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EP1644951B1 - Method and device for limiting the current in a liquid metal current limiter - Google Patents

Method and device for limiting the current in a liquid metal current limiter Download PDF

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Publication number
EP1644951B1
EP1644951B1 EP04738057A EP04738057A EP1644951B1 EP 1644951 B1 EP1644951 B1 EP 1644951B1 EP 04738057 A EP04738057 A EP 04738057A EP 04738057 A EP04738057 A EP 04738057A EP 1644951 B1 EP1644951 B1 EP 1644951B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
liquid metal
path
limiting
electrical resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04738057A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1644951A2 (en
Inventor
Kaveh Niayesh
Friedrich Koenig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP04738057A priority Critical patent/EP1644951B1/en
Priority to PL04738057T priority patent/PL1644951T3/en
Publication of EP1644951A2 publication Critical patent/EP1644951A2/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1644951B1 publication Critical patent/EP1644951B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/10Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H29/28Switches having at least one liquid contact with level of surface of contact liquid displaced by fluid pressure
    • HELECTRICITY
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    • H01H33/00High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02Details
    • H01H33/04Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
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    • H01H29/20Switches having at least one liquid contact operated by tilting contact-liquid container
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    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H53/00Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them
    • H01H53/08Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them wherein a mercury contact constitutes the current-carrying conductor

Definitions

  • the electrical resistance as a function of the second position and the path-time characteristic of the liquid metal along the direction of movement is chosen so that in each second position of the liquid metal, the product of electrical resistance and current smaller than one Arc ignition voltage between the liquid metal and the fixed electrodes and intermediate electrodes and a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents is achieved.
  • Claim 6 shows an advantageous, because automatic and at the same time self-recovering current limit.
  • the positioning means 3a; 20, B, 12 for moving and spatially positioning the liquid metal 3 along a movement direction x in at least one second position x 12 , x 2 include the channels 3a and a transport or drive means 20, B, 12 for the liquid metal 3, in particular also one Drive control 11 (as shown in Fig. 6).
  • a transport or drive means 20, B, 12 for the liquid metal 3, in particular also one Drive control 11 (as shown in Fig. 6).
  • an electromagnetic drive 20, B or a mechanical drive with a dielectric fluid 12 is provided, through which the liquid metal 3 between the nominal current path 30 and the current limiting path 31 is movable.
  • the electrical resistance R x as a function R x (x 12 ) of the second position x 12 and a path-time characteristic x 12 (t) of the liquid metal 3 along the direction of movement x should be selected so that in every second position x 12 , x 2 of the liquid metal 3 is the product of electrical resistance R x and current I 2 is smaller than an arc ignition voltage U b between the liquid metal 3 and the fixed electrodes 2a, 2b and intermediate electrodes 2c and / or that a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents i ( t) is achieved.
  • F r restoring force, in particular equal to gravitational force
  • an electromagnetic force F F mag , which is exerted on the liquid metal 3 by self-interaction of the flowing current i (t), was assumed by way of example.
  • the isolation path 32 for power cutoff is arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30.
  • the isolation path 32 for power cutoff is arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)

Abstract

A method and an apparatus are disclosed for current limiting, as is a switchgear assembly having an apparatus such as this. Liquid metal is passed along a resistance element for the current limiting path, in order to achieve current limiting without any arcs for network-dependent short-circuit currents. Exemplary embodiments relate, inter alia, to: an electrical resistance, which rises non-linearly in the movement direction of the liquid metal for a soft current limiting characteristic, a resistance element in the form of a dielectric matrix having channels for the liquid metal, and a combined current limiter circuit breaker. Advantages are, inter alia, reversible current limiting and possibly current disconnection without arcs, also suitable for high voltages and currents, fast reaction times, low wear, and maintenance-friendliness.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Primärtechnik für elektrische Schaltanlagen, insbesondere der Begrenzung von Fehlerströmen in Hoch-, Mittel- oder Niederspannungsschaltanlagen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Strombegrenzung sowie von einer Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to the field of primary technology for electrical switchgear, in particular the limitation of fault currents in high, medium or low voltage switchgear. It is based on a method and a device for current limiting and of a switchgear with such a device according to the preamble of the independent claims.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In der DE 199 03 939 A1 wird eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall offenbart. Zwischen zwei Festmetallelektroden ist ein druckfestes Isoliergehäuse angeordnet, in dem Flüssigmetall in Verdichterräumen und in dazwischenliegenden, die Verdichterräume verbindenden Verbindungskanälen angeordnet ist, so dass ein Strompfad für Nominalströme zwischen den Festelektroden gegeben ist. In den Verbindungskanälen ist der Strompfad gegenüber den Verdichterräumen eingeengt. Die Verbindungskanäle werden bei Kurzschlussströmen stark erhitzt und scheiden ein Gas aus. Durch lawinenartige Gasblasenbildung in den Verbindungskanälen verdampft das Flüssigmetall in die Verdichterräume, so dass in den nun flüssigmetallentleerten Verbindungskanälen ein strombegrenzender Lichtbogen gezündet wird. Nach Abklingen des Überstroms kann das Flüssigmetall wieder kondensieren und der Strompfad ist wieder betriebsbereit.In the DE 199 03 939 A1 discloses a self-recovering current limiting device with liquid metal. Between two fixed metal electrodes, a pressure-resistant insulating housing is arranged, is arranged in the liquid metal in the compressor rooms and in intermediate connecting the compressor compartments connecting channels, so that a current path is given for nominal currents between the fixed electrodes. In the connecting channels of the current path is narrowed compared to the compressor chambers. The connection channels are strongly heated during short-circuit currents and secrete a gas. By avalanche-like formation of gas bubbles in the connecting channels, the liquid metal evaporates into the compressor chambers, so that a current-limiting arc is ignited in the now liquid-metal-depleted connection channels. After the overcurrent has subsided, the liquid metal can condense again and the current path is ready for operation again.

In der WO 00/77811 ist eine Fortbildung der selbsterholenden Strombegrenzungseinrichtung offenbart. Die Verbindungskanäle sind nach oben konisch verbreitert, so dass die Füllstandshöhe des Flüssigmetalls variiert und die Nennstromtragfähigkeit über einen grossen Bereich verändert werden kann. Ausserdem wird durch eine versetzte Anordnung der Verbindungskanäle ein mäanderförmiger Strompfad gebildet, so dass bei überstrombedingtem Verdampfen des Flüssigmetalls eine Serie strombegrenzender Lichtbögen gezündet wird. Derartige Pinch-Effekt Strombegrenzer benötigen einen hinsichtlich Druck und Temperatur sehr stabilen Aufbau, was konstruktiv aufwendig ist. Durch die Strombegrenzung per Lichtbogen tritt grosser Verschleiss im Innern des Strombegrenzers auf und Abbrandrückstände können das Flüssigmetall kontaminieren. Durch die Rekondensation des Flüssigmetalls stellt sich unmittelbar nach einem Kurzschluss wieder ein leitfähiger Zustand ein, so dass kein Ausschaltzustand vorhanden ist.In the WO 00/77811 a development of the self-recovering current limiting device is disclosed. The connection channels are widened conically at the top, so that the liquid level of the liquid metal varies and the rated current carrying capacity can be varied over a wide range. In addition, a meander-shaped current path is formed by an offset arrangement of the connecting channels, so that a series of current-limiting arcs is ignited when the liquid metal is vapor-driven. Such pinch effect current limiters require a very stable in terms of pressure and temperature construction, which is structurally complex. Due to the current limitation by means of an arc, large wear occurs inside the current limiter and burnt-off residues can contaminate the liquid metal. As a result of the recondensation of the liquid metal, a conductive state returns immediately after a short circuit, with the result that no switch-off state is present.

In der DE 40 12 385 A1 wird eine stromgesteuerte Abschaltvorrichtung offenbart, deren Funktionsprinzip auf dem Pinch-Effekt mit Flüssigmetall beruht. Zwischen zwei Festmetallelektroden ist ein einzelner, schmaler, mit Flüssigmetall gefüllter Kanal angeordnet. Bei Überstrom wird der flüssige Leiter infolge der elektromagnetischen Kraft durch Pinch-Effekt zusammengezogen, so dass der Strom selbst den flüssigen Leiter abschnürt und trennt. Das verdrängte Flüssigmetall wird in einem Vorratsbehälter gesammelt und fliesst nach dem Überstromereignis wieder zurück. Die Kontakttrennung erfolgt ohne Lichtbogen. Jedoch ist die Einrichtung nur für relativ kleine Ströme, geringe Spannungen und langsame Abschaltzeiten geeignet und bietet keinen dauerhaften Ausschaltzustand.In the DE 40 12 385 A1 discloses a current-controlled shutdown device whose operating principle is based on the pinch effect with liquid metal. Between two solid metal electrodes, a single, narrow, filled with liquid metal channel is arranged. In the event of overcurrent, the liquid conductor is contracted due to the electromagnetic force due to the pinch effect, so that the current itself strangulates and separates the liquid conductor. The displaced liquid metal is collected in a reservoir and flows back after the overcurrent event. The contact separation takes place without an arc. However, the device is only suitable for relatively small currents, low voltages and slow turn-off times and does not provide a permanent turn-off state.

In der DE 26 52 506 wird ein elektrischer Hochstromschalter mit Flüssigmetall offenbart. Einerseits wird eine Flüssigmetallmischung zur Benetzung von Festmetallelektroden und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands verwendet. Dabei wird das Flüssigmetall durch mechanische Verdrängung, z. B. durch bewegliche Kontakte oder pneumatisch angetriebene Tauchkolben, entgegen der Schwerkraft in den Kontaktspalt getrieben. Durch Pinch-Effekt, gemäss dem ein stromführender Leiter durch den ihn durchfliessenden Strom eine radiale Striktion erfährt, kann das Flüssigmetall zusätzlich im Kontaktspalt stabilisiert und festgehalten werden. Äussere Magnetfelder und magnetische Streuflüsse, z. B. durch die Stromzuführungen, können im Flüssigmetall Strömungsinstabilitäten verursachen und werden abgeschirmt und gegebenenfalls beim Ausschalten zugelassen, um das Löschen des Lichtbogens im Flüssigmetall zu unterstützen. Nachteilig ist, dass eine graduelle Strombegrenzung nicht möglich ist und Lichtbogen zwischen den Festelektroden Oxidation im Flüssigmetall verursachen. Die Konstruktion des Hochstromschalters umfasst Dichtungen für Flüssigmetall, inertes Gas oder Vakuum und ist entsprechend aufwendig.In the DE 26 52 506 discloses a high current electrical switch with liquid metal. On the one hand, a liquid metal mixture is used for wetting solid metal electrodes and for reducing the contact resistance. In this case, the liquid metal by mechanical displacement, z. B. by moving contacts or pneumatically driven plunger, against gravity in the Contact gap driven. By pinch effect, according to which a current-carrying conductor by the current flowing through it undergoes a radial Striktion, the liquid metal can be additionally stabilized in the contact gap and held. External magnetic fields and magnetic leakage fluxes, eg. B. by the power supplies, can cause flow instabilities in the liquid metal and are shielded and optionally approved when switching off to assist in extinguishing the arc in the liquid metal. The disadvantage is that a gradual current limitation is not possible and cause arcs between the solid electrodes oxidation in the liquid metal. The design of the high-current switch includes seals for liquid metal, inert gas or vacuum and is correspondingly expensive.

In der GB 1 206 786 wird ein elektrischer Hochstromschalter auf Flüssigmetallbasis gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche offenbart. Das Flüssigmetall bildet in einer ersten Position einen ersten Strompfad für den Betriebsstrom und wird beim Stromschalten entlang eines Widerstandselements geführt und in eine zweite Position gebracht, in welcher es in Serie mit dem Widerstandselement liegt und den Strom auf einen kleinen Bruchteil reduziert. Der Hochstromschalter ist zur Erzeugung hochintensiver Strompulse im Mega-Ampere und sub-Millisekunden Bereich zur Plasmagenerierung konzipiert.In the GB 1 206 786 discloses a liquid metal based electrical high current switch according to the preamble of the independent claims. The liquid metal forms in a first position a first current path for the operating current and is guided during current switching along a resistive element and brought into a second position in which it is in series with the resistive element and reduces the current to a small fraction. The high-current switch is designed to generate high-intensity current pulses in the mega- ampere and sub-millisecond range for plasma generation.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine elektrische Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung zur verbesserten und vereinfachten Strombegrenzung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object of the present invention is to specify a method, a device and an electrical switchgear with such a device for improved and simplified current limitation. This object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.

In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungsvorrichtung, die Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung geführt wird und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird, beim Übergang von der ersten Position zur zweiten Position entlang eines Widerstandselements geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position in Serie mit einem Widerstandselement liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung gebildet wird, der einen vorgebbaren elektrischen Widerstand aufweist, wobei das Widerstandselement ohmsch ist und zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position ansteigt, wobei in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position zunächst überproportional mit der zweiten Position zunimmt, dann linear mit der zweiten Position in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände tolerabel werden, wieder in eine steiler, d. h. überproportional ansteigende Funktion der zweiten Position über geht. Auf diese Weise wird eine sanfte Strombegrenzungscharakteristik für eine progressive Strombegrenzung realisiert. Insbesondere wird der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position sowie die Weg-Zeit Charakteristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung so gewählt, dass in jeder zweiten Position des Flüssigmetalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzündspannung zwischen dem Flüssigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme erzielt wird.In a first aspect, the invention resides in a method for current limiting with a current limiting device comprising fixed electrodes and a container with at least one channel for a liquid metal, wherein in a first operating state between the fixed electrodes an operating current is passed through the current limiting device on a first current path and the first current path is at least partially passed through the liquid metal located in a first position, wherein in a second operating state, the liquid metal is moved in at least one second position along a direction of movement, is guided along a resistance element during the transition from the first position to the second position, and the at least one second position is in series with a resistive element and thereby a current-limiting second current path is formed by the current-limiting device having a specifiable electrical resistance , wherein the resistive element is ohmic and increases non-linearly and continuously to the second position to achieve a smooth turn-off, wherein the electrical resistance as a function of the second position initially increases disproportionately with the second position in a logarithmic representation, then linear with the second position in one phase increases, in which the energy stored in a network inductance must be absorbed, and then in a region in which the short-circuit current is already limited and larger electrical resistances are tolerable, goes back to a steeper, ie disproportionately increasing function of the second position. In this way, a gentle current limiting characteristic for a progressive current limitation is realized. In particular, the electrical resistance as a function of the second position and the path-time characteristic of the liquid metal along the direction of movement is chosen so that in each second position of the liquid metal, the product of electrical resistance and current smaller than one Arc ignition voltage between the liquid metal and the fixed electrodes and intermediate electrodes and a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents is achieved.

Ein solches Strombegrenzungsverfahren ist zur Begrenzung netzbedingter Kurzschlüsse geeignet. Erfindungsgemäss verbleibt das Flüssigmetall im flüssigen Aggregatzustand und wird durch eine erzwungene Bewegung gezielt zwischen den unterschiedlichen Positionen bewegt. Der Pinch-Effekt wird dabei nicht genutzt. Sehr schnelle Strombegrenzungs-Reaktionszeiten von bis zu unter 1 ms sind erzielbar. Das Verfahren gibt Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung der Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs an. Da vom Flüssigmetall im Strombegrenzungsfal kein Isolator, sondern ein geeignet dimensionierter elektrischer Widerstand benetzt und kontaktiert wird, wird kein Lichtbogen gezündet. Daher kann das Strombegrenzungsverfahren auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Dabei tritt kaum Verschleiss durch Abbrand oder Korrosion des Flüssigmetalls auf. Die Strombegrenzung erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig.Such a current limiting method is suitable for limiting network-related short circuits. According to the invention, the liquid metal remains in the liquid state of aggregation and is selectively moved between the different positions by means of a forced movement. The pinch effect is not used. Very fast current limiting reaction times of up to less than 1 ms can be achieved. The method specifies sizing criteria for optimizing the dynamics of the current limiting operation. Since no liquid is wetted and contacted by the liquid metal in the current limiting case, no insulator, but a suitably dimensioned electrical resistance, no arc is ignited. Therefore, the current limiting method can be used even at very high voltage levels. There is hardly any wear due to burning or corrosion of the liquid metal. The current limitation is reversible and is therefore easy to maintain and inexpensive.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 3 hat den Vorteil einer kompakten Anordnung des Flüssigmetalls relativ zu den zu schaltenden Strompfaden.The embodiment according to claim 3 has the advantage of a compact arrangement of the liquid metal relative to the current paths to be switched.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 4 hat den Vorteil, dass durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit einem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden können.The embodiment according to claim 4 has the advantage that by a series connection of liquid metal columns alternately with a dielectric and high voltages and high currents can be handled efficiently and safely.

Ansprüche 5 und 7 geben besonders einfache Konfigurationen für einen strombegrenzenden Schalter oder Strombegrenzer mit integriertem Schalter mit Flüssigmetall an.Claims 5 and 7 indicate particularly simple configurations for a current-limiting switch or current limiter with integrated switch with liquid metal.

Anspruch 6 zeigt eine vorteilhafte, weil selbsttätige und zugleich selbsterholende Strombegrenzung.Claim 6 shows an advantageous, because automatic and at the same time self-recovering current limit.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Strombegrenzung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren, umfassend Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch die Strombegrenzungsvorrichtung vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall führt, wobei elektrische Widerstandsmittel mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand vorhanden sind, Positionierungsmittel zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls entlang einer Bewegungsrichtung entlang den Widerstandsmitteln in mindestens eine zweite Position vorhanden sind, und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall zumindest teilweise in Serie zu den Widerstandsmitteln liegt und zusammen mit diesen einen zweiten Strompfad bildet, auf dem der Betriebsstrom auf einen zu begrenzenden Strom begrenzbar ist, wobei das Widerstandselement ohmsch ist und der elektrische Widerstand zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position ansteigt, wobei in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position zunächst überproportional mit der zweiten Position zunimmt, dann linear mit der zweiten Position in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände tolerabel werden, wieder in eine überproportional ansteigende Funktion der zweiten Position übergeht. Insbesondere ist der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position so dimensioniert und weisen die Positionierungsmittel eine solche Weg-Zeit Charakteristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung auf, dass in jeder zweiten Position des Flüssigmetalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzündspannung zwischen dem Flüssigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme erzielbar ist.In a further aspect, the invention relates to a device for current limiting, in particular for execution the method comprising fixed electrodes and a container having at least one channel for a liquid metal, wherein in a first operating state between the fixed electrodes, a first current path for an operating current through the current limiting device is present and the first current path leads at least partially through the liquid metal located in a first position wherein electrical resistance means are provided with a preselectable electrical resistance, positioning means for moving and spatially positioning the liquid metal along a direction of movement along the resistance means to at least a second position, and in a second operating condition the liquid metal is at least partially in series with the resistance means; forms together with these a second current path on which the operating current can be limited to a current to be limited, wherein the resistance element is ohmic and the electrical resistance and to achieve a smooth turn-off characteristic increases non-linearly and continuously with the second position, wherein in a logarithmic representation of the electrical resistance as a function of the second position initially increases disproportionately with the second position, then increases linearly with the second position in a phase in which the in Energy stored in a network inductance must be absorbed, and then in a region in which the short-circuit current is already limited and larger electrical resistances become tolerable, again changes into a disproportionately increasing function of the second position. In particular, the electrical resistance is dimensioned as a function of the second position and the positioning means have such a path-time characteristic of the liquid metal along the direction of travel that in each second position of the liquid metal the product of electrical resistance and current is less than an arc ignition voltage between the liquid metal and the solid electrodes and intermediate electrodes and a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents can be achieved.

Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.Further embodiments, advantages and applications of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description and the figures.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Fig. 1a, 1bFig. 1a, 1b
zeigen eine erfindungsgemässe Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb und im Strombegrenzungsfall;show a current limiting device according to the invention with liquid metal at nominal current operation and in current limiting case;
Fig. 2Fig. 2
zeigt einen strombegrenzenden Schalter in Form einer Serieanordnung von FlüssigmetallStrombegrenzer und Schalter;shows a current limiting switch in the form of a series arrangement of liquid metal current limiter and switch;
Fig. 3, 4Fig. 3, 4
zeigen strombegrenzende Schalter mit Einfangmechanismen für Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb;show current limiting switches with trapping mechanisms for liquid metal at rated current operation;
Fig. 5Fig. 5
zeigt eine Kurvendarstellung der Variation des Widerstands des Strombegrenzers als Funktion der Position der Flüssigmetallsäule; undFigure 4 is a graph of the variation of the resistance of the current limiter as a function of the position of the liquid metal column; and
Fig. 6Fig. 6
zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer und Flüssigmetall-Leistungsschalter mit Gasantrieb für das Flüssigmetall.shows a combined liquid metal current limiter and liquid metal gas-powered circuit breaker for the liquid metal.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, like parts are given the same reference numerals.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

Fig. 1a, 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1. Der Strombegrenzer 1 umfasst Festmetall-Elektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c für eine Stromzuführung 20 und einen Behälter 4 für das Flüssigmetall 3. Der Behälter 4 hat einen Boden 6 und Deckel 6 aus Isolatormaterial, zwischen denen ein elektrisches Widerstandsmittel 5 mit mindestens einem Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet ist. Über der Flüssigmetallsäule 3 kann beispielsweise ein Schutzgas, eine Isolierflüssigkeit (mit hier nicht dargestelltem Ausweichvolumen) oder Vakuum angeordnet sein.1a, 1b shows an embodiment of a liquid metal current limiter 1. The current limiter 1 comprises solid metal electrodes 2a, 2b and intermediate electrodes 2c for a power supply 20 and a container 4 for the liquid metal 3. The container 4 has a bottom 6 and cover 6 of insulator material, between which an electrical resistance means 5 with at least one channel 3a for the liquid metal 3 is arranged. Over the liquid metal column 3, for example, a protective gas, an insulating liquid (with not shown here alternate volume) or vacuum may be arranged.

In einem ersten Betriebszustand (Fig. 1a) fliesst ein Betriebs- oder Nennstrom I1 auf einem Nennstrompfad 30 von der Eingangselektrode 2a via Flüssigmetall 3 und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c zur Abgangselektrode 2b. Dabei befindet sich das Flüssigmetall 3 in der ersten Position x1, benetzt zumindest teilweise die Festelektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. 1b) wird das Flüssigmetall 3 entlang der Bewegungsrichtung x, gegeben durch eine Höhenerstreckung der Kanäle 3a, in eine zweite Position x2 bewegt, liegt dort in Serie zu dem elektrischen Widerstandsmittel 5 und bildet mit diesem einen zweiten Strompfad oder Strombegrenzungspfad 31 für einen zu begrenzenden Strom I2. Für eine besonders kompakte Anordnung sind der Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende zweite Strompfad 31 zueinander parallel und beide senkrecht zu der Höhenerstreckung der Kanäle 3a auf einer variablen, durch die zweite Position x12, x2 des Flüssigmetalls 3 vorgebbaren Höhe angeordnet. Für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i(t) von den Festelektroden 2a, 2b, 2c zum Widerstandselement 5 soll eine typische, vom Kontaktmaterial abhängige, minimale Lichtbogenzündspannung von 10 V - 20 V nicht überschritten werden.In a first operating state (FIG. 1 a), an operating or rated current I 1 flows on a rated current path 30 from the input electrode 2 a via liquid metal 3 and optionally intermediate electrodes 2 c to the output electrode 2 b. In this case, the liquid metal 3 is in the first position x 1 , at least partially wets the solid electrodes 2 a, 2 b, 2 c and electrically bridges the channels 3 a. In a second operating state (FIG. 1 b), the liquid metal 3 is moved along the direction of movement x, given by a height extent of the channels 3 a, into a second position x 2 , lies there in series with the electrical resistance means 5 and forms with it a second current path or current limiting path 31 for a current I 2 to be limited. For a particularly compact arrangement, the rated current path 30 and the current-limiting second current path 31 are arranged parallel to one another and both perpendicular to the height extent of the channels 3a on a variable, by the second position x 12 , x 2 of the liquid metal 3 predeterminable height. For an arc-free commutation of the current i (t) from the fixed electrodes 2a, 2b, 2c to the resistance element 5, a typical, dependent on the contact material, minimum Lichtbogenzündspannung of 10 V - 20 V is not exceeded.

Bevorzugt umfasst das Widerstandsmittel 5 eine dielektrische Matrix 5, die wandartige Stege 5a zur dielektrischen Trennung einer Mehrzahl von Kanälen 3a für das Flüssigmetall 3 aufweist, wobei die Stege 5a ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung x nichtlinear zunehmendem Widerstand Rx aufweisen. Die Stege 5a sollen auf Höhe der ersten Position x1 des Flüssigmetalls 3 Zwischenelektroden 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle 3a aufweisen. Die Kanäle 3a sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die wandartigen Stege 5a stellen Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar, so dass der strombegrenzende zweite Strompfad 31 durch eine alternierende Serieschaltung der Kanäle 3a und der Einzelwiderstände 5a gebildet wird.Preferably, the resistive means 5 comprises a dielectric matrix 5 having wall-like ridges 5a for dielectric separation of a plurality of liquid metal channels 3 a, the ridges 5 a comprising a dielectric material having a non-linearly increasing resistance R x in the direction of movement x. The webs 5a should at the height of the first position x 1 of the liquid metal 3 intermediate electrodes 2c for the electrically conductive connection of the channels 3a. The channels 3a are preferably arranged substantially parallel to each other. The wall-like webs 5a represent individual resistors 5a of the resistance element 5, so that the current-limiting second current path 31 is formed by an alternating series connection of the channels 3a and the individual resistors 5a.

Die Positionierungsmittel 3a; 20, B, 12 zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls 3 entlang einer Bewegungsrichtung x in mindestens eine zweite Position x12, x2 umfassen die Kanäle 3a und ein Transport- oder Antriebsmittel 20, B, 12 für das Flüssigmetall 3, insbesondere auch eine Antriebssteuerung 11 (wie in Fig. 6 dargestellt). Bevorzugt ist ein elektromagnetischer Antrieb 20, B oder ein mechanischer Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 vorhanden, durch den das Flüssigmetall 3 zwischen Nennstrompfad 30 und Strombegrenzungspfad 31 bewegbar ist.The positioning means 3a; 20, B, 12 for moving and spatially positioning the liquid metal 3 along a movement direction x in at least one second position x 12 , x 2 include the channels 3a and a transport or drive means 20, B, 12 for the liquid metal 3, in particular also one Drive control 11 (as shown in Fig. 6). Preferably, an electromagnetic drive 20, B or a mechanical drive with a dielectric fluid 12 is provided, through which the liquid metal 3 between the nominal current path 30 and the current limiting path 31 is movable.

Bei einem Übergang von der ersten Position x1 zur zweiten Position x12, x2, insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x2, wird das Flüssigmetall 3 entlang des Widerstandselements 5 geführt. Zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x des Flüssigmetalls 3 nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand Rx für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand Rx, der kontinuierlich mit der zweiten Position x12, x2 ansteigt.In a transition from the first position x 1 to the second position x 12 , x 2 , in particular to an extreme second position x 2 , the liquid metal 3 is guided along the resistance element 5. In order to achieve a gentle turn-off characteristic, the resistance element 5 has a non-linearly increasing electrical resistance R x for the second current path 31 along the movement direction x of the liquid metal 3. The resistance element 5 should have an ohmic component and is preferably purely ohmic with an electrical resistance R x which increases continuously with the second position x 12 , x 2 .

Typischerweise wird der zweite Betriebszustand durch einen Überstrom ausgelöst. Bevorzugt wird die Strombegrenzung selbsttätig aktiviert, insbesondere durch elektromagnetische Kraft Fmag, die auf das stromdurchflossene Flüssigmetall 3 wirkt, wobei das Flüssigmetall 3 in einem externen Magnetfeld B oder in einem internen, durch eine Stromzuführung 2a, 2b; 20 erzeugten Magnetfeld B angeordnet ist.Typically, the second operating state is triggered by an overcurrent. Preferably, the current limit is automatically activated, in particular by electromagnetic force F mag , which acts on the current flowing liquid metal 3, wherein the liquid metal 3 in an external magnetic field B or in an internal, by a power supply 2a, 2b; 20 generated magnetic field B is arranged.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemässen Strombegrenzer 1 in Serie geschaltet mit einem elektrischen Schalter 7, insbesondere einem Leistungsschalter 7. In dieser Anordnung wird ein strombegrenzender Schalter 1, 7 realisiert, bei dem die Strombegrenzung vorgängig durch das erfindungsgemässe Verfahren mit Flüssigmetall 3 und danach eine Stromabschaltung konventionell erfolgt. Bei elektromagnetischem Antrieb des Flüssigmetalls 3 können auch zwei Strombegrenzer 1 mit gegenphasig wirksamer Auslösung der Flüssigmetallbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombegrenzung und gegebenenfalls2 shows the current limiter 1 according to the invention connected in series with an electrical switch 7, in particular a power switch 7. In this arrangement, a current-limiting switch 1, 7 is realized, in which the current limitation is previously achieved by the method according to the invention with liquid metal 3 and then a power cut-off conventionally done. In electromagnetic drive of the liquid metal 3 can also be two current limiter 1 with antiphase effective triggering of the liquid metal movement to be connected in series, in each current half-wave, a current limit and, where appropriate

Stromabschaltung zu erreichen.To achieve power shutdown.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Strombegrenzers 1, bei welcher ein Einfangbehälter 3b zur Aufnahme des Flüssigmetalls 3 und zur Schaffung einer Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist. Zudem kann, wie dargestellt, eine Zuführung 3c für Flüssigmetall 3 zum Auffüllen des Flüssigmetalls 3 in den Kanälen 3a und zum Wiederanschalten der Vorrichtung 1 vorhanden sein. Zudem kann zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegrenzungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorgesehen sein, auf welcher die Stege 5a zur Strombegrenzung in Stege 8a zur Stromisolation übergehen. Die Isolationsstege 8a bestehen im wesentlichen aus Isolationsmaterial, sind vorzugsweise im Bereich des Einfangbehälters 3c angeordnet und bilden zusammen mit den durch das eingefangene Flüssigmetall 3 entleerten Kanälen die Isolationsstrecke 32.Fig. 3 shows a variant of the current limiter 1, in which a collecting container 3b for receiving the liquid metal 3 and to provide an insulation gap 32 for power cut is present. In addition, as shown, there may be a liquid metal feed 3c for filling the liquid metal 3 in the channels 3a and switching the device 1 back on. In addition, in addition to the rated current path 30 and the current limiting path 31, an insulation gap 32 may be provided, on which the webs 5a for current limiting pass into webs 8a for current isolation. The insulating webs 8a essentially consist of insulating material, are preferably arranged in the region of the collecting container 3c and together with the channels emptied by the trapped liquid metal 3 form the insulating path 32.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei welcher die Isolationsstrecke 32 ohne Einfangbehälter 3b realisiert ist. Hier ist der Antriebsmechanismus für das Flüssigmetall 3 durch einen Rotationsantrieb 11' für den Strombegrenzer 1 realisiert. Im zweiten Betriebszustand wird die Vorrichtung 1 mit einer vorgebbaren Rotationsgeschwindigkeit so rotiert, dass durch das Gleichgewicht zwischen Reibungs- und Kapillarkräften einerseits und der Zentrifugalkraft andererseits das Flüssigmetall 3 eine zweite Position x12 im Bereich des Widerstandselements 5 einnimmt und einen Strombegrenzungspfad 31 bildet. Durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit und damit der Zentrifugalkraft wird das Flüssigmetall 3 in den Bereich der Isolationsstege 8a gedrängt und bildet zusammen mit diesen die Isolationsstrecke 32. Da das Flüssigmetall leitfähig ist, sind hier die Anforderungen an die dielektrische Festigkeit der Isolationsstege 8a erhöht, was z. B. durch breitere Isolationsstege 8a und/oder eine geeignete Materialwahl erreicht wird.FIG. 4 shows a further variant in which the isolation gap 32 is realized without catching container 3b. Here, the drive mechanism for the liquid metal 3 is realized by a rotary drive 11 'for the current limiter 1. In the second operating state, the device 1 is rotated at a predeterminable rotational speed such that due to the equilibrium between frictional and capillary forces on the one hand and the centrifugal force on the other hand, the liquid metal 3 assumes a second position x 12 in the region of the resistance element 5 and forms a current limiting path 31. By increasing the rotational speed and thus the centrifugal force, the liquid metal 3 is urged into the region of the isolation webs 8a and forms together with these the insulation gap 32. Since the liquid metal is conductive, the requirements for the dielectric strength of the isolation webs 8a are increased here, which z. B. by wider isolation bridges 8a and / or a suitable choice of material is achieved.

Bei beiden Varianten ist also das Flüssigmetall 3 zwischen dem Nennstrompfad 30, dem Strombegrenzungspfad 31 und der Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar, so dass ein integrierter strombegrenzender Schalter 1 auf Flüssigmetallbasis realisiert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Betriebsstrom I1, der zweite Strompfad 31 zur Strombegrenzung und insbesondere die Isolationsstrecke 32 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung x und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dies ergibt eine besonders einfache Konfiguration für einen integrierten Strombegrenzer - Leistungsschalter 1, der ausschliesslich mit Flüssigmetall 3 arbeitet.In both variants, therefore, the liquid metal 3 is movable between the nominal current path 30, the current limiting path 31 and the insulation gap 32 for the current cutoff, so that an integrated current-limiting switch 1 based on liquid metal is realized. Advantageously, the first current path 30 for operating current I 1 , the second current path 31 for current limiting and in particular the isolation path 32 are arranged substantially perpendicular to the direction of movement x and / or substantially parallel to each other. This results in a particularly simple configuration for an integrated current limiter - circuit breaker 1, which works exclusively with liquid metal 3.

Fig. 5 zeigt für den Strombegrenzer 1 oder strombegrenzenden Schalter 1 eine Dimensionierung des elektrischen Widerstands Rx als Funktion der zweiten Position x12 des Flüssigmetalls 3. Mit Vorteil wird der Widerstand Rx bis zu einer extremalen zweiten Position x2 auf einen Maximalwert Rx(x2) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert Rx(x2) des Widerstands Rx nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms I2 auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms I1 auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.Fig. 5 shows for the current limiter 1 or current limiting switch 1, a dimensioning of the electrical resistance R x as a function of the second position x 12 of the liquid metal 3. Advantageously, the resistance R x is up to an extreme second position x 2 to a maximum value R x (x 2 ) non-linear rising selected. Also, for a given voltage level, the maximum value R x (x 2 ) of the resistor R x should be rated to a finite value or to shut off the operating current I 1 to a dielectric isolation value, in accordance with a current I 2 to be limited.

Der elektrische Widerstand Rx als Funktion Rx(x12) der zweiten Position x12 sowie eine Weg-Zeit Charakteristik x12(t) des Flüssigmetalls 3 entlang der Bewegungsrichtung x sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position x12, x2 des Flüssigmetalls 3 das Produkt aus elektrischem Widerstand Rx und Strom I2 kleiner als eine Lichtbogenzündspannung Ub zwischen dem Flüssigmetall 3 und den Festelektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird.The electrical resistance R x as a function R x (x 12 ) of the second position x 12 and a path-time characteristic x 12 (t) of the liquid metal 3 along the direction of movement x should be selected so that in every second position x 12 , x 2 of the liquid metal 3 is the product of electrical resistance R x and current I 2 is smaller than an arc ignition voltage U b between the liquid metal 3 and the fixed electrodes 2a, 2b and intermediate electrodes 2c and / or that a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents i ( t) is achieved.

Zur Beherrschung von Kurzschlüssen ist ein von Stromnetz-Parametern und dem Durchbruchsverhalten der zu trennenden Kontakte 2a, 2b abhängiger Widerstand Rx der Strombegrenzung notwendig. Je grösser die Steilheit des Kurzschlussstroms i(t) ist, um so niedriger muss Rx gewählt werden. Im ungünstigsten Fall sind die maximale Kurzschlussstrom-Amplitude und die maximale Kurzschlussstrom-Induktivität anzunehmen. Dann gilt: R x t i t < U b t

Figure imgb0001
R x t i t + L di / dt t = U N t
Figure imgb0002

wobei t=Zeitvariable, L=Netzinduktivität im Kurzschlussfall, UN=Betriebs- oder Netzspannung, d/dt gleich erste und d2/dt2 gleich zweite Zeitableitung. In Gleichung (G2) wurde angenommen, dass der Widerstand im Netz RNetz << L ist und die Netzspannung UN bei Kurzschluss aufrechterhalten wird. Ferner gilt die Bewegungsgleichung (G3) für das Flüssigmetall 3 mit der Masse m, der Position oder Auslenkung x12(t), dem Reibungskoeffizienten α und der antreibenden Kraft F m d 2 x 12 / dt 2 + α dx 12 / dt t = F - F r ,
Figure imgb0003

wobei Fr=Rückstellkraft, insbesondere gleich Gravitationskraft Fr=m•g mit g=Erdbeschleunigung. In Fig. 5 wurde beispielhaft eine elektromagnetische Kraft F=Fmag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des durchfliessenden Stroms i(t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zusätzlich F = k i 2 t
Figure imgb0004
mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k' ∘ i(t) mit k'=weitere Proportionalitätskonstante. Bei mechanischem Antrieb gilt F=mechanisch erzeugte Druckkraft auf Flüssigmetall 3, die z. B. durch Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit eines abzuschaltenden Stroms i(t) oder eines Überstroms i(t) gewählt werden kann.To control short circuits, a current-limiting parameter R x of the current limiting parameters and the breakdown behavior of the contacts 2 a, 2 b that are to be disconnected are necessary. The greater the slope of the short-circuit current i (t), the lower R x must be selected. In the worst case, the maximum short-circuit current amplitude and the maximum short-circuit current inductance are assumed. Then: R x t i t < U b t
Figure imgb0001
R x t i t + L di / dt t = U N t
Figure imgb0002

where t = time variable, L = line inductance in case of short circuit, U N = operating or mains voltage, d / dt equals first and d 2 / dt 2 equals second time derivative. In equation (G2) it was assumed that the resistance in the network R network << L and the mains voltage U N is maintained in the event of a short circuit. Furthermore, the equation of motion (G3) applies to the liquid metal 3 with the mass m, the position or deflection x 12 (t), the friction coefficient α and the driving force F m d 2 x 12 / dt 2 + α dx 12 / dt t = F - F r .
Figure imgb0003

where F r = restoring force, in particular equal to gravitational force F r = m • g with g = gravitational acceleration. In FIG. 5, an electromagnetic force F = F mag , which is exerted on the liquid metal 3 by self-interaction of the flowing current i (t), was assumed by way of example. Then in addition F = k i 2 t
Figure imgb0004
with k = geometry-dependent proportionality constant. With an external magnetic field B, F = k '∘ i (t) with k' = further proportionality constant. For mechanical drive applies F = mechanically generated compressive force on liquid metal 3, the z. B. can be selected by control or regulation in dependence of a current i (t) or an overcurrent i (t) to be disconnected.

In Fig. 5 wurden beispielhaft angenommen: eine kurzschlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, UN=1 kV, I1=1 kA, maximaler Kurzschlussstrom I2=50 kA sowie plausible Parameterwerte für k, m und α. Dann ergeben sich durch Lösen der Gleichungen (G2)-(G4) unter der Randbedingung (G1) der Widerstand Rx(t) und die Weg-Zeitcharakteristik x12(t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimination der Zeitabhängigkeit der Widerstand Rx(x12) als Funktion der zweiten Position x12, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position x1, d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b , 2c, nimmt Rx zunächst überproportional mit der zweiten Position x12 zu, steigt dann linear in einer Phase, in welcher die in der Netzinduktivität L gespeicherte Energie absorbiert werden muss und geht dann in einem Bereich, in dem der Strom i bereits begrenzt ist und grössere Rx tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h. überproportionalen Anstieg Rx(x12) über.In FIG. 5, it has been assumed by way of example: a short-circuit-induced current gradient di / dt = 15 kA / ms, U N = 1 kV, I 1 = 1 kA, maximum short-circuit current I 2 = 50 kA and plausible parameter values for k, m and α. Then, by solving the equations (G2) - (G4) under the boundary condition (G1), the resistance R x (t) and the path-time characteristic x 12 (t) of the liquid metal 3 and finally by eliminating the time dependence of the resistance R x (x 12 ) as a function of the second position x 12 , as shown in Fig. 5 logarithmic. Starting from the first position x 1 , ie when detaching the liquid metal 3 from the fixed electrodes 2a, 2b, 2c, R x initially increases disproportionately with the second position x 12 , then increases linearly in a phase in which the in the network inductance L stored energy must be absorbed and then goes in a region where the current i is already limited and larger R x tolerable, again in a steeper, ie disproportionate increase R x (x 12 ) over.

Ein solcher, mit der Wegstrecke x nichtlinear ansteigender Widerstand Rx kann beispielsweise durch Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen realisiert werden. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand Rx kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strompfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifischen Widerstand realisiert sein. Die nichtlineare Graduierung des Widerstands Rx kann auch durch Kombination beider Massnahmen, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromführung in einem Widerstandselement mit variablem spezifischen Widerstand, erreicht werden.Such, with the distance x non-linearly increasing resistance R x can be realized for example by materials having different resistivities. A non-linearly increasing total resistance R x can also be realized by a suitable geometric guidance of the current path in a resistance element with homogeneous resistivity. The non-linear graduation of the resistance R x can also be achieved by a combination of both measures, namely by a suitable geometrical current conduction in a resistance element with variable resistivity.

Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Gasantrieb 12 für das Flüssigmetall 3. Bei einer Verschiebung des Flüssigmetalls 3 in positive Bewegungsrichtung +x wird der Strom i auf dem Strombegrenzungspfad 31 geführt und wie oben diskutiert begrenzt. Alternativ kann das Flüssigmetall 3 in einem dritten Betriebszustand entlang der entgegengesetzten Bewegungsrichtung -x in mindestens eine dritte Position x13, x3 bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindestens einen dritten Position x13, x3 in Serie mit einem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird. Wie dargestellt kann die Isolationsstrecke 8 durch eine Mehrzahl von Isolationsstegen 8a gebildet sein, die im Abschaltfall in alternierender Serieschaltung mit den nach unten verschobenen Flüssigmetallsäulen 3 stehen. Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, wobei das Flüssigmetall 3 durch einen elektromagnetischen Antrieb mit schaltbarem externen Magnetfeld B oder durch einen mechanischen Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 bewegt wird. In Fig. 6 ist beispielhaft ein Gasantrieb 12 angegeben, bei dem ein erster Gasdruckbehälter 121 mit Gas unter Volumen V1 und Druck p1 und ein zweiter Gasdruckbehälter 122 mit Gas unter Volumen V2 und Druck p2 über je ein steuerbares Gasdruckventil 13 mit dem Arbeitsdruckbehälter 123 mit Arbeitsvolumen V3 und Arbeitsdruck p3 kommunizieren. Es kann auch ein kombiniertes Ventil, z. B. ein Dreiweg-Ventil, statt zweier separater Ventile 13 vorgesehen sein. Durch Wahl passender Drücke, z. B. p1<p2, und Aktivierung der Ventile 13 kann zwischen dem ersten, zweiten und dritten Betriebszustand gezielt hin- und hergeschaltet werden. Beispielsweise wird zur Strombegrenzung 31 Gas aus 121 mit Druck p1 in das Arbeitsvolumen V3 eingeströmt und die Flüssigmetallsäulen 3 steigen auf x12 oder x2. Für Nennstrombetrieb 30 wird zeitweise Gas aus 122 eingeströmt und der Flüssigmetallspiegel wird auf x=0 gesenkt. Zur Leistungsabschaltung 32 wird der Behälter 122 mit Druck p2 geöffnet und das Flüssigmetall 3 auf die dritte Position x13 oder extremale dritte Position x3 gesenkt. Das eingeschlossene Gas im Einschlussvolumen 124 bewirkt eine rücktreibende Federkraft. Weitere Details und Varianten des Gasantriebs 12, z. B. drei Druckbehälter mit drei unterschiedlichen Drücken jeweils für einen der drei Betriebszustände und insbesondere Anschluss des Volumens 124 an einen Druckbehälter, sind möglich und seien hiermit ausdrücklich mitumfasst. Alternativ oder ergänzend zu Druckbehältern 121, 122 kann der Flüssigmetallantrieb auch magnetisch mit externem oder internem Magnetfeld B oder mechanisch mit Kolben ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend zu Gas kann auch ein anderes dielektrisches Arbeitsfluid, z. B. Öl, verwendet werden. Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn o. ä..Fig. 6 shows a combined liquid metal current limiter 1 and liquid metal power switch 1 with gas drive 12 for the liquid metal 3. With a displacement of the liquid metal 3 in the positive direction of movement + x, the current i is guided on the current limiting path 31 and limited as discussed above. Alternatively, the liquid metal can 3 in a third operating state along the opposite direction of movement in at least a third position -x x 13, are moved x 3, wherein the liquid metal 3 in the at least one third position x 13, x 3 is in series with an insulator 8 and thereby an insulation gap 32 for power shutdown is formed by the device 1. As shown, the insulation section 8 may be formed by a plurality of insulation webs 8a, which are in the case of disconnection in alternating series connection with the downwardly displaced liquid metal columns 3. In particular, the third operating state is triggered by a switch-off command, wherein the liquid metal 3 is moved by an electromagnetic drive with a switchable external magnetic field B or by a mechanical drive with a dielectric fluid 12. In Fig. 6 a gas drive 12 is exemplified, in which a first gas pressure vessel 121 with gas volume V 1 and pressure p 1 and a second gas pressure vessel 122 with gas volume V 2 and pressure p 2 via a controllable gas pressure valve 13 with the Working pressure vessel 123 with working volume V 3 and working pressure p 3 communicate. It can also be a combined valve, z. B. a three-way valve, instead of two separate valves 13 may be provided. By choosing appropriate pressures, z. B. p 1 <p 2 , and activation of the valves 13 can be selectively switched back and forth between the first, second and third operating state. For example, for the current limitation 31, gas from 121 having pressure p 1 flows into the working volume V 3 and the liquid-metal columns 3 rise to x 12 or x 2 . For nominal current operation 30, gas from 122 is temporarily flowed in and the liquid metal mirror is lowered to x = 0. For power cut-off 32, the container 122 is opened with pressure p 2 and the liquid metal 3 is lowered to the third position x 13 or extreme third position x 3 . The trapped gas in the containment volume 124 causes a restoring spring force. Further details and variants of the gas drive 12, z. B. three pressure vessel with three different pressures each for one of the three operating conditions and in particular connection of the volume 124 to a pressure vessel, are possible and are hereby expressly mitumfasst. Alternatively or in addition to Pressure vessels 121, 122, the liquid metal drive can also be performed magnetically with external or internal magnetic field B or mechanically with piston. Alternatively or in addition to gas, another dielectric working fluid, for. As oil used. As liquid metal 3 are suitable for. As mercury, gallium, cesium, GaInSn o. Ä ..

Mit Vorteil ist die Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads 31 und/oder unterhalb des ersten Strompfads 30 angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines Antriebmechanismus 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert. Auch kann der Strombegrenzer 1 in Fig. 6 auch als strombegrenzender Schalter 1, wie beschrieben, ausgelegt sein.Advantageously, the isolation path 32 for power cutoff is arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30. As a result, a compact arrangement of the liquid metal 3 and its drive mechanism 12 relative to the currents to be switched, in particular to the nominal current path 30, current limiting path 31 and, if necessary, power-off path 32, is realized. Also, the current limiter 1 in Fig. 6 as a current-limiting switch 1, as described, be designed.

Anwendungen der Vorrichtung 1 betreffen u.a. den Einsatz als Strombegrenzer, strombegrenzender Schalter und/oder Leistungsschalter 1 in Stromversorgungsnetzen, als selbsterholende Sicherung oder als Motorstarter. Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Schaltanlage, insbesondere eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung 1 wie oben beschrieben.Applications of the device 1 relate to, inter alia, the use as a current limiter, current-limiting switch and / or circuit breaker 1 in power supply networks, as a self-recovering fuse or as a motor starter. The invention also includes an electrical switchgear, in particular a high or medium voltage switchgear, characterized by a device 1 as described above.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Flüssigmetall-StrombegrenzerLiquid metal current limiter
2a, 2b2a, 2b
Festmetall-Elektroden, MetallplattenSolid metal electrodes, metal plates
2c2c
Zwischenelektrodenbetween electrodes
2020
Stromzuführung, StromleiterPower supply, conductor
33
Flüssigmetallliquid metal
3a3a
Kanäle für FlüssigmetallChannels for liquid metal
3b3b
Einfangbehälter für FlüssigmetallCapture container for liquid metal
3c3c
Zuführung für FlüssigmetallFeed for liquid metal
3030
Strompfad für Betriebsstrom, erster StrompfadCurrent path for operating current, first current path
3131
Strompfad für Strombegrenzung, zweiter StrompfadCurrent path for current limiting, second current path
3232
Stromunterbrechungspfad, IsolationsstreckePower interruption path, isolation route
44
Flüssigmetall-BehälterLiquid metal container
55
Widerstandselement für Strombegrenzung, Widerstandsmatrix für FlüssigmetallResistive element for current limiting, resistance matrix for liquid metal
5a5a
Einzelwiderständeindividual resistors
66
Isolator, Behälterdeckel, GehäusewandIsolator, container lid, housing wall
77
Schalter, LeistungsschalterSwitch, circuit breaker
88th
Isolator für StromunterbrechungIsolator for power interruption
8a8a
EinzelisolatorenSingle insulators
99
flexible Membranflexible membrane
1010
Ventil für FlüssigmetallzuführungValve for liquid metal supply
1111
Antriebssteuerung, MagnetfeldsteuerungDrive control, magnetic field control
11'11 '
Rotationsbewegungrotational motion
1212
Gasantrieb für FlüssigmetallGas drive for liquid metal
121-124121-124
GasdruckbehälterGas Cylinders
1313
GasdruckventileGas pressure valves
αα
Reibungskoeffizientcoefficient of friction
BB
Magnetfeldmagnetic field
Fmag F likes
magnetische Kraftmagnetic force
Fr F r
RückstellkraftRestoring force
ii
Stromelectricity
I1 I 1
Betriebsstromoperating current
I2 I 2
begrenzter Überstromlimited overcurrent
kk
Proportionalitätskonstanteproportionality
LL
Netzinduktivitätline inductance
P1, P2, P3 P 1 , P 2 , P 3
Gasdruckgas pressure
Rx Rx
Widerstand des StrombegrenzersResistor of the current limiter
tt
Zeitvariabletime variable
Ub U b
Lichtbogenzündspannungarc striking voltage
UN U N
Netzspannung, BetriebsspannungMains voltage, operating voltage
Vi, V2, V3 V i , V 2 , V 3
Gasvolumengas volume
x, x1, x2, x12, x3, x13 x, x 1 , x 2 , x 12 , x 3 , x 13
Position der FlüssigmetallsäulePosition of the liquid metal column

Claims (13)

  1. Method for current limiting (1), in particular in electrical power supply networks, having a current limiting apparatus (1) which has solid electrodes (2a, 2b) and a container (4) with at least one channel (3a) for a liquid metal (3), in which an operating current (I1) is carried on a first current path (30) through the current limiting apparatus (1) between the solid electrodes (2a, 2b) and the first current path (30) is at least partially passed through the liquid metal (3), which is located in a first position (x1), in a first operating state, in which the liquid metal (3) is moved along a movement direction (x) to at least one second position (x12, x2) in a second operating state, and is passed along a resistance element (5) during the transition from the first position (x1) to the second position (x12, x2), and is connected in series with the resistance element (5) in the at least one second position (x12, x2) and in consequence a current-limiting second current path (31) is formed through the current limiting apparatus (1) and has a predeterminable electrical resistance (Rx), characterized in that
    a) the resistance element (5) is purely resistive, and the electrical resistance (Rx) rises non-linearly and continuously with the second position (x12, x2) in order to achieve a soft disconnection characteristic, wherein
    b) in logarithmic representation the electrical resistance (Rx) first of all increases more than proportionally with the second position (x12) as a function (Rx(x12)) of the second position (x12) and then rises linearly with the second position (x12) in a phase in which the energy which is stored in a network inductance must be absorbed, and then, in a region in which the short-circuit current (i(t)) is already limited and greater electrical resistances (Rx) are tolerable, changes once again to a more than proportionally rising function (Rx(x12)) of the second position (x12).
  2. Method according to Claim 1 characterized in that the electrical resistance (Rx) is chosen as a function (Rx(x12)) of the second position (x12), and the distance/time characteristic (x12(t)) of the liquid metal (3) along the movement direction (x) is chosen such that
    a) in every second position (x12, x2) of the liquid metal (3), the product of the electrical resistance (Rx) and of the current (I2) is less than an arc striking voltage (Ub) between the liquid metal (3) and the solid electrodes (2a, 2b) and intermediate electrodes (2c), and
    b) an adequate current limiting gradient is achieved to cope with network-dependent short-circuit currents (i(t)).
  3. Method according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    a) the movement direction (x) of the liquid metal (3) is predetermined by a height extent of the at least one channel (3a), and/or
    b) the current-limiting second current path (31) runs essentially at right angles to a height extent of the at least one channel (3a) and at a variable height which can be predetermined by the second position (x12, x2) of the liquid metal (3).
  4. Method according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    a) a plurality of channels (3a) are arranged essentially parallel to one another and are separated from one another by wall-like webs (5a),
    b) in which the webs (5a) form individual resistances (5a) of the resistance element (5), and the current-limiting second current path (31) is formed by alternating series connection of the channels (3a) and of the individual resistances (5a), and
    c) in particular, in that the webs (5a) have intermediate electrodes (2c) for the operating current (I1) to pass through at the same height as the solid electrodes (2a, 2b).
  5. Method according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    a) the electrical resistance (Rx) rises to a maximum value (Rx(x2)) at an extreme second position (x2), and/or
    b) for a given voltage level, a maximum value (Rx(x2)) of the electrical resistance (Rx) is designed to have a finite value on the basis of a current (I2) to be limited, or is designed to have a dielectric isolation value for disconnection of the operating current (I1).
  6. Method according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    a) the second operating state is initiated by an overcurrent (I2) and/or
    b) the current limiting is activated autonomously, in particular by electromagnetic force (Fmag) which acts on the liquid metal (3) through which current is flowing, with the liquid metal (3) being arranged in an external magnetic field (B) or in an internal magnetic field (B) which is produced by a current supply (2a, 2b; 20).
  7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in a third operating state,
    a) the liquid metal (3) is moved along an opposite movement direction (-x) to at least one third position (x13, x3), and
    b) the liquid metal (3) is connected in series with an isolator (8) when in the at least one third position (x13, x3), thus forming an isolation path (32) for power disconnection by the apparatus (1), and
    c) in particular in that the third operating state is initiated by a disconnection command and the liquid metal (3) is moved by an electromagnetic drive with a switchable external magnetic field (B), or by a mechanical drive with a dielectric fluid (12), in particular by a gas drive (12).
  8. Apparatus for current limiting (1), in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, having solid electrodes (2a, 2b) and a container (4) with at least one channel (3a) for a liquid metal (3), in which a first current path (30) for an operating current (I1) is provided through the current limiting apparatus (1) between the solid electrodes (2a, 2b) in a first operating state, and the first current path (30) passes at least partially through the liquid metal (3) which is located in a first position (x1), in which electrical resistance means (5) with a predeterminable electrical resistance (Rx) are provided, positioning means (3a; 20, B, 12, 11) are provided for movement and for spatial positioning of the liquid metal (3) along a movement direction (x) along the resistance means (5) to at least one second position (x12, x2), and the liquid metal (3) is connected at least partially in series with the resistance means (5) in a second operating state, and forms a second current path (31) together with it, on which the operating current (I1) can be limited to a current (I2) to be limited, characterized in that
    a) the resistance element (5) is purely resistive, and the electrical resistance (Rx) rises non-linearly and continuously with the second position (x12, x2) in order to achieve a soft disconnection characteristic, wherein
    b) in logarithmic representation the electrical resistance (Rx) first of all increases more than proportionally with the second position (x12) as a function (Rx(x12)) of the second position (x12) and then rises linearly with the second position (x12) in a phase in which the energy which is stored in a network inductance must be absorbed, and then, in a region in which the short-circuit current (i(t)) is already limited and greater electrical resistances (Rx) are tolerable, changes once again to a more than proportionally rising function (Rx(x12)) of the second position (x12).
  9. Apparatus according to Claim 8, characterized in that the electrical resistance (Rx) is designed to be a function (Rx(x12)) of the second position (x12) and the positioning means (3a; 20, B, 12, 11) have a distance/time characteristic (x12(t)) of the liquid metal (3) along the movement direction (x) such that
    a) in every second position (x12, x2) of the liquid metal (3), the product of the electrical resistance (Rx) and of the current (I2) is less than an arc striking voltage (Ub) between the liquid metal (3) and the solid electrodes (2a, 2b) and intermediate electrodes (2c), and
    b) an adequate current limiting gradient is achieved to cope with network-dependent short-circuit currents (i(t)).
  10. Apparatus according to one of Claims 8-9,
    characterized in that
    a) the resistance means (5) have a dielectric matrix (5) which has wall-like webs (5a) for dielectric isolation of the channels (3a) for the liquid metal (3), and the webs (5a) have a dielectric material with a resistance (Rx) which increases non-linearly in the movement direction (x), and the webs (5a) have intermediate electrodes (2c) for electrically conductive connection of the channels (3a) at the height of the first position (x1) of the liquid metal (3), and/or
    b) a catchment container (3b) is provided for holding the liquid metal (3) and for provision of an isolation path (32) for current disconnection, and/or
    c) a supply (3c) for liquid metal (3) is provided in order to fill the channels (3a) with the liquid metal (3) and in order to reconnect the apparatus (1).
  11. Apparatus according to one of Claims 8-10, characterized in that the positioning means (3a; 20, B, 12, 11) comprise the channels (3a) and a drive means (20, B, 12, 11) for the liquid metal (3), in particular an electromagnetic drive (20, B, 12, 11) or a mechanical drive with a dielectric fluid (12, 11), by means of which the liquid metal (3) can be moved between the first current path (30) for the operating current (I1) and the second current path (31) for current limiting, and in particular an isolation path (32) for current disconnection.
  12. The apparatus according to one of Claims 8-11,
    characterized in that
    a) the first current path (30) for the operating current (I1), the second current path (31) for current limiting and, in particular, an isolation path (32) for current disconnection are arranged essentially at right angles to the movement direction (x) and/or essentially parallel to one another, and/or
    b) at least one isolation path (32) for current disconnection is arranged above the second current path (31) and/or below the first current path (30).
  13. Electrical switchgear assembly, in particular high-voltage or medium-voltage switchgear assembly, characterized by an apparatus (1) according to one of Claims 8-12.
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