inneren Oberfläche 11 der jeweiligen Elektrode 1 bildet. Die Materialschichten 13 sind bündig in eine dafür vorgesehene gleichförmig flache Vertiefung der Elektroden 1, beispielsweise durch Hartlöten, eingefügt. Die Materialschichten 13 bestehen im Beispiel aus einem hochlegiertem Chrom-Nickel-Stahl, wodurch den Innenflächen der Elektroden 1 eine hohe Diffusion- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Flüssigmetall 7 verliehen wird. In die Materialschichten 13 selbst sind gegenüber den Verbindungskanälen 82 der äußeren, d.h. der den Elektroden 1 benachbarten, Zwischenwände 8 nichtleitende Keramikscheiben 12, beispielsweise aus Bomitrid, eingeklebt. Im Kurzschlußfall kann der entstehende Lichtbogen durch die Keramikscheiben 12 nicht mehr auf kurzem Wege auf den Materialschichten 13 der Elektroden 1 gelangen, sondern wird erzwungenermaßen verlängert. Dadurch wird der Abbrand der inneren Oberflächen 11, insbesondere der Materialschichten 13, infolge des Lichtbogens erheblich reduziert. Durch die kombinierte Ausstattung der Elektroden 1 mit den nichtleitenden Keramikschichten 12 und den leitenden Materialschichten 13 wird die Lebensdauer der Strombegrenzungseinrichtung 10 in einem erheblichen Maße erhöht. Außerdem verbessert sich durch die Verlängerung des Lichtbogens das Strombegrenzungsverhalten der Strombegrenzungseinrichtung 10.

Ansprüche

1. Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall, enthaltend 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) und durch diese gehaltene isolierende Zwischenwände (8) mit Verbindungskanälen (82) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den inneren Oberflächen (11) der Elektroden (1) nichtleitende Keramikscheiben (12) lokal gegenüber den Verbindungskanälen (82) der benachbarten Zwischenwände (8) angebracht sind.

2. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheiben (12) aus einem Material auf der Basis von Bomitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid bestehen.

3. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheiben (12) auf die inneren Oberflächen (11) geklebt sind.

4. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheiben (12) auf die inneren Oberflächen (11) gelötet sind.

5. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheiben (12) in die inneren Oberflächen (11) wenigstens teilweise eingefügt sind.

6. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil der vom Flüssigmetall (7) benetzbaren inneren Oberflächen (11) der Elektroden (2) jeweils aus einer gegenüber dem Flüssigmetall (7) beständigeren leitenden Materialschicht (13) besteht.

7. Strombegrenzüngseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (13) aus Wolfram, Molybdän, Vanadium, Nikkel, Tantal, Titan, Rhenium, Chrom oder deren Legierungen besteht.

8. Strombegrenzungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (13) aus hochlegiertem Edelstahl besteht.

9. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein aufgefügtes Plättchen als Materialschicht (13).

10. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein wenigstens teilweise eingefügtes Plättchen die Materialschicht (13) bildet.

11. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine aufgalvanisierte, aufgedampfte oder durch Reibschweißen aufgebrachte Metallschicht als Materialschicht (13).

12. Strombegrenzungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine GaInSn-Legierung als Flüssigmetall (7).

Claims

1. Self-recovering current-limiting device with liquid metal, containing electrodes (1) of solid metal for connecting to a circuit to be protected and a plurality of compression chambers (4), which are partially filled with liquid metal (7) and arranged in series between the electrodes (1), which compression chambers are formed by pressure-resistant insulating bodies (5) and by insulating intermediate walls (8), which are held by the latter and have connecting channels (82), characterized in that on the inner surfaces (11) of the electrodes (1) non-conducting ceramic discs (12) are attached locally with respect to the connecting channels (82) of the neighbouring intermediate walls (8).

2. Current-limiting device according to Claim 1, characterized in that the ceramic discs (12) consist of a material on the basis of boron nitride, silicon carbide, silicon nitride or aluminium oxide.

3. Current-limiting device according to Claim 1 or 2, characterized in that the ceramic discs (12) are adhesively attached onto the inner surfaces (11).

4. Current-limiting device according to Claim 1 or 2, characterized in that the ceramic discs (12) are soldered onto the inner surfaces (11).

5. Current-limiting device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the ceramic discs (12) are at least partially inserted into the inner surfaces (11).

6. Current-limiting device according to one of the preceding claims, characterized in that at least part of the inner surfaces (11) of the electrodes (2) which can be wetted by the liquid metal (7) respectively comprise a conducting material layer (13) that is more resistant to the liquid metal (7).

7. Current-limiting device according to Claim 6, characterized in that the material layer (13) consists of tungsten, molybdenum, vanadium, nickel, tantalum, titanium, rhenium, chromium or their alloys.

8. Current-limiting device according to Claim 6, characterized in that the material layer (13) comprises high-alloy high-grade steel.

9. Current-limiting device according to one of Claims 6 to 8, characterized by an attached platelet as the material layer (13).

10. Current-limiting device according to one of Claims 6 to 8, characterized in that an at least partially inserted platelet forms the material layer (13).

11. Current-limiting device according to one of Claims 6 to 10, characterized by an electro-deposited, vapour-deposited or friction-welded-on metal layer as the material layer (13).

12. Current-limiting device according to one of the preceding claims, characterized by a GaInSn alloy as the liquid metal (7).

Revendications

1. Dispositif de limitation de courant à rétablissement automatique avec du métal liquide, comprenant des électrodes (1) en métal solide destinées à être raccordées à un circuit électrique à protéger et plusieurs chambres de compression (4) partiellement remplies de métal liquide (7) et disposées les unes derrière les autres entre les électrodes (1), lesquelles sont formées par des corps isolants (5) résistants à la pression et des parois intermédiaires isolantes (8) munies de canaux de liaison (82) et maintenues par ceux-ci, caractérisé en ce que des plaques en céramique (12) non conductrices sont appliquées sur les surfaces intérieures (11) des électrodes (1) localement par rapport aux canaux de liaison (82) des parois intermédiaires voisines (8).

2. Dispositif de limitation de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques en céramique (12) se composent d'un matériau à base de nitrure de bore, de carbure de silicium, de nitrure de silicium ou d'oxyde d'aluminium.

3. Dispositif de limitation de courant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les plaques en céramique (12) sont collées sur les surfaces intérieures (11).

4. Dispositif de limitation de courant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les plaques en céramique (12) sont brasées sur les surfaces intérieures (11).

5. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les plaques en céramique (12) sont insérées au moins partiellement dans les surfaces intérieures (11).

6. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins la partie des surfaces intérieures (11) des électrodes (2) qui peut être mouillée avec le métal liquide (7) se compose à chaque fois d'une couche de matériau (13) conducteur plus résistant que le métal liquide (7).

7. Dispositif de limitation de courant selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de matériau (13) se compose de tungstène, de molybdène, de vanadium, de nickel, de tantale, de titane, de rhénium, de chrome ou de leurs alliages.

8. Dispositif de limitation de courant selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de matériau (13) se compose d'acier inoxydable fortement allié.

9. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par une plaque plaquée faisant office de couche de matériau (13).

10. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la couche de matériau (13) est formée par une plaque au moins partiellement insérée.

11. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé par une couche de métal appliquée par galvanisation, vaporisation ou soudage par friction faisant office de couche de matériau (13).

12. Dispositif de limitation de courant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un alliage GaInSn comme métal liquide (7).

Zeichnung