EP1644952A1 - Method and device for current limitation with an automatic current limiter - Google Patents

Method and device for current limitation with an automatic current limiter

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EP1644952A1
EP1644952A1 EP04738058A EP04738058A EP1644952A1 EP 1644952 A1 EP1644952 A1 EP 1644952A1 EP 04738058 A EP04738058 A EP 04738058A EP 04738058 A EP04738058 A EP 04738058A EP 1644952 A1 EP1644952 A1 EP 1644952A1
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EP
European Patent Office
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current
movable electrode
magnetic field
liquid metal
current path
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EP04738058A
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German (de)
French (fr)
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EP1644952B1 (en
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Kaveh Niayesh
Friedrich Koenig
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00Switches having at least one liquid contact
    • H01H29/02Details
    • H01H29/04Contacts; Containers for liquid contacts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H77/00Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting
    • H01H77/02Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism
    • H01H77/10Protective overload circuit-breaking switches operated by excess current and requiring separate action for resetting in which the excess current itself provides the energy for opening the contacts, and having a separate reset mechanism with electrodynamic opening
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H29/00Switches having at least one liquid contact
    • H01H29/006Self interrupters, e.g. with periodic or other repetitive opening and closing of contacts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H53/00Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them
    • H01H53/08Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them wherein a mercury contact constitutes the current-carrying conductor

Definitions

  • the invention relates to the field of primary technology for electrical switchgear, in particular the limitation of fault currents in high, medium or low voltage switchgear. It is based on a method and a device for current limiting and of a switchgear with such a device according to the preamble of the independent claims.
  • DE 40 12 385 AI discloses a current-controlled shutdown device is based, the operating principle based on the pinch effect with liquid metal. Between two solid metal electrodes, a single, narrow, filled with liquid metal channel is arranged. In the event of overcurrent, the liquid conductor is contracted due to the electromagnetic force due to the pinch effect, so that the current itself strangulates and separates the liquid conductor. The displaced liquid metal is collected in a reservoir 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 turn-off times and does not provide a permanent turn-off state.
  • a high current electrical switch with liquid metal is disclosed.
  • a liquid metal mixture is used for wetting solid metal electrodes and for reducing the contact resistance.
  • the liquid metal is removed by mechanical displacement. tion, z. B. by moving contacts or pneumatically driven plunger, driven against gravity in the contact gap.
  • pinch effect according to which a current-carrying conductor by the current flowing through it undergoes a radial Stritechnisch, the liquid metal can be additionally stabilized in the contact gap and held.
  • External magnetic fields and magnetic leakage fluxes eg. B.
  • the design of the high-current switch includes seals for liquid metal, inert gas or vacuum and is correspondingly expensive.
  • DE 199 03 939 AI discloses a self-recovering current limiting device with liquid metal.
  • a pressure-resistant insulating housing is arranged, in which liquid metal is arranged in compressor chambers and in intermediate connecting channels connecting the compressor chambers, so that a current path is provided for nominal currents between the solid electrodes.
  • the connection channels are strongly heated during short-circuit currents and secrete a gas.
  • the liquid metal evaporates into the compressor chambers, so that a current-limiting arc is ignited in the now liquid-metal-empty connection channels.
  • WO 00/77811 a development of the self-recovering current limiting device is disclosed.
  • the connecting channels are widened conically upwards, so that the liquid level of the liquid metal varies and the rated current carrying capacity can be changed over a wide range.
  • a meandering current path is formed by an offset arrangement of the connecting channels, so that a series of current-limiting arcs is ignited when the liquid metal evaporates due to evaporation.
  • Such pinch effect current limiters require a very stable in terms of pressure and temperature construction, which is structurally complex.
  • GB 1 206 786 discloses a liquid metal based electrical high current switch.
  • the liquid metal forms in a first position a first current path for the operating current and is guided during current switching along a resistance element and brought into a second position in which it is in series with the resistance element and reduces the current to a small fraction.
  • the high-current switch is designed to generate high-intensity current pulses in the mega- ampere and sub-millisecond range for plasma generation.
  • a movable electrode is realized in the form of a slide which can be moved on rails, which can be electromagnetically deflected by short-circuit currents. In the deflected state, the carriage contacts a rail area which has a current-limiting electrical resistance for the current path.
  • a liquid metal column which is easily movable in a channel can also serve as a movable electrode.
  • the current limiter in turn, has no turn-off state, but is arranged in series with a power switch to initially limit the current and then turn it off completely.
  • the object of the present invention is to specify a method, a device and an electrical switchgear with such a device for improved and simplified current limitation and power cutoff. This object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.
  • the invention resides in a current limiting method comprising a current limiting device comprising fixed electrodes and at least one movable electrode, wherein in a first operating state between the stationary electrodes, an operating current is passed through the current limiting device on a first current path and first current path is at least partially passed through the located in a first position movable electrode, wherein in a second operating state, the at least one movable electrode is automatically moved by an electromagnetic interaction with the overcurrent to be limited along a direction of movement in at least a second position, the movable electrode is guided in a transition from the first position to the second position along a resistive element and in the at least one second position in series with the resistive element and thereby a s Furthermore, in a third operating state, the movable electrode is in series with an insulator and thereby an insulation path for power shutdown is formed by the device.
  • the overcurrent itself triggers the current limit.
  • the Lorenz force on a current-carrying conductors in a magnetic field in question but also a capacitive, inductive, electrostatic or otherwise electromagnetic influence of the overcurrent on the movable conductor portion or the movable electrode are conceivable. Since no insulator, but an electrical resistance is contacted by the movable electrode in current limiting case, no arc is ignited. Therefore, the St ombegrenzungs vide can be used even at very high voltage levels. In addition, hardly occurs wear due to erosion or corrosion of the movable electrode. The current limitation is reversible and is therefore easy to maintain and inexpensive.
  • the third operating state is triggered by a shutdown command, by which an external magnetic field is switched between an operation of the device as a current limiter and as a power switch.
  • the movable electrode in the third operating state, is moved along an opposite direction of movement into at least a third position and is in the at least one third position in series with the insulator.
  • the movable electrode is automatically guided by the electromagnetic interaction with the overcurrent to be limited along the resistance element to an extremal second position, wherein the extremal second position is in a region where the resistance element merges into an insulator, so that the or a further isolation path for power cut is formed.
  • the resistance element is selected to provide a smooth turn-off characteristic with a non-linearly increasing electrical resistance for the second current path along the direction of movement of the movable electrode; and / or the opposition Stand element is ohmic and the electrical resistance increases continuously with the second position.
  • the embodiment according to claim 6 has the advantage that the magnetic field acts directly on the current-carrying movable electrode and sets them in motion by the Lorenz force.
  • the Lorenz force is proportional to the product of magnetic field strength and current.
  • the magnetic field can be generated externally, in particular constant or switchable, or internally, in particular by the current to be limited. By balancing the Lorenz force and a suitable restoring force, the resulting movement can be adapted to the overcurrent to be limited and to the electrode deflection required for the required electrical resistance.
  • Claim 7 specifies sizing criteria for optimal design of the dynamics of the current limiting operation.
  • Claim 8 and 9 indicate advantageous embodiments with a liquid metal and / or a sliding contact solid conductor as a movable electrode.
  • a series connection of liquid metal columns alternately with a dielectric and high voltages and high currents can be handled efficiently and safely.
  • the invention relates to a device for current limiting, in particular for carrying out the method comprising fixed electrodes and at least one movable electrode, wherein in a first operating state between the fixed electrodes, a first current path for an operating current through the current limiting device is present and the first Current path at least partially through the located in a first position movable electrode, wherein electromagnetic drive means for self-energized in overcurrent moving the movable electrode along a direction of movement in at least a second position are present, electrical resistance means are provided with a predetermined electrical resistance and in a second operating state, the movable electrode is at least partially in series with the resistance means and forms together with these a second current path on which the operating current can be limited to a current to be limited in a third operating state, the movable electrode is in series with an insulator and thereby an isolation path for power shutdown by the device is present.
  • FIGS. 1 a, 1 b show a self-actuated current-limiting device according to the invention with liquid metal in nominal current operation and in the current limiting case;
  • FIGS. 2, 3 show two self-operated current limiting devices according to the invention with mechanical sliding contact in rated current operation (dot-dashed line) and in current limiting case;
  • FIG. 4 shows a current limiting switch with liquid metal trapping mechanism in nominal current operation;
  • Fig. 5 is a graph showing the variation of the resistance of the current limiter as a function of the position of the liquid metal column.
  • FIG. 6 shows a combined liquid metal current limiter and liquid metal power switch with external magnetic field drive for the liquid metal.
  • the current limiter 1 comprises solid metal electrodes 2a, 2b and intermediate electrodes 2c for a power supply 20 and a container 4 for the liquid metal 3.
  • the container 4 has a bottom 6 and cover 6 of insulator material, between which an electrical resistance means 5 with at least one channel 3a for the liquid metal 3 is arranged.
  • Column above the liquid metal 3 may for example be an inert gas, an insulating liquid (non Pictured here Ausweichvol 'umen) or vacuum be disposed.
  • the liquid metal 3 or, in general, a movable electrode 3, 3 ' is set in motion by an automatic, electromagnetic interaction with the overcurrent I 2 to be limited.
  • this remains in the liquid state of matter and is moved by the forced movement selectively between the different positions x 1 # i2 or x 2 .
  • the pinch effect is not used.
  • Very fast current limiting reaction times of up to less than 1 ms can be achieved.
  • an insulation gap 32 is present.
  • the second operating state is automatically activated by the overcurrent I 2 by moving the current-passing movable electrode 3, 3 'by an electromagnetic force F mag perpendicular to the current I 2 through the movable electrode 3, 3' and perpendicular to a magnetic field B e ⁇ t # Bi nt and having a force component parallel to the movement direction x, 1, wherein the magnetic field B ext , Bi n as an external magnetic field B ex t and / or as an internal, from a power supply 2a , 2 B; 20 is generated to the current limiting device 1 generated magnetic field Bint.
  • another automatic electromagnetic alternating Effect with the overcurrent I 2 , z As a capacitive, inductive, electrostatic or other interaction, are used to limit the current. This automatically means that the movement of the movable electrode is triggered and controlled without active current measurement and without active control technology.
  • a first operating state (FIG. 1 a) an operating or rated current I x flows on a first or rated current path 30 from the input electrode 2 a via liquid metal 3 and optionally intermediate electrodes 2 c to the output electrode 2 b.
  • the liquid metal 3 is in the first position x lf wetted at least partially the fixed electrodes 2a, 2b, 2c and bridges the channels 3a electrically conductive.
  • a second operating state FIG.
  • the liquid metal 3 is moved along the direction of movement x, given by a height extent of the channels 3 a, to a second position x 2 , lies there in series with the electrical resistance means 5 and forms with it a second current path or current limiting path 31 for a current I 2 to be limited.
  • the rated current path 30 and the current-limiting second current path 31 are arranged parallel to one another and both perpendicular to the height extent of the channels 3a on a variable, by the second position ⁇ 2 , x 2 of the liquid metal 3 predeterminable height.
  • the resistance means 5 comprises a dielectric matrix 5, the wall-like webs 5a for dielectric separation of a plurality of channels 3a has for the liquid metal 3, wherein the webs 5a comprise a dielectric material in the direction of movement x increasing, and preferably non-linearly increasing resistance R x.
  • the webs 5a thus represent individual resistors 5a of the resistive element 5 with an increasing along the channel height and preferably non-linearly increasing electrical resistance R x .
  • the webs 5a intermediate electrodes 2c to the electrically conductive connection of the channels 3a exhibit.
  • the channels 3a are preferably arranged substantially parallel to each other.
  • the current-limiting second current path 31 is formed by an alternating series connection of filled with liquid metal 3 channel regions 3a and the webs 5a, which act as progressive with their length and preferably non-linearly progressive individual resistors 5a of the resistive element 5.
  • FIGS. 2 and 3 show exemplary embodiments in which the movable electrode 3, 3 'comprises a solid conductor 3 1 with at least one sliding contact 2 d and in the first operating state with the stationary electrodes 2 a, 2 b in the second operating state at least on one side with the resistance element 5 and third operating state is electrically connected at least on one side with the insulator 8.
  • the solid conductor 3 ' is made essentially of light metal and / or lightweight construction, for example of metal-coated cork, and / or the sliding contact 2d is wetted with liquid metal to reduce friction.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment in which the solid conductor 3 1 is rotatably connected at one end to the input electrode 2 a and is slidably movable at the other end with the sliding contact along a circular arc-shaped resistance element 5.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which the Festkorperleiter 3, 3 'at both ends sliding contacts 2d and wall-like resistors 5a of the resistance means 5 as a balance beam along its entire length by the electromagnetic interaction against a restoring force F r , in particular against the heavy - force, can be raised.
  • the path positions li, I 12 , 1 2 of the sliding contact 2 d correspond to the aforementioned second positions x 1 # X 12 , x 2 of the liquid metal column 3.
  • the extremal second position 1 12 may be in the area where the resistance means 5 in an insulator goes over, so that an insulation gap 32 is present for power cut.
  • the liquid metal 3 or the solid conductor 3 ' In order to achieve a gentle current limiting or switch-off characteristic, the resistance element 5 has an electrical resistance R x , Ri for the second current path 31 which increases non-linearly along the movement direction x, 1 of the movable electrode 3, 3 '.
  • the resistance element 5 should have an ohmic component and is preferably purely ohmic with an electrical resistance R x , Ri, which increases continuously with the second position x 12 , x 2 / I 12 1 2 .
  • R x , Ri electrical resistance
  • two current limiters 1 can be connected in series with antiphase-effective tripping of the electrode movement, in order to achieve a current limitation and, if appropriate, a power cutoff in each current half-cycle.
  • FIG. 4 shows a variant of the current limiter 1, in which a collecting container 3b for receiving the liquid metal 3 and for providing an insulation gap 32 for power cut-off is present.
  • a liquid metal feed 3c for filling the liquid metal 3 in the channels 3a and switching the device 1 back on.
  • the insulating webs 8a consist essentially of insulating material, are preferably arranged in the region of the collecting container 3c and, together with the channels emptied by the trapped liquid metal 3, form the insulating path 32
  • the liquid metal 3 between the rated current path 30, the current limiting path 31 and the insulation gap 32 for power cut movable so that an integrated current-limiting switch 1 is implemented liquid metal-based.
  • the first current path 30 for operating current Ii, the second current path 31 for current limiting and the isolation path 32 are arranged substantially perpendicular to the direction of movement x and / or substantially parallel to each other. This results in a particularly simple configuration for an integrated current limiter
  • Circuit breaker 1 which works exclusively with liquid metal 3.
  • FIG. 5 shows for the current-limiting switch 1 a dimensioning of the electrical resistance R x , Ri as a function of the second position x 12 , I 12 of the movable electrode 3, 3 '.
  • the resistor R x , Ri is selected up to a extre alen second position x 2 , I 2 to a maximum value R x (x 2 ), R ⁇ (l 2 ) non-linear rising.
  • the maximum value R x (x 2 ), R ⁇ (l 2 ) of the electrical resistance R x , Ri should be set to a finite value or to shut off the operating current Ii to a dielectric isolation value, in accordance with a current I 2 to be limited become.
  • the electrical resistance R x , Ri as a function R x ( ⁇ 2 ) / ⁇ (li2) of the second position x 12 , I 12 and a path-time characteristic Xi 2 (t), li 2 (t) of the movable electrode 3, 3 'along the direction of movement x, 1 should be chosen so that in every second position x 12 , x 2 , I12 I2 of the movable electrode 3, 3', the product of electrical resistance R x , Ri and current I 2 is smaller than a Lichtbogenzündposition U b between the movable electrode 3, 3 1 and the stationary electrodes 2 a, 2 b and optionally intermediate electrodes 2 c is and / or that a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents i (t) is achieved.
  • the magnetic field means 2a, 2b, 20; 11, the power supply 2a, 2b; 20 to the current limiting device 1 include to generate an internal, dependent from the limiting overcurrent I 2 magnetic field B ⁇ nt .
  • the magnetic field means 2a, 2b, 20; 11 means 11 for generating an external controllable and in particular reversible magnetic field B ex t include.
  • a resistance R x of the current limitation dependent on the current network parameters and the breakdown behavior of the contacts 2 a, 2 b that are to be disconnected is necessary.
  • k 1 and k depend on the geometry of the current limiter 1, in particular the
  • the equations (G2) are obtained by solving - (G4) under the boundary condition (Eq) of the resistance R x (t) and the path-time characteristic X ⁇ 2 (t) of the liquid metal 3 and, finally, by the elimination of the time dependence of the resistance R x (x ⁇ 2 ) as a function of the second position x i2 , as shown in Fig. 5 logarithmic.
  • R x Starting from the first position x i # ie when the liquid metal 3 is detached from the fixed electrodes 2 a, 2 b, 2 c, R x initially increases disproportionately with the second position x 12 , then increases linearly in a phase in which the in-line inductance L stored energy must be absorbed and then goes in a region where the current i is already limited and larger R x are tolerable, again in a steeper, d. h-disproportionate increase R x (x i2 ) via.
  • the total resistance of the current limiter 1 is determined in the first operating state at nominal current I ⁇ by the liquid metal sections 3 and can therefore be set to predetermined values by providing a suitable liquid metal cross section.
  • a resistance R x which increases nonlinearly with the distance x can be realized by materials having different specific resistances.
  • a non-linearly increasing total resistance R x can also be realized by a suitable geometric guidance of the current path in a resistance element with homogeneous resistivity.
  • the non-linear graduation of the resistance R x can also be achieved by a combination of both measures, namely by a suitable geometrical current conduction in a resistance element with a variable specific resistance.
  • the threshold current I t h from which the current limiting device 1 is activated, occurs when the electromagnetic drive force F mag exceeds the restoring force F r .
  • Fig. Lb shows the position of the liquid metal 3 in the current limiting case. Due to the current limiting effect, the electromagnetic force F mag on the liquid metal 3 decreases and the liquid metal 3 flows under the action of the gravitational force F g back to the starting position between the electrodes 2a, 2b, 2c.
  • the reconnection time t can be adapted to the requirements of different applications by means of a suitable design of the current limiter 1.
  • the channel height h and the capillary forces F cap influencing variables such as channel cross-sectional area A, channel geometry and surface quality of the channels, and the type of liquid metal 3 are to be selected accordingly.
  • the thermal design of the current limiter 1 is to be noted that because of the short reaction times and Wiederanschaltfertig the resistive element 5 can not be effectively cooled.
  • the dissipated energy E 1OS3 heats the current limiter 1.
  • the loss energy E ⁇ OSs is in the present Case of resistive current limiting much smaller than current limiting by electric arc.
  • a significant advantage of the distributed or matrix-like resistance element 5 is also that the power loss E ⁇ oss occurs largely homogeneously distributed over the volume of the current limiter 1 and accordingly the entire thermal mass or heat capacity for absorbing the loss of energy E ⁇ oss can be exploited.
  • Fig. 6 shows a combined liquid metal current limiter 1 and liquid metal circuit breaker 1 with electromagnetic drive means 2a, 2b, 20; 11; Bint / B exC for the liquid metal 3.
  • the magnetic field Bi nt can be generated internally by the incoming or outgoing current conductor 20 and / or preferably by an external, with respect to their magnetic field direction switchable magnetic field source B ext .
  • the current i is guided on the current limiting path 31 and limited as discussed above.
  • the liquid metal 3 in a third operating state along the opposite direction of movement -x in at least a third position X ⁇ 3 , x 3 are moved, wherein the liquid metal 3 in the at least one third position X ⁇ 3 , x 3 is in series with an insulator 8 and thereby an isolation path 32 for power shutdown is formed by the device 1.
  • the insulation section 8 may be formed by a plurality of insulation webs 8a, which are in the case of disconnection in alternating series connection with the downwardly displaced liquid metal columns 3.
  • Fig. 3 shows in dashed lines the analog case for negative deflections 1 and positions l ⁇ 3 , 1 3 of a movably suspended solid state conductor 3 '.
  • the third operating state is triggered by a switch-off command , by means of which an external magnetic field B exC is switched over between operation of the device 1 as a current limiter and as a power switch.
  • liquid metal 3 are suitable for. Mercury, gallium, cesium, galnSn.
  • the at least one isolation path 32 for power cutoff is arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30.
  • inventions relate u.a. the use as 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, in particular a high or medium voltage switchgear, characterized by a device 1 as described above.
  • liquid metal current limiter 2a solid metal electrodes, metal plates, fixed electrodes 2c intermediate electrodes

Abstract

The invention relates to a method and a device (1) for combined current limitation and power breaking and to a switchgear having said device (1). In a combined current limiter/power braker (1) according to the invention, a movable electrode (3, 3') is guided automatically along a resistance element (5) for the current limiting path (31) by an overcurrent-dependent force (Fmag) for the purpose of current limitation and brought to an insulator (8) in a serial arrangement for power breaking purposes. Examples of embodiments are, inter alia, the utilization of Lorenz force for automatic current limitation; movable electrodes (3, 3') realized by means of liquid metal (3) or a movable solid conductor (3'); an electrical resistance (RX) increasing non-linearly in the direction of movement (x) for smooth power limitation characteristics and a resistance element (5) in the form of a dielectric matrix (5) with several channels (3a) for the liquid metal (3). Amongst the advantages achieved are electric arc-free, reversible current limitation and power breaking, which is also suitable for high voltages and currents, rapid reaction times, little wear and easy maintenance.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Verfahren und Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einem selbstbetätigten StrombegrenzerMethod and device for current limiting with a self-operated current limiter
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
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.The invention relates to the field of primary technology for electrical switchgear, in particular the limitation of fault currents in high, medium or low voltage switchgear. It is based on a method and a device for current limiting and of a switchgear with such a device according to the preamble of the independent claims.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
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 DE 40 12 385 AI discloses a current-controlled shutdown device is based, the operating principle based on the pinch effect with liquid metal. Between two solid metal electrodes, a single, narrow, filled with liquid metal channel is arranged. In the event of overcurrent, the liquid conductor is contracted due to the electromagnetic force due to the pinch effect, so that the current itself strangulates and separates the liquid conductor. The displaced liquid metal is collected in a reservoir and flows back after the overcurrent event. The contact separation takes place without an arc. However, the device is only suitable for relatively small currents, low voltages and slow turn-off times and does not provide a permanent turn-off state.
In der DE 26 52 506 wird ein elektrischer Hochstromschalter mit Flüssigmetall offenbart. Einerseits wird eine Flüssigmetallmischung zur Benetzung von Festmetallelektro- den und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands verwendet. Dabei wird das Flüssigmetall durch mechanische Verdrän- gung, 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 DE 26 52 506 a high current electrical switch with liquid metal is disclosed. On the one hand, a liquid metal mixture is used for wetting solid metal electrodes and for reducing the contact resistance. In this process, the liquid metal is removed by mechanical displacement. tion, z. B. by moving contacts or pneumatically driven plunger, driven against gravity in the contact gap. By pinch effect, according to which a current-carrying conductor by the current flowing through it undergoes a radial Striktion, the liquid metal can be additionally stabilized in the contact gap and held. External magnetic fields and magnetic leakage fluxes, eg. B. by the power supplies, can cause flow instabilities in the liquid metal and are shielded and optionally approved when switching off to assist in extinguishing the arc in the liquid metal. The disadvantage is that a gradual current limitation is not possible and cause arcs between the solid electrodes oxidation in the liquid metal. The design of the high-current switch includes seals for liquid metal, inert gas or vacuum and is correspondingly expensive.
In der DE 199 03 939 AI wird eine selbsterholende Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall offenbart. Zwi- sehen 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 Festelektro- den 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 Flüssig- metall in die Verdichterräume, so dass in den nun flüssig- metallentleerten 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 Strom- pfad gebildet, so dass bei übers rombedingem 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 Rekon- densation des Flüssigmetalls stellt sich unmittelbar' nach einem Kurzschluss wieder ein leitfähiger Zustand ein, so dass kein Ausschaltzustand vorhanden ist.In DE 199 03 939 AI discloses a self-recovering current limiting device with liquid metal. Between two solid metal electrodes, a pressure-resistant insulating housing is arranged, in which liquid metal is arranged in compressor chambers and in intermediate connecting channels connecting the compressor chambers, so that a current path is provided for nominal currents between the solid electrodes. In the connecting channels of the current path is narrowed compared to the compressor chambers. The connection channels are strongly heated during short-circuit currents and secrete a gas. As a result of avalanche-like formation of gas bubbles in the connection channels, the liquid metal evaporates into the compressor chambers, so that a current-limiting arc is ignited in the now liquid-metal-empty connection channels. After the overcurrent has subsided, the liquid metal can condense again and the current path is ready for operation again. In WO 00/77811 a development of the self-recovering current limiting device is disclosed. The connecting channels are widened conically upwards, so that the liquid level of the liquid metal varies and the rated current carrying capacity can be changed over a wide range. In addition, a meandering current path is formed by an offset arrangement of the connecting channels, so that a series of current-limiting arcs is ignited when the liquid metal evaporates due to evaporation. Such pinch effect current limiters require a very stable in terms of pressure and temperature construction, which is structurally complex. Due to the current limitation by means of an arc, large wear occurs inside the current limiter and burnt-off residues can contaminate the liquid metal. By recon- densation of the liquid metal is immediately 'again after a short circuit, a conductive state, so that no off-state is present.
In der GB 1 206 786 wird ein elektrischer Hochstromschalter auf Flüssigmetallbasis offenbart. Das Flüssigmetall bildet in einer ersten Position einen ersten Strompfad für den Betriebsstrom und wird beim Stromschalten entlang ei- nes 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.GB 1 206 786 discloses a liquid metal based electrical high current switch. The liquid metal forms in a first position a first current path for the operating current and is guided during current switching along a resistance element and brought into a second position in which it is in series with the resistance element and reduces the current to a small fraction. The high-current switch is designed to generate high-intensity current pulses in the mega- ampere and sub-millisecond range for plasma generation.
In dem U. S. Pat . No. 4,599,671 wird eine Vorrichtung zur selbsttätigen Strombegrenzung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche offenbart. Eine bewegliche Elektrode ist in Form eines auf Schienen fahrbaren Schlittens rea- lisiert, der durch Kurzschlussströme elektromagnetisch auslenkbar ist. Im ausgelenkten Zustand kontaktiert der Schlitten einen Schienenbereich, der einen strombegrenzenden elektrischen Widerstand für den Strompfad aufweist . Statt fahrbarer Schlitten kann auch eine in einem Kanal leicht bewegliche Flüssigmetallsäule als bewegliche Elektrode dienen. Der Strombegrenzer besitzt wiederum keinen Ausschaltzustand, sondern ist in Serie zu einem Leistungsschalter angeordnet, um den Strom zunächst zu begrenzen und dann vollständig abzuschalten. DARSTELLUNG DER ERFINDUNGIn the US Pat. No. 4,599,671 a device for automatic current limiting according to the preamble of the independent claims is disclosed. A movable electrode is realized in the form of a slide which can be moved on rails, which can be electromagnetically deflected by short-circuit currents. In the deflected state, the carriage contacts a rail area which has a current-limiting electrical resistance for the current path. Instead of a mobile carriage, a liquid metal column which is easily movable in a channel can also serve as a movable electrode. The current limiter, in turn, has no turn-off state, but is arranged in series with a power switch to initially limit the current and then turn it off completely. PRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine elektrische Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung zur verbesserten und vereinfachten Strombegrenzung und Stromabschaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object of the present invention is to specify a method, a device and an electrical switchgear with such a device for improved and simplified current limitation and power cutoff. This object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungs- Vorrichtung, die feststehende Elektroden und mindestens eine bewegliche Elektrode umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehenden Elektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung geführt wird und der erste Strom- pfad zumindest teilweise durch die in einer ersten Position befindliche bewegliche Elektrode geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand die mindestens eine bewegliche Elektrode selbsttätig durch eine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem zu begrenzenden Überstrom entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird, die bewegliche Elektrode bei einem Übergang von der ersten Position zur zweiten Position entlang eines Widerstandselements geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position in Serie mit dem Widerstandselement liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung gebildet wird, der einen vorgebbaren elektrischen Widerstand aufweist, wobei ferner in einem dritten Betriebszustand die bewegliche Elektrode in Serie mit einem Isolator liegt und dadurch eine Isolationsstrecke zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung gebildet wird. Erfindungsgemäss wird also eine besonders einfache Konfiguration für einen selbsttätigen strombegrenzenden Schalter oder Strombegrenzer mit integriertem Schalter angegeben. Der Überstrom selber löst die Strombegrenzung aus. Als zugrundeliegende elektromagnetische Wechselwirkung kommt z. B. die Lorenzkraft auf einen stromführenden Leiter in einem Magnetfeld in Frage, aber auch eine kapazitive, induktive, elektrostatische oder anderweitig elektromagnetische Einwirkung des Überstroms auf den beweglichen Leiterabschnitt oder die bewegliche Elek- trode sind denkbar. Da von der beweglichen Elektrode im Strombegrenzungsfall kein Isolator, sondern ein elektrischer Widerstand kontaktiert wird, wird kein Lichtbogen gezündet. Daher kann das St ombegrenzungsverfahren auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Zudem tritt kaum Verschleiss durch Abbrand oder durch Korrosion der beweglichen Elektrode auf. Die Strombegrenzung erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig.In a first aspect, the invention resides in a current limiting method comprising a current limiting device comprising fixed electrodes and at least one movable electrode, wherein in a first operating state between the stationary electrodes, an operating current is passed through the current limiting device on a first current path and first current path is at least partially passed through the located in a first position movable electrode, wherein in a second operating state, the at least one movable electrode is automatically moved by an electromagnetic interaction with the overcurrent to be limited along a direction of movement in at least a second position, the movable electrode is guided in a transition from the first position to the second position along a resistive element and in the at least one second position in series with the resistive element and thereby a s Furthermore, in a third operating state, the movable electrode is in series with an insulator and thereby an insulation path for power shutdown is formed by the device. According to the invention, therefore, a particularly simple configuration for an automatic current-limiting switch or current limiter with an integrated switch is specified. The overcurrent itself triggers the current limit. As the underlying electromagnetic interaction z. B. the Lorenz force on a current-carrying conductors in a magnetic field in question, but also a capacitive, inductive, electrostatic or otherwise electromagnetic influence of the overcurrent on the movable conductor portion or the movable electrode are conceivable. Since no insulator, but an electrical resistance is contacted by the movable electrode in current limiting case, no arc is ignited. Therefore, the St ombegrenzungsverfahren can be used even at very high voltage levels. In addition, hardly occurs wear due to erosion or corrosion of the movable electrode. The current limitation is reversible and is therefore easy to maintain and inexpensive.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der dritte Be- triebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, durch den ein externes Magnetfeld zwischen einem Betrieb der Vorrichtung als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird.In a first embodiment, the third operating state is triggered by a shutdown command, by which an external magnetic field is switched between an operation of the device as a current limiter and as a power switch.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in dem dritten Betriebszustand die bewegliche Elektrode entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung in mindestens eine dritte Position bewegt und liegt in der mindestens einen dritten Position in Serie mit dem Isolator.In a further embodiment, in the third operating state, the movable electrode is moved along an opposite direction of movement into at least a third position and is in the at least one third position in series with the insulator.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die bewegliche Elektrode selbsttätig durch die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem zu begrenzenden Überstrom entlang des Widerstandselements zu einer extremalen zweiten Position geführt, wobei die extremale zweite Position in einem Bereich liegt, wo das Widerstandselement in einen Isolator übergeht, so dass die oder eine weitere Isolationsstrecke zur Stromabschaltung gebildet wird.In another embodiment, the movable electrode is automatically guided by the electromagnetic interaction with the overcurrent to be limited along the resistance element to an extremal second position, wherein the extremal second position is in a region where the resistance element merges into an insulator, so that the or a further isolation path for power cut is formed.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Widerstandselement zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik mit einem entlang der Bewegungsrichtung der beweglichen Elektrode nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand für den zweiten Strompfad gewählt; und/oder das Wider- Standselement ist ohmsch und der elektrische Widerstand steigt kontinuierlich mit der zweiten Position an. Auf diese Weise wird eine sanfte Strombegrenzungscharakteristik für eine progressive Strombegrenzung realisiert. Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 6 hat den Vorteil, dass das Magnetfeld unmittelbar auf die stromdurchflossene bewegliche Elektrode einwirkt und diese durch die Lorenzkraft in Bewegung setzt. Die Lorenzkraft ist proportional zum Produkt aus Magnetfeldstärke und Strom. Das Magnetfeld kann extern, insbesondere konstant oder schaltbar, oder intern, insbesondere durch den zu begrenzenden Strom, erzeugt sein. Durch Ausbalancieren der Lorenzkraft und einer geeigneten Rückstellkraft kann die resultierende Bewegung an den zu begrenzenden Überstrom und an die für den benö- tigten elektrischen Widerstand erforderliche Elektroden- auslenkung angepasst werden.In another embodiment, the resistance element is selected to provide a smooth turn-off characteristic with a non-linearly increasing electrical resistance for the second current path along the direction of movement of the movable electrode; and / or the opposition Stand element is ohmic and the electrical resistance increases continuously with the second position. In this way, a gentle current limiting characteristic for a progressive current limitation is realized. The embodiment according to claim 6 has the advantage that the magnetic field acts directly on the current-carrying movable electrode and sets them in motion by the Lorenz force. The Lorenz force is proportional to the product of magnetic field strength and current. The magnetic field can be generated externally, in particular constant or switchable, or internally, in particular by the current to be limited. By balancing the Lorenz force and a suitable restoring force, the resulting movement can be adapted to the overcurrent to be limited and to the electrode deflection required for the required electrical resistance.
Anspruch 7 gibt Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung der Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs an.Claim 7 specifies sizing criteria for optimal design of the dynamics of the current limiting operation.
Anspruch 8 und 9 geben vorteilhafte Ausführungsbeispiele mit einem Flüssigmetall und/oder einem Schleifkontakt- Festkörperleiter als bewegliche Elektrode an. Insbesondere können durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit einem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Strombegrenzung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens, umfassend feststehende Elektroden und mindestens eine bewegliche Elektrode, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehende Elektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch die Strombegrenzungsvorrichtung vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch die in einer ersten Position befindliche bewegliche Elektrode führt, wobei elektromagnetische Antriebsmittel zum bei Überstrom selbstbetätigten Bewegen der beweglichen Elektrode entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position vorhanden sind, elektrische Widerstandsmittel mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand vorhanden sind und in einem zweiten Betriebzustand die bewegliche Elektrode 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 in einem dritten Betriebszustand die bewegliche Elektrode in Serie mit einem Isolator liegt und dadurch eine Isolationsstrecke zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung vorhanden ist.Claim 8 and 9 indicate advantageous embodiments with a liquid metal and / or a sliding contact solid conductor as a movable electrode. In particular, by a series connection of liquid metal columns alternately with a dielectric and high voltages and high currents can be handled efficiently and safely. In a further aspect, the invention relates to a device for current limiting, in particular for carrying out the method comprising fixed electrodes and at least one movable electrode, wherein in a first operating state between the fixed electrodes, a first current path for an operating current through the current limiting device is present and the first Current path at least partially through the located in a first position movable electrode, wherein electromagnetic drive means for self-energized in overcurrent moving the movable electrode along a direction of movement in at least a second position are present, electrical resistance means are provided with a predetermined electrical resistance and in a second operating state, the movable electrode is at least partially in series with the resistance means and forms together with these a second current path on which the operating current can be limited to a current to be limited in a third operating state, the movable electrode is in series with an insulator and thereby an isolation path for power shutdown by the device is present.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.Further embodiments, advantages and applications of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description and the figures.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Fig. la, lb zeigen eine erfindungsgemäss selbstbetätigte Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb und im Strombegrenzungs- fall;BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 a, 1 b show a self-actuated current-limiting device according to the invention with liquid metal in nominal current operation and in the current limiting case;
Fig. 2, 3 zeigen zwei erfindungsgemäss selbstbetätigte Strombegrenzungseinrichtungen mit mechanischem Schleifkontakt im Nennstrombetrieb (strichpunktiert) und im Strombegrenzungsfall; Fig. 4 zeigt einen strombegrenzenden Schalter mit Einfangmechanismus für Flüssigmetall bei Nenn- strombetrieb;2, 3 show two self-operated current limiting devices according to the invention with mechanical sliding contact in rated current operation (dot-dashed line) and in current limiting case; Fig. 4 shows a current limiting switch with liquid metal trapping mechanism in nominal current operation;
Fig. 5 zeigt eine Kurvendarstellung der Variation des Widerstands des Strombegrenzers als Funktion der Position der Flüssigmetallsäule; undFig. 5 is a graph showing the variation of the resistance of the current limiter as a function of the position of the liquid metal column; and
Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strom- begrenzer und Flüssigmetall-Leistungsschalter mit externem Magnetfeldantrieb für das Flüssigmetall .6 shows a combined liquid metal current limiter and liquid metal power switch with external magnetic field drive for the liquid metal.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNGIn the figures, like parts are given the same reference numerals. WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION
Fig. la, lb zeigen 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 Flüssigmetall- säule 3 kann beispielsweise ein Schutzgas, eine Isolierflüssigkeit (mit hier nicht dargestelltem Ausweichvol'umen) oder Vakuum angeordnet sein.1a, 1b show an embodiment of a liquid metal current limiter 1. The current limiter 1 comprises solid metal electrodes 2a, 2b and intermediate electrodes 2c for a power supply 20 and a container 4 for the liquid metal 3. The container 4 has a bottom 6 and cover 6 of insulator material, between which an electrical resistance means 5 with at least one channel 3a for the liquid metal 3 is arranged. Column above the liquid metal 3 may for example be an inert gas, an insulating liquid (non Pictured here Ausweichvol 'umen) or vacuum be disposed.
Erfindungsgemäss wird das Flüssigmetall 3 oder allgemein eine bewegliche Elektrode 3, 3' durch eine selbsttätige, elektromagnetische Wechselwirkung mit dem zu begrenzenden Überstrom I2 in Bewegung versetzt. Im Falle des Flüssigmetalls 3 verbleibt dieses im flüssigen Aggregatzustand und wird durch die erzwungene Bewegung gezielt zwischen den unterschiedlichen Positionen x1# i2 oder x2 bewegt. Der Pinch-Effekt wird dabei nicht genutzt. Sehr schnelle Strombegrenzungs-Reaktionszeiten von bis zu unter 1 ms sind erzielbar. Zudem ist zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegrenzungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorhanden . Bevorzugt wird der zweite Betriebszustand durch den Überstrom I2 selbsttätig aktiviert, indem die stromdurchflosse- ne bewegliche Elektrode 3, 3' durch eine elektromagnetische Kraft Fmag bewegt wird, die senkrecht zum Strom I2 durch die bewegliche Elektrode 3, 3' und senkrecht zu ei- nem Magnetfeld Beχt# Bint steht und die eine Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung x, 1 aufweist, wobei das Magnetfeld Bext, Bin als ein externes Magnetfeld Bext und/oder als ein internes, von einer Stromzuführung 2a, 2b; 20 zur Strombegrenzungsvorrichtung 1 erzeugtes Magnet- feld Bint gewählt wird. Alternativ zur Lorenzkraft kann auch eine andere selbsttätige elektromagnetische Wechsel- Wirkung mit dem Überstrom I2, z. B. eine kapazitive, induktive, elektrostatische oder anderweitige Wechselwirkung, zur Strombegrenzung verwendet werden. Dabei bedeutet selbsttätig, dass ohne aktive Strommessung und ohne aktive Regelungstechnik die Bewegung der beweglichen Elektrode ausgelöst und kontrolliert wird.According to the invention, the liquid metal 3 or, in general, a movable electrode 3, 3 'is set in motion by an automatic, electromagnetic interaction with the overcurrent I 2 to be limited. In the case of the liquid metal 3, this remains in the liquid state of matter and is moved by the forced movement selectively between the different positions x 1 # i2 or x 2 . The pinch effect is not used. Very fast current limiting reaction times of up to less than 1 ms can be achieved. In addition, in addition to the rated current path 30 and the current limiting path 31, an insulation gap 32 is present. Preferably, the second operating state is automatically activated by the overcurrent I 2 by moving the current-passing movable electrode 3, 3 'by an electromagnetic force F mag perpendicular to the current I 2 through the movable electrode 3, 3' and perpendicular to a magnetic field B e χ t # Bi nt and having a force component parallel to the movement direction x, 1, wherein the magnetic field B ext , Bi n as an external magnetic field B ex t and / or as an internal, from a power supply 2a , 2 B; 20 is generated to the current limiting device 1 generated magnetic field Bint. As an alternative to the Lorenz force, another automatic electromagnetic alternating Effect with the overcurrent I 2 , z. As a capacitive, inductive, electrostatic or other interaction, are used to limit the current. This automatically means that the movement of the movable electrode is triggered and controlled without active current measurement and without active control technology.
In einem ersten Betriebszustand (Fig. la) fliesst ein Betriebs- oder Nennstrom Ix auf einem ersten oder 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 xlf benetzt zumindest teilweise die feststehenden Elektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. lb) 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 χ2, x2 des Flüssigmetalls 3 vorgebbaren Höhe angeordnet.In a first operating state (FIG. 1 a), an operating or rated current I x flows on a first or rated current path 30 from the input electrode 2 a via liquid metal 3 and optionally intermediate electrodes 2 c to the output electrode 2 b. Here, the liquid metal 3 is in the first position x lf wetted at least partially the fixed electrodes 2a, 2b, 2c and bridges the channels 3a electrically conductive. In a second operating state (FIG. 1 b), the liquid metal 3 is moved along the direction of movement x, given by a height extent of the channels 3 a, to a second position x 2 , lies there in series with the electrical resistance means 5 and forms with it a second current path or current limiting path 31 for a current I 2 to be limited. For a particularly compact arrangement, the rated current path 30 and the current-limiting second current path 31 are arranged parallel to one another and both perpendicular to the height extent of the channels 3a on a variable, by the second position χ 2 , x 2 of the liquid metal 3 predeterminable height.
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 zunehmendem und vorzugsweise nichtlinear zunehmenden Widerstand Rx aufweisen. Die Stege 5a stellen somit Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar mit einem entlang der Kanalhöhe zunehmenden und vorzugsweise nichtlinear zunehmenden elektrischen Widerstand Rx. Auf Höhe der ersten Position Xj. des Flüssigmetalls 3 sollen die Stege 5a Zwischenelektroden 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle 3a aufweisen. Die Kanäle 3a sind vorzugsweise zueinander im wesentlichen parallel angeordnet. Somit wird der strombegrenzende zweite Strompfad 31 gebildet durch eine alternierende Serieschaltung von mit Flüssigmetall 3 gefüllten Kanalbereichen 3a und den Stegen 5a, die als mit ihrer Länge progressive und vorzugsweise nichtlinear progressive Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 wirken.Preferably the resistance means 5 comprises a dielectric matrix 5, the wall-like webs 5a for dielectric separation of a plurality of channels 3a has for the liquid metal 3, wherein the webs 5a comprise a dielectric material in the direction of movement x increasing, and preferably non-linearly increasing resistance R x. The webs 5a thus represent individual resistors 5a of the resistive element 5 with an increasing along the channel height and preferably non-linearly increasing electrical resistance R x . At the height of the first position Xj. of the liquid metal 3, the webs 5a intermediate electrodes 2c to the electrically conductive connection of the channels 3a exhibit. The channels 3a are preferably arranged substantially parallel to each other. Thus, the current-limiting second current path 31 is formed by an alternating series connection of filled with liquid metal 3 channel regions 3a and the webs 5a, which act as progressive with their length and preferably non-linearly progressive individual resistors 5a of the resistive element 5.
Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die bewegliche Elektrode 3, 3' einen Festkorperleiter 31 mit mindestens einem Schleifkontakt 2d umfasst und im ersten Betriebszustand mit den feststehenden Elektroden 2a, 2b, im zweiten Betriebszustand mindestens einseitig mit dem Widerstandselement 5 und im dritten Betriebszustand mindestens einseitig mit dem Isolator 8 elektrisch verbunden wird. Mit Vorteil ist der Festkorperleiter 3' im wesentlichen aus Leichtmetall und/oder in Leichtbauweise, beispielsweise aus metallbeschichtetem Kork, gefertigt und/oder ist der Schleifkontakt 2d zur Reibungsverminderung mit Flüssigmetall benetzt. Fig. 2 zeigt ein Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem der Festkorperleiter 31 an einem Ende drehbar mit der Eingangselektrode 2a verbunden ist und am anderen Ende mit dem Schleifkontakt gleitfähig entlang eines kreisbogenförmigen Widerstandselements 5 bewegbar ist. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Festkorperleiter 3, 3' an beiden Ende Schleifkontakte 2d aufweist und zwischen wandartigen Widerständen 5a des Widerstandsmittels 5 wie ein Schwebebalken auf seiner ganzen Länge durch die elektromagnetische Wechselwirkung gegen eine Rückstellkraft Fr, insbesondere gegen die Schwer- kraft, angehoben werden kann. Die Wegpositionen li, I12, 12 des Schleifkontakts 2d entsprechen den zuvor genannten zweiten Positionen x1# X12, x2 der Flüssigmetallsäule 3. Die extremale zweite Position 112 kann in dem Bereich liegen, wo das Widerstandsmittel 5 in einen Isolator 8 übergeht, so dass eine Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist. Bei einem Übergang von der ersten Position xl t lx zur zweiten Position Xι2, x2 1-.2, 12/ insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x2, 12, wird das Flüssigmetall 3 oder der Festkorperleiter 3' mit Schleifkontakt 2d ent- lang des Widerstandselements 5 geführt. Zur Erzielung einer sanften Strombegrenzungs- oder Abschaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsriehtung x, 1 der beweglichen Elektrode 3, 3' nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand Rx, Ri für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand Rx, Ri, der kontinuierlich mit der zweiten Position x12, x2/ I12 12 ansteigt. Für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i (t) von den feststehenden Elektroden 2a, 2b, 2c zum Widerstandselement 5 soll eine typische, vom Kontaktmaterial abhängige, minimale Lichtbogenzündspannung von 10 V - 20 V nicht überschritten werden.FIGS. 2 and 3 show exemplary embodiments in which the movable electrode 3, 3 'comprises a solid conductor 3 1 with at least one sliding contact 2 d and in the first operating state with the stationary electrodes 2 a, 2 b in the second operating state at least on one side with the resistance element 5 and third operating state is electrically connected at least on one side with the insulator 8. Advantageously, the solid conductor 3 'is made essentially of light metal and / or lightweight construction, for example of metal-coated cork, and / or the sliding contact 2d is wetted with liquid metal to reduce friction. 2 shows an exemplary embodiment in which the solid conductor 3 1 is rotatably connected at one end to the input electrode 2 a and is slidably movable at the other end with the sliding contact along a circular arc-shaped resistance element 5. Fig. 3 shows an embodiment in which the Festkorperleiter 3, 3 'at both ends sliding contacts 2d and wall-like resistors 5a of the resistance means 5 as a balance beam along its entire length by the electromagnetic interaction against a restoring force F r , in particular against the heavy - force, can be raised. The path positions li, I 12 , 1 2 of the sliding contact 2 d correspond to the aforementioned second positions x 1 # X 12 , x 2 of the liquid metal column 3. The extremal second position 1 12 may be in the area where the resistance means 5 in an insulator goes over, so that an insulation gap 32 is present for power cut. In a transition from the first position x lt l x to the second position Xι 2 , x 2 1-.2, 1 2 / in particular to an extreme second position x 2 , 1 2 , the liquid metal 3 or the solid conductor 3 'with sliding contact 2d along the resistance element 5 out. In order to achieve a gentle current limiting or switch-off characteristic, the resistance element 5 has an electrical resistance R x , Ri for the second current path 31 which increases non-linearly along the movement direction x, 1 of the movable electrode 3, 3 '. The resistance element 5 should have an ohmic component and is preferably purely ohmic with an electrical resistance R x , Ri, which increases continuously with the second position x 12 , x 2 / I 12 1 2 . For an arc-free commutation of the current i (t) from the fixed electrodes 2a, 2b, 2c to the resistance element 5, a typical, dependent on the contact material, minimum Lichtbogenzündspannung of 10 V - 20 V is not exceeded.
Es können auch zwei Strombegrenzer 1 mit gegenphasig wirk- samer Auslösung der Elektrodenbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombegrenzung und gegebenenfalls Stromabschaltung zu erreichen.It is also possible for two current limiters 1 to be connected in series with antiphase-effective tripping of the electrode movement, in order to achieve a current limitation and, if appropriate, a power cutoff in each current half-cycle.
Fig. 4 zeigt eine Variante des Strombegrenzers 1, bei welcher ein Einfangbehälter 3b zur Aufnahme des Flüssig- metalls 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 ist zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegrenzungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorhanden, 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. Hierbei 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 reali- siert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Betriebsstrom Ii, der zweite Strompfad 31 zur Strombegrenzung und 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 Strombegrenzer4 shows a variant of the current limiter 1, in which a collecting container 3b for receiving the liquid metal 3 and for providing an insulation gap 32 for power cut-off is present. In addition, as shown, there may be a liquid metal feed 3c for filling the liquid metal 3 in the channels 3a and switching the device 1 back on. In addition, in addition to the nominal current path 30 and the current limiting path 31, there is an insulation gap 32, on which the webs 5a for current limiting pass into webs 8a for current isolation. The insulating webs 8a consist essentially of insulating material, are preferably arranged in the region of the collecting container 3c and, together with the channels emptied by the trapped liquid metal 3, form the insulating path 32 Thus, the liquid metal 3 between the rated current path 30, the current limiting path 31 and the insulation gap 32 for power cut movable, so that an integrated current-limiting switch 1 is implemented liquid metal-based. Advantageously, the first current path 30 for operating current Ii, the second current path 31 for current limiting and the isolation path 32 are arranged substantially perpendicular to the direction of movement x and / or substantially parallel to each other. This results in a particularly simple configuration for an integrated current limiter
Leistungsschalter 1, der ausschliesslich mit Flüssigmetall 3 arbeitet.Circuit breaker 1, which works exclusively with liquid metal 3.
Fig. 5 zeigt für den strombegrenzenden Schalter 1 eine Dimensionierung des elektrischen Widerstands Rx, Ri als Funk- tion der zweiten Position x12, I12 der beweglichen Elektrode 3, 3'. Mit Vorteil wird der Widerstand Rx, Ri bis zu einer extre alen zweiten Position x2, I2 auf einen Maximalwert Rx(x2), Rι(l2) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert Rx(x2), Rι(l2) des elektrischen Widerstands Rx, Ri nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms I2 auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms Ii auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.FIG. 5 shows for the current-limiting switch 1 a dimensioning of the electrical resistance R x , Ri as a function of the second position x 12 , I 12 of the movable electrode 3, 3 '. Advantageously, the resistor R x , Ri is selected up to a extre alen second position x 2 , I 2 to a maximum value R x (x 2 ), Rι (l 2 ) non-linear rising. Also, for a given voltage level, the maximum value R x (x 2 ), Rι (l 2 ) of the electrical resistance R x , Ri should be set to a finite value or to shut off the operating current Ii to a dielectric isolation value, in accordance with a current I 2 to be limited become.
Der elektrische Widerstand Rx, Ri als Funktion Rx( ι2)/ ι(li2) der zweiten Position x12, I12 sowie eine Weg-Zeit Charakteristik Xi2(t), li2(t) der beweglichen Elektrode 3, 3 ' entlang der Bewegungsrichtung x, 1 sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position x12, x2, I12 I2 der beweglichen Elektrode 3, 3' das Produkt aus elektrischem Widerstand Rx, Ri und Strom I2 kleiner als eine Lichtbogenzündspannung Ub zwischen der beweglichen Elektrode 3, 31 und den feststehenden Elektroden 2a, 2b und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbeding- ter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird. In allen zuvor genannten Ausführungsbeispielen umfassen die elektromagnetischen Antriebsmittel 2a, 2b, 20; 11; Bin-./ Bext Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20; 11 zur Erzeugung des Magnetfeldes Bext, Bint, welches auf die von dem Strom Il t I2 durchflossene bewegliche Elektrode 3, 3' eine Lorenzkraft Fmag mit einer Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung x, 1 ausübt, so dass die bewegliche Elektrode 3, 31 zwischen dem ersten Strompfad 30 für Betriebsstrom Ii, dem zweiten Strompfad 31 zur Strombegrenzung und der Isola- tionsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar ist. Die Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20; 11 können die Stromzuführung 2a, 2b; 20 zur Strombegrenzungsvorrichtung 1 umfassen, um ein internes, vom zu begrenzenden Überstrom I2 abhängiges Magnetfeld Bιnt zu erzeugen. Zudem können die Magnetfeld- mittel 2a, 2b, 20; 11 Mittel 11 zur Erzeugung eines externen regelbaren und insbesondere umschaltbaren Magnetfeldes Bext umfassen.The electrical resistance R x , Ri as a function R x2 ) / ι (li2) of the second position x 12 , I 12 and a path-time characteristic Xi 2 (t), li 2 (t) of the movable electrode 3, 3 'along the direction of movement x, 1 should be chosen so that in every second position x 12 , x 2 , I12 I2 of the movable electrode 3, 3', the product of electrical resistance R x , Ri and current I 2 is smaller than a Lichtbogenzündspannung U b between the movable electrode 3, 3 1 and the stationary electrodes 2 a, 2 b and optionally intermediate electrodes 2 c is and / or that a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents i (t) is achieved. In all the aforementioned embodiments, the electromagnetic drive means 2a, 2b, 20; 11; Bin- / B ext magnetic field means 2a, 2b, 20; 11 for generating the magnetic field B ext , Bi nt , which exerts on the current flowing through the current I lt I 2 movable electrode 3, 3 'a Lorenz force F mag with a force component parallel to the movement direction x, 1, so that the movable electrode 3, 3 1 is movable between the first current path 30 for operating current Ii, the second current path 31 for current limiting and the insulation path 32 for power cutoff. The magnetic field means 2a, 2b, 20; 11, the power supply 2a, 2b; 20 to the current limiting device 1 include to generate an internal, dependent from the limiting overcurrent I 2 magnetic field Bι nt . In addition, the magnetic field means 2a, 2b, 20; 11 means 11 for generating an external controllable and in particular reversible magnetic field B ex t include.
Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird beispielhaft die Dimensionierung eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1 diskutiert. Zur Beherrschung von Kurzschlüssen ist ein von Stromnetz- Parametern und dem Durchbruchsverhalten der zu trennenden Kontakte 2a, 2b abhängiger Widerstand Rx der Strombegren- zung notwendig. Je grosser die Steilheit des Kurzschlussstroms i(t) ist, um so niedriger muss Rx gewählt werden. Im ungünstigsten Fall sind die maximale Kurzschlussstrom- Amplitude und die maximale Kurzschlussstrom-Induktivität anzunehmen. Dann gilt: Rx(t) «i(t) < Ub(t) (Gl) Rx(t) *i(t) + L *di/dt(t) = UN(t) (G2) wobei t=Zeitvariable, L=Netzinduktivität im Kurzschlussfall, UN=Betriebs- oder Netzspannung, d/dt gleich erste und d2/dt2 gleich zweite Zeitableitung. In Gleichung (G2) wurde angenommen, dass der Widerstand im Netz RNe 2 << L ist und die Netzspannung UN bei Kurzschluss aufrechterhalten wird. Ferner gilt die Bewegungsgleichung (G3) für das Flüssigmetall 3 mit der Masse m, der Position oder Auslenkung Xi2( ), dem Reibungskoeffizienten α und der antreibenden Kraft F m»d2x12/dt2 + α •dx12/dt(t) = F - Fr , (G3) wobei Fr=Rückstellkraft, insbesondere Fr=Fg+Fcap mit Fg=m • g gleich Gravitationskraft, wobei m=Masse des Flüssigmetalls 3 und g=Erdbeschleunigung, und Fcap gleich Kapillarkraft.In connection with FIG. 5, the dimensioning of a liquid metal current limiter 1 will be discussed by way of example. For controlling short-circuits, a resistance R x of the current limitation dependent on the current network parameters and the breakdown behavior of the contacts 2 a, 2 b that are to be disconnected is necessary. The greater the slope of the short-circuit current i (t), the lower R x must be selected. In the worst case, the maximum short-circuit current amplitude and the maximum short-circuit current inductance are assumed. Then: R x (t) "i (t) <U b (t) (Eq) R x (t) * i (t) + L * di / dt (t) = U N (t) (G2) where t = time variable, L = line inductance in case of short circuit, U N = operating or mains voltage, d / dt equals first and d 2 / dt 2 equals second time derivative. In equation (G2) it was assumed that the resistance in the network R Ne 2 << L and the mains voltage U N is maintained in the event of a short circuit. Furthermore, the equation of motion (G3) applies to the liquid metal 3 with the mass m, the position or deflection Xi2 (), the coefficient of friction α and the driving force F m » d 2 x 12 / dt 2 + α • dx 12 / dt (t) = F - F r , (G3) where F r = restoring force, in particular F r = F g + F cap with F g = m • g equals gravitational force, where m = mass of the liquid metal 3 and g = gravitational acceleration, and F cap equals capillary force.
In Fig. 5 wurde beispielhaft eine elektromagnetische Lorenzkraft F=Fmag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des zu begrenzenden Stroms i(t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zusätzlich F = k • i2(t) . (G4) mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k' *i(t) mit k'=weitereIn FIG. 5, for example, an electromagnetic Lorenz force F = F mag was assumed, which is exerted on the liquid metal 3 by self-interaction of the current i (t) to be limited. Then F = k • i 2 (t) applies additionally . (G4) with k = geometry-dependent proportionality constant. With an external magnetic field B we have F = k '* i (t) with k' = more
Proportionalitätskonstante. Im Detail hängen k und k1 von der Geometrie des Strombegrenzers 1, insbesondere derProportionality. In detail, k 1 and k depend on the geometry of the current limiter 1, in particular the
Struktur und Anordnung des Widerstandselements 5 sowie derStructure and arrangement of the resistive element 5 and the
Strompfade 30, 31 und der Isolationsstrecke 32, ab und von der Anordnung der Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20.Current paths 30, 31 and the isolation path 32, from and from the arrangement of the magnetic field means 2a, 2b, 20th
In Fig. 5 wurden beispielhaft angenommen: eine kurz- schlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, UN=1 kV, Iι=l 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 (Gl) der Widerstand Rx(t) und die Weg-Zeitcharakteristik Xι2(t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimination der Zeitabhängigkeit der Widerstand Rx(xι2) als Funktion der zweiten Position xi2, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position xi# d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b , 2c, nimmt Rx 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 grδsse- re Rx tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h- überproportionalen Anstieg Rx(xi2) über. Der Gesamtwiderstand des Strombegrenzers 1 wird im ersten Betriebszustand bei Nominalstrom Iλ durch die Flüssigmetallstrecken 3 determiniert und kann demzufolge durch Bereitstellung eines geeigneten Flüssigmetallquerschnitts auf vorgebbare Werte festgelegt werden. Der maximale Widerstand Rx(x_.2) des Strombegrenzers 1 kann durch Wahl des Widerstandsmaterials 5 und durch seine geometrische Gestalt nach Massgabe eines gewünschten Spannungsniveaus und maximal zulässigen Überstroms I2 dimensioniert werden. Insbesondere kann ein mit der Wegstrecke x nichtlinear ansteigender Widerstand Rx durch Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen realisiert werden. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand Rx kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strompfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifischen Widerstand realisiert sein. Die nichtlineare Graduierung des Widerstands Rx kann auch durch Kombination beider Massnah- men, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromführung in einem Widerstandselement mit variablem spezifi- sehen Widerstand, erreicht werden.By way of example, FIG. 5 assumed a short-circuit current gradient di / dt = 15 kA / ms, U N = 1 kV, I 1 = 1 kA, maximum short-circuit current I 2 = 50 kA and plausible parameter values for k, m and α. Then, the equations (G2) are obtained by solving - (G4) under the boundary condition (Eq) of the resistance R x (t) and the path-time characteristic Xι 2 (t) of the liquid metal 3 and, finally, by the elimination of the time dependence of the resistance R x (xι 2 ) as a function of the second position x i2 , as shown in Fig. 5 logarithmic. Starting from the first position x i # ie when the liquid metal 3 is detached from the fixed electrodes 2 a, 2 b, 2 c, R x initially increases disproportionately with the second position x 12 , then increases linearly in a phase in which the in-line inductance L stored energy must be absorbed and then goes in a region where the current i is already limited and larger R x are tolerable, again in a steeper, d. h-disproportionate increase R x (x i2 ) via. The total resistance of the current limiter 1 is determined in the first operating state at nominal current I λ by the liquid metal sections 3 and can therefore be set to predetermined values by providing a suitable liquid metal cross section. The maximum resistance R x (x_. 2 ) of the current limiter 1 can be dimensioned by selecting the resistance material 5 and by its geometric shape in accordance with a desired voltage level and maximum permissible overcurrent I 2 . In particular, a resistance R x which increases nonlinearly with the distance x can be realized by materials having different specific resistances. A non-linearly increasing total resistance R x can also be realized by a suitable geometric guidance of the current path in a resistance element with homogeneous resistivity. The non-linear graduation of the resistance R x can also be achieved by a combination of both measures, namely by a suitable geometrical current conduction in a resistance element with a variable specific resistance.
Der Schwellwertstrom Ith, ab dem die Strombegrenzungs- vorrichtung 1 aktiviert wird, tritt auf, wenn die elektromagnetische Antriebskraft Fmag die Rückstellkraft Fr überschreitet. In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. la, lb, 4 und 6 ist die Rückstellkraft Fr=Fg+Fcap. Daraus kann Ih abgeschätzt werden zu Ith = [ ( Fg+Fcap) /k] 1/2 . (G6 )The threshold current I t h, from which the current limiting device 1 is activated, occurs when the electromagnetic drive force F mag exceeds the restoring force F r . In the exemplary embodiments according to FIGS. 1 a, 1 b, 4 and 6, the restoring force F r = F g + F cap . From this, Ih can be estimated to It h = [(F g + F cap ) / k] 1/2 . (G6)
Im vereinfachten Fall, in dem die Kapillarkräfte Fcap vernachlässigbar sind und das Magnetfeld durch eine Spulen- geometrie erzeugt wird, gilt Ith = t(A«g •d«p)/(μ «N)]1 2 , (G7) wobei A=Querschnittsflache der Flüssigmetall-Kanäle 3a, p=Massendichte des Flüssigmetalls 3, d=Länge der magnetfelderzeugenden Spule in der Stromzuführung 2a, 2b, 20, μ=magnetische Permeabilität in der Spule bzw. im Flüssigmetall und N=Anzahl Windungen der Spule. Die Reaktionszeit tu bis zur vollen Strombegrenzung, d. h. bis zum Erreichen der Endposition gemäss Fig. lb (oder auch Fig. 2 oder Fig. 3), kann durch geeignete Dimensionierung der Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20, 11 und der Rückstellkräfte Fg, Fcap auf vorgebbare Werte dimensioniert werden.In the simplified case, in which the capillary forces F cap are negligible and the magnetic field is generated by a coil geometry, I th = t (A « g • d « p) / (μ « N)] 1 2 , (G7) where A = cross-sectional area of the liquid metal channels 3a, p = mass density of the liquid metal 3, d = length of the magnetic field generating coil in the power supply 2a, 2b, 20, μ = magnetic permeability in the coil or in the liquid metal and N = number of turns of the coil. The reaction time t u up to the full current limit, ie until reaching the end position according to FIG. 1b (or else FIG. 2 or FIG. 3), by suitable dimensioning of the magnetic field means 2a, 2b, 20, 11 and the restoring forces F g , F cap be dimensioned to predeterminable values.
Fig. lb zeigt die Position des Flüssigmetalls 3 im Strombegrenzungsfall . Aufgrund der wirksam werdenden Strombegrenzung nimmt die elektromagnetische Kraft Fmag auf das Flüssigmetall 3 ab und das Flüssigmetall 3 fliesst unter der Wirkung der Gravitationskraft Fg wieder zurück in die Ausgangsposition zwischen die Elektroden 2a, 2b, 2c. Die Wiedereinschaltzeit td kann unter der Annahme, dass die Kapillarkraft Fcap und die elektromagnetische Kraft Fmag bei begrenztem Strom i vernachlässigbar sind, abgeschätzt wer- den zu td = [(2 •h)/g]1/2 , (G8) wobei h=x2-Xι=Höhe der Flüssigmetall-Kanäle 3a.Fig. Lb shows the position of the liquid metal 3 in the current limiting case. Due to the current limiting effect, the electromagnetic force F mag on the liquid metal 3 decreases and the liquid metal 3 flows under the action of the gravitational force F g back to the starting position between the electrodes 2a, 2b, 2c. The restart time t d, assuming that the capillary force F cap and the electromagnetic force F mag with limited current i are negligible advertising, estimated to be t d = [(2 • h) / g] 1/2, (G8 ) where h = x 2 -Xι = height of the liquid metal channels 3a.
Die Wiedereinschaltzeit t kann durch eine geeignete Auslegung des Strombegrenzers 1 an die Erfordernisse ver- schiedener Anwendungsfälle angepasst werden. Insbesondere sind die Kanalhöhe h und die Kapillarkräfte Fcap beeinflussende Grossen wie Kanal-Querschnittsfläche A, Kanalgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Kanäle, sowie die Art des Flüssigmetalls 3 entsprechend zu wählen. Bei der thermischen Auslegung des Strombegrenzers 1 ist zu beachten, dass wegen der kurzen Reaktionszeiten und auch Wiederanschaltzeiten das Widerstandselement 5 nicht wirksam gekühlt werden kann. Die dissipierte Energie E1OS3 erhitzt den Strombegrenzer 1. Der Temperaturanstieg ΔT be- trägt näherungsweise ΔT = Eιosa/(A • 1 *p' «c') , (G9) wobei A=Querschnittsflache der Flüssigmetallteile (wie zuvor) , l=Gesamtlänge des Strombegrenzers 1 oder des Widerstandselements 5, p'=mittlere Massendichte des Strom- begrenzers 1 und c'=mittlere Wärmekapazität des Strombegrenzers 1. Die Verlustenergie EιOSs ist im vorliegenden Fall der resistiven Strombegrenzung viel kleiner als bei Strombegrenzung durch Lichtbogen. Ein wesentlicher Vorteil des verteilten oder matrixartigen Widerstandselements 5 besteht auch darin, dass die Verlustleistung Eιoss weitgehend homogen verteilt über das Volumen des Strombegrenzers 1 auftritt und dementsprechend die gesamte thermische Masse oder Wärmekapazität zur Absorption der Verlustenergie Eιoss ausgeschöpft werden kann.The reconnection time t can be adapted to the requirements of different applications by means of a suitable design of the current limiter 1. In particular, the channel height h and the capillary forces F cap influencing variables such as channel cross-sectional area A, channel geometry and surface quality of the channels, and the type of liquid metal 3 are to be selected accordingly. In the thermal design of the current limiter 1 is to be noted that because of the short reaction times and Wiederanschaltzeiten the resistive element 5 can not be effectively cooled. The dissipated energy E 1OS3 heats the current limiter 1. The temperature rise ΔT is approximately ΔT = E o osa / (A • 1 * p '"c'), (G9) where A = cross-sectional area of the liquid metal parts (as before), l = Total length of the current limiter 1 or the resistance element 5, p '= average mass density of the current limiter 1 and c' = average heat capacity of the current limiter 1. The loss energy Eι OSs is in the present Case of resistive current limiting much smaller than current limiting by electric arc. A significant advantage of the distributed or matrix-like resistance element 5 is also that the power loss Eι oss occurs largely homogeneously distributed over the volume of the current limiter 1 and accordingly the entire thermal mass or heat capacity for absorbing the loss of energy Eι oss can be exploited.
Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strom- begrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit elektromagnetischen Antriebsmitteln 2a, 2b, 20; 11; Bint/ BexC für das Flüssigmetall 3. Das Magnetfeld Bint kann intern durch den zu- oder abführenden Stromleiter 20 und/oder bevorzugt durch eine externe, bezüglich ihrer Magnetfeldrichtung umschaltbare Magnetfeldquelle Bext erzeugt werden. 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 Xι3, 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. Fig. 3 zeigt gestrichelt den analogen Fall für negative Auslenkungen 1 und Positionen lι3, 13 eines beweglich aufgehängten Festkörperleiters 3 ' . Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, durch den ein externes Magnetfeld BexC zwischen einem Betrieb der Vorrichtung 1 als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird. Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GalnSn. Mit Vorteil ist die mindestens eine 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 Nennstromp ad 30, Strombegrenzungspfad 31 und Stromabschaltungspfad 32, realisiert. Auch kann der Strombegrenzer 1 in Fig. 6 auch als strombegrenzender Schalter 1, wie zuvor beschrieben, ausgelegt sein.Fig. 6 shows a combined liquid metal current limiter 1 and liquid metal circuit breaker 1 with electromagnetic drive means 2a, 2b, 20; 11; Bint / B exC for the liquid metal 3. The magnetic field Bi nt can be generated internally by the incoming or outgoing current conductor 20 and / or preferably by an external, with respect to their magnetic field direction switchable magnetic field source B ext . In a displacement of the liquid metal 3 in the positive direction of movement + x, the current i is guided on the current limiting path 31 and limited as discussed above. Alternatively, the liquid metal 3 in a third operating state along the opposite direction of movement -x in at least a third position Xι 3 , x 3 are moved, wherein the liquid metal 3 in the at least one third position Xι 3 , x 3 is in series with an insulator 8 and thereby an isolation path 32 for power shutdown is formed by the device 1. As shown, the insulation section 8 may be formed by a plurality of insulation webs 8a, which are in the case of disconnection in alternating series connection with the downwardly displaced liquid metal columns 3. Fig. 3 shows in dashed lines the analog case for negative deflections 1 and positions lι 3 , 1 3 of a movably suspended solid state conductor 3 '. In particular, the third operating state is triggered by a switch-off command , by means of which an external magnetic field B exC is switched over between operation of the device 1 as a current limiter and as a power switch. As liquid metal 3 are suitable for. Mercury, gallium, cesium, galnSn. Advantageously, the at least one isolation path 32 for power cutoff is arranged above the second current path 31 and / or below the first current path 30. As a result, a compact arrangement of the liquid metal 3 and its drive mechanism 12 relative to the currents to be switched, in particular to Nennstromp ad 30, current limiting path 31 and power cut-off path 32, realized. Also, the current limiter 1 in Fig. 6 as a current-limiting switch 1, as described above, be designed.
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.Applications of the device 1 relate u.a. the use as 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, in particular a high or medium voltage switchgear, characterized by a device 1 as described above.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Flüssigmetall-Strombegrenzer 2a, 2b Festmetall-Elektroden, Metallplatten, feststehende Elektroden 2c Zwischenelektroden1 liquid metal current limiter 2a, 2b solid metal electrodes, metal plates, fixed electrodes 2c intermediate electrodes
2d mechanischer Schleifkontakt mit wegabhängigem Widerstand 20 Stromzuführung, Stromleiter2d mechanical sliding contact with path-dependent resistor 20 Power supply, conductor
3 Flüssigmetall3 liquid metal
3a Kanäle für Flüssigmetall3a channels for liquid metal
3b Einfangbehälter für Flüssigmetall3b collecting container for liquid metal
3c Zuführung für Flüssigmetall 30 Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad3c liquid metal feed 30 current path, first current path
31 Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad31 current path for current limiting, second current path
32 Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke32 power interruption path, isolation route
4 Flüssigmetall-Behälter4 liquid metal containers
5 Widerstandselement für Strombegrenzung, Wider- Standsmatrix für Flüssigmetall 5a Einzelwiderstände5 current limiting resistive element, resistance matrix for liquid metal 5a individual resistors
6 Behälterdeckel, Gehäusewand, Isolator6 Container lid, housing wall, insulator
8 Isolator für Stromunterbrechung8 Isolator for power interruption
8a Einzelisolatoren 9 flexible Membran8a single insulators 9 flexible membrane
10 Ventil für Flüssigmetallzuführung10 valve for liquid metal supply
11 Magnetfeldsteuerung11 magnetic field control
124 Gegendruckbehälter, gefangenes Gasvolumen124 back pressure vessel, trapped gas volume
α Reibungskoeffizientα coefficient of friction
Bext/ Bint externes, internes MagnetfeldB ext / Bi n t external, internal magnetic field
Fmag magnetische KraftF likes magnetic force
Fr Rückstellkraft i Strom Ii BetriebsstromF r i restoring force current Ii operating current
12 begrenzter Überstrom k Proportionalitätskonstante1 2 Limited overcurrent k Proportionality constant
1, li, 12, lι2, 13;3 Schleifkontaktpositionen1, li, 1 2 , 1 2 , 1 3;3 sliding contact positions
L Netzinduktivität Pi, P2, P3 GasdruckL mains inductance Pi, P 2 , P 3 gas pressure
RX/ Ri Widerstand des Strombegrenzers t ZeitvariableR X / Ri Current limiter resistor t Time variable
Ub LichtbogenzündspannungU b arc ignition voltage
UN Netzspannung, Betriebsspannung V1; V2, V3 Gasvolumen x, x1; x2, xi2, x3, x13 Positionen der Flüssigmetallsäule U N mains voltage, operating voltage V 1; V 2 , V 3 gas volume x, x 1; x 2 , x i2 , x 3 , x 13 positions of the liquid metal column

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Strombegrenzung (1) mit einer Strombegrenzungsvorrichtung (1) , die feststehende Elektroden (2a, 2b) und mindestens eine bewegliche Elektrode (3, 3') umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehenden Elektroden (2a, 2b) ein Betriebsstrom (Ii) auf einem ersten Strompfad (30) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch die in einer ersten Position (xi, li) befindliche bewegliche Elektrode (3, 3') geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand die mindestens eine bewegliche Elektrode (3, 3') selbsttätig durch eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem zu begrenzenden Über- ström (I2) entlang einer Bewegungsrichtung (x, 1) in mindestens eine zweite Position (x-.2, x2, lι2, 12) bewegt wird, die bewegliche Elektrode (3, 3') bei einem Übergang von der ersten Position (xl7 li) zur zweiten Position (xi2, x2, I12, I2) entlang eines Widerstands- elements (5) geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position (xi2, x2/ I12/ 12) 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 (Rx, Rx) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand die bewegliche Elektrode (3, 3') in Serie mit einem Isolator (8) liegt und dadurch eine Isolationsstrecke (32) zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung (1) gebildet wird.A method of current limiting (1) comprising a current limiting device (1) comprising fixed electrodes (2a, 2b) and at least one movable electrode (3, 3 '), wherein in a first operating state between the stationary electrodes (2a, 2b) an operating current (Ii) on a first current path (30) through the current limiting device (1) is guided and the first current path (30) at least partially through the in a first position (xi, li) located movable electrode (3, 3 ') out is, in a second operating state, the at least one movable electrode (3, 3 ') automatically by an electromagnetic interaction with a to be limited overflow (I 2 ) along a direction of movement (x, 1) in at least one second position (x- .2 , x 2 , lι 2 , 1 2 ) is moved, the movable electrode (3, 3 ') in a transition from the first position (x l7 li) to the second position (x i2 , x 2 , I12, I2) along a resistance element (5) is guided and in the at least one second position (x i2 , x 2 / I12 / 1 2 ) in series with the resistance element (5) and thereby a current limiting second current path (31) by the current limiting device (1) is formed, the one predeterminable electrical resistance (R x , R x ), characterized in that in a third operating state, the movable electrode (3, 3 ') is in series with an insulator (8) and thereby an insulation gap (32) for power shutdown by the device (1) is formed.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst wird, durch den ein externes Magnetfeld (Bext) zwischen einem Betrieb der Vorrichtung (1) als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the third operating state is triggered by a shutdown command by which an external magnetic field (B ext ) between an operation of the device (1) is switched as a current limiter and as a power switch.
3. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Betriebs- zustand a) die bewegliche Elektrode (3, 3') entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x, -1) in mindestens eine dritte Position (xι3/ x3 li3 13) bewegt wird und b) die bewegliche Elektrode (3, 3') in der mindestens einen dritten Position (xι3, x3, I13, 13) in Serie mit dem Isolator (8) liegt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the third operating state a) the movable electrode (3, 3 ') along an opposite direction of movement (-x, -1) in at least one third position (xι 3rd / x 3 li3 1 3 ) is moved and b) the movable electrode (3, 3 ') in the at least one third position (xι 3 , x 3 , I13, 1 3 ) in series with the insulator (8).
4. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die bewegliche Elektrode (3, 3') selbsttätig durch die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem zu begrenzenden Überstrom (I2) entlang des Widerstandselements (5) zu einer extremalen zweiten Position (x2, 12) geführt wird und b) die extremale zweite Position (x2, 12) in einem Bereich liegt, wo das Widerstandselement (5) in den Isolator (8) übergeht, so dass die Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung gebildet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a) the movable electrode (3, 3 ') automatically by the electromagnetic interaction with the overcurrent (I 2 ) to be limited along the resistive element (5) to an extreme second position (x 2 , 1 2 ) is guided and b) the extremal second position (x 2 , 1 2 ) in a region where the resistance element (5) merges into the insulator (8), so that the insulation gap (32) for Power cut is formed.
5. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Widerstandselement (5) zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik mit einem entlang der Bewegungsrichtung (x, 1) der beweglichen Elektrode (3, 3') nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand (Rx, Ri) für den zweiten Strompfad (31) gewählt wird und/oder b) das Widerstandselement (5) ohmsch ist und der elektrische Widerstand (Rx, Ri) kontinuierlich mit der zweiten Position (xi2, x2/ I12/ 12) ansteigt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a) the resistance element (5) to achieve a gentle turn-off with a along the direction of movement (x, 1) of the movable electrode (3, 3 ') non-linearly increasing electrical resistance ( R x , Ri) is selected for the second current path (31) and / or b) the resistance element (5) is ohmic and the electrical resistance (R x , Ri) is continuous with the second position (x i2 , x 2 / I 12 / 1 2 ) increases.
6. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) der zweite Betriebszustand durch den Überstrom (I2) selbsttätig aktiviert wird, indem die stromdurch- flossene bewegliche Elektrode (3, 3') durch eine elektromagnetische Kraft (Fmag) bewegt wird, die senkrecht zum Strom (I2) durch die bewegliche Elektrode (3, 3') und senkrecht zu einem Magnetfeld (Bex , Bint) steht und die eine Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung (x, 1) aufweist, wobei b) das Magnetfeld (Bex , Bιnt) als ein externes Magnetfeld (Bext) und/oder als ein internes, von einer Stromzuführung (2a, 2b; 20) zur Strombegrenzungs- Vorrichtung (1) erzeugtes Magnetfeld (Bint) gewählt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a) the second operating state by the overcurrent (I 2 ) is automatically activated by the current through flossene movable electrode (3, 3 ') by an electromagnetic force (F mag ) is moved perpendicular to the current (I 2 ) by the movable electrode (3, 3') and perpendicular to a magnetic field (B ex , B int ) and having a force component parallel to the direction of movement (x, 1), wherein b) the magnetic field (B ex , Bι nt ) as an external magnetic field (B ext ) and / or as an internal, from a power supply (2a, 2b; 20) to the current limiting device (1) generated magnetic field (B int ) is selected.
7. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (Rx, Ri) als Funktion (Rx(xι2), Rι(lι2)) der zwei- ten Position (xi2, 112 ) sowie eine Weg-Zeit Charakteristik (x12(t), li2(t)) der beweglichen Elektrode (3, 31) entlang der Bewegungsrichtung (x, 1) so gewählt werden, dass a) in jeder zweiten Position (xι2, x2, li2# I2) der be- weglichen Elektrode (3, 31) das Produkt aus elektrischem Widerstand (Rx, RjJ und Strom (I2) kleiner als eine Lichtbogenzündspannung (Ub) zwischen der beweglichen Elektrode (3, 31) und den feststehenden Elektroden (2a, 2b) und gegebenenfalls Zwischen- elektroden (2c) ist und/oder b) eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme (i(t)) erzielt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical resistance (R x , Ri) as a function (R x (xι 2 ), Rι (lι 2 )) of the second position (x i2 , 1 12 ) and a path-time characteristic (x 12 (t), l i2 (t)) of the movable electrode (3, 3 1 ) along the direction of movement (x, 1) are chosen such that a) in every second position (xι 2 , x 2 , li 2 # I 2 ) of the movable electrode (3, 3 1 ) the product of electrical resistance (R x , RjJ and current (I 2 ) smaller than an arc ignition voltage (U b ) between the movable electrode (3, 3 1 ) and the fixed electrodes (2a, 2b) and optionally intermediate electrodes (2c) and / or b) a sufficient slope of the current limit for controlling network-related short-circuit currents (i (t)) is achieved.
8. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die bewegliche Elektrode (3, 3') ein Flüssigmetall (3) umfasst, das in mindestens einem Kanal (3a) der Strombegrenzungsvorrichtung (1) angeordnet wird und entlang einer Hδhenerstreckung des Kanals (3a) zwi- sehen dem ersten Strompfad (30) für den Betriebsstrom (Ii) , dem zweiten Strompfad (31) zur Strombe- grenzung und der Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung bewegt werden kann und b) insbesondere dass mehrere Kanäle (3a) durch wandartige Stege (5a, 8a) voneinander getrennt sind, die im Bereich des ersten Strompfads (30) Zwischenelektroden (2c) zum Durchleiten des Betriebsstroms (Ij) aufweisen, im Bereich des zweiten Strompfads (31) Einzelwiderstände (5a) des Widerstandselements (5) aufweisen und im Bereich der Isolationsstrecke (32) in Stege (8a) zur Stromisolation übergehen.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a) the movable electrode (3, 3 ') comprises a liquid metal (3) which is arranged in at least one channel (3a) of the current limiting device (1) and along a Hδhenerstreckung the channel (3a) between see the first current path (30) for the operating current (Ii), the second current path (31) for Strombe- and b) in particular that a plurality of channels (3a) are separated from one another by wall-like webs (5a, 8a) which in the region of the first current path (30) have intermediate electrodes (2c) for passing through the Operating current (Ij), in the region of the second current path (31) have individual resistors (5a) of the resistive element (5) and in the region of the insulation gap (32) in webs (8a) for current isolation.
9. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die bewegliche Elektrode (3, 31) einen Festkorperleiter (3') mit mindestens einem Schleifkontakt (2d) umfasst und im ersten Betriebszustand mit den feststehenden Elektroden (2a, 2b) , im zweiten Betriebszustand mindestens einseitig mit dem Widerstandselement (5) und im dritten Betriebszustand mindestens einseitig mit dem Isolator (8) elek- trisch verbunden wird und b) insbesondere dass der Festkorperleiter (31) im wesentlichen aus Leichtmetall und/oder in Leichtbauweise gefertigt ist und/oder der Schleifkontakt (2d) zur Reibungsverminderung mit Flüssigmetall be- netzt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a) the movable electrode (3, 3 1 ) comprises a Festkorperleiter (3 ') having at least one sliding contact (2d) and in the first operating state with the fixed electrodes (2a, 2b), in the second operating state at least on one side with the resistance element (5) and in the third operating state at least on one side with the insulator (8) is electrically connected and b) in particular that the solid conductor (3 1 ) consists essentially of light metal and / or in Lightweight construction is made and / or the sliding contact (2d) is wetted with liquid metal to reduce friction.
10. Vorrichtung zur Strombegrenzung (1), insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend feststehende Elektroden (2a, 2b) und mindestens eine bewegliche Elektrode (3, 31), wo- bei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehenden Elektroden (2a, 2b) ein erster Strompfad (30) für einen Betriebsstrom (Ii) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch die in einer ersten Position (x1# l ) befindliche bewegliche Elektrode (3, 3') führt, wobei elektromagnetische Antriebsmittel (2a, 2b, 20; 11; Bint, Bex) zum bei Über- ström (I2) selbstbetätigten Bewegen der beweglichen Elektrode (3, 31) entlang einer Bewegungsrichtung (x, 1) in mindestens eine zweite Position (xi2, x2, lι2, 12) vorhanden sind, elektrische Widerstandsmittel (5) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (Rx) vorhanden sind und in einem zweiten Betriebzustand die bewegliche Elektrode (3, 3') zumindest teilweise in Serie zu den Widerstandsmitteln (5) liegt und zusammen mit diesen einen zweiten Strompfad (31) bildet, auf dem der Betriebsstrom (Iα) auf einen zu begrenzenden Strom (I2) begrenzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand die bewegliche Elektrode (3, 31) in Serie mit einem Isolator (8) liegt und dadurch eine Isolationsstrecke (32) zur Leistungs- abschaltung durch die Vorrichtung (1) vorhanden ist.10. Device for current limiting (1), in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising fixed electrodes (2a, 2b) and at least one movable electrode (3, 3 1 ), wherein in a first operating state between the fixed Electrodes (2a, 2b) a first current path (30) for an operating current (Ii) by the current limiting device (1) is present and the first current path (30) at least partially by the in a first position (x 1 # l) located movable electrode (3, 3 '), wherein electromagnetic drive means (2a, 2b, 20, 11, B int , B ex ) are used for Ström (I 2 ) self-actuated moving the movable electrode (3, 3 1 ) along a direction of movement (x, 1) in at least one second position (x i2 , x 2 , lι 2 , 1 2 ) are present, electrical resistance means (5) with a predeterminable electrical resistance (R x ) are present and in a second operating state, the movable electrode (3, 3 ') at least partially in series with the resistance means (5) and forms together with these a second current path (31) on which the operating current (I α ) can be limited to a current (I 2 ) to be limited, characterized in that in a third operating state the movable electrode (3, 3 1 ) is connected in series with an insulator (8) and thereby an insulation gap (32 ) is present for power cut-off by the device (1).
11. Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Antriebsmittel (2a, 2b, 20; 11; Bint, Bext) Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (Bext, Bint) umfassen, welches auf die von dem Strom (Ii, I2) durch- flossene bewegliche Elektrode (3, 3') eine Lorenzkraft (Fmag) mit einer Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung (x, 1) ausübt, so dass die bewegliche Elektrode (3, 3') zwischen dem ersten Strompfad (30) für Betriebsstrom (Iχ) , dem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung und der Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung bewegbar ist .11. The device (1) according to claim 10, characterized in that the electromagnetic drive means (2a, 2b, 20; 11; B int , B ext ) magnetic field means (2a, 2b, 20; 11) for generating a magnetic field (B ext , Bi nt ), which exerts a Lorentz force (F mag ) with a force component parallel to the direction of movement (x, 1) on the movable electrode (3, 3 ') flowing through the current (Ii, I 2 ), so that the movable electrode (3, 3 ') is movable between the first current path (30) for operating current (Iχ), the second current path (31) for current limiting and the isolation path (32) for current cutoff.
12. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) eine Stromzuführung (2a, 2b; 20) zur Strombegrenzungsvorrichtung (1) umfassen, um ein internes, vom zu begrenzenden Überstrom (I2) abhängiges Magnetfeld (Bint) zu erzeugen und/oder b) die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) Mittel (11) zur Erzeugung eines externen regelbaren Magnetfeldes (Bex ) umfassen.12. The device (1) according to any one of claims 10-11, characterized in that a) the magnetic field means (2a, 2b, 20; 11) comprise a power supply (2a, 2b, 20) to the current limiting device (1) to a generate internal magnetic field (Bi nt ) dependent on the limiting overcurrent (I 2 ) and / or b) the magnetic field means (2a, 2b, 20, 11) comprise means (11) for generating an external controllable magnetic field (B ex ).
13. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Magnetfeld (Bext/ Bint) nach Massgabe eines zu begrenzenden Überstroms (I2) und einer hierfür erforderlichen Weg-Zeit Charakteristik (x(t), 1 (t) ) der beweglichen Elektrode (3, 3') im zweiten Strom- pfad (31) ausgelegt ist und/oder b) die Widerstandsmittel (5) zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung (x, 1) bis zu einer extremalen zweiten Position (x2, 12) nichtlinear zunehmenden elektrischen Wider- stand (Rx, Rx) für den zweiten Strompfad (31) aufweisen.13. The device (1) according to any one of claims 10-12, characterized in that a) the magnetic field (B ex t / Bi nt ) in accordance with a to be limited overcurrent (I 2 ) and a travel-time characteristic required for this purpose ( x (t), 1 (t)) of the movable electrode (3, 3 ') in the second current path (31) is designed and / or b) the resistance means (5) for arc current limiting a along the direction of movement (x, 1 ) to an extreme second position (x 2 , 1 2 ) of non-linearly increasing electrical resistance (R x , R x ) for the second current path (31).
14. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch4'" gekennzeichnet , dass a) die bewegliche Elektrode (3, 31) ein Flüssigmetall (3) umfasst, das durch die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) im flüssigen Aggregatzustand bewegt wird und/oder b) die bewegliche Elektrode (3, 31) einen Festkorperleiter (3') mit mindestens einem Schleifkontakt (2d) umfasst, wobei der Festkorperleiter (31) durch die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) gegen eine Rückstellkraft (Fr) , insbesondere gegen die Schwerkraft, einseitig oder beidseitig angehoben wird.14. The device (1) according to any one of claims 10-13, characterized 4 ' "characterized in that a) the movable electrode (3, 3 1 ) comprises a liquid metal (3) by the magnetic field means (2a, 2b, 20 11) is moved in the liquid state of aggregation and / or b) the movable electrode (3, 3 1 ) comprises a solid conductor (3 ') with at least one sliding contact (2d), the solid conductor (3 1 ) being driven by the magnetic field means (2a, 2b, 20, 11) against a restoring force (F r ), in particular against gravity, is raised on one or both sides.
15. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass a) der erste Strompfad (30 für Betriebsstrom (Iα) , der zweite Strompfad (31) zur Strombegrenzung und die Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung (x, 1) und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und/oder b) die mindestens eine Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads (31) und/oder unterhalb des ersten Strompfads (30) angeordnet ist.15. The device (1) according to any one of claims 10-14, characterized in that a) the first current path (30 for operating current (I α ), the second current path (31) for current limiting and the insulation gap (32) for power shutdown in are arranged substantially perpendicular to the direction of movement (x, 1) and / or substantially parallel to each other and / or b) the at least one isolation path (32) for power cutoff is arranged above the second current path (31) and / or below the first current path (30).
16. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-15. 16. Electrical switchgear, in particular high or medium voltage switchgear, characterized by a device (1) according to any one of claims 10-15.
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