CN100446152C - 用自动限流器限流的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于联合的限流和断路的方法和装置(1)以及一种具有这样的装置(1)的开关设备。在本发明的联合的限流器-断路器(1)中，活动电极(3，3′)一方面为了限流，通过与过电流有关的电磁力Fmag沿用于限流路径(31)的电阻元件(5)被自动地导引，并且另一方面为了断路与绝缘子(8)串联。实施例为：劳伦兹力用于自动限流；活动电极(3，3′)通过液态金属(3)或活动的固态导体(3′)被实现；沿运动方向(x)非线性增大的、用于柔和的限流特性的电阻(Rx)；和以具有多个用于液态金属(3)的通道(3a)的介电矩阵形式的电阻元件(5)。优点是：无电弧的，可逆的限流和断流，也适于高的电压和电流，快的反应时间，少的磨损和便于维护。
Description
技术领域
本发明涉及用于电气开关设备的主要技术，特别是高压、中压或低压开关设备中限制故障电流的主要技术。本发明基于根据一种独立权利要求的前叙部分所述的限流方法和装置及一种具有该装置的开关设备。
背景技术
DE4012385A1公开了一种电流控制的断路装置，其工作原理基于具有液态金属的收缩效应。在两个固态金属电极之间设有单个的充填有液态金属的窄的通道。在有过电流时，液态的导体由于电磁力通过收缩效应被收缩，使电流本身收缩和分离液态的导体。被排挤的液态金属被收集在贮备容器中并在过电流事件之后重新流回。触点的分离是在没有电弧的情况下进行的。但是该装置只适于较小的电流、较小的电压和较长的断开时间，并且不提供持续的断路状态。
DE2652506公开了一种电气的具有液态金属的强电流开关。一方面，一种用于润湿固态金属电极和用于减少接触电阻的液态金属混合物被使用。其中，液态金属通过机械的排挤，譬如通过活动的触点或气动的浸液活塞逆向重力地被驱入接触间隙中。由于导电的导体通过流过该导体的电流径向紧缩的收缩效应，液态金属可附加地被稳定和固定在接触间隙中。外磁场和漏磁通量(譬如由电流输送引起)可在液态金属中造成流动的不稳定性并被屏蔽，并且根据情况在关断时被允许，以便支持在液态金属中对电弧的熄灭。这样做的缺点是，分层次的限流是不可能的，并且固态电极之间的电弧在液态金属中造成氧化。该强电流开关的结构包括用于液态金属、惰性气体或真空的密封并且是相当昂贵的。
DE19903939A1公开了一种具有液态金属的自恢复的限流装置。在两个固态金属电极之间设有一个耐压的绝缘箱，在该绝缘箱中，液态金属设在压缩机室和位于其间的连接这些压缩机室的连接通道中，使固态电极之间有了一个用于额定电流的电流路径。在这些连接通道中的电流路径比压缩机室中的电流路径狭窄。在有短路电流时，这些连接通道被强烈加热并发出气体。液态金属通过连接通道中雪崩式的气泡形成汽化到压缩机室中，使一个限流的电弧在现被排空了液态金属的连接通道中被点燃。在过电流衰减后，液态金属可重新冷凝并且电流路径重新准备工作。
在WO00/77811中公开了一种自恢复的限流装置的改进形式。连接通道是向上锥形地扩宽的，使液态金属的液面高度可被改变并且额定电流承受能力可以在大范围上改变。此外，一个曲折形的电流路径通过连接通道的错位布局被形成，使一系列限流的电弧在液态金属的过电流造成的汽化时被点燃。这种收缩效应限流器需要在压力和温度方面有很稳定的设计，这在设计上是很费事的。通过借助电弧限流，在限流器内出现大的磨损，并且燃烧残余可能污染液态金属。通过液态金属在短路过后马上再冷凝，又建立一个导电的状态，使断路状态不存在。
GB1206786公开了一种按照独立权利要求的前序部分所述的基于液态金属的强电流电气开关。液态金属在第一位置中形成工作电流的电流路径，并且在电流切换时沿电阻元件被导向并被置入一个第二位置，液态金属在该第二位置中与电阻元件串联并把电流减少到很小一部份上。该强电流开关是为了生成高强度的、兆安和亚毫秒区域中的电流脉冲以生成等离子而设计的。
US4599671公开了一种如独立权利要求的前序部分所述的自动限流的装置。活动电极以可在轨道上移动的滑板的形式实现，该滑板可通过短路电流电磁地偏转。在被偏转的状态中，滑板接触一个具有限流电阻的轨道区域。替代可移动的滑板，在通道中容易移动的液态金属柱也可用作活动电极。所述的限流器仍不具有断路状态，而是与断路开关串联，以便先限制电流然后完全关断电流。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于改善和简化限流和断流的方法和装置，及具有一个这样的装置的电气开关设备。按照本发明，上述任务通过独立权利要求的特征实现。
一方面，本发明在于一种用限流装置限流的方法，该限流装置包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态，工作电流在固体电极之间在通过限流装置的第一电流路径上被导向，并且该第一电流路径至少部分地通过第一位置中的活动电极而导向，其中，该至少一个活动电极在第二工作状态中通过与待限制的过电流的电磁相互作用而自动地沿移动方向被向至少一个第二位置移动，在从第一位置向第二工作位置的过渡时，该活动电极沿电阻元件被导向，并在所述至少一个第二位置中与该电阻串联，从而形成一个通过限流装置的、限流的第二电流路径，该限流的第二电流路径具有一个可预先给定的电阻，其中，该活动电极还在第三工作状态中与绝缘子串联，从而形成用于通过该装置断路的绝缘段。按照本发明，提供了一种特别简单的、用于自动限流的开关或带有集成开关的限流器的配置。过电流本身触发限流。譬如在磁场中作用到引导电流的导体上的劳伦兹力被考虑作为基础的电磁相互作用，但是过电流对活动的导体段或对活动电极的电容性的、感应性的、静电的或其它的电磁作用也是可能的。由于在限流的情况下，不是绝缘子，而是电阻与活动电极接触，所以没有电弧被点燃。因此，该限流方法也可在很高的电压电平时被采用。此外，几乎不出现活动电极的由烧损或腐蚀造成的磨损。限流是可逆地进行的，因此便于保养且费用合理。
在第一实施例中，第三工作状态由关断指令触发，通过该关断指令，外磁场在装置作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
在另一实施例中，活动电极在第三工作状态中沿相反移动方向往至少一个第三位置移动，并在该至少一个第三位置与绝缘子串联。
在另一实施例中，该活动电极自动地通过与待限制的过电流的电磁相互作用沿电阻元件被导引至一个极端的第二位置，其中，该极端的第二位置处在如下区域中：在该区域中，电阻元件过渡到绝缘子，使得形成所述的或另一个用于断流的绝缘段。
在另一实施例中，为了达到柔和的关断特性，选择具有随活动电极的移动方向非线性升高的电阻的电阻元件用于第二电流路径，和/或该电阻元件是欧姆性的，并且该电阻连续地随第二位置增大。通过这种方式，实现了柔和的、用于累进限流的限流特性。
在另一实施例中，第二工作状态由过电流自动地激活，其方式是：当前有电流通过的活动电极被通过电磁力移动，所述电磁力垂直于通过活动电极的电流并垂直于磁场，并且所述电磁力具有平行于移动方向的力分量，所述的磁场被选作外部的磁场和/或被选作内部磁场，该内部磁场由通往限流装置的电流馈送装置产生。该实施例的优点是：磁场直接作用到有电流流过的活动电极上，并且该电极通过劳伦兹力驱动。该劳伦兹力与磁场强度和电流的乘积成比例。该磁场可以外部地、特别是恒定地或可开关地产生，或内部地、特别是由待限制的电流产生。通过对劳伦兹力和合适的复位力的均衡，结果得出的移动可与待限制的过电流和所需的电阻要求的电极偏转相匹配。
提供了用于优化设计限流过程的动力学的设定准则。
提供了有利的、具有液态金属和/或作为活动电极的滑动触点-固态导体的实施例。特别是通过液态金属柱交替地与电介质串联，也可有效地和可靠地控制高电压和大电流。
另一方面，本发明涉及一种用于限流的、特别是用于实施上述方法的装置，包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态中，在固定电极之间有一个用于通过限流装置的工作电流的第一电流路径，并且该第一电流路径至少部分地通过第一位置中的移动的电极。其中，存在用于在有过电流时自动地把活动电极沿一个移动方向朝至少一个第二位置移动的电磁驱动装置，存在具有可预先给定的电阻的电阻装置，并且该活动电极在第二工作状态至少部分地与该电阻装置串联，并与这些电阻装置一起形成第二电流路径，在该第二电流路径上，工作电流可限制为待限制的电流，其中，该活动电极在第三工作状态中与绝缘子串联，从而形成用于通过该装置断路的绝缘段。
根据从属的权利要求以及以下的描述和附图，得出来发明的其他实施形式、优点和应用。
附图说明
图1a、1b示出本发明的具有液态金属的，在额定电流操作和在限流情况下的自操作限流装置。
图2、3示出在额定电流操作(点划线)和在限流情况下的、根据本发明的具有机械滑动触点的两个自操作限流装置。
图4示出在额定电流操作情况下的、具有用于液态金属的收集机构的限流开关。
图5示出作为液态金属柱位置的函数的限流器电阻变化曲线图。
图6示出具有用于液态金属的外磁场驱动装置的组合液态金属型限流器和液态金属型断路器。
在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1a、1b示出液态金属型限流器1的一个实施例。限流器1包括固态金属电极2a、2b和用于电流输送装置20的中间电极2c及用于液态金属3的容器4。容器4有绝缘材料构成的底6和盖6，在底和盖之间设有具有至少一个用于液态金属3的通道3a的电阻装置5。在液态金属柱上方可譬如设有保护气体、绝缘液体(具有图中未示出的备用体积)或真空。
按照本发明，液态金属3或概括地说活动电极3、3′通过与待限制的过电流I2电磁相互作用被自动地驱动。在液态金属3的情况下，该液态金属保持液态的聚集状态，并通过强制的移动有目的地在不同的位置x1、x12或x2之间移动。其中没有利用收缩效应。由此可以达到高达小于1ms的快速限流反应时间。除了额定电流路径30和限流路径31，还有一个绝缘段32。
优选的是，第二工作状态通过过电流I2自动地被激活，其方式是：有电流通过的活动电极3、3′通过电磁力Fmag被移动，该电磁力垂直于通过活动电极3、3′的电流I2并垂直于磁场Bext、Bint，并且该电磁力具有平行于移动方向x、l的力分量。其中，磁场Bext、Bint被选择为外部磁场Bext和/或由通往限流装置1的电流输送装置2a、2b、20生成的内部磁场Bint。替代劳伦兹力，可以使用另一自动的、与过电流I2的电磁相互作用来限流，譬如使用电容性的、电感性的、静电的或其他的相互作用来限流。在此，自动意味着：活动电极的移动是在没有有源电源测量和有源调节技术的情况下被触发和控制的。
在第一工作状态(图1a)，工作电流或额定电流I1在第一电流路径或者说在额定电流路径30上从输入电极2a经由液态金属3和根据情况经由中间电极2c流往输出电极2b。此时，液态金属3处在第一位置x1中，至少部分地润湿固定的电极2a、2b、2c并导电地桥接通道3a。在第二工作状态中(图1b)，液态金属3沿由通道3a的高度走向给定的移动方向x移动到第二位置x2，在该第二位置与电阻装置5串联，并且与该电阻装置一起形成待限制的电流I2的第二电流路径，或者说限流路径31。为了特别紧凑的布局，额定电流路径30和限流的第二电流路径31相互平行地设置，并且两者垂直于通道3a的高度走向地在可变的、由液态金属3的第二位置x12、x2预先给定的高度处设置。
电阻装置5最好包括介电矩阵5，该矩阵具有壁状的隔片5a，用于介电隔离多个用于液态金属3的通道3a。其中，隔片5a具有一种其电阻Rx沿移动方向x增大，并优选地非线性增大的介电材料。隔片5a是电阻元件5的单个电阻5a，具有沿通道高度增大的并优选地非线性增大的电阻Rx。在液态金属3的第一位置x1的高度处，隔片5a应具有用于导电连接通道3a的中间电极2c。通道3a优选地基本上相互平行地设置。从而由充填有液态金属3的通道区域3a和作为电阻元件5的以其长度累加的并且优选非线性累加的单个电阻5a起作用的隔片5a的交替串联形成限流的第二电流路径31。
在图2和图3所示实施例中，活动电极3、3′包括具有至少一个滑动触点2d的固态导体3′，并且在第一工作状态中与固定的电极2a、2b电连接，在第二工作状态中至少一侧与电阻元件5电连接，在第三工作状态中至少一侧与绝缘子8电连接。有利的是，固态导体3′基本上由轻金属和/或以轻结构的方式(譬如由涂敷有金属的软木)制成，和/或滑动触点2a为了减少摩擦而用液态金属润湿。图2所示的实施例中，固态导体3′在其一端可转动地与输入电极2a相连，并在另一端用滑动触点可滑动地沿圆弧形的电阻元件5移动。图3所示的实施例中，固态导体3、3′在两端上具有滑动触点2d，并在电阻装置5的壁式电阻5a之间像悬梁一样在其整个长度上可通过电磁的相互作用逆着复位力Fr(特别是逆着重力)升高。滑动触点2d的行程位置l1、l12、l2对应于液态金属柱3的前述的第二位置x1、x12、x2。极限的第二位置l12可位于电阻元件5过渡到绝缘子8的区域内，从而形成用于断流的绝缘段32。
在从第一位置x1，l1向第二位置x12、x2、l12、l2，特别是向极端的第二位置x2、l2过渡时，液态金属3或具有滑动触点2d的固态导体3沿电阻元件5被导向。为了实现柔和的限流或断路特性，电阻元件5具有沿活动电极3、3′的移动方向x、l非线性增大的用于第二电流路径31的电阻Rx、Rl。电阻元件5应具有一个欧姆分量，且优选是纯欧姆性的，具有电阻Rx、Rl，该电阻连续地随第二位置x12、x2、l12、l2增大。为了无电弧地从固定电极2a、2b、2c向电阻元件5传递电流i(t)，与触点材料有关的典型电弧点燃电压不应被超过，该电压最小为10伏至20伏。
也可相继设置两个具有反相有效地触发电极移动的装置的限流器1，以便在每个电流半波中达到限流和必要时达到断流。
图4示出了限流器1的一个派生形式，其中，提供用于容纳液态金属3的和用于实现绝缘段32以便断流的收集容器3b。此外，如图所示，也可有一个用于把液态金属3充填到通道3a中并重新接通装置1的液态金属供给装置3c。此外，除了额定电流路径30和限流路径31还有绝缘段32。在该绝缘段32上，用于限流的隔片5a过渡到用于电流绝缘的隔片8a。绝缘隔片8a基本上由绝缘材料组成，优选地设在收集容器3c的区域中，并与排空了被收集的液态金属3的通道一起形成绝缘段32。在该情况下，液态金属3可在额定电流路径30、限流路径31和绝缘段32之间移动以断流，从而实现了基于液态金属的限流的开关1。有利的是，用于工作电流I1的第一电流路径30、用于限流的第二电流路径31和绝缘段32基本上垂直于移动方向x，和/或基本上相互平行地设置。这样得到用于集成的、仅用液态金属3工作的限流器-断路器1的特别简单的构造。
图5示出限流的开关1的活动电极3、3′的作为第二位置x12、x2的函数的电阻Rx、Rl的规格设定。有利的是，选择电阻Rx，Rl为：直到极限的第二位置x2、12非线性升高到最大值Rx(x2)、Rx(l2)上。对于给定的电压电平，电阻Rx，Rl也应根据待限制的电流I2的标准被设定为有限的值，或为了关断工作电流I，被设定为介电的绝缘值。
作为第二位置x12、l12的函数Rx(x12)、Rl(l12)的电阻Rx、Rl以及活动电极3、3′沿移动方向x、l的行程-时间特性x12(t)、l12(t)应如下地被选择：使得电阻Rx、Rl和电流I2的乘积在活动电极3、3′的每个第二位置x12、x2、l12、l2中小于在活动电极3、3′和固定的电极2a、2b及必要时的中间电极2c之间的电弧点燃电压Ub，和/或使得实现用于对付电网造成的短路电流I(t)的限流的足够陡度。
在所有的前述实施例中，电磁驱动装置2a、2b、20；11；Bint、Bext包括用于产生磁场Bint、Bext的磁场装置2a、2b、20；11，磁场Bint、Bext把具有平行于移动方向x、1的分量的劳伦兹力Fmag作用到被电流I1、I2流过的活动电极3、3′上，使活动电极3、3′可在用于工作电流I1第一电流路径30、用于限流的第二电流路径31、和用于断流的绝缘段的32之间移动。磁场装置2a、2b、20；11可包括通往限流装置1的电流输送装置2a、2b、20，以便产生内部的，与待限制的过电流I2有关的磁场Bint。此外，磁场装置2a、2b、20；11可包括用于产生外部可调的和特别是可转换的磁场Bext的装置11。
以上参考图5对液态金属型限流器1的规格设定进行了举例性讨论。为了对付短路，一个与电网参数和待分离的触点2a、2b的击穿特性有关的限流的电阻Rx是必要的。短路电流I(t)的陡度越大，则Rx须被选得越小。在最不利的情况下，可以假设最大的短路电流幅值和最大的短电流电感，适用的则为：
Rx(t)·I(t)＜Ub(t) (G1)
Rx(t)·I(t)+L·di/dt(t)＝UN(t) (G2)
其中，t＝时间变量，L＝在短路情况下的电网电感，UN＝工作电压或电网电压，d/dt等于一阶时间导数，d2/dt2等于二阶时间导数。在方程式(G2)中假设，电网中的电阻RNetz＜＜L，并且短路时电网电压UN被维持。此外，用于具有质量m、位置或偏转x12(t)，摩擦系数α和驱动力F的液态金属3的运动方程式3则为：
m·d2x12/dt2+α·dx12/dt(t)＝F-Fr (G3)
其中，Fr＝复位力，特别是Fr＝Fg+Fcap，其中，Fg＝m·g等于万有引力，其中m＝液态金属3的质量，和g＝重力加速度，Fcap等于毛细力。
在图5中譬如假设电磁的劳伦兹力F＝Fmag，该劳伦兹力通过待限制的电流i(t)的自相互作用被施加到液态金属3上，则另外适用的是：
F＝k·i2(t) (G4)
其中k＝与几何结构相关的比例常数。在外部磁场B中，F＝k′·i(t)，其中k′＝其它的比例常数。确切地说，k和k′与限流器1的几何结构，特别是与电阻元件5的以及电流路径30、31的和绝缘段32的结构和设置有关，并与磁场装置2a、2b、20的设置有关。
在图5中示例性地假设：短路造成的电流陡度di/dt＝15千安/毫秒，UN＝1千伏，I1＝1千安，最大的短路电流I2＝50千安，以及k，m和α的似然的参数值。通过在边界条件(G1)下对方程式(G2)-(G4)的解得出电阻Rx(t)和液态金属3的行程-时间特性x12(t)，并且最后通过消去时间相关性得出作为第二位置x12的函数的电阻x12，如图5中的对数图所示。从第一位置x1出发，即在液态金属3脱离固定电极2a、2b、2c时，Rx先是超比例地随第二位置x12增大，然后在存储在电网电感L中的能量须被吸收的阶段中线性地升高，在其间电流i已被限制的并且更大的Rx变得可被容忍的区域中又过渡到更陡的，即超比例的升高Rx(x12)中。
限流器1的总电阻在第一工作状态中在通过液态金属段3的额定电流I1操作时被确定，从而通过提供一个适宜的液态金属横截面可被确定到可预先给定的值。限流器1的最大的电阻Rx(x12)可通过电阻材料5的选择和通过其几何构型根据所希望的电压电平和最大允许的过电流I2的标准来设定。
特别是一个随路段x非线性增大的电阻Rx可通过具有不同电阻率的材料实现。一个非线性增大的总电阻Rx也可以通过在具有均匀电阻率的电阻元件中采用适当几何结构的电阻路径实现。电阻Rx的非线性的分段也可通过两个措施的结合，即通过在具有可变的电阻率的电阻元件中采用适当几何结构的电流引导装置被实现。
如果电磁驱动力Fmag超过复位力Fr，则出现自其出发限流装置1被激活的阈值电流Ith。在图1a、1b、4和6所示的实施例中，复位力Fr＝Fg+Fcap。可从中估算出Ith，即
Ith＝[(Fg+Fcap)/k]1/2 (G6)
在毛细力Fcap可忽略不计且磁场通过线圈几何结构产生的最简单的情况下，则
Ith＝[(A·g·d·ρ)/(μ·N)]1/2 (方程式7)
其中，A＝液态金属通道3a的横截面积，ρ＝液态金属3的质量密度，d＝电流输送装置2a、2b、20中产生磁场的线圈的长度，μ＝在线圈中或在液态金属中的导磁率，并且N＝线圈的匝数。直到全限流的、即直到图1b(或还有图2或图3)所示的终点位置时的反应时间tu可通过把磁场装置2a、2b、20、11和复位力Fg、fcap适当设定到可预先给定的值上而获得。
图1b示出了液态金属3在限流情况下的位置。基于变得有效的限流，电磁力Fmag下降到液态金属3上，并且液态金属3在重力Fg作用下重新流回到电极2a、2b、2c之间的起始位置。重新接通时间td在假设毛细力Fcap和电磁力Fmag在有被限制了的电流i时是可忽略不计的情况下可被估算出：
td＝[(2·h)/g]1/2 (G8)
其中，h＝x2-x1＝液态金属通道3a的高度。
重新接通时间td可通过按不同的应用场合的要求适当设计限流器1来适配。特别是影响通道高度h和毛细力Fcap的参量，如通道的横截面积A、通道的几何结构和通道的表面性质，以及液态金属3的类型可相应地被选择。
在对限流器1的热工设计计算中须注意的是，由于短的反应时间和短的重新接通时间，电阻元件5不能有效地被冷却。损耗的能量Eloss加热限流器1。温升ΔT近似为：
ΔT＝Eloss/(A·1·ρ′·c′) (G9)
其中，A＝液态金属部分的横截面积(如前面一样)，l＝限流器1或电阻元件5的总长度，ρ′＝限流器1的平均质量密度，和c′＝限流器1的平均热容量。在电阻性限流的本情况中，损耗能量Eloss远小于通过电弧的限流时的损耗能量。分布的或者矩阵式的电阻元件5的一个主要的优点还在于，损耗能量Eloss很均匀分布在限流器1的容积的上方，因而全部的热物质或热容量可据此尽量被用于吸收损耗能量Eloss。
图6示出了一个组合的具有用于液态金属3的电磁驱动装置2a、2b、20；11；Bint、Bext的液态金属型限流器1和液态金属型断路器1。磁场Bint可在内部通过输入或输出的电流导体20和/或优选地通过在其磁场方向方面可转换的外部磁场Bext产生。当液态金属3沿正移动方向+x移动时，电流i在限流路径31上被导引，并如上所述被限制。替代地，液态金属3在第三工作状况可沿相反的移动方向-x移动到至少一个第三位置x13、x3中，其中，液态金属3在该至少一个第三位置x13、x3中与绝缘子8串联，并且由此形成用于通过装置1断路的绝缘段32。如图所示，该绝缘段8可以是由多个绝缘隔片8a形成，这些绝缘隔片在断路情况下与被向下移的液态金属柱3交替串联。
图3以虚线的形式示出了一个可移动地悬挂的固态导体3′的负的偏转1和位置l13、l3的相仿的情况。第三工作状态特别是通过断路指令被触发，通过该断路指令，外部的磁场Bext在作为限流器和作为断路器的装置1的操作之间转换。作为液态金属3，譬如水银、镓、铯、GaInSn是适宜的。
有利的是，至少一个用于断流的绝缘段32设置在第二电流路径31的上方和/或在第一电流路径30的下方。液态金属3和其驱动机构12的相对于待转换的电流，特别是相对于额定电流路径30、限流路径31和断流路径32的紧凑的布局据此被实现。如前所述，在图6中所示的限流器1也可以是作为限流器的开关1设计的。
装置1的应用尤其涉及在供电电网中作为限流器、限流开关和/或断路器1，作为自恢复的安全装置或发动机启动器的应用。本发明还包括一种电气的开关设备，特别是一种其特征在于具有上述装置1的高压开关设备或中压开关设备。
参考标号表
1：液态金属限流器
2a、2b：固态金属电极，金属盘，固定电极
2c：中间电极
2d：电阻随路径变化的机械滑动触点
20：电流输送装置，电流导体
3：液态金属
3a：液态金属通道
3b：液态金属收集容器
3c：液态金属输送装置
30：操作电流的电流路径，第一电流路径
31：限流的电流路径，第二电流路径
32：电流中断路径，隔离段
4：液态金属容器
5：限流电阻元件，液态金属的电阻矩阵
5a：单个电阻
6：容器盖，壳体壁，绝缘子
8：用于中断电流的绝缘子
8a：单个绝缘子
9：柔性膜
10：用于输送液态金属的阀
11：磁场控制装置
124：反向压力容器，收集到的气体容积
α：摩擦系数
Bext，Bint：外部磁场、内部磁场
Fmag：磁力
Fr：复位力
i：电流
I1：操作电流
I2：被限制的过电流
k：比例常数
l、l1、l2、l12、l3、l13：滑动接触位置
L：电网电感
P1、P2、P3：气体压力
Rx，Rl：限流器电阻
t：时间变量
Ub：电弧点燃电压
UN：线路电压，工作电压
V1、V2、V3：气体体积
x、x1、x2、x12、x3、x13：液态金属柱的位置。
Claims (21)
1、一种用限流装置(1)限流的方法，该限流装置包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3′)，其中，在第一工作状态中，在固定的电极(2a，2b)之间工作电流(I1)在通过限流装置(1)的第一电流路径(30)上被导向，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过位于第一位置(x1，l1)中的活动电极(3，3′)被导向，其中在第二工作状态中，所述至少一个活动电极(3，3′)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁相互作用沿移动方向(x，l)向至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)移动，该活动电极(3，3′)在从第一位置(x1，l1)向第二位置(x12，x2，l12，l2)的过渡过程中，沿电阻元件(5)被导向，并且在至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)与该电阻元件(5)串联，从而形成通过限流装置(1)的限流的第二电流路径(31)，该第二电流路径(31)具有可预先给定的电阻(Rx，Rl)，其特征在于，在第三工作状态中，活动电极(3，3′)与绝缘子(8)串联，从而形成一个用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第三工作状态通过一个关断指令被触发，通过该指令，外部的磁场(Bext)在装置(1)作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在该第三工作状态中：
a)活动电极(3，3′)沿相反的移动方向(-x，-l)向至少一个第三位置(x13，x3，l13，l3)移动，并且
b)活动电极(3，3′)在至少一个第三位置(x13，x3，l13，l3)中与所述的绝缘子(8)串联。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
a)活动电极(3，3′)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁相互作用沿所述电阻元件(5)被导向极端的第二位置(x2，l2)；
b)该极端的第二位置(x2，l2)位于其中电阻元件(5)向所述绝缘子(8)过渡的区域内，从而形成用于断流的绝缘段(32)。
5、按照权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，
a)为获得柔和的关断特性，选择具有沿活动电极(3，3′)的移动方向(x，l)非线性升高的电阻(Rx，Rl)的电阻元件(5)用于第二电流路径(31)；和/或
b)所述的电阻元件(5)是欧姆性的，并且电阻(Rx，Rl)沿第二位置(x12，x2，l12，l2)连续升高。
6、按照权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于。
a)所述第二工作状态由过电流(I2)自动地激活，其方式是：当前有电流通过的活动电极(3，3′)被通过电磁力(Fmag)移动，所述电磁力垂直于通过活动电极(3，3′)的电流(I2)并垂直于磁场(Bext，Bint)，并且所述电磁力具有平行于移动方向(x，l)的力分量，
b)所述的磁场(Bext，Bint)被选作外部的磁场(Bext)和/或被选作内部磁场(Bint)，该内部磁场由通往限流装置(1)的电流馈送装置(2a，2b；20)产生。
7、按照权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，作为第二位置(x12，l12)的函数(Rx(x12)，Rl(l12))的电阻(Rx，Rl)以及活动电极(3，3′)沿移动方向(x，l)的行程/时间特性(x12(t)，l12(t))如下选择：使得
a)在活动电极(3，3′)的每个第二位置(x12，x2，l12，l2)中，电阻(Rx，Rl)和电流(I2)的乘积小于活动电极(3，3′)和固定电极(2a，2b)和必要时的中间电极(2c)之间的电弧点燃电压(Ub)；和/或
b)实现足够的限流陡度来对付电网造成的短路电流(i(t))。
8、按照权利要求5所述的方法，其特征在于，作为第二位置(x12，l12)的函数(Rx(x12)，Rl(l12))的电阻(Rx，Rl)以及活动电极(3，3′)沿移动方向(x，l)的行程/时间特性(x12(t)，l12(t))如下选择：使得
a)在活动电极(3，3′)的每个第二位置(x12，x2，l12，l2)中，电阻(Rx，Rl)和电流(I2)的乘积小于活动电极(3，3′)和固定电极(2a，2b)和必要时的中间电极(2c)之间的电弧点燃电压(Ub)；和/或
b)实现足够的限流陡度来对付电网造成的短路电流(i(t))。
9、按照权利要求6所述的方法，其特征在于，作为第二位置(x12，l12)的函数(Rx(x12)，Rl(l12))的电阻(Rx，Rl)以及活动电极(3，3′)沿移动方向(x，l)的行程/时间特性(x12(t)，l12(t))如下选择：使得
a)在活动电极(3，3′)的每个第二位置(x12，x2，l12，l2)中，电阻(Rx，Rl)和电流(I2)的乘积小于活动电极(3，3′)和固定电极(2a，2b)和必要时的中间电极(2c)之间的电弧点燃电压(Ub)；和/或
b)实现足够的限流陡度来对付电网造成的短路电流(i(t))。
10、按照权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于。
a)活动电极(3，3′)包括液态金属(3)，该液态金属(3)位于限流装置(1)的至少一个通道(3a)中，并能够沿位于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)之间的通道(3a)的垂直段移动，并且
b)多个通道(3a)通过壁式隔片(5a，8a)相互隔离，所述的隔片在第一电流路径(30)的区域中具有用于传递工作电流(I1)的中间电极(2c)，在第二电流路径(31)的区域中具有电阻元件(5)的单个电阻(5a)，并在绝缘段(32)的区域中过渡到用于电流绝缘的隔片(8a)中。
11、按照权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，
a)所述的活动电极(3，3′)包括具有至少一个滑动触点(2d)的固态导体(3′)，并且在第一工作状态中与固定的电极(2a，2b)电连接，在第二工作状态中至少一侧与电阻元件(5)电连接，并在第三工作状态中至少一侧与绝缘子(8)电连接，
b)其中固态导体(3′)由轻金属和/或以轻结构的形式制作，和/或滑动触点(2d)以液态金属润湿，以减少摩擦。
12、一种限流装置(1)，用于实施以上权利要求之一所述的方法，包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3′)，其中在第一工作状态中，在固定的电极(2a，2b)之间存在通过限流装置(1)的、工作电流(I1)的第一电流路径(30)，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过处在第一位置(x1，l1)中的活动电极(3，3′)被导向，其中，存在用于电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)，用于在有过电流(I2)时自动将活动电极(3，3′)沿移动方向(x，l)向至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)移动，存在具有可预先给定的电阻(Rx)的电阻装置(5)，并且在第二工作状态中，活动电极(3，3′)至少部分地与电阻装置(5)串联，并且与这些电阻装置一起形成第二电流路径(31)，在该第二电流路径上，工作电流(I1)能够限制为待限制的电流(I2)，其特征在于，在第三工作状态中，活动电极(3，3′)与绝缘子(8)串联，从而存在用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
13、按照权利要求12所述的装置(1)，其特征在于，所述电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)包括用于产生磁场(Bint，Bext)的磁场装置(2a，2b，20；11)，该磁场(Bint，Bext)把具有平行于移动方向(x，l)的力分量的劳伦兹力(Fmag)施加到电流(I1，I2)流过的活动电极(3，3′)上，使活动电极(3，3′)能够在用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)之间移动。
14、按照权利要求12所述的装置(1)，其特征在于，
a)所述的磁场装置(2a，2b，20；11)包括通往限流装置(1)的电流馈送装置(2a，2b；20)，以便产生与待限制的过电流(I2)有关的内部磁场(Bint)，和/或
b)磁场装置(2a，2b，20；11)包括用于产生可调的外部磁场(Bext)的装置(11)。
15、按照权利要求12至14中的任一项所述的装置(1)，其特征在于，
a)磁场(Bext，Bint)是根据在第二电流路径(31)中的待限制的过电流(I2)和活动电极(3，3′)为此需要的行程/时间特性(x(t)，1(t))设计的，和/或
b)电阻装置(5)为了无电弧的限流具有沿移动方向(x，l)直至极端的第二位置(x2，l2)非线性增大的、用于第二电流路径(31)的电阻(Rx，Rl)。
16、按照权利要求12至14中的任一项所述的装置(1)，其特征在于，
a)所述的活动电极(3，3′)包括液态金属(3)，该液态金属(3)通过磁场装置(2a，2b，20；11)在液态的聚合状态中被移动，和/或
b)所述的活动电极(3，3′)包括具有至少一个滑动触点(2d)的固态导体(3′)，其中，固态导体(3′)通过磁场装置(2a，2b，20；11)逆向复位力(Fr)地在单侧或双侧提高。
17、按照权利要求15所述的装置(1)，其特征在于，
a)所述的活动电极(3，3′)包括液态金属(3)，该液态金属(3)通过磁场装置(2a，2b，20；11)在液态的聚合状态中被移动，和/或
b)所述的活动电极(3，3′)包括具有至少一个滑动触点(2d)的固态导体(3′)，其中，固态导体(3′)通过磁场装置(2a，2b，20；11)逆向复位力(Fr)地在单侧或双侧提高。
18、按照权利要求12至14中的任一项所述的装置(1)，其特征在于：
a)用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)是大致垂直于移动方向(x，1)，和/或大致相互平行地设置的；和/或
b)至少一个用于断流的绝缘段(32)设在第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。
19、按照权利要求15所述的装置(1)，其特征在于：
a)用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)是大致垂直于移动方向(x，1)，和/或大致相互平行地设置的；和/或
b)至少一个用于断流的绝缘段(32)设在第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。
20、按照权利要求16所述的装置(1)，其特征在于：
a)用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)是大致垂直于移动方向(x，1)，和/或大致相互平行地设置的；和/或
b)至少一个用于断流的绝缘段(32)设在第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。
21、一种高压开关设备或中压开关设备，其特征在于具有按权利要求12至20之一所述的装置(1)。
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