EP1496533A1 - Flüssigmetall-Stromschalter mit Piezo-Fluidantrieb - Google Patents

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EP1496533A1
EP1496533A1 EP03405521A EP03405521A EP1496533A1 EP 1496533 A1 EP1496533 A1 EP 1496533A1 EP 03405521 A EP03405521 A EP 03405521A EP 03405521 A EP03405521 A EP 03405521A EP 1496533 A1 EP1496533 A1 EP 1496533A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid metal
current
piston
drive
piezo
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03405521A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kaveh Niayesh
Silvio Stangherlin
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
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP03405521A priority Critical patent/EP1496533A1/de
Priority to EP04738059A priority patent/EP1644949A1/de
Priority to KR1020067000553A priority patent/KR20060036445A/ko
Priority to PCT/CH2004/000418 priority patent/WO2005006368A1/de
Publication of EP1496533A1 publication Critical patent/EP1496533A1/de
Priority to US11/328,160 priority patent/US7151331B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00—Switches having at least one liquid contact
    • H01H29/28—Switches having at least one liquid contact with level of surface of contact liquid displaced by fluid pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00—Switches having at least one liquid contact
    • H01H29/18—Switches having at least one liquid contact with level of surface of contact liquid displaced by non-electrical contact-making plunger

Definitions

  • the invention relates to the field of primary technology for electrical switchgear, in particular the current limiting and power switching in high, medium or Low-voltage switchgear. She starts from a procedure and a device for current limiting or Power circuit and of a switchgear with a Such device according to the preamble of the independent Claims.
  • DE 40 12 385 A1 is a current-controlled shutdown device discloses its principle of operation on the Pinch effect based on liquid metal. Between two solid metal electrodes is a single, narrow, with liquid metal filled channel arranged. When overcurrent is the liquid conductors due to the electromagnetic force contracted by pinch effect, so that the current even strangles and separates the liquid conductor. The repressed Liquid metal is collected in a storage container and flows back after the overcurrent event. The contact separation takes place without an arc. However, that is the device only for relatively small currents, low Voltages and slow turn-off times suitable and offers no permanent off state.
  • DE 199 03 939 A1 is a self-recovering current limiting device disclosed with liquid metal.
  • a pressure-resistant Insulated housing arranged in the liquid metal in compressor rooms and in between, the compressor rooms is arranged connecting connecting channels, so that a current path for nominal currents between the fixed electrodes given is.
  • the Connection channels become strong during short-circuit currents heated and separated a gas.
  • avalanche Gas bubble formation in the connection channels evaporates the Liquid metal in the compressor rooms, so in the now liquid-metal depleted communication channels a current-limiting Arc is ignited. After the decay of the Overcurrent, the liquid metal can condense again and the rung is ready for use again.
  • connection channels are widened conical upwards, so that the liquid level of the liquid metal varies and the Rated current carrying capacity changed over a wide range can be.
  • a staggered Arrangement of the connection channels a meandering current path formed, so that in Studentsstrombedingem evaporation of the liquid metal is a series of current-limiting arcs is ignited.
  • Such pinch effect current limiters need a lot in terms of pressure and temperature stable construction, which is structurally complex.
  • By the Current limitation by arc occurs great wear inside the current limiter and burnt residues can contaminate the liquid metal.
  • Recondensation of the liquid metal arises immediately after a short circuit again a conductive state, so that no switch-off state is present.
  • the object of the present invention is to provide a method a device and an electrical switchgear with a Such apparatus for improved and simplified Specify power circuit. This object is achieved according to the invention solved by the features of the independent claims.
  • the invention consists in one Method for current limiting and / or power switching, with a liquid metal power switch, the solid electrodes and a liquid metal container having at least one channel for a liquid metal, wherein in a first Operating state between the fixed electrodes an operating current on a first current path through the power switch is guided and the first current path at least partially by the liquid metal in a first position is performed, wherein in a second operating state the liquid metal by a piezo drive with at least a piezoelectrically driven piston along a Moving direction moves in at least one second position is and the liquid metal in the at least one second Position is removed from the first rung and thereby a current limiting and / or stromabraceder second Current path is formed by the power switch.
  • the piezo liquid metal drive is for very fast and compact power switch, especially arc-free Current limiter, circuit breaker with or without Arcing and current limiting circuit breakers, suitable.
  • the liquid metal remains in the liquid at all times Physical state and its flow state can be very good be kept under control.
  • the procedure can also be used at very high voltage levels.
  • the Power switching with piezo-driven liquid metal takes place reversible and is therefore easy to maintain and inexpensive.
  • the piezo liquid metal drive is also outstanding due to high reliability and low wear.
  • the embodiments according to claim 2 have the advantage an efficient pressure transfer from the working fluid on the liquid metal, a reliable phase separation between drive fluid and liquid metal and a high dielectric strength of the drive fluid. By Incompressibility of the drive fluid becomes a particular fast reaction time of the power switch realized.
  • Claims 3 and 4 give particularly simple configurations for the piezo drive with liquid metal, wherein the Dielectric strength in the contact-opened state by choice the drive fluid or the insulating gas and in particular Gas pressure is favorably influenced.
  • Claims 5 and 6 give sizing criteria for a advantageous mechanical design of the piezo-fluid drive at.
  • the dielectric strength of the power switch in contact-opened second or third operating condition further improved.
  • the embodiment according to claim 8 has the advantage that a progressive current limit with a gentle, possibly arc-free current limiting characteristic or shutdown characteristic can be realized.
  • Claim 9 gives a particularly simple configuration for a piezoelectrically driven integrated liquid metal current limiter / circuit breaker at.
  • the invention relates to a Liquid metal power switch for current limiting and / or Power circuit, in particular for carrying out the method, comprising solid electrodes and a liquid metal container with at least one channel for a liquid metal, wherein in a first operating state between the fixed electrodes a first current path through the Power switch is present and the first current path at least partly by being in a first position Liquid metal leads, with a piezo drive with at least a piezoelectrically driven piston for moving of the liquid metal along a direction of movement in at least a second position exists and in one second operating state, the liquid metal in the at least removed a second position from the first rung is and thereby a current limiting in the power switch and / or Stromabraceder second current path available is.
  • Claims 11-13 give components and sizing criteria for optimum design of the piezo drive.
  • Claims 14-15 give advantageous geometric arrangements of liquid metal and resistor or insulator means at.
  • a series connection of liquid metal columns alternately with the dielectric also high voltages and high currents efficient and safe be handled.
  • Fig. 1a, 1b, 1c show an embodiment in cross section a liquid metal power switch 1, in particular a liquid metal current limiter 1 or liquid metal circuit breaker 1.
  • the power switch 1 comprises Solid metal electrodes 2a, 2b for connecting a power supply and a container 4 for the liquid metal 3, in the at least one channel 3 a for the liquid metal 3 is arranged.
  • the current switch 1 has a piezoelectric drive 12 for the liquid metal 3, in which preferably by means of a working fluid 9 with a predeterminable drive pressure p 1 , p 2 is mechanically acted directly on a first surface 3b of the liquid metal 3 and the liquid metal column 3 of a first Position x 1 is moved to a second position x 12 , x 2 .
  • the liquid metal 3 In the first position x 1 , the liquid metal 3 is at least partially in a first current path 30 for an operating current I 1 .
  • the liquid metal 3 In the second position x 12 , x 2 , the liquid metal 3 is at least partially and preferably completely outside the first current path 30, so that a current-limiting and / or stromabraceder second current path 31, 32 is formed by the power switch 1.
  • the Piezo drive 12 a piezo actuator 100 through this movable piston 100, a dielectric drive fluid 9 for pressure transmission from the piston 100 to the liquid metal 3 and a controller 11.
  • the piezo drive 12 includes also a pressure vessel 40a for collecting drive fluid 9 and a drive channel 40b for supplying Drive fluid 9 to the at least one channel 3a for the Liquid metal 3.
  • the piston 100 is exemplified by the Piezoaktuator 100 given itself. This is a relative large piezo crystal necessary. This is the lateral Seal the movable piston 100 easily.
  • the piezo drive 12 preferably comprises a dielectric drive fluid 9, wherein: the drive fluid 9 is incompressible and acts mechanically directly on a first surface 3b of the liquid metal 3 with a presettable by the piston 100 pressure p 1 , p 2 ; and / or a presettable by the piston 100 in the drive fluid 9 pressure p 1 , p 2 is slightly lower than a surface tension of the pressure-loaded first surface 3b of the liquid metal 3 is selected; and / or the drive fluid 9 is arranged between the piston 100 and the liquid metal 3; and / or as drive fluid 9 a dielelektwitz liquid, in particular an insulator liquid 9 such.
  • transformer oil or silicone oil is selected, which is not mixed with the liquid metal 3 substantially.
  • the liquid metal 3 may extend over the first surface 3c of FIG be worn the drive fluid 9. According to Fig. 1c the liquid metal 3 for contact opening by the piezo drive 12 so moved upward that a contact gap 2d between the fixed electrodes 2a, 2b with the drive fluid 9 is filled. This will be in the second contact Operating state a good dielectric strength or Insulation resistance of the second current path 32 is reached.
  • the liquid metal 3 may also have a second surface 3c are in contact with an insulating gas 9 '.
  • the liquid metal 3 for contact opening by the piezo drive 12 moves down so that a contact gap 2d between the fixed electrodes 2a, 2b with the Insulating gas 9 'is filled.
  • insulating 9 ' are, for example dry air, nitrogen, sulfur hexafluoride, Argon or vacuum suitable. This allows the dielectric Strength can be further improved. moreover are prevented: an arc ignition in the drive fluid 9, contamination of the drive fluid 9 by chemical Decomposition products, a chemical aging of the Solid electrodes 2a, 2b by the decomposition products and a gas bubble formation in the drive fluid 9.
  • Both embodiments for opening the liquid metal contact 3 of FIG. 1b and FIG. 1c may alternatively, d. H. mutually exclusive, or together, d. H. each other in addition, be implemented and in particular by the piezo controller 11 are controlled.
  • FIG. 2 and FIG. 3 are a plurality of contact gaps 2d between the fixed electrodes 2a, 2b present, in the first operating state at least are partially filled with the liquid metal 3, wherein in second operating state, the liquid metal 3 by means of Piezo drive 12 is displaced from the contact gaps 2d and by the drive fluid 9 and / or the insulating gas 9 ' is replaced.
  • the piezo-fluid drive 12 is constructed analogously to Fig. 1a-1c.
  • the piston 101 comprises an auxiliary piston 101, which can be driven by at least one piezoactuator 100 of the piezo drive 12.
  • a significantly larger piston surface A K for driving the liquid metal 3 can be created and the piston surface A K can be selected independently of the size of the piezoactuator 100.
  • a ratio A F / A K of a piston area A k of the piston 100, 101 to a total drive cross-sectional area A F of the liquid metal 3 to be driven in all channels 3a in accordance with a ratio to be achieved of a working stroke .DELTA.x for the liquid metal 3 to a piston stroke .DELTA.y of the piston 100, 101 is selected.
  • a working stroke ⁇ x of the liquid metal 3 should be greater than a minimum vertical contact distance g open to be achieved.
  • the piston area A k and the piston stroke ⁇ y of the piston 100 are tuned to a total cross-sectional area A F of the liquid metal 3 to be driven in all channels 3 a and to the working stroke ⁇ x to be achieved for the liquid metal 3.
  • V F A F • (H + g open )
  • B width of the channel 3a (or total width of all channels 3a)
  • W depth of the channel 3a (or channels 3a)
  • H height of the liquid metal column (n)
  • g open minimum vertical contact distance.
  • a F Q • B / H.
  • Equation (G2) an increase in the mass of the drive fluid 9 in the reservoir 40a has been neglected because it is wide, deep and shallow. Equation (G2) can be integrated numerically and the response time t sep of the current switch 1 can be determined as a function of the channel depth W and the minimum vertical contact distance g open .
  • the total moving mass of liquid metal 3 and drive fluid 9 m F + (H + g open ) • A F • ⁇ oil should be kept as small as possible.
  • the resulting Piezohub .DELTA.y (g open , W) is given as a function of the required vertical contact distance g open and the channel depth W. It can be seen that a current switch 1 with a maximum delay time t sep of 1.5 ms and a minimum vertical contact gap g open of 5 mm can be realized with a piezocrystal 100 with a minimum piezoelectric working stroke of 240 ⁇ m.
  • the structural design of the power switch 1 according to FIG. 2 and FIG. 3 comprises in the liquid metal container 4 a plurality of substantially parallel to each other and along the direction x extending channels 3a for the liquid metal 3, which are separated from each other by wall-like webs 5a, 8a.
  • the webs 5a, 8a have in the area of the first current path 30 between electrodes 2c for the passage of the operating current I 2 and the area of the second current path 31 individual resistors 5a and / or individual insulators 8a of the dielectric 5, 8.
  • a region with resistance means 5 serves to provide a current-limiting second current path 31 and a region with insulator means 8 for providing a second current path 32 for power cut-off, in particular with arcing.
  • the dielectric 5, 8, 9, 9 ' may also comprise the drive fluid 9 and / or the insulating gas 9', which likewise have a predefinable electrical resistance R x for the second current path 31, 32.
  • a dielectric 5, 8, 9, 9 ' should be present, wherein the liquid metal 3 is in the second position x 12 , x 2 in series with the dielectric 5, 8, 9, 9' and with this a current-limiting and / or Stromabnature second current path 31, 32 in the power switch 1 forms.
  • the dielectric 5, 8, 9, 9 ' should have an ohmic component and is preferably purely ohmic.
  • the dielectric comprises a resistance means 5 which, for arc-free current limiting, has an electrical resistance R x for the second current path 31 which increases continuously along the direction of movement x up to an extreme second position x 2 .
  • the liquid metal 3 is guided in a transition from the first position x 1 to the second position x 12 , x 2 along the webs 5 a of the resistive element 5.
  • the current-limiting second current path 31 is formed by an alternating series connection of liquid metal 3 filled channel regions 3a and the webs 5a, which act as with their length progressive individual resistances 5a of the resistive element 5.
  • 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, the product of electrical resistance R x and current I 2 is smaller than a Lichtbogenzündposition U b between the liquid metal 3 and the fixed electrodes 2a, 2b and optionally intermediate electrodes 2c and / or that a sufficient slope of the current limit to control network-related short-circuit currents i (t) is achieved.
  • the container 4 shows a combined or integrated liquid metal current limiter 1 and liquid metal circuit breaker 1 with piezo drive 12 for the liquid metal 3.
  • the container 4 has a bottom 6 and cover 6 made of insulator material, between which the dielectric 5, 8, 9, 9 ' and the liquid metal channels 3a are arranged. In 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.
  • the liquid metal 3 in a third operating state, can be moved along the opposite direction of movement -x to at least one third position x 13 , x 3 , wherein the liquid metal 3 is in series with the insulator 8 in the at least one third position x 13 , x 3 and thereby an isolation path 32 for power shutdown is formed by the device 1.
  • the insulation section 8 by a plurality of insulating webs 8a may be formed, the in the shutdown case in alternating series connection with the stand down shifted liquid metal columns 3. Especially is between the second and third operating state switched by a control command, the Control 11 at a current limit command a piezo movement or piezoelectric force F upwards for lifting the liquid metal column 3 is generated and a shutdown command a piezoelectric force down to Reduction of the liquid metal column 3.
  • the first or nominal current path 30 and the current-limiting or second current path 31 are arranged substantially perpendicular to the direction of movement x, predetermined by the longitudinal extent of the channels 3a, and / or substantially parallel to each other.
  • the isolation gap 32 for power cutoff is advantageously arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30 and as parallel as possible to the latter.
  • the liquid metal 3 by the fluid drive 12 offset in an ordered flow. Consequently the liquid metal 3 remains in the first, second and third operating state in a liquid state of matter.
  • liquid metal 3 are suitable for.
  • the piezo drive 12 has the particular advantage of being a hydraulic or expensive mechanical drive for the Liquid metal 3 can be avoided.
  • inventions relate u.a. the use as current limiter, current-limiting switch and / or Circuit breaker 1 in power supply networks, as self-recovery Fuse or as motor starter.
  • the invention also includes an electrical switchgear, in particular a high or medium voltage switchgear marked by a device 1 as described above.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung sowie eine Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung (1). Erfindungsgemäss wird ein Flüssigmetall (3) durch einen Piezoantrieb (12) zwischen einem ersten Strompfad für Nennstrom (I1), einem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung (I2) und gegebenenfalls einem dritten Strompfad (32) zur Stromabschaltung (i=0) bewegt. Ausführungsbeispiele sind u.a.: Piezoantrieb (12) mit Antriebsfluid (9); Antriebsfluid (9) inkompressibel und unvermischbar mit Flüssigmetall (3); und Designkriterien für den Piezoantrieb (12). Vorteile sind u. a.: reversible Strombegrenzung und Stromabschaltung, geeignet auch für hohe Spannungen und Ströme, schnelle Reaktionszeiten, geringer Verschleiss und wartungsfreundlich. <IMAGE>

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Primärtechnik für elektrische Schaltanlagen, insbesondere der Strombegrenzung und Leistungsschaltung in Hoch-, Mittel- oder Niederspannungsschaltanlagen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Strombegrenzung oder Leistungsschaltung sowie von einer Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
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 nur 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 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 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 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 überstrombedingem 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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine elektrische Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung zur verbesserten und vereinfachten Stromschaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, mit einem Flüssigmetall-Stromschalter, der Festelektroden und einen Flüssigmetall-Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch den Stromschalter 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 durch einen Piezoantrieb mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird und das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position aus dem ersten Strompfad entfernt ist und dadurch ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad durch den Stromschalter gebildet wird. Erfindungsgemäss wird also im zweiten Betriebszustand, wenn das Flüssigmetall zwischen den Festelektroden verdrängt und somit der Flüssigmetallkontakt geöffnet wird, eine dielektrisch isolierende Distanz zwischen den Festelektroden geschaffen. Der Piezo-Flüssigmetallantrieb ist für sehr schnelle und kompakte Stromschalter, insbesondere lichtbogenfreie Strombegrenzer, Leistungsschalter mit oder ohne Lichtbogenbildung und strombegrenzende Leistungsschalter, geeignet. Das Flüssigmetall bleibt jederzeit im flüssigen Aggregatzustand und sein Strömungszustand kann sehr gut unter Kontrolle gehalten werden. Das Verfahren kann auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Die Stromschaltung mit piezoangetriebenem Flüssigmetall erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig. Der Piezo-Flüssigmetallantrieb zeichnet sich zudem durch grosse Zuverlässigkeit und geringen Verschleiss aus.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 2 haben den Vorteil einer effizienten Druckübertragung vom Arbeitsfluid auf das Flüssigmetall, einer zuverlässigen Phasentrennung zwischen Antriebsfluid und Flüssigmetall sowie einer hohen dielektrischen Festigkeit des Antriebsfluids. Durch Inkompressibilität des Antriebsfluids wird eine besonders schnelle Reaktionszeit des Stromschalters realisiert.
Ansprüche 3 und 4 geben besonders einfache Konfigurationen für den Piezoantrieb mit Flüssigmetall an, wobei die Spannungsfestigkeit im kontaktgeöffneten Zustand durch Wahl des Antriebsfluids oder des Isoliergases und insbesondere Gasdrucks günstig beeinflusst wird.
Ansprüche 5 und 6 geben Dimensionierungskriterien für eine vorteilhafte mechanische Auslegung des Piezo-Fluidantriebs an.
Durch das Dielektrikum gemäss Anspruch 7 wird die Spannungsfestigkeit des Stromschalters im kontaktgeöffneten zweiten oder dritten Betriebszustand weiter verbessert.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil, dass eine progressive Strombegrenzung mit einer sanften, möglichst lichtbogenfreien Strombegrenzungscharakteristik oder Abschaltcharakteristik realisiert werden kann.
Anspruch 9 gibt eine besonders einfache Konfiguration für einen piezoelektrisch angetriebenen integrierten Flüssigmetall-Strombegrenzer/Leistungsschalter an.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Flüssigmetall-Stromschalter zur Strombegrenzung und/oder Stromschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens, umfassend Festelektroden und einen Flüssigmetall-Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch den Stromschalter vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall führt, wobei ein Piezoantrieb mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben zum Bewegen des Flüssigmetalls entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position vorhanden ist und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position aus dem ersten Strompfad entfernt ist und dadurch im Stromschalter ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad vorhanden ist.
Ansprüche 11-13 geben Komponenten und Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung des Piezoantriebs an.
Ansprüche 14-15 geben vorteilhafte geometrische Anordnungen von Flüssigmetall und Widerstands- oder Isolatormitteln an. Insbesondere können durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit dem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1a-1c
zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Stromschalters mit erfindungsgemässem Piezo-Fluidantrieb mit Flüssigmetallkontakt geschlossen (Fig.1a) oder offen (Fig.1b, 1c);
Fig. 2, 3
zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des Piezo-Fluidantriebs; und
Fig. 4, 5
zeigen Berechnungen von Kontaktöffnungszeiten und des erforderlichen piezoelektrischen Hubs.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1a, 1b, 1c zeigen im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Stromschalters 1, insbesondere eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1 oder Flüssigmetall-Leistungsschalters 1. Der Stromschalter 1 umfasst Festmetall-Elektroden 2a, 2b zum Anschliessen einer Stromzuführung und einen Behälter 4 für das Flüssigmetall 3, in dem mindestens ein Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet ist.
Erfindungsgemäss weist der Stromschalter 1 einen piezoelektrischen Antrieb 12 für das Flüssigmetall 3 auf, bei dem vorzugsweise mittels eines Arbeitsfluid 9 mit einem vorgebbaren Antriebsdruck p1, p2 unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch eingewirkt wird und die Flüssigmetallsäule 3 von einer ersten Position x1 in eine zweite Position x12, x2 bewegt wird. In der ersten Position x1 befindet sich das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise in einem ersten Strompfad 30 für einen Betriebsstrom I1. In der zweiten Position x12, x2 liegt das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig ausserhalb des ersten Strompfads 30, so dass ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad 31, 32 durch den Stromschalter 1 gebildet wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1a, 1b, 1c weist der Piezoantrieb 12 einen Piezoaktuator 100, den durch diesen bewegbaren Kolben 100, ein dielektrisches Antriebsfluid 9 zur Druckübertragung vom Kolben 100 auf das Flüssigmetall 3 und eine Steuerung 11 auf. Der Piezoantrieb 12 umfasst auch einen Druckbehälter 40a zum Sammeln von Antriebsfluid 9 und einen Antriebskanal 40b zum Zuführen von Antriebsfluid 9 zu dem mindestens einen Kanal 3a für das Flüssigmetall 3. Der Kolben 100 ist beispielhaft durch den Piezoaktuator 100 selber gegeben. Hierfür ist ein relativ grosser Piezokristall notwendig. Dafür ist die seitliche Abdichtung des beweglichen Kolbens 100 problemlos.
Bevorzugt umfasst der Piezoantrieb 12 ein dielektrisches Antriebsfluid 9, wobei: das Antriebsfluid 9 inkompressibel ist und mit einem durch den Kolben 100 vorgebbaren Druck p1, p2 unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch einwirkt; und/oder ein durch den Kolben 100 im Antriebsfluid 9 vorgebbarer Druck p1, p2 geringfügig niedriger als eine Oberflächenspannung der druckbeanspruchten ersten Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 gewählt wird; und/oder das Antriebsfluid 9 zwischen dem Kolben 100 und dem Flüssigmetall 3 angeordnet ist; und/oder als Antriebsfluid 9 eine dielelektrische Flüssigkeit, insbesondere eine Isolatorflüssigkeit 9 wie z. B. Transformatorenöl oder Silikonöl, gewählt wird, die im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall 3 vermischt wird.
Das Flüssigmetall 3 kann über die erste Oberfläche 3c von dem Antriebsfluid 9 getragen werden. Gemäss Fig. 1c wird das Flüssigmetall 3 zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb 12 so nach oben bewegt, dass ein Kontaktspalt 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b mit dem Antriebsfluid 9 gefüllt wird. Dadurch wird im kontaktgeöffneten zweiten Betriebszustand eine gute dielektrische Festigkeit oder Isolationsfestigkeit des zweiten Strompfads 32 erreicht.
Das Flüssigmetall 3 kann auch über eine zweite Oberfläche 3c mit einem Isoliergas 9' in Kontakt stehen. Gemäss Fig. 1b wird das Flüssigmetall 3 zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb 12 so nach unten bewegt, dass ein Kontaktspalt 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b mit dem Isoliergas 9' gefüllt wird. Als Isoliergas 9' sind beispielsweise trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum geeignet. Dadurch kann die dielektrische Festigkeit noch weiter verbessert werden. Zudem werden verhindert: eine Lichtbogenzündung im Antriebsfluid 9, eine Verunreinigung des Antriebsfluids 9 durch chemische Zersetzungsprodukte, eine chemische Alterung der Festelektroden 2a, 2b durch die Zersetzungsprodukte und eine Gasblasenbildung im Antriebsfluid 9. Im Vergleich hierzu ist eine Lichtbogenzündung im Isoliergas 9' deutlich unproblematischer. Für die Druckauslegung im Isoliergas 9', d. h. im gefangenen Gasvolumen 4a, gilt: Durch Erhöhung des Drucks im Isoliergas 9' kann die dielektrische Festigkeit im kontaktgeöffneten zweiten Betriebszustand auf vorgebbare Werte dimensioniert werden; durch Wahl eines Gasvolumens 4a deutlich grösser als eine durch Bewegung des Flüssigmetalls 3 verursachte Änderung des Gasvolumens 4a kann der Druck im Isoliergas 9' weitgehend konstant gehalten werden, so dass durch den Piezoantrieb 12 keine Kompressionsarbeit aufgebracht werden muss. Denkbar ist auch eine Konfiguration, bei der das Gasvolumen 4a klein relativ zu seiner Änderung ausgelegt ist, beim Kontaktöffnen des Flüssigmetalls 3 gemäss Fig. 1b der Piezoantrieb 12 durch Expansionsarbeit des Isoliergases 9' unterstützt wird und so die Reaktionszeit des Kontaktöffnens verkürzt wird. Beim Kontaktschliessen ist dann durch den Piezoantrieb 12 die Kompressionsarbeit für das Isoliergas 9' zu leisten, was durch geringfügig verlängerte Kontaktschliesszeiten erreicht wird.
Beide Ausführungsformen zum Öffnen des Flüssigmetallkontakts 3 nach Fig. 1b und Fig. 1c können alternativ, d. h. einander ausschliessend, oder gemeinsam, d. h. einander ergänzend, implementiert sein und insbesondere durch die Piezo-Steuerung 11 kontrolliert werden.
In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 2 und Fig. 3 sind mehrere Kontaktspalte 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b vorhanden, die im ersten Betriebszustand zumindest teilweise mit dem Flüssigmetall 3 gefüllt sind, wobei im zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall 3 mittels des Piezoantriebs 12 aus den Kontaktspalten 2d verdrängt ist und durch das Antriebsfluid 9 und/oder das Isoliergas 9' ersetzt ist.
In Fig. 2 ist der Piezo-Fluidantrieb 12 analog zu Fig. 1a-1c aufgebaut. In Fig. 3 umfasst der Kolben 101 einen Hilfskolben 101, der durch mindestens einen Piezoaktuator 100 des Piezoantriebs 12 antreibbar ist. Dadurch kann eine deutlich grössere Kolbenfläche AK zum Antreiben des Flüssigmetalls 3 geschaffen werden und die Kolbenfläche AK ist unabhängig von der Grösse des Piezoaktuators 100 wählbar. Mit Vorteil wird ein Verhältnis AF/AK einer Kolbenfläche Ak des Kolbens 100, 101 zu einer gesamten Antriebsquerschnittsfläche AF des anzutreibenden Flüssigmetalls 3 in allen Kanälen 3a nach Massgabe eines zu erzielenden Verhältnisses eines Arbeitshubs Δx für das Flüssigmetall 3 zu einem Kolbenhub Δy des Kolbens 100, 101 gewählt. Insbesondere soll ein Arbeitshub Δx des Flüssigmetalls 3 grösser als ein zu erzielender minimaler vertikaler Kontaktabstand gopen gewählt werden. Es wird also die Kolbenfläche Ak und der Kolbenhub Δy des Kolbens 100 auf eine GesamtQuerschnittsfläche AF des anzutreibenden Flüssigmetalls 3 in allen Kanälen 3a und auf den zu erzielenden Arbeitshub Δx für das Flüssigmetall 3 abgestimmt.
Für die Auslegung des Piezoantriebs 12 gemäss der einfachsten Ausführungsform in Fig. 1a - Fig. 1c wird ein quantitatives Beispiel gegeben. Im kontaktgeöffneten Zustand ist das Volumen VF des Antriebsfluids 9 im Kanal 3a gleich VF = AF • (H + gopen) wobei AF=B • W=Antriebs-Querschnittsfläche der anzutreibenden Flüssigmetallsäule(n), B=Breite des Kanals 3a (oder Gesamtbreite aller Kanäle 3a), W=Tiefe des Kanals 3a (oder der Kanäle 3a), H=Höhe der Flüssigmetallsäule(n) und gopen=minimaler vertikaler Kontaktabstand. Zudem gilt Q=H • W=Querschnittsfläche für einen beispielhaft rechteckigen Flüssigmetall-Strompfad 30. Somit ist AF=Q • B/H.
Die Bewegungsgleichung für die vom Piezoantrieb zu bewegende Fluidsäule 3, 9 lautet dann F • AF / AK = [mF + (H + gopen - x) • Q • B/H • ρoil] • d2x/dt2 wobei F=piezoelektrische Kraft, AK=Kolbenfläche, mF=Masse des Flüssigmetalls und x=Position der Flüssigmetallsäule(n) 3 während des dynamischen Schaltens. In Gleichung (G2) wurde eine Anhebung der Masse des Antriebsfluids 9 im Vorratsbehälter 40a vernachlässigt, da dieser breit, tief und flach ist. Gleichung (G2) kann numerisch integriert werden und die Reaktionszeit tsep des Stromschalters 1 kann als Funktion der Kanaltiefe W und des minimalen vertikalen Kontaktabstands gopen bestimmt werden.
In Fig. 4 ist die Schaltzeit tsep(W) als Funktion der Kanaltiefe W für verschiedene gopen zwischen 2 mm und 6 mm angegeben, wobei folgende Parameter angenommen wurden: Q=400 mm2, Kanalbreite=minimaler Kontaktspalt B=8 mm (geeignet für einen Leistungsschalter 1 mit 12 kV Nennspannung, 1250 A Betriebsstrom I1, 25 kA Kurzschlussstrom I2), F=4000 N, AK=Ap=(150 mm)2, ρoil=900 kg/m3, und Dichte des Flüssigmetalls ρF=mf/VF=3000 kg/m3. Für eine schnelle Kontaktöffnungszeit tsep soll die gesamte bewegte Masse von Flüssigmetall 3 und Antriebsfluid 9 mF+ (H + gopen) • AF • ρoil so klein wie möglich gehalten werden.
Der erforderliche Piezohub Δy ist gleich Δy = B • W / AK • (Q / W + gopen) .
In Fig. 5 ist der resultierende Piezohub Δy(gopen, W) als Funktion des erforderlichen vertikalen Kontaktabstands gopen und der Kanaltiefe W angegeben. Man erkennt, dass ein Stromschalter 1 mit maximaler Verzögerungszeit tsep von 1,5 ms und minimalem vertikalem Kontaktabstand gopen von 5 mm mit einem Piezokristall 100 mit einem minimalen piezoelektrischen Arbeitshub von 240 µm realisierbar ist.
Der konstruktive Aufbau der Stromschalters 1 gemäss Fig. 2 und Fig. 3 umfasst im Flüssigmetall-Behälter 4 mehrere, im wesentlichen zueinander parallele und entlang der Bewegungsrichtung x erstreckte Kanäle 3a für das Flüssigmetall 3, die durch wandartige Stege 5a, 8a voneinander getrennt sind. Die Stege 5a, 8a weisen im Bereich des ersten Strompfads 30 Zwischenelektroden 2c zum Durchleiten des Betriebsstroms I2 und im Bereich des zweiten Strompfads 31 Einzelwiderstände 5a und/oder Einzelisolatoren 8a des Dielektrikums 5, 8 auf. Dabei dient ein Bereich mit Widerstandsmitteln 5 zur Schaffung eines strombegrenzenden zweiten Strompfads 31 und ein Bereich mit Isolatormitteln 8 zur Schaffung eines zweiten Strompfads 32 zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung. Das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' kann auch das Antriebsfluid 9 und/oder das Isoliergas 9' umfassen, die ebenfalls einen vorgebbaren elektrischen Widerstands Rx für den zweiten Strompfad 31, 32 aufweisen.
Allgemein soll ein Dielektrikum 5, 8, 9, 9' vorhanden sein, wobei das Flüssigmetall 3 in der zweiten Position x12, x2 in Serie zu dem Dielektrikum 5, 8, 9, 9' liegt und mit diesem einen strombegrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad 31, 32 im Stromschalter 1 bildet. Das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch.
Mit Vorteil umfasst das Dielektrikum ein Widerstandsmittel 5, das zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung x bis zu einer extremalen zweiten Position x2 kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand Rx für den zweiten Strompfad 31 aufweist. Hierfür weisen die Stege 5a ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung x zunehmendem Widerstand Rx auf. Das Flüssigmetall 3 wird bei einem Übergang von der ersten Position x1 zur zweiten Position x12, x2 entlang der Stege 5a des Widerstandselements 5 geführt. Somit wird der strombegrenzende zweite Strompfad 31 gebildet durch eine alternierende Serieschaltung von mit Flüssigmetall 3 gefüllten Kanalbereichen 3a und den Stegen 5a, die als mit ihrer Länge progressive Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 wirken.
Bezüglich der elektrischen Auslegung des Stromschalters 1 als Strombegrenzer 1 ist folgendes zu beachten: 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. 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 gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird.
Fig. 3 zeigt einen kombinierten oder integrierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Piezoantrieb 12 für das Flüssigmetall 3. Der Behälter 4 hat einen Boden 6 und Deckel 6 aus Isolatormaterial, zwischen denen das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' und die Flüssigmetall-Kanäle 3a angeordnet sind. 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 dem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird.
Wie dargestellt kann auch 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 zwischen dem zweiten und dritten Betriebszustand durch einen Kontrollbefehl umgeschaltet, wobei die Steuerung 11 bei einem Strombegrenzungsbefehl eine Piezobewegung oder piezoelektrische Kraft F nach oben zur Anhebung der Flüssigmetallsäule 3 erzeugt und bei einem Abschaltbefehl eine piezoelektrische Kraft nach unten zur Senkung der Flüssigmetallsäule 3.
Für eine besonders kompakte Anordnung sind der erste oder Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende oder zweite Strompfad 31 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung x, vorgegeben durch die Längserstreckung der Kanäle 3a, und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Mit Vorteil ist zudem die Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads 31 und/oder unterhalb des ersten Strompfads 30 und möglichst parallel zu diesen angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines Piezo-Fluidantriebs 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen I1, I2, i, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert.
Vorzugsweise wird das Flüssigmetall 3 durch den Fluidantrieb 12 in eine geordnete Fliessbewegung versetzt. Somit verbleibt das Flüssigmetall 3 im ersten, zweiten und dritten Betriebszustand in einem flüssigen Aggregatzustand.
Dadurch können hohe Ströme mit sehr schnellen Reaktionszeiten von bis zu unter 1 ms auch ohne Pinch-Effekt begrenzt oder abgeschaltet werden.
Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn o. ä.. Mit dem erfindungsgemässen Flüssigmetall-Stromschalter 1 sind die Erfordernisse für Leistungsschalter erfüllbar, insbesondere die Nennstromtragfähigkeit, Kurzschlussstromtragfähigkeit für einige ms, synchrone Stromunterbrechung beim Stromnulldurchgang und die dielektrische Festigkeit für die transiente Einschwingspannung nach Stromunterbrechung sowie für Durchschlagsspannung (BIL=basic insulation level). Der Piezoantrieb 12 hat den besonderen Vorteil, dass ein hydraulischer oder aufwendiger mechanischer Antrieb für das Flüssigmetall 3 vermieden werden kann.
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.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Flüssigmetall-Strombegrenzer/Leistungsschalter
2a, 2b
Festmetall-Elektroden, Metallplatten, feststehende Elektroden
2c
Zwischenelektroden
2d
Kontaktspalt
3
Flüssigmetall
3a
Kanäle für Flüssigmetall
3b, 3c
Oberflächen des Flüssigmetalls
30
Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad
31
Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad
32
Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke
4
Behälter, Flüssigmetall-Behälter
4a
Isoliergasbehälter, gefangenes Gasvolumen
40
Fluidbehälter
40a
Druckbehälter für Antriebsflüssigkeit
40b
Antriebskanal für Antriebsflüssigkeit
5
Widerstandsmatrix für Flüssigmetall
5a
Einzelwiderstände
6
Behälterdeckel, Gehäusewand, Isolator
8
Isolator für Stromunterbrechung
8a
Einzelisolatoren
9
dielektrisches inkompressibles Antriebsfluid, Öl
9'
Isoliergas
100
piezoelektrischer Aktuator
101
Kolben
11
Steuerung für Piezo-Fluidantrieb
12
dielektrischer Piezo-Fluidantrieb
AF
Antriebs-Querschnittsfläche der Flüssigmetallsäulen
AK
Kolbenfläche
AP
Fläche des Piezoaktuators
B
Durchmesser der Flüssigmetallsäule, Kanalbreite, minimaler Kontaktspalt
F
Kraft auf Flüssigmetallsäule
gopen
minimaler vertikaler Kontaktabstand
H
Höhe der Flüssigmetallsäule
i
Strom durch Flüssigmetallschalter
I1
Betriebsstrom
I2
begrenzter Überstrom
m
Masse des Flüssigmetalls
Q
Querschnittsfläche für Flüssigmetall-Strompfad
Rx
elektrischer Widerstand des Strombegrenzers
ρ
Dichte des Antriebsfluids
tsep
Reaktionszeit des Stromschalters, Verzögerungszeit zwischen Triggern und Kontaktöffnen
W
Tiefe der Flüssigmetallsäule
x, x1, x2, x12, x3, x13
Positionen der Flüssigmetallsäule
Δx
Hub der Flüssigmetallsäule, Arbeitshub
Δy
Hub des Piezoaktuators, Kolbenhub, Antriebshub

Claims (16)

  1. Verfahren zur Stromschaltung, insbesondere zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, mit einem Flüssigmetall-Stromschalter (1), der Festelektroden (2a, 2b) und einen Flüssigmetall-Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3) umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein Betriebsstrom (I1) auf einem ersten Strompfad (30) durch den Stromschalter (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x1) befindliche Flüssigmetall (3) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand
    a) das Flüssigmetall (3) durch einen Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben (100, 101) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (x12, x2) bewegt wird und
    b) das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (x12, x2) aus dem ersten Strompfad (30) entfernt ist und dadurch im Stromschalter (1) ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad (31, 32) gebildet wird.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoantrieb (12) ein dielektrisches Antriebsfluid (9) umfasst, wobei
    a) das Antriebsfluid (9) inkompressibel ist und mit einem durch den Kolben (100, 101) vorgebbaren Druck (p1, p2) unmittelbar auf eine erste Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt und/oder
    b) ein durch den Kolben (100, 101) im Antriebsfluid (9) vorgebbarer Druck (p1, p2) geringfügig niedriger als eine Oberflächenspannung einer druckbeanspruchten ersten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) gewählt wird und/oder
    c) das Antriebsfluid (9) zwischen dem Kolben (100, 101) und dem Flüssigmetall (3) angeordnet ist und/oder
    d) als Antriebsfluid (9) eine dielelektrische Flüssigkeit, insbesondere eine Isolatorflüssigkeit (9), gewählt wird, die im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall (3) vermischt wird.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) das Flüssigmetall (3) über die erste Oberfläche (3c) von dem Antriebsfluid (9) getragen wird und
    b) das Flüssigmetall (3) zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb (12) so bewegt wird, dass ein Kontaktspalt (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) mit dem Antriebsfluid (9) gefüllt wird.
  4. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) das Flüssigmetall (3) über eine zweite Oberfläche (3c) mit einem Isoliergas (9') in Kontakt steht und
    b) das Flüssigmetall (3) zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb (12) so bewegt wird, dass ein Kontaktspalt (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) mit dem Isoliergas (9') gefüllt wird und
    c) insbesondere dass das Isoliergas (9') in einem Isoliergasbehälter (4a) gefangen ist.
  5. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) ein Verhältnis (AF/AK) einer Kolbenfläche (Ak) des Kolbens (100, 101) zu einer gesamten Antriebs-Querschnittsfläche (AF) des anzutreibenden Flüssigmetalls (3) nach Massgabe eines zu erzielenden Verhältnisses eines Arbeitshubs (Δx) für das Flüssigmetall (3) zu einem Kolbenhub (Δy) des Kolbens (100, 101) gewählt wird und/oder
    b) ein Arbeitshub (Δx) des Flüssigmetalls (3) grösser als ein zu erzielender minimaler vertikaler Kontaktabstand (gopen) gewählt wird.
  6. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenfläche (Ak) des Kolbens (100)
    a) gleich einer piezoelektrisch angetriebenen Fläche (Ap) eines Piezoaktuators (100) des Piezoantriebs (12) gewählt ist oder
    b) grösser als eine Fläche (Ap) eines Piezoaktuators (100) des Piezoantriebs (12) gewählt ist.
  7. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) das Flüssigmetall (3) durch die zweite Position (x12, x2) in eine Serieschaltung mit einem Dielektrikum (5, 8, 9, 9') gebracht wird und
    b) das Dielektrikum (5, 8, 9, 9') ein Widerstandselement (5) und/oder ein dielektrisches Antriebsfluid (9) für den Piezoantrieb (12) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (Rx), ein Isolator (8) und/oder ein Isoliergas (9'), insbesondere trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum, ist.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strombegrenzung oder strombegrenzenden Stromabschaltung
    a) als Dielektrikum ein Widerstandselement (5) gewählt wird, das einen entlang der Bewegungsrichtung (x) des Flüssigmetalls (3) ansteigenden elektrischen Widerstand (Rx) für den zweiten Strompfad (31) aufweist und
    b) bei einem Übergang von der ersten Position (x1) zur zweiten Position (x12, x2) das Flüssigmetall (3) entlang des Widerstandselements (5) geführt wird.
  9. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand
    a) das Flüssigmetall (3) entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x) in mindestens eine dritte Position (x13, x3) bewegt wird und
    b) 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.
  10. Flüssigmetall-Stromschalter (1) zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend Festelektroden (2a, 2b) und einen Flüssigmetall-Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3), wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein erster Strompfad (30) für einen Betriebsstrom (I1) durch den Stromschalter (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x1) befindliche Flüssigmetall (3) führt, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) ein Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben (100, 101) zum Bewegen des Flüssigmetalls (3) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (x12, x2) vorhanden ist und
    b) in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (x12, x2) aus dem ersten Strompfad (30) entfernt ist und dadurch im Stromschalter (1) ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad (31, 32) vorhanden ist.
  11. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) der Piezoantrieb (12) einen Piezoaktuator (100), den durch diesen bewegbaren Kolben (100, 101), ein dielektrisches Antriebsfluid (9) zur Druckübertragung vom Kolben (100, 101) auf das Flüssigmetall (3) und eine Steuerung (11) umfasst und/oder
    b) der Piezoantrieb (12) einen Druckbehälter (40a) zum Sammeln von Antriebsfluid (9) und einen Antriebskanal (40b) zum Zuführen von Antriebsfluid (9) zu dem mindestens einen Kanal (3a) für das Flüssigmetall (3) umfasst.
  12. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) der Kolben (100) durch einen Piezoaktuator (100) des Piezoantriebs (12) selber gebildet ist oder
    b) der Kolben (101) einen Hilfskolben (101) umfasst, der durch mindestens einen Piezoaktuator (100) des Piezoantriebs (12) antreibbar ist.
  13. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) eine Kolbenfläche (Ak) und ein Kolbenhub (Δy) des Kolbens (100, 101) sowie eine gesamte Antriebs-Querschnittsfläche (AF) des anzutreibenden Flüssigmetalls (3) nach Massgabe eines zu erzielenden Arbeitshubs (Δx) für das Flüssigmetall (3) gewählt sind und/oder
    b) ein Antriebsfluid (9) des Piezoantriebs (12) eine Isolatorflüssigkeit (9) ist, die inkompressibel und nicht vermischbar mit dem Flüssigmetall (3) ist und die in einem direkten Druckaustausch mit mindestens einer druckbeanspruchten ersten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) steht.
  14. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) mehrere Kontaktspalte (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) vorhanden sind, die im ersten Betriebszustand zumindest teilweise mit dem Flüssigmetall (3) gefüllt sind und
    b) im zweiten Betriebszustand durch den Piezoantrieb (12) das Flüssigmetall (3) aus den Kontaktspalten (2d) verdrängt und durch das Antriebsfluid (9) und/oder ein Isoliergas (9') ersetzt ist.
  15. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dielektrikum (5, 8, 9, 9') vorhanden ist und
    a) das Flüssigmetall (3) in der zweiten Position (x12, x2) in Serie zu dem Dielektrikum (5, 8, 9, 9') liegt und mit diesem einen strombegrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad (31, 32) im Stromschalter (1) bildet und/oder
    b) das Dielektrikum ein Widerstandsmittel (5) umfasst, das zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung (x) bis zu einer extremalen zweiten Position (x2) kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand (Rx) für den zweiten Strompfad (31) aufweist und/oder
    c) das Dielektrikum einen Isolator (8) umfasst, der zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung, ausgelegt ist.
  16. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch einen Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-15.
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