CN1820338A - 利用流体驱动的液态金属电流开关进行电流切换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于限流和/或断路的方法和装置(1)以及一种具有一个这样的装置(1)的开关设备。按照本发明，液态金属(3)通过一个具有控制装置(11)的介电流体驱动装置(12)在用于额定电流(I₁)的第一电流路径(30)、用于限制电流(I₂)的第二电流路径(31)和必要时用于关断电流(i＝0)的第三电流路径(32)之间被移动，其中，工作流体(9)以可预先给定的驱动压力(P₁，P₂)直接机械地作用到液态金属(3)的一个表面(3b)上。实施例是：绝缘气体(9’)或绝缘液体(9)作为驱动流体(9)；具有压力容器(121－124)和阀门(10)的压力驱动装置(12)或用于工作流体(9)的压电驱动装置；和用于液态金属(3a，4)，驱动压力(P₁，P₂)和压电驱动装置(12)的设计准则。优点是：可逆的限流和断流，也适合于高的电压和电流，快的反应时间，少的磨损和便于维护。

Description

利用流体驱动的液态金属电流开关 进行电流切换的方法和装置

技术领域

本发明涉及电气开关设备的基础工程领域，特别是高压、中压或低压开关设备中的限流和断路。本发明基于独立权利要求的前叙部分所述的一种用于限流或断路的方法和装置以及具有该装置的开关设备。

背景技术

DE2652506公开了一种具有液态金属的强电流电气开关。一方面，一种用于润湿固态金属电极和用于降低接触电阻的液态金属混合物被应用。其中，液态金属通过机械的驱动，例如通过活动的触点或气动的潜入式活塞逆重力方向被驱动到接触间隙中。液态金属还可以通过收缩效应而被进一步稳定和固定在该接触间隙中，根据该收缩效应，载流导体因流过其中的电流而承受径向张力。外磁场和譬如由电流源造成的漏磁通在液态金属中可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，以便支持液态金属中的电弧的熄灭。

其缺点在于分层次的限流是不可能的，并且固态电极之间的电弧造成液态金属的氧化。该强电流开关的设计包括用于液态金属、隋性气体或真空的密封，因而很复杂。

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放应被收缩，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一个贮备容器中并在出现过电流之后重新流回。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，小的电压和长的断开时间并且不提供持续的断路状态。

DE19903939A1公开了一个自恢复的，具有液态金属的限流装置。在两个固态金属电极之间，设有一个耐压的绝缘外壳，在该绝缘外壳中，液态金属设在压缩机室和位于其间的、连接压缩机室的连接通道中，使在固态电极之间有一用于额定电流的电流路径。在连接通道中，该电流路径相对于压缩机室是狭窄的。在有短路电流时，这些连接通道被强烈加热并分出气体。通过在这些连接通道中的雪崩式的气泡形成，液态金属汽化到压缩机室中，使在现在排空了液态金属的连接通道中有一个限流的电弧被点燃。在过电流衰减之后，液态金属可重新冷凝并且电流路径重新待工作。

在WO00/77811中公开了自恢复的限流装置的一个改进形式。连接通道向上锥形地扩宽，使液态金属的液面高度可被改变。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。

本发明参考在实用新型DE1802643中公开的现有技术。其中示出了一个用于加油站的呼叫装置，其中，一个振铃开关通过液态金属电气地被接通，其具体的做法是，一个充气的软管被汽车压过因而被压缩，使逸出的空气把液态金属体推到触头之间。液态金属通过外部作用，即通过一辆待检测的汽车纯被动地被移动。由于在软管中被收集的液态金属体起到汽车检测器的作用，所以没有一个自主的控制装置来借助液态金属控制开关的具体通断。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于改进的和简化的电流切换的方法和装置以及具有这种装置的开关设备。按照本发明，以上任务通过独立权利要求的特征被解决。

一方面，本发明在于一种用于用一个液态金属型电流开关限流/或断路的方法，该液态金属型电流开关包括固态电极和具有至少一个用于液态金属的通道的液态金属容器，其中，在一个第一工作状态中，在固态电极之间，工作电流在一个通过电流开关的第一电流路径上被引导并且该第一电流路径至少部分地通过第一位置中的液态金属，其中，液态金属在第二工作状态中通过一个被控制装置控制的、介电的流体驱动装置沿一个移动方向被移动到至少一个第二位置中，其中，工作流体是介电的，并且直接以一个可预先给定的驱动压力机械地作用到液态金属的表面上，并且液态金属在至少一个第二位置中至少部分地，特别是完全地与电介质或电阻材料串联，并且一个通过电流开关限流的和/或断流的第二电流路径据此放形。按照本发明，工作流体被置于与液态金属直接物理接触，并且在第二工作状态中，当固态电极之间的液态金属被排挤并因此液态金属接触被断开时，跨接固态电极之间的介电绝缘的距离。该流体驱动装置特别适用于没有电弧的限流器，具有或没有电弧形成的断路器和限流的断路器，该方法也可在很高的电压电平时被采用。具有流体驱动的液态金属的电流切换可逆地进行并因此便于维护并且费用合理。流体驱动的更出众之处在于良好的可靠性和少的磨损。

在第一实施例中，一种介电的气体和/或一种介电的液体被选作介电的工作流体，并且该流体与液态金属的混合在很大程度上被避免。用介电的气体驱动装置，可达到特别高的介电强度。电流开关的特别快的反应时间能通过介电的液体驱动装置实现。

权利要求3所述的实施例有如下优点，即在液态金属不与工作流体混合的情况下，电流开关的快速反应时间被达到。此外，液态金属的流动状态在液态的聚合状态中仍很好地受到控制。

权利要求4所述的实施例有如下优点，即可实现渐进的、具有柔和的尽可能没有电弧的限流特性或断电特性的限流。

权利要求5和6示出用于流体操作的限流开关或具有集成开关的限流器的一种有利的配置。

权利要求7示出具有用于气体或通常用于工作流体的压力贮存容器的流体压力驱动装置的一个特别简单的配置。

权利要求8所述的压电式液态金属驱动装置的优点在于良好的可靠性、少量的磨损和把工作流体的压力有效地传递到液态金属上。电流开关的特别快的反应时间通过驱动流体的不可压缩性被实现。

权利要求9所述的实施例涉及用于具有液态金属的压电驱动装置的特别简单的配置，其中，耐电压强度在触点被断开的状态下通过工作流体的选择有利地被影响，并且涉及用于有利的机械设计压电式流体驱动装置的维度准则。

另一方面，本发明涉及一种用于限流和/或断路，特别是用于实施本发明的方法的液态金属型电流开关，包括固态电极和一个具有至少一个用于液态金属的通道的液态金属的容器，其中，在第一工作状态中，在固态电极之间存在一个用于通过电流开关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液态金属，其中，一个介电的流体驱动装置具有一种工作流体和一个控制装置，并且是为沿移动方向把液态金属移动到至少一个第二位置中设计的。其中，工作流体还是介电的，并以可预先设定的驱动压力直接机械地作用到液态金属的表面上，在该液态金属容器中提供电介质或电阻材料，并且在第二工作状态中液态金属在至少一个第二位置中至少部分地与该电介质或电阻材料串联，并且据此在电流开关中形成一个限流的和/或断流的第二电流路径。

权利要求11，12，16和18示出了部件和用于最佳设计流体驱动装置，特别是压电驱动装置的规格设定准则。

权利要求13-15和19示出液态金属的和电阻装置的或绝缘介质的优选的几何布局。通过液态金属体交替地与电介质的串联，高的电压和高的电流也可有效地和可靠地被处理。

从属权利要求以及从如下的描述和附图中得出发明的其它实施形式、优点和应用。

附图说明

图1a，图1b示出本发明的具有气体驱动装置的液态金属型电流开关的实施例的横截面图和俯视图。

图2示出具有气体驱动装置的组合的液态金属型限流器和液态金属型断路器的实施例。

图3a-3c示出具有压电式流体驱动装置用液态金属触点被接通(图3a)或被断开(图3b，3c)的液态金属型电流开关的实施例。

图4，5示出压电式流体驱动装置的另两个实施例。

图6，7示出触点断开时间和所需的压电行程的计算。

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和图1b以横截面图和俯视图的形式示出了液态金属型电流开关1的，特别是液态金属型限流器或断路器1的实施例。电流开关1包括用于连接电流源20的固态金属电极2a，2b和一个液态金属3的容器4。该容器4有一个由绝缘材料构成的底6和盖6，在该底和该底之间设有电介质5，8，9和至少一个用于液态金属3的通道3a。

按照本发明，电源开关1具有一个带控制装置11的介电流体驱动装置12，在该流体驱动装置中，工作流体9以一个可预先给定的驱动压力P₁，P₂直接机械地作用到液态金属3的一个前侧表面3b上并把液态金属体3从一个第一位置X₁移动到一个第二位置X₁₂，X₂中。在第一位置X₁中，液态金属3至少部分地处在工作电流I₁的第一电流路径30中。在第二位置X₁₂，X₂中，液态金属3至少部分地并最好完全地与电介质5，8，9串联，从而形成通过电流开关1限流的和/或断流的第二电流路径31，32。

在图1a和图1b所示的实施例中，介电流体驱动装置12具有用于生成工作流体9中的驱动压力P₁，P₂的第一装置121-122，用于使流体9与液态金属3接触的第二装置10，4，123，124和控制装置11。第一装置121-122特别包括一个用于断开液态金属3的接触的断开压力容器121和一个用于接通液态金属3的接触的接通压力容器122。第二装置10，4，123，124特别包括至少一个用于以具有所需驱动压力P₁，P₂的工作流体9充填驱动压力容器123和用于把工作流体9的压力传递到液态金属3上的阀门10。在压力驱动装置12的操作中，阀门10和据此压力容器121-124通过控制装置11激励，使得用于移动液态金属3的工作流体9的驱动压力容器123与用于断开液态金属3的接触的断开压力容器121连接，并与用于接通液态金属3的接触的压接通压力容器122连接。

第二装置10，4，123，124也可包括一个具有收集的可压缩的，用于把复位力置到液态金属3的后表面3c上的流体9的压缩压力容器124。在该情况下，可压缩的流体9’作为具有所需的复位力的弹簧起作用。替代地，该复位力也可通过与121或122一样充填以可压缩的或不可压缩的流体9的压力容器(图中未示出)来施加。

一种介电的气体9和/或一种介电的液体可被选作介电的工作流体9。该工作流体9基本上不应与液态金属3混合。一种绝缘气体9，特别是干燥的空气、氮气、六氟化硫、氩气或真空和/或一种绝缘液体，特别是变压器油或硅油优选地被选作介电的工作流体9。液体金属体3还可被保护气体或保护液体围住(图中未示出)。

驱动压力P₁，P₂根据电流开关1的切换时间，特别是待限制的过电流I₂和第二电流路径31中的液态金属3为此所需的行程/时间特性X(t)来设置。驱动装置或流体的压力P₁，P₂应低于液态金属3的暴露于流体压力P₁，P₂的表面3b的表面张力。液态金属3通过流体驱动装置12优选地被置到一个有规律的流动移动中。因此，液态金属3在第一工作状态中和在第二工作状态中滞留在一个液态的聚合状态中。据此，高的电流在没有收缩效应的情况下，也能以很快的，低于1毫秒的反应时间被限制或关断。

此外，为了压力设计，还有如下准则：如果工作容积V₃选得远小于储备容积V₁，V₂(V₃＜＜V₁，V₂)，则储备容器121、122中的压力在时间的推移过程中将只有不明显的下降。在断开接触时，驱动压力P3将等于P₃＝P₁＝P_断开接触并且在接通接触时被选为P₃＝P₂＝P_接通接触。为了简化，驱动压力P₁也可被选择等于大气压力。不言而喻，在实践中一个小的、用于维持驱动压力P₁，P₂的至少之一的泵是必要的。

为了对液态金属型电流开关1进行有利的规格设定，要遵守的规则如下：在第一电流路径30中的液态金属3的横截面积Q应根据电流开关1的电流承受能力设计；和/或用于分离液态金属3用的通道3a的隔片5a，8a的宽度S和数量及工作流体9的类型应根据第二工作状态中的电流开关1的介电强度设计；和/或横截面积Q’，特别是通道宽度B，和液态金属3用的通道3a的表面性质应根据液态金属3的暴露于工作流体9的压力的表面所需表面张力设计。

此外，为了避免快的气体流动，即所谓的气体喷射，在气体9流入驱动压力容器123时，规定有一个用于使气体流动连续不断和用于使气体流动空间各向同性的均匀的流动构件(图中未示出)。该流动构件可最简单地是一块垂直于进入的气体流的板，通过该板，气流被换向扩散到不同的方向并且随后才到达液态金属表面3c。适用于通道3a的长度L的规则在于：一方面，选择额定的孔长度L，使得弹簧容积或封装体124中的流体9在没有工作状态的情况下，特别是也不在瞬变的状态下达到通道3a的上边缘，以防从封装体124中逸出液体9。另一方面，孔长度L应选择得尽可能短，以便在断通液态金属触点3时得到电流开关1的尽可能快的反应时间。此外，液态金属3的总承压表面3c应选择得尽可能大，以便尽可能大的力作用到液态金属3上以进一步减少反应时间，特别是通过控制单元11对阀的触发和液态金属触点3的断开或接通之间的滞后时间。

电介质5，8，9可包括一种具有可预先设定的电阻抗R_X的电阻装置5，该电阻元件5与应具有欧姆的部分并且最好是纯欧姆的。为了无电弧的限流，该电阻元件5具有一个沿移动方向X至一个极值的第二位置X₂连续增加的，用于第二电流路径31的电阻抗R_X并且液态金属3在从第一位置X₁到第二位置X₁₂，X₂，特别是到一个极值的第位置X₂的过渡时沿该电阻元件5被引导。为了无电弧的从固态电极2a，2b，2c到电阻元件5切换电流L(t)，典型的与触点材料有关的，最小10V到20V的电弧点燃电压不应被超过。作为第二位置X₁₂的函数R_X(X₁₂)的电阻抗R_X以及液态金属3的沿移动方向X的行程/时间特性X₁₂(t)应选择为使得在液态金属3的每个第二位置X₁₂，X₂中，电阻抗R_X和电流I₂的乘积小于液态金属3和固态电极2a，2b和可选地中间电极2c之间的电弧点燃电压Ub，和/或使得获得足够的限流陡度来控制电网造成的短路电流i(t)。

电介质5，8，9可替代或附加地包括一个绝缘子8，该绝缘子是为断流，特别是在无电弧形成的情况下设计的。该电介质也可包括工作流体9。对于给定电压电平，电介质5，8，9的最大电阻抗R_X(X₂)根据待限制的电流I₂设定到一个有限的值上或为了关断电流I₁，I₂被设定到一个介电的绝缘值上。

在图1a和图1b所示的实施例中，在液态金属容器4中存在多个基本上相平行的并沿移动方向X伸展的，用于液态金属3的通道3a，这些通道是通过壁式的隔片5a相互分离的。隔片5a在第一电流路径30的范围中终止在一个共用的、用于合流液态金属3的和用于导通工作电流I1的容器范围123中，并在第二电流路径31的范围中具有电介质5，8的单个电阻5a或单个绝缘子8a。

图2示出了一个联合的或集成的，具有用于液态金属3的气体驱动装置12的液态金属型限流器1和液态金属型断路器1。在正的移动方向+X移动液态金属3时，电流i在限流路径上被导向，并且如上所述被限制。液态金属3可替代地在一个第三工作状态中沿相反的移动方向-X被移动到至少一个第三位置X₁₃，X₃中，其中，液态金属3在至少一个第三位置X₁₃，X₃中与一个绝缘子8串联，并且一个用于通过装置1断路的绝缘段32据此被形成。

为了特别紧凑的布局，第一或额定电流路径30和限流的或第二电流路径31基本上垂直于移动方向X，该方向通过通道3a的纵向伸展确定，和/或基本上相互平行地设置。此外，用于关断电流的绝缘段32有利地设在第二电流路径31的上方和/或电流路径30的下方，并尽可能与以上两者平行地设置。据此，液态金属3和其驱动机构12相对于待切换的电流I₁，I₂，i特别是相对于额定电流路径30，限流路径31以及断流路径32的紧凑的布局被实现。

如图所示，隔片5a有利地又是电阻元件5的单个电阻5a，具有沿通道深度增加的电阻抗R_x。因此，限流的第二电流路径31通过充填以液态金属3的通道范围3a和特别有利地作为电阻元件5的沿其长度增加的单个电阻5起作用的隔片5a的交替串联被形成。隔片5a应在液态金属3的第一位置X₁的高度具有用于导电连接额定电流路径30上的通道3a的中间电极2c。如图所示，绝缘段8也可是通过多个在关断的情况下与向下移动的液态金属体3交替串联的绝缘隔片8a形成的。在第二和第三工作状态之间特别是通过一个控制指令被切换，其中，控制装置11在有一个限流指令时提供一个低的驱动压力P₁来提升液态金属体3，并且在有一个关断指令时提供一个较高的驱动压力P₂来降低液态金属体3。

在图2中，流体驱动装置是一个气体压力驱动装置12，其中，又有一个具有气体(其体积V₁和压力P₁)的第一气体压力容器121和一个具有气体(体积V₂和压力P₂)的第二气体压力容器122经由各一个可控的气体压力阀门10或一个联合的双向阀门(未示出)与具有工作体积V₃和驱动压力P₃的驱动压力容器123交流。通过匹配的压力的选择，譬如P₁＜P₂和通过控制装置11激活阀门10，在第一、第二和第三工作状态之间可自由地往复切换。譬如，对于限流31，来自121的具有压力P₁的气体流入工作容积V₃中并且液态金属体3上升到X₁₂或X₂。对于进行额定电流操作30，来自122的气体可选地流入并且液态金属液面被降到X＝O。对于断路32，具有压力P₂的容器122被打开并且液态金属3被降到第三位置X₁₃或降到极值的第三位置X₃。图2中的限流的上部5也可设计为如前所述作为限流的，具有另一绝缘子部件8的开关1。封装体124中的封装气体又用作复位的弹簧力。

气体驱动装置12的其它细节和派生形式，譬如在图2中三个具有不同的压力分别用于三个工作状态之一并且特别是把容器124连接到一个压力容器上的压力容器是可能的并且以此强调地也会是包括在内的。作为对气体的替代或补充，另一介电的工作流体，如油也可被采用。作为液态金属3，譬如汞、镓、钨、CaInSn(镓、铟、锶)或类似物是适宜的。对断路器的要求，特别是对额定电流的承受能力，对短路电流的几毫秒承受能力，电流过零时的电流断开和对电流断开后的瞬变的起振电压以及对击穿电压的介电强度的要求可用本发明的液态金属型电流开关1满足。流体压力驱动装置12具有特殊的优点，即对液态金属3的液压或通常机械传动可避免。

图3a，3b，3c以截面的形式示出了具有压电式流体驱动装置12的液态金属型电流开关1的，特别是液态金属型限流器1的或液态金属型断路器1的实施例。电流开关1又包括用于连接电流源的固态金属电极2a，2b和一个其中设有至少一个液态金属通道3a的液态金属容器4。该电流开关1具有一个压电的，用于液态金属3的驱动装置12，其中，工作流体9以可预先给定的驱动压力P₁，P₂直接机械地作用到液态金属3的一个第一表面3b上，并且液态金属体3从一个第一位置X₁被移动到一个第二位置X₁₂，X₂中。在第一位置，液态金属3至少部分地处在一个用于工作电流I₁的第一电流路径30中。在第二位置X₁₂，X₂中，液态金属3至少部分地和最好完全处在第一电流路径30之外，使一个通过电流开关1限流的和/或断开电流的第二电流路径31，32被形成。

在图3a，3b，3c所示的实施例中，压电驱动装置12具有一个压电激励器100，可通过该激励器移动的活塞100，一种介电的，用于把活塞100的压力传递到液态金属3上的驱动流体9。该压电驱动装置还包括一个用于收集驱动流体9的压力容器40a和一个用于把驱动流体9输送到至少一个用于液态金属3的通道3a的驱动通道40b。活塞100譬如是由压电激励器100本身给出的。为此，一个较大的压电晶体是必要的。为此，移动的活塞的侧密封是不成问题的。

该压电驱动装置12优选地包括一种介电驱动流体9，其中，驱动流体9是不可压缩的并且以可通过活塞100预先给定的压力P₁，P₂直接机械地作用到液态金属3的一个第一表面3b上；和/或可通过活塞100在驱动流体9中预先给定的压力P₁，P₂被选得稍低于液态金属3的承受压力负载的第一表面3b的表面张力；和/或驱动流体9处在活塞100和液态金属3之间，和/或一种介电的液体，特别是一种绝缘液体9，如变压器油或硅油被选作驱动流体9，该绝缘液体基本上不与液态金属3混合。

液态金属3可经由第一表面3c被驱动流体9承受。按照图3c，为了断开接触，液态金属3通过压电驱动装置向上移动，使固态电极2a，2b之间的接触间隙2a用驱动流体9充填，据此，在接触被断开的第二工作状态中，第二电流路径32的良好的介电强度或绝缘强度被达到。

液态金属3也可经由一个第二表面3c与绝缘气体9接触。按照图3b，为了断开接触，液态金属3通过压电驱动装置12向下移动，使固定电极2a、2b之间的接触间隙2d用绝缘气体9充填。作为绝缘气体9，譬如干燥的空气、氮气、六氟化硫、氩气或真空是适宜的。据此，介电强度尚可进一步被改善。此外还防止的是：在驱动流体9中电弧点燃，通过化学分解产物污染驱动流体9，通过分解产物和在驱动流体9中的气泡形成造成固定电极2a，2b的化学老化。相比而言，在绝缘气体9中的电弧点燃的问题要小得多。对于绝缘气体9中，即在收集的气体容积4a中的压力设计，须遵守的准则在于通过高绝缘气体9中的压力，在接触被断开的第二工作状态中的介电强度可被设定到可预先给定的值上；通过选择气体容积4a远远大于气体容积4a由液态金属3的移动引起的变化，绝缘气体9中的压力可在很大程度上被保持恒定，使压电驱动装置12不必执行压缩工作。气体容积4a的设计比其变化小的布局也是可想象的，按照图3b，在断开液态金属3的接触时压电驱动12由绝缘气体9的膨胀功支持，并且接触断开的反应时间因而被缩短。在接通接触时，通过压电驱动12则可做对绝缘气体9的压缩功，这一点通过稍许延长的接触接通时间被实现。

按照图3b和3c用于断开液态金属触点3的两个实施例可以是两者取一地，即相互排斥地或共同地，即相互补充地执行的，并且特别是通过压电控制装置11被控制。

在图4和图5所示的实施例中，在固定电极2a，2b之间存在多个接触间隙2d，这些接触间隙2d在第一工作状态中至少部分地以液态金属3充填，其中，在第二工作状态，液态金属3借助压电驱动装置12从这些接触间隙中被排挤，并且被驱动流体9和/或绝缘气体9’取代。

在图4中，压电式流体驱动装置具有与图3a-3c类似的结构。在图5中，活塞101包括一个辅助活塞101’，该辅助活塞是可通过压电驱动装置12的至少一个压电激励器100驱动的。一个大得多的，用于驱动液态金属3的活塞面积A_K可据此被得到，并且该活塞面积A_K可与压电激励器100的大小无关地选择。活塞100，101的活塞面积A_K与所有的通道3a中的待驱动液态金属3的总的驱动横截面积A_F之比A_F/A_K有利地根据待达到的、液态金属3的工作行程Δ_x与活塞100，101的活塞行程Δ_Y之比选择。液态金属3的工作行程Δ_X特别应被选得大于待达到的最小的，垂直的触点间距9_open。就是说，活塞100的活塞面积A_K和活塞行程Δ_Y与所有通道3a中的待驱动的液态金属3的总横截面积A_F并与液态金属3的待达到的工作行程Δ_X相协调。

为了按照图3a-3c中的最简单的实施形式设计压电驱动装置12，给出一个定量的例子。在触点被断开的状态中，通道3a中的驱动流体9的体积V_F等于

VF＝AF·(H+G_open)(方程式1)

其中，A_F＝B·W＝待驱动的液态金属体的驱动横截面积，B＝通道3a的宽度(或所有的通道3a的总宽度)，W＝通道3a的深度(或所有的通道3a的总深度，H＝液态金属体的高度，及Gopen＝最小的垂直的触点间距。此外，Q＝H·W＝一个譬如矩形的液态金属3的电流路径的横截面积。因此，AF＝Q·B/H。

于是，可以由压电驱动装置12移动的流体3，9的移动方程式为：F·A_F/A_K＝[m_F+(H+G_open-X)·Q·B/H·ρ_oil]·d²x/dt²(方程式2)

其中，F＝压电力，A_K＝活塞面积，m_F＝液态金属的质量，X＝动态切换过程中的液态金属的位置。在方程式2中，贮备容器40a中的驱动流体9的质量的提升被忽略，这是因为该贮备容器是宽的，深的和扁的。方程式2可数字地积分，并且电流开关1的反应时间t_sep可被确定作通道深度W和最小的垂直触点间距g_open的函数。

在图6中示出在2毫米至6毫米之间的不同g_open，作为通道深度W的函数的切换时间t_sep(W)，其中，以下参数被假设：Q＝400毫米²，通道宽度＝最小触点间隙B＝8毫米(适合于一个具有12kV额定电压，1250安工作电流I₁，25千安短路电流I₂的电流开关1)，F＝4000N，A_K＝A_P＝(150毫米)²，ρ_oil＝900公斤/米³，且液态金属的密度ρ_F＝m_F/V_F＝3000公斤/米³。对于快的触点断开时间t_sep，液态金属3和驱动流体9的总的被移动的质量m_F+(H+g_open)·A_F·ρ_oil应被保持尽可能地小。

所需的压电行程Δ_Y等于

Δ_Y＝B·W/A_K·(Q/W+g_open)      (方程式3)

图7中示出作为所需的垂直触点间距g_open和通道深度W的函数的结果压电行程Δ_Y(g_open·W)。显然，具有最大为1.5毫秒滞后时间t_sep和最小垂直为5毫米的触点间距g_open具有其最小的压电的240微米的工作行程的压电晶体100的电流开关是可实现的。

图4和图5所示的电流开关的结构在液态金属容器4中譬如又包括多个基本上相互平行的并沿移动方向伸展的液态金属3的通道3a，这些通道3a是通过隔片5a，8a相互分离的。隔片5a，8a在第一电流路径30的范围中具有用于导通工作电流I₂的中间电极2c并在第二电流路径31的范围中具有电介质5、8的单个电阻5a和/或单个绝缘子8a。其中，一个具有电阻装置5的范围用于形成一个限流的第二电流路径31，并且一个具有绝缘装置8的范围用于形成特别是在形成电弧的情况下关断电流的第二电流路径32。电介质5，8，9，9’也可包括也具有预先给定的，用于第二电流路径31，32的电阻抗R_X的工作流体9和/或绝缘气体9’。

通常，应存在电介质5，8，9，9’，其中，液态金属3在第二位置X₁₂，X₂中与电介质5，8，9，9’串联，并且用所述的电介质形成电流开关1中的一个限流的和/或断流的第二电流路径31，32。电介质5，8，9，9’应具有一个欧姆的分量并且最好是纯欧姆的。

电介质有利地包括一种电阻装置5，该电阻装置5为了无电弧的限流具有沿移动方向X直至一个极值的第二位置X₂增加的，用于第二电流路径31的电阻抗R_X。为此，隔片5a具有一种具有沿移动方向X增加的电阻抗R_X的介电材料。液态金属3在从第一位置X₁向第二位置X₁₂，X₂过渡时沿电阻元件5的隔片5a被导向。因此，限流的第二电流路径31通过充填有液态金属3的通道范围3a与作为电阻元件5而以其长度累加的单个电阻5a起作用的隔片5a的交替串联被形成。为了电气设计作为限流器1的电流开关1，特别是为了无电弧地切换电流I(t)，针对图1、2所描述的准则是可以应用的。

图5示出了一个联合的或集成的具有用于液态金属3的压电驱动装置12的液态金属型限流器1和液态金属型断路器1。容器4有一个由绝缘材料构成的底6和盖6，其间设有电介质5，8，9，9’和液态金属通道3a。在沿正的移动方向+X移动液态金属3时，电流I在限流路径31上被导向并如上述被限制。液态金属3可替代地在一个第三工作状态中沿相反的移动方向-X被移动到至少一个第三位置X₁₃，X₃中。其中，液态金属3在至少一个第三位置X₁₃，X₃中与绝缘子8串联并据此一个用于断路的，通过装置1的绝缘段32被形成。

如图所示，绝缘段8也可以是通过多个在断开情况下与被向下移的液态金属体3交替地串联的绝缘隔片8a形成的。在第二和第三工作状态之间特别是通过一个控制指令被切换，其中，控制装置11在有一个限流指令时生成一个压电移动或压电的、向上提升液态金属体3的力F，并在有一个关断指令时生成一个压电的，向下降低液态金属体3的力。

为了特别紧凑的配置，如在图2中所示，第一电流路径或者是额定电流路径30和限流路径或者是第二电流路径31设置为基本上垂直于移动方向X，该方向通过通道3a的纵向伸展预先被给定，和/或设置为基本上相互平行。此外，用于断开电流的绝缘段32有利地设在第二电流路径31的上方和/或设在第一电流路径30的下方，并尽可能平行于第一电流路径30。

液态金属3通过压电式流体驱动装置12优选地被置入一个有规则的流动。因此，液态金属3在第一、第二和第三工作状态中滞留在一个液态的聚合状态中。据此，高的电流能以很快的，最长低于1毫秒的反应时间，在没有收缩效应的情况下被限制或被断开。针对图1、2提到的对断路器的要求也可用压电式液态金属型电流开关1满足，并且对液态金属3的液压驱动或昂贵的机械驱动可避免。原则上，在电驱动装置12也可在没有工作流体9的情况下工作并直接地作用到液态金属3上。

装置1的应用涉及作为限流器1限流的开关和/或供电网络中的断路器，作为自恢复的安全装置或作为电机起动器的应用。本发明还包括电气开关设备，特别是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。

部件列表：

1：液态金属限流器/断路器

2a、2b：固态金属电极，金属盘，静止电极

2c：中间电极

2d：接触间隙

20：电流源，电流导体

3：液态金属

3a：液态金属通道

3b、3c：液态金属表面

30：操作电流的电流路径，第一电流路径

31：限制电流的电流路径，第二电流路径

32：电流中断路径，隔离路径

4：容器，液态金属容器

4a：绝缘气体容器，收集的气体容积

40：液体容器

40a：驱动液体的压力容器

40b：驱动液体的驱动通道

5：液态金属的电阻矩阵

5a：单个电阻

6：容器盖，容器壁，绝缘子

8：电流中断绝缘子

8a：单个绝缘子

9：介电液体，气体，油；不可压缩的工作液体

9’：可压缩液体、气体；绝缘气体

10：阀，气体压力控制器

100：压电激励器

101：活塞

11：液体驱动控制器，压电液体驱动控制器

12：液态驱动，压力驱动，气体驱动，介电压电液体驱动

121-124：压力容器，气体压力容器

121：断路压力容器

122：连接压力容器

123：驱动压力容器

124：反向压力容器，收集气体容积

A_F：液态金属体的驱动横街面积

A_K：活塞面积

A_P：压电激励器的面积

B：液态金属体的直径，通道宽度，最小接触间隙

F：液态金属体上的力

g_open：最小垂直接触距离

H：液态金属体的高度

i：流过液态金属体的电流

I₁：操作电流

I₂：限制的过电流

L：孔长度

m：液态金属体的质量

P₁、P₂、P₃：驱动压力，气体压力

Q，Q’：液态金属体电流路径的横截面积

R_X：限流器电阻

P：驱动液体的密度

S：绝缘子横向宽度

t_sep：电流开关的响应时间，触发与接触打开之间的延迟时间

V₁、V₂、V₃：气体体积

W：液态金属体的深度

x、x₁、x₂、x₁₂、x₃、x₁₃：液态金属体的位置

Δx：液态金属体的行程，工作行程

Δy：压电激励器的行程，活塞行程，驱动行程。

Claims (20)

1.一种用一个液态金属型电流开关(1)进行限流和/或断路的方法，该液态金属型电流开关(1)包括固态电极(2a，2b)和一个具有至少一个用于液态金属3的通道(3a)的液态金属容器(4)，其中，在第一工作状态中工作电流(I₁)通过固态电极(2a，2b)之间的，通过电流开关(1)的第一电流路径(30)，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过第一位置(X₁)中的液态金属(3)，其特征在于，在第二工作状态中

a)所述液态金属(3)通过一个被控制装置(11)控制的介电流体驱动装置(12)沿移动方向(X)移动到至少一个第二位置(X₁₂，X₂)，其中，一种介电工作流体(9)被采用，该介电工作流体(9)以可预先给定的驱动压力(P₁，P₂)机械地直接作用到液态金属(3)的一个表面(3b)上，并且

b)所述液态金属(3)在至少一个第二位置(X₁₂，X₂)中至少部分地与电介质(5，8，9)串联，从而由所述电流开关(1)形成一个限流的和/或断流的第二电流路径(31，32)，

c)对于一个给定的电压电平，电介质(5，8)的最大电阻抗(R_X(X₂))根据待限制的电流(I₂)被设定到一个有限的值，或为了关断电流(I₁，I₂)而被设定到一个介电绝缘值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中：a)一种介电的气体(9)和/或一种介电的液体被选作所述工作流体(9)，并且工作流体(9)基本上不与液态金属(3)混合；并且b)一种绝缘气体(9)，特别是干燥的空气、氮气、六氟化硫、氩气或真空，和/或一种绝缘液体，特别是变压器油或硅油被选作所述工作流体(9)。

3.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，a)所述驱动压力(P₁，P₂)被选得稍低于所述液态金属(3)的承压表面(3b)的表面张力，和/或b)所述液态金属(3)在第一和第二工作状态中保持液态的聚合状态。

4.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，a)一种具有可预先给定的电阻抗(R_X)的电阻元件(5)被选作所述电介质(5，8)；b)在从第一位置(X₁)向第二位置(X₁₂，X₂)，特别是向一个极值的第二位置(X₂)过渡时，所述液态金属(3)沿所述电阻元件(5)被导向；并且c)所述的电阻元件(5)具有沿液态金属(3)的移动方向(X)上升的用于第二电流路径(31)的电阻抗(R_X)。

5.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，对于一个给定的电压电平，电介质(5，8)的最大电阻抗(R_X(X₂))根据待限制的电流(I₂)被设定到一个有限的值，或为了断开电流(I₁，I₂)设定到一个介电的绝缘值。

6.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在一个第三工作状态中，a)所述液态金属(3)沿一个相反的移动方向(-X)移动到至少一个第三位置(X₁₃，X₃)；b)液态金属(3)在至少一个第三位置(X₁₃，X₃)中与一个绝缘子(8)串联，从而形成一个通过装置(1)断路的绝缘段(32)；c)所述第三工作状态通过一个关断指令被触发，流体驱动装置(12)通过该指令在电流开关(1)的作为限流器和作为断路器的操作之间切换。

7.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述介电流体驱动装置(12)是一个具有压力容器(121-124)、阀门(10)和用于工作流体(9)的控制装置(11)的压力驱动装置(12)，一个用于移动液态金属(3)的工作流体(9)的驱动压力容器(123)可与一个用于断开液态金属(3)的触点的断开压力容器(121)连接，和与一个用于接通液态金属(3)的触点的接通压力容器(122)连接。

8.按照权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，一个具有至少一个压电驱动活塞(100，101)的压电驱动装置(12)被用作介电流体驱动装置(12)，并且工作流体(9)是不可压缩的，并且可以通过活塞(100，101)预先给定的压力(P₁，P₂)直接机械地作用到液态金属(3)的第一表面(3b)上。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：a)液态金属(3)经由第一表面(3c)被驱动流体(9)支承，并且液态金属(3)为了断开接触而被压电驱动装置移动，使得固态电极(2a，2b)之间的接触间隙(2d)以驱动流体(9)充填；和/或b)活塞(100)的活塞面积(A_K)大于等于压电驱动装置(12)的压电激励器(100)的压电驱动面积(A_F)。

10.一种用于限流和/或断路的液态金属型电流开关(1)，特别是用于实施以上权利要求之一所述的方法，包括固态电极(2a，2b)和具有至少一个用于液态金属(3)的通道(3a)的液态金属容器(4)，其中，在第一工作状态，在固态电极(2a，2b)之间存在一个用于通过电流开关(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)至少部分地通过第一位置(X₁)的液态金属(3)，其特征在于：

a)一个介电的流体驱动装置(12)具有一种工作流体(9)和一个控制装置(11)，并且设计为沿移动方向(X)向至少一个第二位置(X₁₂，X₂)移动液态金属(3)，其中，工作流体(9)是介电的，并以可预先给定的驱动压力(P₁，P₂)直接机械地作用到液态金属(3)的一个表面(3b)上。

b)在液态金属容器(4)中，存在一种电介质(5，8，9)；并且

c)在一个第二工作状态中，液态金属(3)在至少一个第二位置(X₁₂，X₂)至少部分地与电介质(5，8，9)串联，从而形成电流开关(1)中的一个限流的和/或断路的第二电流路径(31，32)。

11.按照权利要求10所述的液态金属型电流开关(1)，其中：

a)驱动压力(P₁，P₂)是根据电流开关(1)的切换时间，特别是以待限制的过电流(I₂)和第二电流路径(31)中的液态金属(3)的为此所需的行程一时间特性(X(t))设计的；和/或

b)驱动压力(P₁，P₂)被选得低于液态金属(3)的承压表面(3b)的表面张力。

12.按照权利要求10至11之一所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：

a)第一电流路径(30)中的液态金属(3)的横截面积(Q)根据电流开关(1)的电流承载能力设计；和/或

b)用于隔离液态金属(3)的通道(3a)的隔片(5a，8a)的宽度(B)和数目和工作流体(9)的类型是根据第二工作状态中的电流开关(1)的介电强度设计的；和/或

c)液态金属(3)的通道(3a)的横截面(Q)和表面性质和液态金属(3)的类型是根据液态金属(3)的承压表面(3b)的所需表面张力设计的。

13.按照权利要求10至12之一所述的液态金属电流开关(1)，其特征在于，

a)电介质(5，8)包括一种电阻装置(5)，该电阻装置具有沿移动方向(X)至一个极值的第二位置(X₂)连续增加的，用于第二电流路径(31)的电阻抗(R_X)；

b)电介质(5，8)包括一个绝缘子(8)，该绝缘子是为关断电流设计的，特别是在有形成电弧的情况下。

14.按照权利要求10至13之一所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：

a)在液态金属容器(4)中存在多个基本相互平行的并沿移动方向(X)伸展的，用于液态金属(3)的通道(3a)，这些通道通过壁式的隔片(5a)相互分离；并且

b)隔片(5a)终止在第一电流路径(30)的范围中的一个共同的用于合流液态金属(3)的，并导通工作电流(I₁)的容器范围(123)中，并且第二电流路径(31)中的隔片(5a)具有电介质(5，8)的单个电阻(5a)或单个的绝缘子(8a)。

15.按照权利要求10至14之一所述的液态金属型电流开关(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)，和特别是一个用于关断电流的绝缘段(32)基本上垂直于移动方向(X)和/或基本上相互平行地设置；和/或

b)至少用于关断电流的绝缘段(32)位于第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。

16.按照权利要求10至15之一所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：

a)流体驱动装置(12)具有用于生成流体(9)中的驱动压力(P₁，P₂)的第一装置(121-122)和使工作流体(9)与液态金属(3)接触的第二装置(10，4，123，124)，

b)特别是第一装置(121-122)包括一个用于断开液态金属(3)的触点的断开压力容器(121)，和一个用于接通液态金属(3)的触点的接通压力容器(122)；并且

c)特别是第二装置(10，4，123，124)包括至少一个阀门(10)和一个用于把工作流体(9)的压力传递到液态金属(3)上的驱动压力容器(123)，并优选地包括一个用被收集的，可压缩的流体(9’)把复位力施加到液态金属(3)的背面(3c)上的压缩压力容器(124)。

17.按照权利要求10至15之一所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：所述的流体驱动装置(12)具有至少一个用于移动液态金属(3)的压电活塞(100，101)。

18.按照权利要求17所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：

a)所述的压电驱动装置(12)包括一个压电激励器(100)，该压电激励器通过可移动的活塞(100，101)和介电驱动流体(9)把压力从活塞(100，101)传递到液态金属(3)上；和/或

b)所述的压电驱动装置(12)包括一个用于收集驱动流体(9)的压力容器(40a)和一个用于把驱动流体(9)送往至少一个用于液态金属(3)的通道(3a)的驱动通道(40b)。

19.按照权利要求17-18之一所述的液态金属型电流开关(1)，其特征在于：

a)压电驱动装置(12)的驱动流体(9)是一种绝缘液体(9)，该绝缘液体是不可压缩的，并且不可与液态金属(3)混合，并且与液态金属(3)的至少一个承压第一表面(3b)直接压力交换；和/或

b)液态金属(3)在第二工作状态中被压电驱动装置(12)从接触间隙中被挤出，并且被工作流体(9)和/或绝缘气体(9’)取代。

20.电气开关设备，特别是高压开关设备或中压开关设备，其特征在于具有权利要求10至19之一所述的装置(1)。

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