EP1644949A1 - Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter

Info

Publication number
EP1644949A1
EP1644949A1 EP04738059A EP04738059A EP1644949A1 EP 1644949 A1 EP1644949 A1 EP 1644949A1 EP 04738059 A EP04738059 A EP 04738059A EP 04738059 A EP04738059 A EP 04738059A EP 1644949 A1 EP1644949 A1 EP 1644949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid metal
current
drive
fluid
pressure
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.)
Withdrawn
Application number
EP04738059A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kaveh Niayesh
Friedrich Koenig
Andreas Dahlquist
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
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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
Priority claimed from EP03405521A external-priority patent/EP1496533A1/de
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP04738059A priority Critical patent/EP1644949A1/de
Publication of EP1644949A1 publication Critical patent/EP1644949A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00—Switches having at least one liquid contact
    • 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
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts
    • H01H33/161—Variable impedances
    • H01H33/162—Liquid resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/127—Automatic release mechanisms with or without manual release using piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive trip units

Definitions

  • the invention relates to the field of primary technology for electrical switchgear, in particular the current limitation and power switching in high, medium or low voltage switchgear. It is based on a method and a device for current limitation or power switching as well as a switchgear with such a device according to the preamble of the independent claims.
  • DE 26 52 506 discloses an electrical high-current switch with liquid metal.
  • a liquid metal mixture is used to wet solid metal electrodes and to reduce the contact resistance.
  • the liquid metal is replaced by mechanical displacement, e.g. B. by moving contacts or pneumatically driven plunger, driven against gravity in the contact gap.
  • the pinch effect according to which a current-carrying conductor experiences a radial restriction due to the current flowing through it, allows the liquid metal to be additionally stabilized and held in the contact gap.
  • External magnetic fields and magnetic stray fluxes e.g. B. by the power supplies, can cause flow instabilities in the liquid metal and are shielded and, if necessary, allowed when switching off to support the extinguishing of the arc in the liquid metal.
  • the disadvantage is that a gradual current limitation is not possible and arcing between the fixed electrodes Cause oxidation in liquid metal.
  • the design of the high-current switch includes seals for liquid metal, inert gas or vacuum and is correspondingly complex.
  • DE 40 12 385 AI discloses a current-controlled shutdown device, the principle of which is based on the pinch effect with liquid metal. A single, narrow channel filled with liquid metal is arranged between two solid metal electrodes. In the event of an overcurrent, the liquid conductor is contracted due to the electromagnetic force due to the pinch effect, so that the current itself cuts off and separates the liquid conductor. The ' displaced liquid metal is collected in a storage container and flows back after the overcurrent event. The contact separation takes place without an arc.
  • the device is only suitable for relatively small currents, low voltages and slow switch-off times and does not offer a permanent switch-off state.
  • DE 199 03 939 AI discloses a self-recovering current limiting device with liquid metal.
  • a pressure-resistant insulating housing is arranged between two solid metal electrodes, in which liquid metal is arranged in the compression spaces and in intermediate connecting channels connecting the compression spaces, so that there is a current path for nominal currents between the fixed electrodes.
  • the current path is narrowed compared to the compressor rooms.
  • the connection channels are strongly heated in the event of short-circuit currents and emit a gas.
  • Avalanche-like gas bubbles in the connecting channels evaporate the liquid metal into the compression chambers, so that a current-limiting arc is ignited in the connecting channels, which are now empty of liquid metal. After the overcurrent has subsided, the liquid metal can condense again and the current path is ready for operation again.
  • WO 00/77811 A further development of the self-recovering current limiting device is disclosed in WO 00/77811.
  • the connection The channels are flared upwards so that the level of the liquid metal varies and the nominal current carrying capacity can be changed over a wide range.
  • an offset arrangement of the connecting channels forms a meandering current path, so that a series of current-limiting arcs is ignited when the liquid metal evaporates due to overcurrent.
  • Such pinch effect current limiters require a very stable structure with regard to pressure and temperature, which is structurally complex. Due to the current limitation by means of an arc, there is a lot of wear inside the current limiter and residues from burning can contaminate the liquid metal. By the R 'ekon- of the liquid metal densation arises immediately after a short circuit again a conductive state, so that no off-state is present.
  • the present application refers to the prior art, which is disclosed in utility model DE 1 802 643.
  • a call device for petrol stations in which a bell switch is electrically closed by a liquid metal in that an air-filled hose is rolled over by a vehicle and pressed together so that the escaping air pushes the liquid metal column between the bell contacts.
  • the liquid metal is moved purely passively by an external action, namely by a vehicle to be detected. Since the liquid metal column trapped in the hose acts as a vehicle detector, no autonomous control for the targeted opening and closing of the switch by means of the liquid metal is provided.
  • the object of the present invention is to provide a method, a device and an electrical switchgear with such a device for improved and simplified current switching. According to the invention, this object is achieved by the features of the independent claims.
  • the invention consists in a method for current limitation and / or power switching with a liquid metal current switch, which comprises solid electrodes and a liquid metal container with at least one channel for a liquid metal, an operating state between the fixed electrodes in a first operating state.
  • the current switch is passed on a first current path through the current switch and the first current path is at least partially guided through the liquid metal located in a first position, in a second operating state the liquid metal being driven in a direction of movement in at least one direction by a dielectric fluid drive controlled by a controller second position is moved, the working fluid being dielectric and directly acting mechanically with a predeterminable driving pressure on a surface of the liquid metal, and the liquid metal in the at least one second position at least partially, in particular The other is completely, in series with a dielectric or resistance material and thereby a current-limiting and / or current-disconnecting second current path is formed by the current switch.
  • the working fluid is brought into direct physical contact with the liquid metal and in the second operating state, when the liquid metal is displaced between the fixed electrodes and the liquid metal contact is opened, bridges a dielectric insulating distance between the fixed electrodes.
  • the fluid drive is particularly suitable for arc-free current limiters, for circuit breakers with or without arcing and for current-limiting circuit breakers.
  • the method can also be used at very high voltage levels.
  • the current switching with fluid-driven liquid metal is reversible and is therefore maintenance-friendly and inexpensive.
  • the fluid drive is also characterized by great reliability and low wear.
  • a dielectric gas and / or a dielectric liquid is selected as the dielectric working fluid, and mixing of the fluid with the liquid metal is largely avoided.
  • a particularly high dielectric strength can be achieved with a dielectric gas drive.
  • a particularly fast response time of the current switch can be achieved with a dielectric liquid drive.
  • the embodiment according to claim 3 has the advantage that fast response times of the current switch can be achieved without mixing liquid metal with working fluid.
  • the state of flow of the liquid metal in the liquid state of matter remains very well under control.
  • the embodiment according to claim 4 has the advantage that a progressive current limitation can be implemented with a gentle current limiting or switch-off characteristic that is as free of arcs as possible.
  • Claims 5 and 6 indicate advantageous configurations for a fluid-operated current-limiting switch or current limiter with an integrated switch.
  • Claim 7 specifies a particularly simple configuration of a fluid pressure drive with pressure reservoirs for a gas or generally for a working fluid.
  • the piezo liquid metal drive according to claim 8 has the advantage of great reliability, low wear and efficient pressure transfer from the working fluid to the liquid metal. Due to the incompressibility of the drive fluid, a particularly fast reaction time of the current switch is realized.
  • the exemplary embodiments according to claim 9 relate to a particularly simple configuration for the piezo drive with liquid metal, the dielectric strength in the contact-open state being favorably influenced by the choice of the drive fluid, and dimensioning criteria for an advantageous mechanical design of the piezo fluid drive.
  • the invention relates to a liquid metal current switch for current limitation and / or power switching, in particular for carrying out the method, comprising solid electrodes and a liquid metal container with at least one channel for a liquid metal, a first current path between the fixed electrodes in a first operating state for an operating current through the current switch and the first current path leads at least partially through the liquid metal located in a first position, a dielectric fluid drive having a working fluid and a controller and designed to move the liquid metal along a direction of movement into at least a second position is, wherein the working fluid is dielectric and acts mechanically with a predetermined drive pressure on a surface of the liquid metal, a dielectric or resistance material is present in the liquid metal container t and in a second operating state the liquid metal in the at least one second position is at least partially in series with the dielectric or resistance means and thereby forms a current-limiting and / or current-disconnecting second current path in the current switch.
  • Claims 11, 12, 16 and 18 specify components and dimensioning criteria for the optimal design of the fluid drive and in particular piezo drive.
  • Claims 13-15 and 19 indicate advantageous geometric arrangements of liquid metal and resistance or insulator means.
  • a series connection of liquid metal columns alternating with the dielectric can also handle high voltages and high currents efficiently and safely.
  • FIGS. 1 a, 1 b show an exemplary embodiment of a liquid metal current switch according to the invention with a gas drive in cross section and in plan view;
  • Fig. 2 shows an embodiment of a combined liquid metal current limiter and liquid metal circuit breaker with gas drive.
  • FIG. 3a-3c show an exemplary embodiment of a liquid metal current switch with a piezo-fluid drive with liquid metal contact closed (FIG. 3a) or open (FIG. 3a, 3c);
  • La, lb shows in cross section and in plan view an embodiment of a liquid metal current switch 1, in particular a liquid metal current limiter 1 or liquid metal circuit breaker 1.
  • the current switch 1 comprises solid metal electrodes 2a, 2b for connecting a current supply 20 and one Container 4 for the liquid metal 3.
  • the container 4 has a base 6 and cover 6 made of insulator material, between which a dielectric 5, 8, 9 and at least one channel 3a for the liquid metal 3 are arranged.
  • the current switch 1 has a dielectric fluid drive 12 with a control 11, in which a working fluid 9 with a predeterminable drive pressure i / P 2 acts directly mechanically on a front surface 3b of the liquid metal 3 and the liquid metal columns 3 from a first position xj .
  • the liquid metal 3 is at least partially in a first current path 30 for an operating current I.
  • the liquid metal 3 is at least partially and preferably completely in series with the dielectric 5, 8, 9, so that a current-limiting and / or current-disconnecting second current path 31, 32 is formed by the current switch 1.
  • the dielectric fluid drive 12 has first means 121-122 for generating a drive pressure pi, p 2 in the fluid 9, second means 10, 4, 123, 124 for bringing the fluid 9 into contact with the liquid metal 3 and the controller 11.
  • the first means 121-122 comprise a cut-off pressure container 121 for opening the liquid metal 3 and a cut-on pressure container 122 for closing the liquid metal 3.
  • the second means 10, 4, 123, 124 comprise at least one valve 10 for filling a working pressure container 123 with the working fluid 9 under the desired drive pressure pi, p 2 and for transferring pressure from the working fluid 9 to the liquid metal 3.
  • the valves 10 and thus the pressure vessels 121-124 are activated by the controller 11 so that the working pressure vessel 123 for the working fluid 9 for moving the liquid metal 3 is connected to the cut-off pressure container 121 for opening the liquid metal 3 and to the switch-on pressure container 122 for closing the liquid metal 3.
  • the second means 10, 4, 123, 124 can also comprise a compression pressure container 124 with a trapped compressible fluid 9 'for applying a restoring force to a rear surface 3c of the liquid metal 3.
  • the compressible fluid 9 ' acts as a spring with the desired restoring force.
  • the restoring force can also be applied actively through a pressure vessel (not shown) filled with a compressible or incompressible fluid 9 'analogous to 121 or 122.
  • a dielectric gas 9 and / or a dielectric liquid can be selected as the dielectric working fluid 9.
  • the working fluid 9 should essentially not be mixed with the liquid metal 3.
  • the liquid metal column 3 can be surrounded by a protective gas or a protective liquid (not shown here).
  • the drive pressure p i; p 2 in accordance with a switching time of the current switch 1, in particular in accordance with an overcurrent I 2 to be limited and a travel-time characteristic x (t) of the liquid metal 3 in the second current path 31 required for this.
  • the drive or fluid pressure p l p 2 should also be selected to be lower than a surface tension of the surface 3b of the liquid metal 3 which is pressurized by the fluid pressure pi, p 2 .
  • the liquid metal 3 is preferably set in an orderly flowing movement by the fluid drive 12. Thus, the liquid metal 3 remains in a liquid state in the first and in the second operating state. As a result, high currents can be limited or switched off with very fast response times of up to less than 1 ms even without a pinch effect.
  • the pressure design also applies to the pressure design: if the working volume V 3 is very much smaller than the storage volume V lf V 2 (V 3 ⁇ Vi, V 2 ), the pressures in the storage containers 121, 122 become over time just lose weight imperceptibly.
  • the drive pressure p 3 then becomes the same when the contact opens and when making contact selected.
  • the drive pressure i can also be selected to be equal to the atmospheric pressure. It goes without saying that in practice a small pump is required to maintain at least one of the drive pressures pi, p 2 .
  • a cross-sectional area Q of the liquid metal 3 in the first current path 30 is to be designed according to the current carrying capacity of the current switch 1; and / or a width S and number of webs 5a, 8a for separating the channels 3a for the liquid metal 3 and a type of working fluid 9 are to be designed in accordance with a dielectric strength of the current switch 1 in the second operating state; and / or a cross section Q 1 , in particular a channel width B, and a surface condition of the channels 3a for the liquid metal 3 and a type of the liquid metal 3 are to be designed in accordance with a required surface tension of the surface 3b of the liquid metal 3 which is pressurized by the working fluid 9.
  • a flow element (not shown) can be provided for the steady and spatially isotropic equalization of the gas flow.
  • the flow element can most simply be a plate perpendicular to the incoming gas flow, through which the gas flow is diffusely deflected in different directions and only then reaches the liquid metal surface 3c.
  • the hole length L should be chosen to be as short as possible in order to obtain the fastest possible response times of the current switch 1 when opening and closing the liquid metal contact 3.
  • the entire surface 3c of the liquid metal 3 under pressure should be chosen to be as large as possible in order to exert the greatest possible force on the liquid metal 3 and to increase the reaction time, in particular which further reduce the time delay between valve actuation by the control unit 11 and opening or closing of the liquid metal contact 3.
  • the dielectric 5, 8, 9 can comprise a resistance means 5 with a predeterminable electrical resistance R x .
  • the resistance element 5 should have an ohmic component and is preferably purely ohmic.
  • the resistance element 5 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 and becomes the liquid metal 3 during a transition from the first position Xi to the second position X 1 2 , x 2 / in particular to an extreme second position x 2 , along the resistance element 5.
  • the electrical resistance R x as a function R x (x ⁇ 2 ) of the second position x i2 and a path-time characteristic ⁇ 2 () of the liquid metal 3 along the direction of movement x should be chosen such that in every second position x i2 , X 2 of the liquid metal 3, the product of the electrical resistance R x and current I 2 is less than an arc ignition voltage U b between the liquid metal 3 and the fixed electrodes 2a, 2b and possibly intermediate electrodes 2c and / or that the current limitation is sufficiently steep to control network-related short-circuit currents i ( t) is achieved.
  • the dielectric 5, 8, 9 can comprise an insulator 8, which is designed for switching off the current, in particular with arcing.
  • the dielectric can also include the working fluid 9.
  • a maximum electrical resistance R x (x 2 ) of the dielectric 5, 8, 9 is dimensioned to a finite value in accordance with a current I 2 to be limited or to a dielectric insulation value for switching off the current Ii, I 2 ,
  • a plurality of channels 3a for the liquid metal 3, which are essentially parallel to one another and extend along the movement direction x, are present in the liquid metal container 4 and are separated from one another by wall-like webs 5a.
  • the webs 5a end in the region of the first current path 30 in a common container region 123 for gathering together the liquid metal 3 and for passing the operating current I ⁇ and have individual resistors 5a or individual insulators 8a of the dielectric 5, 8 in the region of the second current path 31.
  • the liquid metal 3 shows a combined or integrated liquid metal current limiter 1 and liquid metal circuit breaker 1 with gas drive 12 for the liquid metal 3.
  • the current i is conducted on the current limiting path 31 and as above discussed limited.
  • the liquid metal 3 can be moved along the opposite direction of movement -x in at least one third position x 13 , x 3 , the liquid metal 3 in the at least one third position x ⁇ 3 / x 3 in series with an insulator 8 lies and thereby an insulation gap 32 is formed for power cut-off by the device 1.
  • the first or nominal current path 30 and the current-limiting or second current path 31 are arranged essentially perpendicular to the direction of movement x, predetermined by the longitudinal extent of the channels 3a, and / or essentially parallel to one another.
  • the insulation section 32 for switching off the current is advantageously arranged above the second current path 31 and / or below the current path 30 and as parallel as possible to these. This results in a compact arrangement of the liquid metal 3 and its drive mechanism 12 relative to the currents I lf I 2 , i to be switched, in particular the nominal current path 30, current limiting path 31 and, if appropriate, current cut-off path 32.
  • the webs 5a again advantageously represent individual resistors 5a of the resistance element 5 with an electrical resistance R x increasing along the channel depth.
  • the current-limiting second current path 31 is formed by an alternating series connection of channel regions 3a filled with liquid metal 3 and the webs 5a, which particularly preferably act as individual resistors 5a of the resistance element 5 which are progressive with their length.
  • the webs 5a should have intermediate electrodes 2c for the electrically conductive connection of the channels 3a on the nominal current path 30.
  • the insulation section 8 can also be formed by a plurality of insulation webs 8a which, in the event of a shutdown, are arranged in an alternating series connection with the liquid metal columns 3 shifted downwards.
  • a control command is used to switch between the second and third operating states, the controller 11 providing a low working pressure p x for raising the liquid metal column 3 in the case of a current limiting command and a higher working pressure p 2 for lowering the liquid metal column 3 in the case of a switch-off command.
  • FIG. 2 shows a gas pressure drive 12 as the fluid drive, in which a first gas pressure container 121 with gas under volume V x and pressure pi and a second gas pressure container 122 with gas under volume V 2 and pressure p 2 each have a controllable gas pressure valve 10 or a combined bidirectional valve (not shown) communicate with the working pressure vessel 123 with working volume V 3 and working pressure p 3 .
  • suitable pressures e.g. B.
  • P ⁇ ⁇ P 2 / and activation of the valves 10 by the controller 11 can be switched back and forth between the first, second and third operating state.
  • gas from 121 is flowed into the working volume V 3 with pressure pi and the liquid metal columns 3 rise to x i2 or x 2 .
  • the container 122 is opened with pressure p 2 and the liquid metal 3 is lowered to the third position x 13 or extremely third position x 3 .
  • the current-limiting upper part 5 in FIG. 2 can also be designed as a current-limiting switch 1 with a further insulator part 8, as described above.
  • the enclosed gas in the containment volume 124 in turn serves as a resilient spring force.
  • liquid metal 3 are, for. B. mercury, gallium, cesium, GalnSn or similar.
  • the fluid pressure drive 12 has the particular advantage that a hydraulic or generally mechanical drive for the liquid metal 3 can be avoided.
  • FIG. 3a, 3b, 3c show in cross section an embodiment of a liquid metal current switch 1, in particular a liquid metal current limiter 1 or liquid metal circuit breaker 1, with a piezo fluid drive 12.
  • the current switch 1 in turn comprises solid metal electrodes 2a, 2b for Connecting a power supply and a container 4 for the liquid metal 3, in which at least one channel 3a for the liquid metal 3 is arranged.
  • the current switch 1 has a piezoelectric drive 12 for the liquid metal 3, in which, by means of a working fluid 9 with a predeterminable drive pressure j, p 2, directly on a first surface 3b of the liquid metal 3 is mechanically acted and the liquid metal column 3 is moved from a first position x to a second position x i2 , 2 .
  • the liquid metal 3 is at least partially in a first current path 30 for an operating current I.
  • the liquid metal 3 is at least partially and preferably completely outside the first current path 30, so that a current-limiting and / or current-disconnecting second current path 31, 32 is formed by the current switch 1.
  • the piezo drive 12 has a piezo actuator 100, the piston 100 movable by this, 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 also includes a pressure container 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 provided, for example, by the piezo actuator 100 itself. A relatively large piezo crystal is necessary for this. For this, the lateral sealing of the movable piston 100 is problem-free.
  • the piezo drive 12 preferably comprises a dielectric drive fluid 9, wherein: the drive fluid 9 is incompressible and acts mechanically with a pressure px, p 2 which can be predetermined by the piston 100, directly on a first surface 3b of the liquid metal 3; and / or a pressure p lf p 2 which can be predetermined by the piston 100 in the drive fluid 9 is selected to be slightly lower than a surface tension of the pressure-stressed first surface 3b of the liquid metal 3; and / or the drive fluid 9 is arranged between the piston 100 and the liquid metal 3; and / or as a drive fluid 9 a dielectric liquid, in particular an insulator liquid 9 such as e.g. B.
  • transformer oil or silicone oil is selected, which is essentially not mixed with the liquid metal 3.
  • the liquid metal 3 can be carried by the drive fluid 9 via the first surface 3c. According to FIG. 3c, the liquid metal 3 is moved upward to open the contact by the piezo drive 12 such that a contact gap 2d between the fixed electrodes 2a, 2b is filled with the drive fluid 9. As a result, good dielectric strength or insulation strength of the second current path 32 is achieved in the contact-opened second operating state.
  • the liquid metal 3 can also be in contact with an insulating gas 9 1 via a second surface 3c.
  • the liquid metal 3 for opening the contacts is moved downwards by the piezo drive 12 such that a contact gap 2d between the fixed electrodes 2a, 2b is filled with the insulating gas 9 '.
  • Dry air, nitrogen, sulfur hexafluoride, argon or vacuum, for example, are suitable as insulating gas 9 1 . This allows the dielectric strength to be further improved.
  • the following are prevented: arcing in the drive fluid 9, contamination of the drive fluid 9 by chemical decomposition products, chemical aging of the solid electrodes 2a, 2b by the decomposition products and gas bubble formation in the drive fluid 9.
  • an arc ignition in the insulating gas 9 ' is clear less problematic.
  • a configuration is also conceivable in which the gas volume 4a is designed to be small relative to its change, when the liquid metal 3 is opened according to FIG.
  • the piezo drive 12 by expansion work of the insulating gas 9 '. ⁇ v is supported and thus the reaction time of the contact opening is shortened.
  • the piezo drive 12 then performs the compression work for the insulating gas 9 ', which is achieved by slightly longer contact closing times.
  • Both embodiments for opening the liquid metal contact 3 according to FIGS. 3b and 3c can alternatively, ie. H. mutually exclusive, or together, d. H. complementary to each other, implemented and controlled in particular by the piezo controller 11.
  • the piezo fluid drive 12 is constructed analogously to FIGS. 3a-3c.
  • the piston 101 comprises an auxiliary piston 101, which can be driven by at least one piezo actuator 100 of the piezo drive 12.
  • a significantly larger piston area A ⁇ for driving the liquid metal 3 can be created and the piston area A ⁇ can be selected independently of the size of the piezo actuator 100.
  • a working stroke .DELTA.x of the liquid metal 3 should be selected to 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 therefore matched to a total cross-sectional area A F of the liquid metal 3 to be driven in all channels 3a and to the working stroke ⁇ x to be achieved for the liquid metal 3.
  • a quantitative example is given for the design of the piezo drive 12 according to the simplest embodiment in FIGS. 3a-3c.
  • a F Q »B / H.
  • F piezoelectric force
  • a ⁇ piston area
  • m F mass of the liquid metal
  • x position of the liquid metal column (s) 3 during dynamic switching.
  • Equation (G2) an increase in the mass of the drive fluid 9 in the reservoir 40a was neglected because it is wide, deep and flat. 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 .
  • FIG. 7 shows the resulting piezo stroke ⁇ y (g ope n »W) as a function of the required vertical contact distance g op e n 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 distance g open of 5 mm can be realized with a piezo crystal 100 with a minimum piezoelectric working stroke of 240 ⁇ m.
  • the liquid metal container 4 again includes, for example, a plurality of channels 3a for the liquid metal 3, which are essentially parallel to one another and extend along the direction of movement x and are separated from one another by wall-like webs 5a, 8a are.
  • the webs 5a, 8a have intermediate electrodes 2c in the region of the first current path 30 for passing the operating current I 2 and in the region of the second current path 31 individual resistors 5a and / or individual insulators 8a of the dielectric 5, 8.
  • An area with resistance means 5 serves to create a current-limiting second current path 31 and an area with insulator means 8 to create a second current path 32 for switching off the current, in particular with arcing.
  • the dielectric 5, 8, 9, 9 'can also include the drive fluid 9 and / or the insulating gas 9 1 , which likewise have a predeterminable electrical resistance R x for the second current path 31, 32.
  • the liquid metal 3 in the second position X 2 , x 2 being in series with the dielectric 5, 8, 9, 9' and with it a current-limiting and / or current-disconnecting second current path 31, 32 forms in current switch 1.
  • the dielectric 5, 8, 9, 9 ' should have an ohmic portion and is preferably purely ohmic.
  • the dielectric comprises a resistance means 5, which runs along one for arc-free current limitation of the direction of movement x up to an extreme second position x 2 has continuously increasing electrical resistance R x for the second current path 31.
  • the webs 5a have a dielectric material with increasing resistance R x in the direction of movement x.
  • the liquid metal 3 is guided along the webs 5a of the resistance element 5 during a transition from the first position Xi to the second position x 12 , x 2 .
  • the current-limiting second current path 31 is thus formed by an alternating series connection of channel regions 3a filled with liquid metal 3 and the webs 5a, which act as individual resistors 5a of the resistance element 5 which are progressive with their length.
  • the container 4 shows a combined or integrated liquid metal current limiter 1 and liquid metal circuit breaker 1 with a piezo drive 12 for the liquid metal 3.
  • the container 4 has a base 6 and cover 6 made of insulator material, between which the dielectric 5, 8, 9, 9 ' and the liquid metal channels 3a are arranged.
  • the current i is guided on the current limiting path 31 and limited as discussed above.
  • the liquid metal 3 can be moved in a third operating state along the opposite direction of movement -x into at least a third position X 3 , x 3 , the liquid metal 3 being in series with the insulator 8 in the at least one third position x 13) x 3 and thereby an insulation path 32 for power cut-off is formed by the device 1.
  • the insulation section 8 can also be formed by a plurality of insulation webs 8a which, in the event of a shutdown, are arranged in an alternating series connection with the liquid metal columns 3 shifted downwards.
  • the controller 11 generating a piezo movement or piezoelectric force F upward for raising the liquid metal column 3 in the case of a current limiting command and a piezoelectric force downward for lowering the liquid metal column 3 in the case of a shutdown command.
  • the first or nominal current path 30 and the current-limiting or second current path 31 are arranged essentially perpendicular to the direction of movement x, predetermined by the longitudinal extent of the channels 3a, and / or essentially parallel to one another ,
  • the insulation section 32 for switching off the current is advantageously arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30 and as parallel as possible to these.
  • the liquid metal 3 is preferably set in an orderly flowing movement by the piezo fluid drive 12.
  • the liquid metal 3 thus remains in a liquid state of aggregation in the first, second and third operating states.
  • high currents with very fast response times of up to less than 1 ms can be limited or switched off without a pinch effect.
  • the piezo liquid metal current switch 1 With the piezo liquid metal current switch 1, the requirements for circuit breakers mentioned in FIGS. 1-2 can also be met and a hydraulic or complex mechanical drive for the liquid metal 3 can be avoided.
  • the piezo drive 12 can also work without working fluid 9 and act directly on the liquid metal 3.
  • inventions relate, inter alia, to 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 assembly, in particular a high or medium voltage switchgear assembly, characterized by a device 1 as described above.
  • a P Area of the piezo actuator B Diameter of the liquid metal column, channel width, minimal contact gap

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (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 dielektrischen Fluidantrieb (12) mit einer Steuerung (11) zwischen einem ersten Strompfad für Nennstrom (I1), einem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung (12) und gegebe­nenfalls einem dritten Strompfad (32) zur Stromabschaltung (i=0) bewegt, wobei das Arbeitsfluid (9) mit einem vorgeb­baren Antriebsdruck (p1, p2) unmittelbar auf eine Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt. Ausführungsbeispiele sind u.a.: Isoliergas (9) oder Iso­lierflüssigkeit (9) als Antriebsfluid (9); Druckantrieb (12) mit Druckbehältern (121-124) und Ventilen (10) oder Piezoantrieb (12) für das Arbeitsfluid (9); und Designkri­terien für Flüssigmetall-Anordnung (3a, 4), Antriebsdruck (p1, p2) und Piezoantrieb (12). Vorteile sind u. a.: rever­sible Strombegrenzung und Stromabschaltung, geeignet auch für hohe Spannungen und Ströme, schnelle Reaktionszeiten, geringer Verschleiss und wartungsfreundlich.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zur Stromschaltung mit einem fluidbetriebenen Flüssigmetall-Stromschalter
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 Hochstromschal - ter 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 der DE 40 12 385 AI 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 AI wird eine selbsterholende Strom- begrenzungseinrichtung 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 Nominalstrδme 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 Verbin- dungskanäle 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 R'ekon- densation des Flüssigmetalls stellt sich unmittelbar nach einem Kurzschluss wieder ein leitfähiger Zustand ein, so dass kein Ausschaltzustand vorhanden ist.
Die vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf den Stand der Technik, der in dem Gebrauchsmuster DE 1 802 643 offenbart ist. Dort ist ein Rufgerät für Tankstellen gezeigt, bei dem ein Klingelschalter durch ein Flüssigmetall elektrisch geschlossen wird, indem ein luftgefüllter Schlauch von einem Fahrzeug überrollt und so zusammengepresst wird, dass die entweichende Luft die Flüssigmetallsäule zwischen die Klingelkontakte schiebt. Das Flüssigmetall wird durch eine externe Einwirkung, nämlich durch ein zu detektierendes Fahrzeug, rein passiv bewegt. Da die im Schlauch gefangene Flüssigmetallsäule als Fahrzeugdetektor wirkt, ist keine autonome Steuerung zum gezielten Öffnen und Schliessen des Schalters mittels des Flüssigmetalls vorgesehen. 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 erfindungsge- äss 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 u fasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein Betriebs- ström auf einem ersten Strompfad durch den Stromschalter geführt wird und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssig- metall geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall durch einen von einer Steuerung gesteuerten dielektrischen Fluidantrieb entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird, wobei das Arbeitsfluid dielektrisch ist und unmit- telbar mit einem vorgebbaren Antriebsdruck auf eine Oberfläche des Flüssigmetalls mechanisch einwirkt, und das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in Serie mit einem Dielektrikum oder Widerstandsmaterial liegt und da- durch ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad durch den Stromschalter gebildet wird. Erfindungsgemäss wird das Arbeitsfluid in unmittelbaren physischen Kontakt mit dem Flüssigmetall gebracht und überbrückt im zweiten Betriebszustand, wenn das Flüssig- metall zwischen den Festelektroden verdrängt und somit der Flüssigmetallkontakt geöffnet wird, eine dielektrisch isolierende Distanz zwischen den Festelektroden. Der Fluidantrieb ist besonders für lichtbogenfreie Strombegrenzer, für Leistungsschalter mit oder ohne Lichtbogenbildung und für strombegrenzende Leistungsschalter geeignet. Das Verfahren kann auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Die Stromschaltung mit fluidangetriebenem Flüssigmetall erfolgt reversibel und ist daher wartungs- freundlich und kostengünstig. Der Fluidantrieb zeichnet sich zudem durch grosse Zuverlässigkeit und geringen Ver- schleiss aus. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird als dielektrisches Arbeitsfluid ein dielektrisches Gas und/oder eine dielelektrische Flüssigkeit gewählt, und ein Vermischen des Fluids mit dem Flüssigmetall wird weitgehend vermie- den. Mit einem dielektrischen Gasantrieb kann eine besonders hohe dielektrische Festigkeit erreicht werden. Mit einem dielektrischen Flüssigkeitsantrieb kann eine besonders schnelle Reaktionszeit des Stromschalters realisiert werden. Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 3 hat den Vorteil, dass schnelle Reaktionszeiten des Stromschalters ohne Vermischen von Flüssigmetall mit Arbeitsfluid erreicht werden. Zudem bleibt der Strömungszustand des Flüssigmetalls im flüssigen Aggregatzustand sehr gut unter Kontrolle. Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 4 hat den Vorteil, dass eine progressive Strombegrenzung mit einer sanften, möglichst lichtbogenfreien Strombegrenzungs- oder Abschaltcharakteristik realisiert werden kann.
Ansprüche 5 und 6 geben vorteilhafte Konfigurationen für einen fluidbetriebenen strombegrenzenden Schalter oder Strombegrenzer mit integriertem Schalter an.
Anspruch 7 gibt eine besonders einfache Konfiguration eines Fluid-Druckantriebs mit Druckvorratsbehältern für ein Gas oder allgemein für ein Arbeitsfluid an. Der Piezo-Flüssigmetallantrieb gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil einer grossen Zuverlässigkeit, eines geringen Ver- schleisses und einer effizienten Druckübertragung vom Arbeitsfluid auf das Flüssigmetall. Durch die Inkompressibi- lität des Antriebsfluids wird eine besonders schnelle Reak- tionszeit des Stromschalters realisiert.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 9 betrifft eine besonders einfache Konfiguration für den Piezoantrieb mit Flüssigmetall, wobei die Spannungsfestigkeit im kontaktgeöffneten Zustand durch Wahl des Antriebsfluids günstig beeinflusst wird, und Dimensionierungskriterien für eine vorteilhafte mechanische Auslegung des Piezo-Fluidantriebs . In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Flüssigmetall-Stromschalter zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren, 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 Positi- on befindliche Flüssigmetall führt, wobei ein dielektrischer Fluidantrieb ein Arbeitsfluid und eine Steuerung aufweist und zum Bewegen des Flüssigmetalls entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position ausgelegt ist, wobei ferner das Arbeitsfluid dielektrisch ist und unmittelbar mit einem vorgebbaren Antriebsdruck auf eine Oberfläche des Flüssigmetalls mechanisch einwirkt, im Flüssigmetall -Behälter ein Dielektrikum oder Widerstandsmaterial vorhanden ist und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position zumindest teilweise in Serie zu dem Dielektrikum oder Widerstandsmittel liegt und dadurch einen strombegrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad im Stromschalter bildet.
Ansprüche 11, 12, 16 und 18 geben Komponenten und Dimen- sionierungskriterien zur optimalen Auslegung des Flui- dantriebs und insbesondere Piezoantriebs an.
Ansprüche 13-15 und 19 geben vorteilhafte geometrische Anordnungen von Flüssigmetall und Widerstands- oder Isolatormitteln an. Insbesondere können durch eine Serieschal- tung 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. la, lb zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemässen Flüssigmetall-Stromschalters mit Gasantrieb im Querschnitt und in Drauf- sieht;
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzers und Flüssigmetall-Leistungsschalters mit Gasantrieb.
Fig. 3a-3c zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssig- metall-Stromschalters mit Piezo-Fluidantrieb mit Flüssigmetallkontakt geschlossen (Fig.3a) oder offen (Fig.3b, 3c);
Fig. 4, 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des Piezo-Fluidantriebs; und Fig. 6, 7 zeigen Berechnungen von Kontaktöffnungszeiten und des erforderlichen piezoelektrischen Hubs.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. la, lb zeigt im Querschnitt und in Draufsicht 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 ei- ner 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 Dielektrikum 5, 8, 9 und mindestens ein Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet sind. Erfindungsgemäss weist der Stromschalter 1 einen dielektrischen Fluidantrieb 12 mit einer Steuerung 11 auf, bei dem ein Arbeitsfluid 9 mit einem vorgebbaren Antriebsdruck i/ P2 unmittelbar auf eine vorderseitige Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch einwirkt und die Flüssig- metallsäulen 3 von einer ersten Position xj. in eine zweite Position x12, x2 bewegt. In der ersten Position i befindet sich das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise in einem ersten Strompfad 30 für einen Betriebsstrom I . In der zweiten Position x12, x2 liegt das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig in Serie zu dem Dielektrikum 5, 8, 9, so dass ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad 31, 32 durch den Stromschalter 1 gebildet wird. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. la, lb weist der dielektrische Fluidantrieb 12 erste Mittel 121-122 zur Erzeugung eines Antriebsdrucks pi, p2 in dem Fluid 9, zweite Mittel 10, 4, 123, 124 zum Inkontaktbringen des Fluids 9 mit dem Flüssigmetall 3 und die Steuerung 11 auf. Insbe- sondere umfassen die ersten Mittel 121-122 einen Abschaltdruckbehälter 121 zum Kontaktöffnen des Flüssigmetalls 3 und einen Anschaltdruckbehälter 122 zum Kontaktschliessen des Flüssigmetalls 3. Insbesondere umfassen die zweiten Mittel 10, 4, 123, 124 mindestens ein Ventil 10 zum Befül- len eines Arbeitsdruckbehälters 123 mit dem Arbeitsfluid 9 unter dem gewünschten Antriebsdruck pi, p2 und zur Druckübertragung vom Arbeitsfluid 9 auf das Flüssigmetall 3. Im Betrieb des Druckantriebs 12 werden die Ventile 10 und damit die Druckbehälter 121-124 durch die Steuerung 11 so aktiviert, dass der Arbeitsdruckbehälter 123 für das Arbeitsfluid 9 zum Bewegen des Flüssigmetalls 3 mit dem Abschaltdruckbehälter 121 zum Kontaktöffnen des Flüssigmetalls 3 und mit dem Anschaltdruckbehälter 122 zum Kontaktschliessen des Flüssigmetalls 3 verbunden wird. Die zweiten Mittel 10, 4, 123, 124 können auch einen Kompressionsdruckbehälter 124 mit einem gefangenen kompres- siblen Fluid 9' zum Aufbringen einer Rückstellkraft auf eine rückwärtige Oberfläche 3c des Flüssigmetalls 3 umfassen. Hierbei wirkt das kompressible Fluid 9' als Feder mit der gewünschten Rückstellkraft. Alternativ kann die Rückstellkraft auch aktiv durch ein Druckgefäss (nicht dargestellt) analog zu 121 oder 122 befüllt mit einem kompres- siblen oder inkompressiblen Fluid 9' aufgebracht werden. Als dielektrisches Arbeitsfluid 9 kann ein dielektrisches Gas 9 und/oder eine dielelektrische Flüssigkeit gewählt werden. Das Arbeitsfluid 9 soll im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall 3 vermischt werden. Bevorzugt wird als dielektrisches Arbeitsfluid 9 ein Isoliergas 9, insbesondere trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum, und/oder eine Isolatorflüssigkeit, insbesondere Transformatorenöl oder Silikonöl, gewählt. Zusätzlich kann die Flüssigmetallsäule 3 durch ein Schutzgas oder ei- ne Schutzflüssigkeit umgeben sein (hier nicht dargestellt) .
Mit Vorteil wird der Antriebsdruck pi; p2 nach Massgabe einer Schaltzeit des Stromschalters 1, insbesondere nach Massgabe eines zu begrenzenden Überstroms I2 und einer hierfür erforderlichen Weg-Zeit Charakteristik x(t) des Flüssigmetalls 3 im zweiten Strompfad 31, ausgelegt. Auch soll der Antriebs- oder Fluiddruck pl p2 niedriger als eine Oberflächenspannung der durch den Fluiddruck pi, p2 druckbeanspruchten Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 gewählt werden. Vorzugsweise wird das Flüssigmetall 3 durch den Fluidantrieb 12 in eine geordnete Fliessbewegung versetzt. Somit verbleibt das Flüssigmetall 3 im ersten und im zweiten Betriebszustand in einem flüssigen Aggregatzustand. Dadurch können hohe Ströme mit sehr schnellen Reaktionszei- ten von bis zu unter 1 ms auch ohne Pinch-Effekt begrenzt oder abgeschaltet werden.
Für die Druckauslegung gilt ferner: wenn das Arbeitsvolumen V3 sehr viel kleiner als die Vorratsvolumina Vlf V2 ist (V3<<Vi, V2) gewählt ist, werden die Drücke in den Vor- ratsbehältern 121, 122 im Laufe der Zeit nur unmerklich abnehmen. Der Antriebsdruck p3 wird beim Kontaktöffnen dann gleich sein und beim Kontaktschliessen gewählt. Zur Vereinfachung kann auch der Antriebsdruck i gleich dem Atmosphärendruck gewählt wer- den. Es versteht sich von selbst, dass in der Praxis eine kleine Pumpe zur Aufrechterhaltung von mindestens einem der Antriebsdrücke pi, p2 erforderlich ist. Für eine vorteilhafte Dimensionierung des Flüssigmetall- Stromschalters 1 gelten folgende Regeln: Eine Querschnittsfläche Q des Flüssigmetalls 3 im ersten Strompfad 30 soll nach Massgabe einer Stromtragfähigkeit des Strom- Schalters 1 ausgelegt werden; und/oder eine Breite S und Anzahl von Stegen 5a, 8a zur Trennung der Kanäle 3a für das Flüssigmetall 3 und eine Art des Arbeitsfluids 9 sollen nach Massgabe einer dielektrischen Festigkeit des Stromschalters 1 im zweiten Betriebszustand ausgelegt wer- den; und/oder ein Querschnitt Q1, insbesondere eine Kanalbreite B, und eine Oberflächenbeschaffenheit der Kanäle 3a für das Flüssigmetall 3 und eine Art des Flüssigmetalls 3 sollen nach Massgabe einer geforderten Oberflächenspannung der durch das Arbeitsfluid 9 druckbeanspruchten Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 ausgelegt werden.
Desweiteren kann zur Vermeidung schneller Gasströmungen, sogenannter Gasjets, beim Einströmen von Gas 9 in das Arbeitsdruckgefäss 123 ein Strömungselement (nicht dargestellt) zur Verstetigung und räumlich isotropen Vergleichmassigung der Gasströmung vorgesehen sein. Das Strδmungselement kann am einfachsten eine Platte senkrecht zur eintretenden Gasströmung sein, durch die der Gasstrom diffus in verschiedene Richtungen umgelenkt wird und erst danach die Flüssigmetall-Oberfläche 3c erreicht. Für die Länge L der Kanäle 3a gilt folgendes: einerseits soll eine minimale Lochlänge L so gewählt sein, dass Fluid 9' im Feder- oder Einschlussvolumen 124 in keinem Betriebszustand, insbesondere auch nicht in transienten Zuständen, den oberen Rand eines Kanals 3a erreicht, um ein Entweichen des Fluids 9' aus dem Einschlussvolumen 124 zu verhindern. Andererseits soll die Lochlänge L möglichst kurz gewählt sein, um möglichst schnelle Reaktionszeiten des Stromschalters 1 beim Öffnen und Schliessen des Flüssigmetallkontakts 3 zu erhalten. Zudem soll die gesamte druck- beanspruchte Oberfläche 3c des Flüssigmetalls 3 möglichst gross gewählt sein, um eine möglichst grosse Kraft auf das Flüssigmetall 3 auszuüben und die Reaktionszeit, insbeson- dere die Zeitverzögerung zwischen Ventilansteuerung durch die Kontrolleinheit 11 und Öffnen oder Schliessen des Flüssigmetallkontakts 3, weiter zu verringern.
Das Dielektrikum 5, 8, 9 kann ein Widerstandsmittel 5 mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand Rx umfassen. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch. Für eine lichtbogenfreie Strombegrenzung weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x bis zu einer extremalen zweiten Position x2 kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand Rx für den zweiten Strompfad 31 auf und wird das Flüssigmetall 3 bei einem Übergang von der ersten Position Xi zur zweiten Position Xι2, x2/ insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x2, entlang des Widerstands- elements 5 geführt. 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(xι2) der zweiten Position xi2 sowie eine Weg-Zeit Charakteristik ι2( ) des Flüssigmetalls 3 entlang der Bewegungsrichtung x sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position xi2, 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. Alternativ oder ergänzend kann das Dielektrikum 5, 8, 9 einen Isolator 8 umfassen, der zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung, ausgelegt ist. Das Dielektrikum kann auch das Arbeitsfluid 9 umfassen. Für ein gegebenes Spannungsniveau wird ein maximaler elektri- scher Widerstand Rx(x2) des Dielektrikums 5, 8, 9 nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms I2 auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Stroms Ii, I2 auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen. In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. la und Fig. lb sind im Flüssigmetall-Behälter 4 mehrere, im wesentlichen zueinander parallele und entlang der Bewegungsrichtung x erstreckte Kanäle 3a für das Flüssigmetall 3 vorhanden, die durch wandartige Stege 5a voneinander getrennt sind. Die Stege 5a enden im Bereich des ersten Strompfads 30 in einem gemeinsamen Behälterbereich 123 zum ZusammenfHessen des Flüssigmetalls 3 und zum Durchleiten des Betriebs- Stroms Iχ und weisen im Bereich des zweiten Strompfads 31 Einzelwiderstände 5a oder Einzelisolatoren 8a des Dielektrikums 5, 8 auf.
Fig. 2 zeigt einen kombinierten oder integrierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Gasantrieb 12 für das Flüssigmetall 3. Bei einer Verschiebung des Flüssigmetalls 3 in positive Bewegungs- richtung +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 min- destens eine dritte Position x13, x3 bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindestens einen dritten Position xι3/ x3 in Serie mit einem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird. 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 Strompfads 30 und möglichst parallel zu diesen angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines Antriebmechanis- mus 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen Ilf I2, i, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert. Wie gezeigt stellen die Stege 5a vorteilhaft wiederum Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar mit einem entlang der Kanaltiefe zunehmendem elektrischen Widerstand Rx. Somit wird der strombegrenzende zweite Strompfad 31 ge- bildet durch eine alternierende Serieschaltung von mit Flüssigmetall 3 gefüllten Kanalbereichen 3a und den Stegen 5a, die besonders bevorzugt als mit ihrer Länge progressive Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 wirken. Auf Höhe der ersten Position Xj. des Flüssigmetalls 3 sollen die Stege 5a Zwischenelektroden 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle 3a auf dem Nennstrompfad 30 aufweisen. 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 einen niedrigen Arbeitsdruck px zur Anhebung der Flüssig- metallsäule 3 bereitstellt und bei einem Abschaltbefehl einen höheren Arbeitsdruck p2 zur Senkung der Flüssigmetallsäule 3.
In Fig. 2 ist als Fluidantrieb ein Gasdruckantrieb 12 angegeben, bei dem wiederum ein erster Gasdruckbehälter 121 mit Gas unter Volumen Vx und Druck pi und ein zweiter Gasdruckbehälter 122 mit Gas unter Volumen V2 und Druck p2 über je ein steuerbares Gasdruckventil 10 oder ein kombiniertes bidirektionales Ventil (nicht dargestellt) mit dem Arbeitsdruckbehälter 123 mit Arbeitsvolumen V3 und Arbeits- druck p3 kommunizieren. Durch Wahl passender Drücke, z. B. Pι<P2/ und Aktivierung der Ventile 10 durch die Steuerung 11 kann zwischen dem ersten, zweiten und dritten Betriebszustand gezielt hin- und hergeschaltet werden. Beispielsweise wird zur Strombegrenzung 31 Gas aus 121 mit Druck pi in das Arbeitsvolumen V3 eingeströmt und die Flüssigmetall- säulen 3 steigen auf xi2 oder x2. Für Nennstrombetrieb 30 wird zeitweise Gas aus 122 eingeströmt und der Flüssigmetallspiegel 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. Auch kann der strombegrenzende obere Teil 5 in Fig. 2 als strombegrenzender Schalter 1 mit einem weiteren Isolatorteil 8, wie zuvor beschrieben, ausgelegt sein. Das eingeschlossene Gas im Einschluss- volumen 124 dient wiederum als rücktreibende Federkraft.
Weitere Details und Varianten des Gasantriebs 12, z. B. in Fig. 2 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 mit- umfasst. 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, GalnSn o. ä.. Mit dem erfindungs- gemässen Flüssigmetall-Stromschalter 1 sind die Erfordernisse für Leistungsschalter erfüllbar, insbesondere die Nennstromtragfähigkeit, Kurzschlussstromtragfähigkeit für einige ms, Stromunterbrechung beim Stromnulldurchgang und die dielektrische Festigkeit für die transiente Einschwingspannung nach Stromunterbrechung sowie für Durchschlagsspannung (BIL=basic insulation level) . Der Fluiddruckantrieb 12 hat den besonderen Vorteil, dass ein hydraulischer oder allgemein mechanischer Antrieb für das Flüssigmetall 3 vermieden werden kann.
Fig. 3a, 3b, 3c zeigen im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Stromschalters 1, insbesondere eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1 oder Flüssig- metall-Leistungsschalters 1, mit Piezo-Fluidantrieb 12. Der Stromschalter 1 umfasst wiederum 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. Der Stromschalter 1 weist einen piezoelektrischen Antrieb 12 für das Flüssigmetall 3 auf, bei dem mittels eines Arbeitsfluid 9 mit einem vorgebbaren Antriebsdruck j, p2 unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch eingewirkt wird und die Flüssigmetallsäule 3 von einer ersten Position x in eine zweite Position xi2, 2 bewegt wird. In der ersten Position Xi befindet sich das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise in einem ersten Strom- pfad 30 für einen Betriebsstrom I . 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. 3a, 3b, 3c 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 px, p2 unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch einwirkt; und/oder ein durch den Kolben 100 im Antriebsfluid 9 vorgebbarer Druck plf 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. 3c 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 91 in Kontakt stehen. Gemäss Fig. 3b wird das Flüssigmetall 3 zum Kontaktδffnen 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 91 sind bei- spielsweise trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexa- fluorid, 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 chemi- sehe 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 Isolier- gas 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 Gasvolu- men 4a klein relativ zu seiner Änderung ausgelegt ist, beim Kontaktöffnen des Flüssigmetalls 3 gemäss Fig. 3b der Piezoantrieb 12 durch Expansionsarbeit des Isoliergases 9' ιv unterstützt wird und so die Reaktionszeit des Kontaktöff- nens 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 Flüssigmetall- kontakts 3 nach Fig. 3b und Fig. 3c 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. 4 und Fig. 5 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. 4 ist der Piezo-Fluidantrieb 12 analog zu Fig. 3a- 3c aufgebaut. In Fig. 5 umfasst der Kolben 101 einen Hilfskolben 101, der durch mindestens einen Piezoaktuator 100 des Piezoantriebs 12 antreibbar ist. Dadurch kann eine deutlich grössere Kolbenfläche Aκ zum Antreiben des Flüssigmetalls 3 geschaffen werden und die Kolbenfläche Aκ ist unabhängig von der Grosse des Piezoaktuators 100 wählbar. Mit Vorteil wird ein Verhältnis AF/AK einer Kolbenfläche A 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 grös- ser 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 Gesamt- Querschnittsfläche 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. 3a - Fig. 3c wird ein quantitatives Beispiel gegeben. Im kontaktgeöffneten Zustand ist das Volumen VF des Antriebsfluids 9 im Kanal 3a gleich VF = AF • (H + gopen) (Gl) wobei 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 vertikaler Kontaktabstand. Zudem gilt Q=H • W=Querschnittsflache für einen beispielhaft rechteckigen Flüssigmetall-Strompfad 30. Somit ist AF=Q»B/H.
Die Bewegungsgleichung für die vom Piezoantrieb 12 zu be- wegende Fluidsäule 3, 9 lautet dann F • AF / Aκ = [mF f (H + gopen - x) • Q • B/H • poiι] • d2x/dt2 (G2) wobei F=piezoelektrische Kraft, Aκ=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. 6 ist die Schaltzeit tsep(W) als Funktion der Kanaltiefe W für verschiedene g0pen 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 Ii, 25 kA Kurzschlussstrom I2) , F=4000 N, kg/m3, und Dichte des Flüssigmetalls pF=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 • pσii so klein wie möglich gehalten werden. Der erforderliche Piezohub Δy ist gleich Δy = B • W / Aκ • (Q / W + gopen) . (G3)
In Fig. 7 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. 4 und Fig. 5 umfasst im Flüssigmetall-Behälter 4 beispielhaft wiederum 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 Einzel - isolatoren 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 91 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 Xι2, 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 Xi zur zweiten Position x12, x2 entlang der Stege 5a des Widerstandselements 5 geführt. Somit wird der strombegrenzende zweite Strompfad 31 gebildet durch eine alter- nierende Serieschaltung von mit Flüssigmetall 3 gefüllten Kanalbereichen 3a und den Stegen 5a, die als mit ihrer Länge progressive Einzelwiderstände 5a des Widerstands- elements 5 wirken. Für die elektrische Auslegung des Stromschalters 1 als Strombegrenzer 1, insbesondere für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i(t), sind die bei Fig. 1-2 beschriebenen Kriterien anzuwenden.
Fig. 5 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 Xι3, 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 Betriebs- zustand durch einen Kontrollbefehl umgeschaltet, wobei die Steuerung 11 bei einem Strombegrenzungsbefehl eine Piezo- bewegung oder piezoelektrische Kraft F nach oben zur Anhebung der Flüssigmetallsäule 3 erzeugt und bei einem Ab- schaltbefehl eine piezoelektrische Kraft nach unten zur Senkung der Flüssigmetallsäule 3.
Für eine besonders kompakte Anordnung sind, wie in Fig. 2, der erste oder Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende oder zweite Strompfad 31 im wesentlichen senkrecht zur Be- wegungsrichtung 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.
Vorzugsweise wird das Flüssigmetall 3 durch den Piezo- 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. Mit dem Piezo- Flüssigmetall-Stromschalter 1 können auch die bei Fig. 1-2 erwähnten Erfordernisse für Leistungsschalter erfüllt und ein hydraulischer oder aufwendiger mechanischer Antrieb für das Flüssigmetall 3 vermieden werden. Im Prinzip kann der Piezoantrieb 12 auch ohne Arbeitsfluid 9 arbeiten und direkt auf das Flüssigmetall 3 einwirken.
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, gekennzeich- net durch eine Vorrichtung 1 wie oben beschrieben. BEZUGSZEICHENLISTE Flüssigmetall-Strombegrenzer/Leistungsschaltera, 2b Festmetall-Elektroden, Metallplatten, feststehende Elektrodenc Zwischenelektrodend Kontaktspalt0 Stromzuführung, Stromleiter Flüssigmetalla Kanäle für Flüssigmetallb, 3c Oberflächen des Flüssigmetalls0 Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad1 Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad2 Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke Behälter, Flüssigmetall -Behältera Isoliergasbehälter, gefangenes Gasvolumen0 Fluidbehälter 0a Druckbehälter für Antriebsflüssigkeit0b Antriebskanal für Antriebsflüssigkeit Widerstandsmatrix für Flüssigmetalla Einzelwiderstände Behälterdeckel, Gehäusewand, Isolator Isolator für Stromunterbrechunga Einzelisolatoren dielektrisches Fluid, Gas, Öl; inkompressibles Arbeitsfluid ' kompressibles Fluid, Gas; Isoliergas0 Ventile, Gasdrucksteuerung00 piezoelektrischer Aktuator01 Kolben1 Steuerung für Fluidantrieb; Steuerung für Piezo- Fluidantrieb2 Fluidantrieb, Druckantrieb, Gasantrieb; dielektrischer Piezo-Fluidantrieb21-124 Druckbehälter, Gasdruckbehälter21 Abschaltdruckbehälter22 Anschaltdruckbehälter23 Arbeitsdruckbehälter24 Gegendruckbehälter, gefangenes Gasvolumen AF Antriebs-Querschnittsfläche der Flüssigmetallsäulen
Aκ 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
Ii Betriebsstrom
I2 begrenzter Überstrom
L Lochlänge m Masse des Flüssigmetalls Pi, P2/ P3 Antriebsdruck, Gasdruck
Q, Q' Querschnitts lächen für Flüssigmetall-Stromp ad
Rx elektrischer Widerstand des Strombegrenzers p Dichte des Antriebsfluids
S Stegbreite tsep Reaktionszeit des Stromschalters, Verzögerungs- zeit zwischen Triggern und Kontaktöffnen i, V2, V3 Gasvolumen
W Tiefe der Flüssigmetallsäule
X Xi ^2 ^12 x3/ ^13 Positionen der Flüssigmetallsäule Δx Hub der Flüssigmetallsäule, Arbeitshub
Δy Hub des Piezoaktuators, Kolbenhub, Antriebshub

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren 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 (Iα) auf einem ersten Strompfad (30) durch den Stromschalter (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (xx) befindliche Flüssigmetall (3) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand a) das Flüssigmetall (3) durch einen von einer Steue- rung (11) gesteuerten dielektrischen Fluidantrieb (12) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (xι2, x2) bewegt wird, wobei ein dielektrisches Arbeitsfluid (9) verwendet wird, das mit einem vorgebbaren Antriebsdruck (pi, p2) unmittelbar auf eine Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt, und b) das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (xX2, X2) zumindest teilweise in Serie mit einem Dielektrikum (5, 8, 9) liegt und dadurch ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad (31, 32) durch den Stromschalter (1) gebildet wird.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) als Arbeitsfluid (9) ein dielektrisches Gas (9) und/oder eine dielelektrische Flüssigkeit gewählt wird und das Arbeitsfluid (9) im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall (3) vermischt wird und b) insbesondere dass als Arbeitsfluid (9) ein Isolier- gas (9), insbesondere trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum, und/oder eine Isolatorflüssigkeit, insbesondere Transforma- torenöl oder Silikonδl, gewählt wird.
3. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Antriebsdruck (p1# p2) geringfügig niedriger als eine Oberflächenspannung der druckbeanspruchten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) gewählt wird und/oder b) das Flüssigmetall (3) im ersten und im zweiten Betriebszustand in einem flüssigen Aggregatzustand verbleibt .
4. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) als Dielektrikum (5, 8) ein Widerstandselement (5) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (Rx) gewählt wird, b) bei einem Übergang von der ersten Position (xi) zur zweiten Position (x_.2; x2) / insbesondere zu einer extremalen zweiten Position (x2) , das Flüssigmetall (3) entlang des Widerstandselements (5) geführt wird und c) das Widerstandselement (5) einen entlang der Bewegungsrichtung (x) des Flüssigmetalls (3) ansteigenden elektrischen Widerstand (Rx) für den zweiten Strompfad (31) aufweist.
5. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein gegebenes Spannungsniveau ein maximaler elektrischer Widerstand (Rx(x2)) des Dielektrikums (5, 8) nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms (I2) auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Stroms (I1# I2) auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen wird.
6. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Be- triebszustand a) das Flüssigmetall (3) entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x) in mindestens eine dritte Position (Xi3 x3) bewegt wird und b) das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen drit- ten Position (Xι3, x3) in Serie mit einem Isolator (8) liegt und dadurch eine Isolationsstrecke (32) zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung (1) gebildet wird und c) insbesondere dass der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst wird, durch den der Fluidantrieb (12) zwischen einem Betrieb des Stromschalters (1) als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird.
7. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Fluidantrieb (12) ein Druckantrieb (12) mit Druckbehältern (121-124) , Ventilen (10) und der Steuerung (11) für das Arbeitsfluid (9) ist, durch die ein Arbeitsdruckbehälter (123) für das Arbeitsfluid (9) zum Bewegen des Flüssigmetalls (3) mit einem Abschaltdruckbehälter (121) zum Kontaktöffnen des Flüssigmetalls (3) und mit einem Anschaltdruckbehälter (122) zum Kontaktschiies- sen des Flüssigmetalls (3) verbunden werden kann.
8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass als dielektrischer Fluidantrieb (12) ein Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben (100, 101) verwendet wird und das Antriebsfluid (9) inkompressibel ist und mit einem durch den Kolben (100, 101) vorgebbaren Druck (pi, p2) unmittelbar auf eine erste Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt.
9. Das Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Flüssigmetall (3) über die erste Oberfläche (3c) von dem Antriebsfluid (9) getragen wird und das Flüssigmetall (3) zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb (12) so bewegt wird, dass ein Kontakt- spalt (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) mit dem Antriebsfluid (9) gefüllt wird und/oder b) eine Kolbenfläche (Ak) des Kolbens (100) gleich wie oder grösser als eine piezoelektrisch angetriebene Fläche (Ap) eines Piezoaktuators (100) des Piezoantriebs (12) gewählt ist.
10. Flüssigmetall-Stromschalter (1) zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, insbesondere zur Aus- führung 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 (Iχ) durch den Stromschalter (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (xx) befindliche Flüssigmetall (3) führt, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein dielektrischer Fluidantrieb (12) ein Arbeitsfluid (9) und eine Steuerung (11) aufweist und zum Bewegen des Flüssigmetalls (3) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (xι2, x2) ausgelegt ist, wobei das Arbeitsfluid (9) dielektrisch ist und unmittelbar mit einem vorgebbaren Antriebsdruck (p1# p2) auf eine Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt, b) im Flüssigmetall-Behälter (4) ein Dielektrikum (5, 8, 9) vorhanden ist und c) in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (x12, x2) zumindest teilweise in Serie zu dem Dielektrikum (5, 8, 9) liegt und dadurch einen ström- begrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad (31, 32) im Stromschalter (1) bildet.
11. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Antriebsdruck (pi, p2) nach Massgabe einer Schaltzeit des Stromschalters (1) , insbesondere nach Massgabe eines zu begrenzenden Überstroms (I2) und einer hierfür erforderlichen Weg-Zeit Charakteristik (x(t)) des Flüssigmetalls (3) im zweiten Strompfad (31) , ausgelegt ist und/oder b) der Antriebsdruck (pi, p2) niedriger als eine Ober- flächenspannung der druckbeanspruchten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) gewählt ist.
12. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Querschnittsfläche (Q) des Flüssigmetalls (3) im ersten Strompfad (30) nach Massgabe einer Strom¬ tragfähigkeit des Stromschalters (1) ausgelegt ist und/oder b) eine Breite (S) und Anzahl von Stegen (5a, 8a) zur Trennung der Kanäle (3a) für das Flüssigmetall (3) und eine Art des Arbeitsfluids (9) nach Massgabe einer dielektrischen Festigkeit des Stromschalters (1) im zweiten Betriebszustand ausgelegt sind und/oder c) ein Querschnitt (Q1) und eine Oberflächenbeschaf - fenheit der Kanäle (3a) für das Flüssigmetall (3) und eine Art des Flüssigmetalls (3) nach Massgabe einer geforderten Oberflächenspannung der druckbeanspruchten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) ausgelegt sind.
13. Der Flüssigmetall -Stromschalter (1) nach einem der An¬ sprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Dielektrikum (5, 8) ein Widerstandsmittel (5) umfasst, das zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung (x) bis zu ei- ner extremalen zweiten Position (x2) kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand (Rx) für den zweiten Strompfad (31) aufweist und/oder b) das Dielektrikum (5, 8) einen Isolator (8) umfasst, der zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung, ausgelegt ist.
14. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der An- sprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass a) in dem Flüssigmetall-Behälter (4) mehrere, im wesentlichen zueinander parallele und entlang der Bewegungsrichtung (x) erstreckte Kanäle (3a) für das Flüssigmetall (3) vorhanden sind, die durch wandartige Stege (5a) voneinander getrennt sind und b) die Stege (5a) im Bereich des ersten Strompfads (30) in einem gemeinsamen Behälterbereich (123) enden zum ZusammenfHessen des Flüssigmetalls (3) und zum Durchleiten des Betriebsstroms (Iα) und die Stege (5a) im Bereich des zweiten Strompfads (31) Einzelwiderstände (5a) oder Einzelisolatoren (8a) des Dielektrikums (5, 8) aufweisen.
15. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass a) der erste Strompfad (30 für Betriebsstrom (Iχ) , der zweite Strompfad (31) zur Strombegrenzung und insbesondere eine Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (x) und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und/oder b) mindestens eine Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads (31) und/oder unterhalb des ersten Strompfads (30) angeordnet ist.
16. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Fluidantrieb (12) erste Mittel (121-122) zur Erzeugung eines Antriebsdrucks ( i, p2) in dem Fluid (9) und zweite Mittel (10, 4, 123, 124) zum Inkon- taktbringen des Arbeitsfluids (9) mit dem Flüssigmetall (3) aufweist, b) insbesondere dass die ersten Mittel (121-122) einen Abschaltdruckbehälter (121) zum Kontaktöffnen des Flüssigmetalls (3) und einen Anschaltdruckbehälter (122) zum Kontaktschliessen des Flüssigmetalls (3) umfassen und c) insbesondere dass die zweiten Mittel (10, 4, 123, 124) mindestens ein Ventil (10) und einen Arbeitsdruckbehälter (123) zur Druckübertragung vom Arbeitsfluid (9) auf das Flüssigmetall (3) und vor- zugsweise einen Kompressionsdruckbehälter (124) mit einem gefangenen kompressiblen Fluid (91) zum Aufbringen einer Rückstellkraft auf eine rückwärtige Oberfläche (3c) des Flüssigmetalls (3) umfassen.
17. Der Flüssigmetall -Stromschalter (1) nach einem der An- Sprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidantrieb (12) ein Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrischen Kolben (100, 101) zum Bewegen des Flüssigmetalls (3) ist.
18. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Piezoantrieb (12) einen Piezoaktuator (100) , den durch diesen bewegbaren Kolben (100, 101) und das dielektrische Antriebsfluid (9) zur Druckübertragung vom Kolben (100, 101) auf das Flüssigmetall (3) umfasst und/oder b) der Piezoantrieb (12) einen Druckbehälter (40a) zum Sammeln des Antriebsfluids (9) und einen Antriebskanal (40b) zum Zuführen des Antriebsfluids (9) zu dem mindestens einen Kanal (3a) für das Flüssig- metall (3) umfasst.
19. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 17-18, dadurch gekennzeichnet, dass a) das 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 und/oder b) das Flüssigmetall (3) im zweiten Betriebszustand durch den Piezoantrieb (12) aus den Kontaktspalten (2d) verdrängt und durch das Antriebsfluid (9) und/oder ein Isoliergas (9') ersetzt ist.
20. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-19.
EP04738059A 2003-07-10 2004-07-01 Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter Withdrawn EP1644949A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04738059A EP1644949A1 (de) 2003-07-10 2004-07-01 Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP03405520 2003-07-10
EP03405521A EP1496533A1 (de) 2003-07-10 2003-07-10 Flüssigmetall-Stromschalter mit Piezo-Fluidantrieb
PCT/CH2004/000418 WO2005006368A1 (de) 2003-07-10 2004-07-01 Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter
EP04738059A EP1644949A1 (de) 2003-07-10 2004-07-01 Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1644949A1 true EP1644949A1 (de) 2006-04-12

Family

ID=34066522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04738059A Withdrawn EP1644949A1 (de) 2003-07-10 2004-07-01 Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7151331B2 (de)
EP (1) EP1644949A1 (de)
KR (1) KR20060036445A (de)
WO (1) WO2005006368A1 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060036446A (ko) * 2003-07-10 2006-04-28 에이비비 리써치 리미티드 액체 금속 전류 제한기에서 전류 제한을 위한 방법 및디바이스
CN100446152C (zh) * 2003-07-10 2008-12-24 Abb研究有限公司 用自动限流器限流的方法和装置
WO2009055763A2 (en) * 2007-10-26 2009-04-30 Kowalik Daniel P Micro-fluidic bubble fuse
US8493081B2 (en) 2009-12-08 2013-07-23 Magna Closures Inc. Wide activation angle pinch sensor section and sensor hook-on attachment principle
US9234979B2 (en) 2009-12-08 2016-01-12 Magna Closures Inc. Wide activation angle pinch sensor section
US8890019B2 (en) 2011-02-05 2014-11-18 Roger Webster Faulkner Commutating circuit breaker
CN104124094A (zh) * 2014-08-17 2014-10-29 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 一种船用液态金属限流器
CN108963998B (zh) * 2018-06-05 2022-04-15 中国电力科学研究院有限公司 旋转式液态金属限流器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE312051C (de) * 1916-04-22
GB296231A (en) 1927-11-24 1928-08-30 Republic Flow Meters Co Improvements in or relating to fluid pressure controlling mechanism
DE1802643U (de) * 1959-08-04 1959-12-17 Paul Schmidt Rufgeraet fuer tankstellen.
DE1224181B (de) * 1965-07-16 1966-09-01 Brown Boveri Krupp Reaktor Vorrichtung zur Fernanzeige der Stellung eines Ventils
DE1294858B (de) * 1966-01-28 1969-05-08 Deutsche Fernsprecher Gmbh Kontakt- und Betaetigungsvorrichtung fuer UEberfall-Alarmanlagen
JPS5138952B1 (de) 1967-10-12 1976-10-25
DE2652506A1 (de) 1976-11-18 1978-05-24 Gec Elliott Automation Ltd Elektrische hochstromvorrichtungen
US4419650A (en) * 1979-08-23 1983-12-06 Georgina Chrystall Hirtle Liquid contact relay incorporating gas-containing finely reticular solid motor element for moving conductive liquid
DD282778A5 (de) 1989-04-26 1990-09-19 Karl Marx Stadt Tech Hochschul Stromgesteuerte abschaltvorrichtung
DE19903939B4 (de) 1999-02-01 2004-02-26 Moeller Gmbh Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall
DE19927065A1 (de) 1999-06-15 2000-12-21 Moeller Gmbh Selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall
DE10048430A1 (de) * 2000-09-29 2002-04-25 Bosch Gmbh Robert Piezoelektrischer Aktor
US6870111B2 (en) * 2003-04-14 2005-03-22 Agilent Technologies, Inc. Bending mode liquid metal switch

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2005006368A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005006368A1 (de) 2005-01-20
KR20060036445A (ko) 2006-04-28
US7151331B2 (en) 2006-12-19
US20060146466A1 (en) 2006-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1644951B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur strombegrenzung mit einem flüssigmetall-strombegrenzer
EP2780920B1 (de) Hochstromschalter
DE69110499T2 (de) Lastschalter unterstützt durch Varistor.
EP0800191A2 (de) Leistungsschalter
EP3046124A1 (de) Schalt- und schutzeinrichtung für hochvolt-bordnetze
WO2005006368A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur stromschaltung mit einem fluidbetriebenen flüssigmetall-stromschalter
EP1644952B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur strombegrenzung mit einem selbstbetätigten strombegrenzer
DE69106986T2 (de) Hochspannungsschalter mit Selbstbeblasung.
EP2555217A1 (de) Strombegrenzungssystem
EP1881510A1 (de) Vakuumschaltröhre
DE3513908C2 (de) Freiluftschaltgerät für Hochspannungsschaltanlagen
EP1496533A1 (de) Flüssigmetall-Stromschalter mit Piezo-Fluidantrieb
DE102012205224A1 (de) Druckgasschalter
EP3991196B1 (de) Elektrische schalteinrichtung
DE1590997B2 (de) Druckgasschalter
EP1544879B1 (de) Schneller Leistungsschalter für Hoch-oder Mittelspannung
WO2002058091A1 (de) Vakuumschalter sowie system und verfahren zu seiner steuerung
DE704534C (de) OElschalter fuer hohe Spannungen mit Mehrfachunterbrechung
CH654692A5 (de) Hochspannungs-leistungsschalter mit einem in einer kapselung befindlichen elektronegativen loeschmittel hoher dichte bei ueberkritischem druck.
EP4318517B1 (de) Leistungsschalter umfassend zumindest eine vakuumkammer
DE69710934T2 (de) Hochspannungslastschalter mit Einschalt-Widerstand
DE69309174T2 (de) Leistungsschalter mit zwei konzentrischen Trennkammern
DE102024101751A1 (de) Kontaktanordnung für ein Schaltelement und Schaltelement
EP1312100B1 (de) Mikroschalter
CH662002A5 (de) Schaltapparat mit einer vorrichtung zur steuerung der bewegung eines lichtbogenkontaktes des schaltapparates.

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20051223

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20070302

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20070724