EP1644951B1

EP1644951B1 - Verfahren und vorrichtung zur strombegrenzung mit einem flüssigmetall-strombegrenzer

Info

Publication number: EP1644951B1
Application number: EP04738057A
Authority: EP
Inventors: Kaveh Niayesh; Friedrich Koenig
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: US7139158B2; EP1644951A2; PL1644951T3; KR20060036446A; ATE373870T1; WO2005006375A2; CN100442423C; DE502004005029D1; US20060171089A1; WO2005006375A3; CN1820341A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Primärtechnik für elektrische Schaltanlagen, insbesondere der Begrenzung von Fehlerströmen in Hoch-, Mittel- oder Niederspannungsschaltanlagen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Strombegrenzung sowie von einer Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

STAND DER TECHNIK

In der DE 199 03 939 A1 wird eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall offenbart. Zwischen zwei Festmetallelektroden ist ein druckfestes Isoliergehäuse angeordnet, in dem Flüssigmetall in Verdichterräumen und in dazwischenliegenden, die Verdichterräume verbindenden Verbindungskanälen angeordnet ist, so dass ein Strompfad für Nominalströme zwischen den Festelektroden gegeben ist. In den Verbindungskanälen ist der Strompfad gegenüber den Verdichterräumen eingeengt. Die Verbindungskanäle werden bei Kurzschlussströmen stark erhitzt und scheiden ein Gas aus. Durch lawinenartige Gasblasenbildung in den Verbindungskanälen verdampft das Flüssigmetall in die Verdichterräume, so dass in den nun flüssigmetallentleerten Verbindungskanälen ein strombegrenzender Lichtbogen gezündet wird. Nach Abklingen des Überstroms kann das Flüssigmetall wieder kondensieren und der Strompfad ist wieder betriebsbereit.
In der WO 00/77811 ist eine Fortbildung der selbsterholenden Strombegrenzungseinrichtung offenbart. Die Verbindungskanäle sind nach oben konisch verbreitert, so dass die Füllstandshöhe des Flüssigmetalls variiert und die Nennstromtragfähigkeit über einen grossen Bereich verändert werden kann. Ausserdem wird durch eine versetzte Anordnung der Verbindungskanäle ein mäanderförmiger Strompfad gebildet, so dass bei überstrombedingtem Verdampfen des Flüssigmetalls eine Serie strombegrenzender Lichtbögen gezündet wird. Derartige Pinch-Effekt Strombegrenzer benötigen einen hinsichtlich Druck und Temperatur sehr stabilen Aufbau, was konstruktiv aufwendig ist. Durch die Strombegrenzung per Lichtbogen tritt grosser Verschleiss im Innern des Strombegrenzers auf und Abbrandrückstände können das Flüssigmetall kontaminieren. Durch die Rekondensation des Flüssigmetalls stellt sich unmittelbar nach einem Kurzschluss wieder ein leitfähiger Zustand ein, so dass kein Ausschaltzustand vorhanden ist.
In der DE 40 12 385 A1 wird eine stromgesteuerte Abschaltvorrichtung offenbart, deren Funktionsprinzip auf dem Pinch-Effekt mit Flüssigmetall beruht. Zwischen zwei Festmetallelektroden ist ein einzelner, schmaler, mit Flüssigmetall gefüllter Kanal angeordnet. Bei Überstrom wird der flüssige Leiter infolge der elektromagnetischen Kraft durch Pinch-Effekt zusammengezogen, so dass der Strom selbst den flüssigen Leiter abschnürt und trennt. Das verdrängte Flüssigmetall wird in einem Vorratsbehälter gesammelt und fliesst nach dem Überstromereignis wieder zurück. Die Kontakttrennung erfolgt ohne Lichtbogen. Jedoch ist die Einrichtung nur für relativ kleine Ströme, geringe Spannungen und langsame Abschaltzeiten geeignet und bietet keinen dauerhaften Ausschaltzustand.
In der DE 26 52 506 wird ein elektrischer Hochstromschalter mit Flüssigmetall offenbart. Einerseits wird eine Flüssigmetallmischung zur Benetzung von Festmetallelektroden und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands verwendet. Dabei wird das Flüssigmetall durch mechanische Verdrängung, z. B. durch bewegliche Kontakte oder pneumatisch angetriebene Tauchkolben, entgegen der Schwerkraft in den Kontaktspalt getrieben. Durch Pinch-Effekt, gemäss dem ein stromführender Leiter durch den ihn durchfliessenden Strom eine radiale Striktion erfährt, kann das Flüssigmetall zusätzlich im Kontaktspalt stabilisiert und festgehalten werden. Äussere Magnetfelder und magnetische Streuflüsse, z. B. durch die Stromzuführungen, können im Flüssigmetall Strömungsinstabilitäten verursachen und werden abgeschirmt und gegebenenfalls beim Ausschalten zugelassen, um das Löschen des Lichtbogens im Flüssigmetall zu unterstützen. Nachteilig ist, dass eine graduelle Strombegrenzung nicht möglich ist und Lichtbogen zwischen den Festelektroden Oxidation im Flüssigmetall verursachen. Die Konstruktion des Hochstromschalters umfasst Dichtungen für Flüssigmetall, inertes Gas oder Vakuum und ist entsprechend aufwendig.
In der GB 1 206 786 wird ein elektrischer Hochstromschalter auf Flüssigmetallbasis gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche offenbart. Das Flüssigmetall bildet in einer ersten Position einen ersten Strompfad für den Betriebsstrom und wird beim Stromschalten entlang eines Widerstandselements geführt und in eine zweite Position gebracht, in welcher es in Serie mit dem Widerstandselement liegt und den Strom auf einen kleinen Bruchteil reduziert. Der Hochstromschalter ist zur Erzeugung hochintensiver Strompulse im Mega-Ampere und sub-Millisekunden Bereich zur Plasmagenerierung konzipiert.

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 Strombegrenzung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungsvorrichtung, die Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung geführt wird und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird, beim Übergang von der ersten Position zur zweiten Position entlang eines Widerstandselements geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position in Serie mit einem Widerstandselement liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung gebildet wird, der einen vorgebbaren elektrischen Widerstand aufweist, wobei das Widerstandselement ohmsch ist und zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position ansteigt, wobei in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position zunächst überproportional mit der zweiten Position zunimmt, dann linear mit der zweiten Position in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände tolerabel werden, wieder in eine steiler, d. h. überproportional ansteigende Funktion der zweiten Position über geht. Auf diese Weise wird eine sanfte Strombegrenzungscharakteristik für eine progressive Strombegrenzung realisiert. Insbesondere wird der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position sowie die Weg-Zeit Charakteristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung so gewählt, dass in jeder zweiten Position des Flüssigmetalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzündspannung zwischen dem Flüssigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme erzielt wird.
Ein solches Strombegrenzungsverfahren ist zur Begrenzung netzbedingter Kurzschlüsse geeignet. Erfindungsgemäss verbleibt das Flüssigmetall im flüssigen Aggregatzustand und wird durch eine erzwungene Bewegung gezielt zwischen den unterschiedlichen Positionen bewegt. Der Pinch-Effekt wird dabei nicht genutzt. Sehr schnelle Strombegrenzungs-Reaktionszeiten von bis zu unter 1 ms sind erzielbar. Das Verfahren gibt Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung der Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs an. Da vom Flüssigmetall im Strombegrenzungsfal kein Isolator, sondern ein geeignet dimensionierter elektrischer Widerstand benetzt und kontaktiert wird, wird kein Lichtbogen gezündet. Daher kann das Strombegrenzungsverfahren auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Dabei tritt kaum Verschleiss durch Abbrand oder Korrosion des Flüssigmetalls auf. Die Strombegrenzung erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 3 hat den Vorteil einer kompakten Anordnung des Flüssigmetalls relativ zu den zu schaltenden Strompfaden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 4 hat den Vorteil, dass durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit einem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden können.
Ansprüche 5 und 7 geben besonders einfache Konfigurationen für einen strombegrenzenden Schalter oder Strombegrenzer mit integriertem Schalter mit Flüssigmetall an.
Anspruch 6 zeigt eine vorteilhafte, weil selbsttätige und zugleich selbsterholende Strombegrenzung.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Strombegrenzung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren, umfassend Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch die Strombegrenzungsvorrichtung vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall führt, wobei elektrische Widerstandsmittel mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand vorhanden sind, Positionierungsmittel zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls entlang einer Bewegungsrichtung entlang den Widerstandsmitteln in mindestens eine zweite Position vorhanden sind, und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall zumindest teilweise in Serie zu den Widerstandsmitteln liegt und zusammen mit diesen einen zweiten Strompfad bildet, auf dem der Betriebsstrom auf einen zu begrenzenden Strom begrenzbar ist, wobei das Widerstandselement ohmsch ist und der elektrische Widerstand zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position ansteigt, wobei in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position zunächst überproportional mit der zweiten Position zunimmt, dann linear mit der zweiten Position in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände tolerabel werden, wieder in eine überproportional ansteigende Funktion der zweiten Position übergeht. Insbesondere ist der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position so dimensioniert und weisen die Positionierungsmittel eine solche Weg-Zeit Charakteristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung auf, dass in jeder zweiten Position des Flüssigmetalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzündspannung zwischen dem Flüssigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme erzielbar ist.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a, 1b: zeigen eine erfindungsgemässe Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb und im Strombegrenzungsfall;
Fig. 2: zeigt einen strombegrenzenden Schalter in Form einer Serieanordnung von FlüssigmetallStrombegrenzer und Schalter;
Fig. 3, 4: zeigen strombegrenzende Schalter mit Einfangmechanismen für Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb;
Fig. 5: zeigt eine Kurvendarstellung der Variation des Widerstands des Strombegrenzers als Funktion der Position der Flüssigmetallsäule; und
Fig. 6: zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer und Flüssigmetall-Leistungsschalter mit Gasantrieb für das Flüssigmetall.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1a, 1b zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1. Der Strombegrenzer 1 umfasst Festmetall-Elektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c für eine Stromzuführung 20 und einen Behälter 4 für das Flüssigmetall 3. Der Behälter 4 hat einen Boden 6 und Deckel 6 aus Isolatormaterial, zwischen denen ein elektrisches Widerstandsmittel 5 mit mindestens einem Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet ist. Über der Flüssigmetallsäule 3 kann beispielsweise ein Schutzgas, eine Isolierflüssigkeit (mit hier nicht dargestelltem Ausweichvolumen) oder Vakuum angeordnet sein.
In einem ersten Betriebszustand (Fig. 1a) fliesst ein Betriebs- oder Nennstrom I₁ auf einem Nennstrompfad 30 von der Eingangselektrode 2a via Flüssigmetall 3 und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c zur Abgangselektrode 2b. Dabei befindet sich das Flüssigmetall 3 in der ersten Position x₁, benetzt zumindest teilweise die Festelektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. 1b) wird das Flüssigmetall 3 entlang der Bewegungsrichtung x, gegeben durch eine Höhenerstreckung der Kanäle 3a, in eine zweite Position x₂ bewegt, liegt dort in Serie zu dem elektrischen Widerstandsmittel 5 und bildet mit diesem einen zweiten Strompfad oder Strombegrenzungspfad 31 für einen zu begrenzenden Strom I₂. Für eine besonders kompakte Anordnung sind der Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende zweite Strompfad 31 zueinander parallel und beide senkrecht zu der Höhenerstreckung der Kanäle 3a auf einer variablen, durch die zweite Position x₁₂, x₂ des Flüssigmetalls 3 vorgebbaren Höhe angeordnet. Für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i(t) von den Festelektroden 2a, 2b, 2c zum Widerstandselement 5 soll eine typische, vom Kontaktmaterial abhängige, minimale Lichtbogenzündspannung von 10 V - 20 V nicht überschritten werden.
Bevorzugt umfasst das Widerstandsmittel 5 eine dielektrische Matrix 5, die wandartige Stege 5a zur dielektrischen Trennung einer Mehrzahl von Kanälen 3a für das Flüssigmetall 3 aufweist, wobei die Stege 5a ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung x nichtlinear zunehmendem Widerstand R_x aufweisen. Die Stege 5a sollen auf Höhe der ersten Position x₁ des Flüssigmetalls 3 Zwischenelektroden 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle 3a aufweisen. Die Kanäle 3a sind vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die wandartigen Stege 5a stellen Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar, so dass der strombegrenzende zweite Strompfad 31 durch eine alternierende Serieschaltung der Kanäle 3a und der Einzelwiderstände 5a gebildet wird.
Die Positionierungsmittel 3a; 20, B, 12 zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls 3 entlang einer Bewegungsrichtung x in mindestens eine zweite Position x₁₂, x₂ umfassen die Kanäle 3a und ein Transport- oder Antriebsmittel 20, B, 12 für das Flüssigmetall 3, insbesondere auch eine Antriebssteuerung 11 (wie in Fig. 6 dargestellt). Bevorzugt ist ein elektromagnetischer Antrieb 20, B oder ein mechanischer Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 vorhanden, durch den das Flüssigmetall 3 zwischen Nennstrompfad 30 und Strombegrenzungspfad 31 bewegbar ist.
Bei einem Übergang von der ersten Position x₁ zur zweiten Position x₁₂, x₂, insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x₂, wird das Flüssigmetall 3 entlang des Widerstandselements 5 geführt. Zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x des Flüssigmetalls 3 nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand R_x für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand R_x, der kontinuierlich mit der zweiten Position x₁₂, x₂ ansteigt.
Typischerweise wird der zweite Betriebszustand durch einen Überstrom ausgelöst. Bevorzugt wird die Strombegrenzung selbsttätig aktiviert, insbesondere durch elektromagnetische Kraft F_mag, die auf das stromdurchflossene Flüssigmetall 3 wirkt, wobei das Flüssigmetall 3 in einem externen Magnetfeld B oder in einem internen, durch eine Stromzuführung 2a, 2b; 20 erzeugten Magnetfeld B angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemässen Strombegrenzer 1 in Serie geschaltet mit einem elektrischen Schalter 7, insbesondere einem Leistungsschalter 7. In dieser Anordnung wird ein strombegrenzender Schalter 1, 7 realisiert, bei dem die Strombegrenzung vorgängig durch das erfindungsgemässe Verfahren mit Flüssigmetall 3 und danach eine Stromabschaltung konventionell erfolgt. Bei elektromagnetischem Antrieb des Flüssigmetalls 3 können auch zwei Strombegrenzer 1 mit gegenphasig wirksamer Auslösung der Flüssigmetallbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombegrenzung und gegebenenfalls
Stromabschaltung zu erreichen.
Fig. 3 zeigt eine Variante des Strombegrenzers 1, bei welcher ein Einfangbehälter 3b zur Aufnahme des Flüssigmetalls 3 und zur Schaffung einer Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist. Zudem kann, wie dargestellt, eine Zuführung 3c für Flüssigmetall 3 zum Auffüllen des Flüssigmetalls 3 in den Kanälen 3a und zum Wiederanschalten der Vorrichtung 1 vorhanden sein. Zudem kann zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegrenzungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorgesehen sein, auf welcher die Stege 5a zur Strombegrenzung in Stege 8a zur Stromisolation übergehen. Die Isolationsstege 8a bestehen im wesentlichen aus Isolationsmaterial, sind vorzugsweise im Bereich des Einfangbehälters 3c angeordnet und bilden zusammen mit den durch das eingefangene Flüssigmetall 3 entleerten Kanälen die Isolationsstrecke 32.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei welcher die Isolationsstrecke 32 ohne Einfangbehälter 3b realisiert ist. Hier ist der Antriebsmechanismus für das Flüssigmetall 3 durch einen Rotationsantrieb 11' für den Strombegrenzer 1 realisiert. Im zweiten Betriebszustand wird die Vorrichtung 1 mit einer vorgebbaren Rotationsgeschwindigkeit so rotiert, dass durch das Gleichgewicht zwischen Reibungs- und Kapillarkräften einerseits und der Zentrifugalkraft andererseits das Flüssigmetall 3 eine zweite Position x₁₂ im Bereich des Widerstandselements 5 einnimmt und einen Strombegrenzungspfad 31 bildet. Durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit und damit der Zentrifugalkraft wird das Flüssigmetall 3 in den Bereich der Isolationsstege 8a gedrängt und bildet zusammen mit diesen die Isolationsstrecke 32. Da das Flüssigmetall leitfähig ist, sind hier die Anforderungen an die dielektrische Festigkeit der Isolationsstege 8a erhöht, was z. B. durch breitere Isolationsstege 8a und/oder eine geeignete Materialwahl erreicht wird.
Bei beiden Varianten ist also das Flüssigmetall 3 zwischen dem Nennstrompfad 30, dem Strombegrenzungspfad 31 und der Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar, so dass ein integrierter strombegrenzender Schalter 1 auf Flüssigmetallbasis realisiert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Betriebsstrom I₁, der zweite Strompfad 31 zur Strombegrenzung und insbesondere die Isolationsstrecke 32 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung x und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dies ergibt eine besonders einfache Konfiguration für einen integrierten Strombegrenzer - Leistungsschalter 1, der ausschliesslich mit Flüssigmetall 3 arbeitet.
Fig. 5 zeigt für den Strombegrenzer 1 oder strombegrenzenden Schalter 1 eine Dimensionierung des elektrischen Widerstands R_x als Funktion der zweiten Position x₁₂ des Flüssigmetalls 3. Mit Vorteil wird der Widerstand R_x bis zu einer extremalen zweiten Position x₂ auf einen Maximalwert R_x(x₂) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert R_x(x₂) des Widerstands R_x nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms I₂ auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms I₁ auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.
Der elektrische Widerstand R_x als Funktion R_x(x₁₂) der zweiten Position x₁₂ sowie eine Weg-Zeit Charakteristik x₁₂(t) des Flüssigmetalls 3 entlang der Bewegungsrichtung x sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position x₁₂, x₂ des Flüssigmetalls 3 das Produkt aus elektrischem Widerstand R_x und Strom I₂ kleiner als eine Lichtbogenzündspannung U_b zwischen dem Flüssigmetall 3 und den Festelektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird.
Zur Beherrschung von Kurzschlüssen ist ein von Stromnetz-Parametern und dem Durchbruchsverhalten der zu trennenden Kontakte 2a, 2b abhängiger Widerstand R_x der Strombegrenzung notwendig. Je grösser die Steilheit des Kurzschlussstroms i(t) ist, um so niedriger muss R_x gewählt werden. Im ungünstigsten Fall sind die maximale Kurzschlussstrom-Amplitude und die maximale Kurzschlussstrom-Induktivität anzunehmen. Dann gilt: $R_{x} (t) • i (t) < U_{b} (t)$
$R_{x} (t) • i (t) + L • di / dt (t) = U_{N} (t)$

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

wobei F_r=Rückstellkraft, insbesondere gleich Gravitationskraft F_r=m•g mit g=Erdbeschleunigung. In Fig. 5 wurde beispielhaft eine elektromagnetische Kraft F=F_mag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des durchfliessenden Stroms i(t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zusätzlich $F = k \circ i^{2} (t)$
mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k' ∘ i(t) mit k'=weitere Proportionalitätskonstante. Bei mechanischem Antrieb gilt F=mechanisch erzeugte Druckkraft auf Flüssigmetall 3, die z. B. durch Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit eines abzuschaltenden Stroms i(t) oder eines Überstroms i(t) gewählt werden kann.
In Fig. 5 wurden beispielhaft angenommen: eine kurzschlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, U_N=1 kV, I₁=1 kA, maximaler Kurzschlussstrom I₂=50 kA sowie plausible Parameterwerte für k, m und α. Dann ergeben sich durch Lösen der Gleichungen (G2)-(G4) unter der Randbedingung (G1) der Widerstand R_x(t) und die Weg-Zeitcharakteristik x₁₂(t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimination der Zeitabhängigkeit der Widerstand R_x(x₁₂) als Funktion der zweiten Position x₁₂, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position x₁, d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b , 2c, nimmt R_x zunächst überproportional mit der zweiten Position x₁₂ zu, steigt dann linear in einer Phase, in welcher die in der Netzinduktivität L gespeicherte Energie absorbiert werden muss und geht dann in einem Bereich, in dem der Strom i bereits begrenzt ist und grössere R_x tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h. überproportionalen Anstieg R_x(x₁₂) über.
Ein solcher, mit der Wegstrecke x nichtlinear ansteigender Widerstand R_x kann beispielsweise durch Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen realisiert werden. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand R_x kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strompfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifischen Widerstand realisiert sein. Die nichtlineare Graduierung des Widerstands R_x kann auch durch Kombination beider Massnahmen, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromführung in einem Widerstandselement mit variablem spezifischen Widerstand, erreicht werden.
Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Gasantrieb 12 für das Flüssigmetall 3. Bei einer Verschiebung des Flüssigmetalls 3 in positive Bewegungsrichtung +x wird der Strom i auf dem Strombegrenzungspfad 31 geführt und wie oben diskutiert begrenzt. Alternativ kann das Flüssigmetall 3 in einem dritten Betriebszustand entlang der entgegengesetzten Bewegungsrichtung -x in mindestens eine dritte Position x₁₃, x₃ bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindestens einen dritten Position x₁₃, x₃ in Serie mit einem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird. Wie dargestellt kann die Isolationsstrecke 8 durch eine Mehrzahl von Isolationsstegen 8a gebildet sein, die im Abschaltfall in alternierender Serieschaltung mit den nach unten verschobenen Flüssigmetallsäulen 3 stehen. Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, wobei das Flüssigmetall 3 durch einen elektromagnetischen Antrieb mit schaltbarem externen Magnetfeld B oder durch einen mechanischen Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 bewegt wird. In Fig. 6 ist beispielhaft ein Gasantrieb 12 angegeben, bei dem ein erster Gasdruckbehälter 121 mit Gas unter Volumen V₁ und Druck p₁ und ein zweiter Gasdruckbehälter 122 mit Gas unter Volumen V₂ und Druck p₂ über je ein steuerbares Gasdruckventil 13 mit dem Arbeitsdruckbehälter 123 mit Arbeitsvolumen V₃ und Arbeitsdruck p₃ kommunizieren. Es kann auch ein kombiniertes Ventil, z. B. ein Dreiweg-Ventil, statt zweier separater Ventile 13 vorgesehen sein. Durch Wahl passender Drücke, z. B. p₁<p₂, und Aktivierung der Ventile 13 kann zwischen dem ersten, zweiten und dritten Betriebszustand gezielt hin- und hergeschaltet werden. Beispielsweise wird zur Strombegrenzung 31 Gas aus 121 mit Druck p₁ in das Arbeitsvolumen V₃ eingeströmt und die Flüssigmetallsäulen 3 steigen auf x₁₂ oder x₂. Für Nennstrombetrieb 30 wird zeitweise Gas aus 122 eingeströmt und der Flüssigmetallspiegel wird auf x=0 gesenkt. Zur Leistungsabschaltung 32 wird der Behälter 122 mit Druck p₂ geöffnet und das Flüssigmetall 3 auf die dritte Position x₁₃ oder extremale dritte Position x₃ gesenkt. Das eingeschlossene Gas im Einschlussvolumen 124 bewirkt eine rücktreibende Federkraft. Weitere Details und Varianten des Gasantriebs 12, z. B. drei Druckbehälter mit drei unterschiedlichen Drücken jeweils für einen der drei Betriebszustände und insbesondere Anschluss des Volumens 124 an einen Druckbehälter, sind möglich und seien hiermit ausdrücklich mitumfasst. Alternativ oder ergänzend zu Druckbehältern 121, 122 kann der Flüssigmetallantrieb auch magnetisch mit externem oder internem Magnetfeld B oder mechanisch mit Kolben ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend zu Gas kann auch ein anderes dielektrisches Arbeitsfluid, z. B. Öl, verwendet werden. Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn o. ä..
Mit Vorteil ist die Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads 31 und/oder unterhalb des ersten Strompfads 30 angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines Antriebmechanismus 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert. Auch kann der Strombegrenzer 1 in Fig. 6 auch als strombegrenzender Schalter 1, wie beschrieben, ausgelegt sein.
Anwendungen der Vorrichtung 1 betreffen u.a. den Einsatz als Strombegrenzer, strombegrenzender Schalter und/oder Leistungsschalter 1 in Stromversorgungsnetzen, als selbsterholende Sicherung oder als Motorstarter. Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Schaltanlage, insbesondere eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung 1 wie oben beschrieben.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Flüssigmetall-Strombegrenzer
2a, 2b: Festmetall-Elektroden, Metallplatten
2c: Zwischenelektroden
20: Stromzuführung, Stromleiter
3: Flüssigmetall
3a: Kanäle für Flüssigmetall
3b: Einfangbehälter für Flüssigmetall
3c: Zuführung für Flüssigmetall
30: Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad
31: Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad
32: Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke
4: Flüssigmetall-Behälter
5: Widerstandselement für Strombegrenzung, Widerstandsmatrix für Flüssigmetall
5a: Einzelwiderstände
6: Isolator, Behälterdeckel, Gehäusewand
7: Schalter, Leistungsschalter
8: Isolator für Stromunterbrechung
8a: Einzelisolatoren
9: flexible Membran
10: Ventil für Flüssigmetallzuführung
11: Antriebssteuerung, Magnetfeldsteuerung
11': Rotationsbewegung
12: Gasantrieb für Flüssigmetall
121-124: Gasdruckbehälter
13: Gasdruckventile

α: Reibungskoeffizient
B: Magnetfeld
F_mag: magnetische Kraft
F_r: Rückstellkraft
i: Strom
I₁: Betriebsstrom
I₂: begrenzter Überstrom
k: Proportionalitätskonstante
L: Netzinduktivität
P₁, P₂, P₃: Gasdruck
R_x: Widerstand des Strombegrenzers
t: Zeitvariable
U_b: Lichtbogenzündspannung
U_N: Netzspannung, Betriebsspannung
V_i, V₂, V₃: Gasvolumen
x, x₁, x₂, x₁₂, x₃, x₁₃: Position der Flüssigmetallsäule

Claims

Verfahren zur Strombegrenzung (1), insbesondere in Stromversorgungsnetzen, mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (1), die Festelektroden (2a, 2b) und einen Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3) umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein Betriebsstrom (I₁) auf einem ersten Strompfad (30) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x₁) befindliche Flüssigmetall (3) geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall (3) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂) bewegt wird, beim Übergang von der ersten Position (x₁) zur zweiten Position (x₁₂, x₂) entlang eines Widerstandselements (5) geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position (x₁₂, x₂) in Serie mit dem Widerstandselement (5) liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad (31) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) gebildet wird, der einen vorgebbaren elektrischen Widerstand (R_x) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Widerstandselement (5) ohmsch ist und der elektrische Widerstand (R_x) zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position (x₁₂, x₂) ansteigt, wobei

b) in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand (R_x) als Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) zunächst überproportional mit der zweiten Position (x₁₂) zunimmt, dann linear mit der zweiten Position (x₁₂) in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom (i(t)) bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände (R_x) tolerabel werden, wieder in eine überproportional ansteigende Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) übergeht.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R_x) als Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) sowie die Weg-Zeit Charakteristik (x₁₂(t)) des Flüssigmetalls (3) entlang der Bewegungsrichtung (x) so gewählt werden, dass
a) in jeder zweiten Position (x₁₂, x₂) des Flüssigmetalls (3) das Produkt aus elektrischem Widerstand (R_x) und Strom (I₂) kleiner als eine Lichtbogenzündspannung (U_b) zwischen dem Flüssigmetall (3) und den Festelektroden (2a, 2b) und Zwischenelektroden (2c) ist und

b) eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme (i(t)) erzielt wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Bewegungsrichtung (x) des Flüssigmetalls (3) durch eine Höhenerstreckung des mindestens einen Kanals (3a) vorgegeben wird und/oder

b) der strombegrenzende zweite Strompfad (31) im wesentlichen senkrecht zu einer Höhenerstreckung des mindestens einen Kanals (3a) und auf einer variablen, durch die zweite Position (x₁₂, x₂) des Flüssigmetalls (3) vorgebbaren Höhe verläuft.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) eine Mehrzahl von Kanälen (3a) zueinander im wesentlichen parallel angeordnet sind und durch wandartige Stege (5a) voneinander getrennt werden,

b) wobei die Stege (5a) Einzelwiderstände (5a) des Widerstandselements (5) bilden und der strombegrenzende zweite Strompfad (31) durch eine alternierende Serieschaltung der Kanäle (3a) und der Einzelwiderstände (5a) gebildet wird und

c) insbesondere dass die Stege (5a) auf einer Höhe der Festelektroden (2a, 2b) Zwischenelektroden (2c) zum Durchleiten des Betriebsstroms (I₁) aufweisen.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) der elektrische Widerstand (R_x) bis zu einer extremalen zweiten Position (x₂) auf einen Maximalwert (R_x(x₂)) ansteigt und/oder

b) für ein gegebenes Spannungsniveau ein Maximalwert (R_x(x₂)) des elektrischen Widerstands (R_x) nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms (I₂) auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms (I₁) auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) der zweite Betriebszustand durch einen Überstrom (I₂) ausgelöst wird und/oder

b) die Strombegrenzung selbsttätig aktiviert wird, insbesondere durch elektromagnetische Kraft (F_mag), die auf das stromdurchflossene Flüssigmetall (3) wirkt, wobei das Flüssigmetall (3) in einem externen Magnetfeld (B) oder in einem internen, durch eine Stromzuführung (2a, 2b; 20) erzeugten Magnetfeld (B) angeordnet wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand
a) das Flüssigmetall (3) entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x) in mindestens eine dritte Position (x₁₃, x₃) bewegt wird und

b) das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen dritten Position (x₁₃, x₃) in Serie mit einem Isolator (8) liegt und dadurch eine Isolationsstrecke (32) zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung (1) gebildet wird und

c) insbesondere dass der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst wird und das Flüssigmetall (3) durch einen elektromagnetischen Antrieb mit schaltbarem externen Magnetfeld (B) oder durch einen mechanischen Antrieb mit einem dielektrischen Fluid (12), insbesondere durch einen Gasantrieb (12), bewegt wird.
Vorrichtung zur Strombegrenzung (1), insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend Festelektroden (2a, 2b) und einen Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3), wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein erster Strompfad (30) für einen Betriebsstrom (I₁) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x₁) befindliche Flüssigmetall (3) führt, wobei elektrische Widerstandsmittel (5) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (R_x) vorhanden sind, Positionierungsmittel (3a; 20, B, 12, 11) zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls (3) entlang einer Bewegungsrichtung (x) entlang den Widerstandsmitteln (5) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂) vorhanden sind, und in einem zweiten Betriebzustand das Flüssigmetall (3) zumindest teilweise in Serie zu den Widerstandsmitteln (5) liegt und zusammen mit diesen einen zweiten Strompfad (31) bildet, auf dem der Betriebsstrom (I₁) auf einen zu begrenzenden Strom (I₂) begrenzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Widerstandselement (5) ohmsch ist und der elektrische Widerstand (R_x) zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik nichtlinear und kontinuierlich mit der zweiten Position (x₁₂, x₂) ansteigt, wobei

b) in logarithmischer Darstellung der elektrische Widerstand (R_x) als Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) zunächst überproportional mit der zweiten Position (x₁₂) zunimmt, dann linear mit der zweiten Position (x₁₂) in einer Phase steigt, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und dann in einem Bereich, in dem der Kurzschlussstrom (i(t)) bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände (R_x) tolerabel werden, wieder in eine überproportional ansteigende Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) übergeht.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R_x) als Funktion (R_x(x₁₂)) der zweiten Position (x₁₂) so dimensioniert ist und die Positionierungsmittel (3a; 20, B, 12, 11) eine solche Weg-Zeit Charakteristik (x₁₂(t)) des Flüssigmetalls (3) entlang der Bewegungsrichtung (x) aufweisen, dass
a) in jeder zweiten Position (x₁₂, x₂) des Flüssigmetalls (3) das Produkt aus elektrischem Widerstand (R_x) und Strom (I₂) kleiner als eine Lichtbogenzündspannung (U_b) zwischen dem Flüssigmetall (3) und den Festelektroden (2a, 2b) und Zwischenelektroden (2c) ist und

b) eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme (i(t)) erzielbar ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Widerstandsmittel (5) eine dielektrische Matrix (5) umfasst, die wandartige Stege (5a) zur dielektrischen Trennung der Kanäle (3a) für das Flüssigmetall (3) aufweist und die Stege (5a) ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung (x) nichtlinear zunehmendem Widerstand (R_x) aufweisen und die Stege (5a) auf Höhe der ersten Position (x₁) des Flüssigmetalls (3) Zwischenelektroden (2c) zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle (3a) aufweisen und/oder

b) ein Einfangbehälter (3b) zur Aufnahme des Flüssigmetalls (3) und zur Schaffung einer Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung vorhanden ist und/oder

c) eine Zuführung (3c) für Flüssigmetall (3) zum Auffüllen des Flüssigmetalls (3) in den Kanälen (3a) und zum Wiederanschalten der Vorrichtung (1) vorhanden ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsmittel (3a; 20, B, 12, 11) die Kanäle (3a) und ein Antriebsmittel (20, B, 12, 11) für das Flüssigmetall (3), insbesondere einen elektromagnetischen Antrieb (20, B, 11) oder einen mechanischen Antrieb mit einem dielektrischen Fluid (12, 11), umfassen, durch den das Flüssigmetall (3) zwischen dem ersten Strompfad (30) für Betriebsstrom (I₁) und dem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung und insbesondere einer Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung bewegbar ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der erste Strompfad (30) für Betriebsstrom (I₁), 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.
Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8-12.