Aus der Druckschrift SU 922 911 A ist ein früher Prototyp einer selbsterholenden Strombegrenzungseinrichtung beschrieben. In der Druckschrift DE 40 12 385 A1 wird als Medium über dem Flüssigmetallspiegel Vakuum, Schutzgas oder eine isolierende Flüssigkeit erwähnt. Zur Verbesserung der Begrenzungseigenschaften sind nach Druckschrift SU 1 076 981 die Verbindungskanäle benachbarter Zwischenwände ge- geneinander versetzt angeordnet.

Weiterhin ist in der US 4 429 295 eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung beschrieben, mit einer Flüssigmetall enthaltenden, zylindrischen Kammer, an deren Endflächen die Elektroden angeordnet sind. Im Stromweg befindet sich ein ebenfalls zylindrischer Körper, in dem ein verengter Durchgangskanal für den Strompfad aus- gebildet ist.

In den vorbekannten Anordnungen besteht im Normalbetrieb im Flüssigmetall eine durchgehende leitende Verbindung zwischen den Elektroden. Im Strombegrenzungs- fall wird infolge der hohen Stromdichte schlagartig das Flüssigmetall aus den vereng- ten Verbindungskanälen verdrängt (Pincheffekt).

Solche bekannte Strombegrenzungseinrichtungen haben den Nachteil, dass ein brennender Lichtbogen seinen Fußpunkt auf einer der Elektroden hat, wobei diese thermisch angegriffen werden. Ein weiterer Nachteil bekannter Strombegrenzungs- einrichtungen liegt in der Empfindlichkeit des Lichtbogens gegen äußere Felder. Wei- terhin zeigt sich, dass bekannte Einrichtungen nicht für höchste Ströme geeignet sind. Zum Einsatz für große Stromstärken sind größere Dimensionen und größere Mengen an Flüssigmetall notwendig, die vom Lichtbogen schnell bewegt werden müssen. Bei Strömen über 1.000 A bishin zu 6.000 A Nennstrom werden die Relaxa- tionszeiten zu lang, so dass die bekannten Einrichtungen nicht ausreichend schnell zur Strombegrenzung reagieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung an- zugeben, die für höchste Nennströme geeignet ist.

Ausgehend von einer Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängi- gen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbil- dungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass keine bauliche Einengung des Stromkanäls durch relativ kleine Bohrungen in Trennwänden vorhanden ist, sondern dass die Ein- richtung in Form einer von einer Trennwand geteilten Doppelkammer ausgebildet ist und der Strompfad unterhalb der freien Oberfläche einen halb-torusartigen Verlauf hat. In der Nähe der Trennwandoberkante verlaufen die Feldlinien enger als im trenn- wand-fernen Bereich. Durch diese Unsymmetrie ist eine ständige Kraftkkomponente nach oben vorhanden, was zu einer Aufbauchung der Stromlinien führt.

Bei Erreichen des Strombegrenzungswertes versetzen die elektrodynamischen Kräfte der halb-torusartigen Geometrie (im Zusammenspiel mit Schwerkraft und Oberflä- chenspannung und der thermischen Aufheizung) die Oberfläche des Flüssigmetalls derart in Bewegung, dass oberhalb der Trennwandoberkante Flüssigmetall wegge- räumt wird und in den Leerstellen jeweils Lichtbögen entstehen, mit in den Hohlräu- men vorhandenem Plasma. Plasma ist durch elektrodynamische Kräfte noch leichter verschieblich als die Teilchen des Flüssigmetalls. Jeder Lichtbogen wird nach oben aufgespreizt und somit verlängert. Nach Ausbilden der Lichtbögen tritt der durch die Erfindung ausgenutzte Effekt einer lawinenartigen Beschleunigung des Löschvorgangs ein.

Vorgeschlagen wird daher eine Anordnung, bei der die Elektroden im Bereich des Bodens des Raums und die isolierende Trennwand zwischen den Elektroden ange- ordnet sind, wobei die Trennwandoberkante unterhalb der Füllhöhe des Flüssige- talls liegt. Die Füllhöhe des Flüssigmetalls sollte so bemessen sein, dass entstehende und brennende Lichtbögen möglichst nicht an die Elektroden heranreichen, womit die thermische Materialbelastung durch einen an einer Elektrode anhaftenden Fußpunkt vermieden wird. In der Gebrauchslage der Strombegrenzungseinrichtung sollte die Oberkante der Trennwand parallel zur Flüssigmetalloberfläche liegen. Der Strompfad hat somit eine Ausbildung, dass er oberhalb der Trennwand um 180° gekrümmt ver- läuft. Der Strom verläuft weiterhin in den benachbarten Teil-Kammern gegensinnig

parallel. Die den Strom begleitenden elektrodynamischen Kräfte beiderseits der Trennwand erzeugen eine aufwärts gerichtete Kraft, derart, dass die Stromträger nacl oben gedrängt werden, wodurch wegen der leichten Beweglichkeit der Flüssigkeit die Oberfläche in Bewegung versetzbar ist.

Im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen tritt hier der Pincheffekt für die Ausbildung eines Lichtbogens an engen Durchgangsöffnungen zurück.

Mehrere Doppelkammern können in linearer oder ringförmiger Reihung hintereinan- der angeordnet sein, wobei der Strom abwechselnd oberhalb der Trennwand im Flüs- sigmetall und zur benachbarten Doppelkammer in einem Feststoff-Leiter als Zwi- schenelektrode seinen Weg findet.

Zur weiteren Beschleunigung des Löschvorgangs können im Bereich der Flüssigmetall- Oberfläche Löschbleche angeordnet werden, so dass ein dort hinein gedrängter Licht- bogen in Teillichtbögen vereinzelt und abgekühlt wird. Mit der Unterbrechung durch Löschbleche bilden sich mehrere Lichtbögen hintereinander, so dass durch die Addition der jeweiligen Löschbogenspannungen höhere Schaltspannungen erzielt werden kön- nen.

Es werden zwei unterschiedliche Geometrien von Doppelkammern vorgeschlagen. Eine lineare Anordnung von zwei Teil-Kammern hintereinander mit im wesentlichen ebener Trennwand und eine andere in ringförmiger, koaxialer Anordnung des Gehäuses und einer becherförmiger Trennwand. Beiden ist gemeinsam, dass oberhalb der Trennwän- de der Stromweg halbtorus-artig ausgebildet ist.

Der Vorteil der zylindrischen oder koaxialen Anordnung des Strombegrenzers ist, dass dieser besondere gegen Fremdfelder unempfindlich ist. Die Stromwege und die Positi- on eines Lichtbogens werden von äußeren Feldern nicht oder nur gering beeinflusst.

In der zylindrischen Anordnung wird das Entstehen und Brennen mehrerer Teillichtbö- gen erleichtert, da kein Entstehungsort bevorzugt ist, insbesondere auch dadurch, dass die Lichtbögen keinen Fuß-Kontakt mit einer der Elektroden haben. In der lineare Anor- dung können wegen lokaler Unsymmetrien Stellen hoher Potentialspitzen vorhanden sein, so dass die Tendenz geringer ist, dass sich an mehreren Stellen nebeneinander Teillichtbögen bilden.

Bei der zylindrischen Anordnung befindet sich eine, vorzugsweise kreisförmige Elekt- rode zentral im Gehäuse und bildet dort mindestens einen Teil des Gehäusebodens oder liegt im unteren Bereich des Gehäuses. Die Trennwand liegt becherförmig her- um, die zweite Teil-Kammer liegt koaxial außen und hat im Bodenbereich die zweite Elektrode.

Zu weiteren Einzelheiten oder Ausführungsformen der Erfindung wird angeführt : Die Elektroden sollten flächengleich ausgebildet sein, so dass keine Unsymmetrie in den Leitwerten vorhanden ist.

Der Querschnitt des Stromwegs kann durch mindestens einen metallischen Gegen- stand (Löschbleche) eingeengt sein. Diese Elemente sind isoliert im Innern des Gefä- ßes befestigt. Die Löschbleche können als ebene Flächen oder in Anpassung an die zylindrische Geometrie in Ringform vorliegen.

Der Querschnitt des Stromwegs, bzw. das Niveau des Flüssigmetalls kann durch Ver- schieben mindestens eines isolierenden Körpers (Zwischenwand oder Stempel) verän- derbar gestaltet sein. Mit dem Niveau ist der Abstand der Flüssigmetalloberfläche von der Oberkante der Trennwände und damit der Querschnitt des Stromwegs veränderbar Die Einstellung des Niveaus entspricht der Einstellung der Ansprechkennlinie des Strombegrenzers. Mit der Stempelverstellung lässt sich weiterhin auch das Niveau des Flüssigmetalls während der Ausbildung eines Lichtbogens verändern, so dass der Löschvorgang noch während des Strombegrenzungsvorgangs beeinflussbar ist.

Der Raum kann mit mindestens einem Mittel zum Druckausgleich bei Ausbildung ei- nes Lichtbogens ausgestattet sein.

Der Raum kann metallisch umhüllt sein und auf dem Potential einer der Elektroden liegen, wodurch noch die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Beeinflussung von außen erhöht wird.

Vorzugsweise sollen GalnSn-Legierungen als Flüssigmetall eingesetzt werden.

Der Strombegrenzer kann für die Sicherung eines elektrischen Geräts oder einer Schaltung mit einem Sicherungsschalter in Reihe geschaltet werden. Der Siche- rungsschalter stellt sicher, dass ein in seiner Stärke begrenzter Strom definitiv abge-

schaltet wird. Die vorgeschlagenen Anordnungen sind besonders für höchste Nenn- ströme geeignet, wobei Versuche die Einsatzmöglichkeit für Stromstärken von eini- gen 1.000 A bewiesen haben.

Der maximale Querschnitt des Stromwegs-eingestellt durch das Niveau des Flüs- sigmetalls oder durch die Querschnitte der möglichen Strombahnen-lässt sich auf einen bestimmten Wert der Strombelastbarkeit einstellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Die Figuren zeigen im Einzel- nen : Fig. 1 eine ringförmige Strombegrenzungseinrichtung im Schnitt, Fig. 2 Details von ringförmigen Löschblechen, Fig. 3A eine lineare Anordnung mit 2 Teil-Kammern und Fig. 3B eine lineare Strombegrenzungseinrichtung mit 2 Doppelkammern.

In Fig. 1 ist eine rotationssymmetrische Strombegrenzungseinrichtung 10 dargestellt.

Sie hat eine vertikale Symmetrieachse. Die Elemente der Einrichtung sind koaxial um die Symmetrieachse angeordnet und werden von einem Isolierstoffgehäuse 16 druck- fest umschlossen. Die Elektroden 13.1 ; 13.2 bilden den Boden des Gefäßes und sind aus Festmetall mit Anschluss an einen zu schützenden Stromkreis S. Die Elektroden 13.1 und 13.2 werden von Flüssigmetall 18 vollständig bedeckt, so dass zwischen den Elektroden eine durchgehende elektrisch leitende Verbindung besteht. Seitlich aus der Einrichtung wird der Strom zu Stromanschlussstellen 60 herausgeführt. Die aus Kupfer bestehenden Elektroden sind galvanisch vergütet, um gegen Korrosion mit dem Flüs- sigmetall geschützt zu sein. Der Innenraum 5 ist bis zur Füllhöhe 18.1 mit Flüssigmetall 18 gefüllt. Im Volumen des Flüssigmetalls 18 steht eine isolierende Trennwand 6, die einen Verbindungskanal 9 für den Stromfluss im Flüssigmetall 18 zwischen den Elekt- roden 13.1 ; 13.2 bestimmt. In Fig. 1 hat die Trennwand 6 Becherform ; das Material ist geeignetes keramisches Material. Die Trennwand ist relativ dünn ausgeführt. Der obere Rand kann gerundet sein. Zwischen dem oberen Rand und der Flüssigmetall- Oberfläche verlaufen die Feldlinien und bilden den Querschnitt des Stromwegs W.

Der Stromweg W läuft von der kreisförmigen, inneren Elektrode 13. 1 über die Kante der Trennwand 6 auf torus-artigem, um 180° gekrümmten Weg zu der äußeren Elektrode, die ringförmig und somit rotationssymmetrisch im Isolierstoffgehäuse angeordnet ist.

Beiderseits der Trennwand ist der Stromweg antiparallel.

Die Elektroden 13.1 und 13.2 sind flächengleich und damit identisch im Leitwert aus- gebildet.

In die Flüssigmetallschicht tauchen metallische, isoliert befestigte Löschbleche 8 ein.

In Fig. 2 ist detailliert herausgestellt, dass die Löschbleche koaxial ringförmig ausge- bildet sind. Sie liegen gestaffelt übereinander und sind jeweils als zylindrische oder kegelförmige Blechabschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet.

Bei Ausbildung eines Lichtbogens wird das Flüssigmetall stark verwirbelt ; die Lösch- bleche tragen nicht nur zur Verringerung der Brenndauer des Lichtbogens, sondern auch zur Dämpfung der Bewegung des Flüssigmetalls bei. Oberhalb des Flüssige- talls 18 befindet sich beispielsweise Vakuum oder eine Inertgas-Atmosphäre. Das Gehäuse ist doppelwandig ausgebildet. Ein inneres Gehäuse kann über (hier in Figur 1 schematisch angedeutete) Federelementen oder Federbälge 40 elastisch gegen auftretenden Druck reagieren. Eine andere Möglichkeit einen Druckausgleich vorzu- nehmen, kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Druckausdehnungsgefäß be- nutzt wird, welches an der Anordnung passend angeordnet wird.

Elektroden, Trennwände und alle anderen Elemente sind im Isoliergehäuse befestigt, wobei bekannte Mittel zum Abdichten der Elektroden gegen die Wandungen und ge- gen die Trennelemente (0-Ringe) und zum kraftschlüssigen Verbinden der im Isolier- gehäuse vorgesehenen Bauteile eingesetzt werden. Aus Gründen der Übersichtlich- keit sind diese jedoch nicht dargestellt.

Das Gehäuse ist in Art eines Faraday-Käfigs metallisch umhüllt (Bezugszeichen 15) und liegt auf dem Potential einer der Elektroden, wodurch noch die Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Beeinflussung von außen erhöht wird.

Der Querschnitt des Stromwegs kann durch Verschieben P des im zentralen Bereichs angeordneten Stempels 17 aus Isoliermaterial verändert werden.

Das Niveau des Flüssigmetalls kann auch während des Schaltvorgangs-getriggert durch den plötzlichen Stromanstieg-verändert werden. Damit ist erreichbar, dass mehrphasig geschaltete Einrichtungen kontrolliert schaltbar sind. Mit der Einstellung der Füllhöhe lässt sich die Ansprechbarkeit der Einrichtung verändern, womit je nach Einsatzfall bestimmte Kennlinien eingestellt werden können.

In Fig. 3A ist eine lineare Anordnung 11 mit 2 Teil-Kammern mit einer ebenen Trenn- wand 6'und in Fig. 3B eine lineare Strombegrenzungseinrichtung 11'mit 2 Doppel- kammern 20'nach dem erfinderischen Prinzip dargestellt. Die wesentlichen Einzelhei- ten-auch mit denselben Bezugszeichen versehen-entsprechen denen aus Fig. 1.

Die Doppelkammern sind bis zur Füllhöhe 18.1 mit Flüssigmetall 18 gefüllt. Der Stromfluss W verläuft von einer ersten Elektrode über die Oberkante der Trennwand 6'torus-artig, auf stark gekrümmtem Weg zur zweiten Elektrode. In die Flüssigmetall- schicht tauchen plane Löschbleche 8'ein, die entsprechend parallel zur Oberkante der Trennwand befestigt sind. Zwischen den Doppelkammern in Fig. 3B befindet sich eine Feststoff-Elektrode 14. Getrennt werden die Teil-Kammern in Fig. 3B durch eine Wand 6".