EP1644952B1

EP1644952B1 - Verfahren und vorrichtung zur strombegrenzung mit einem selbstbetätigten strombegrenzer

Info

Publication number: EP1644952B1
Application number: EP04738058A
Authority: EP
Inventors: Kaveh Niayesh; Friedrich Koenig
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: PL1644952T3; DE502004005030D1; KR20060036448A; WO2005006373A1; ATE373871T1; US20070041138A1; CN100446152C; EP1644952A1; CN1820340A

Description

TECHNISCHES GEBIET

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

STAND DER TECHNIK

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

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.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungsvorrichtung, 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 Strompfad 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 Elektrode sind denkbar. Da von der beweglichen Elektrode im Strombegrenzungsfall kein Isolator, sondern ein elektrischer Widerstand kontaktiert wird, wird kein Lichtbogen gezündet. Daher kann das Strombegrenzungsverfahren 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 einem ersten Ausführungsbeispiel wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, durch den ein externes Magnetfeld zwischen einem Betrieb der Vorrichtung als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird.
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 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 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 Widerstandselement 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 benötigten elektrischen Widerstand erforderliche Elektrodenauslenkung angepasst werden.
Anspruch 7 gibt Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung der Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs an.
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.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1a, 1b: zeigen eine erfindungsgemäss selbstbetätigte Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb und im Strombegrenzungsfall;
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 Nennstrombetrieb;
Fig. 5: zeigt eine Kurvendarstellung der Variation des Widerstands des Strombegrenzers als Funktion der Position der Flüssigmetallsäule; und
Fig. 6: zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer und Flüssigmetall-Leistungsschalter mit externem Magnetfeldantrieb für das Flüssigmetall.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1a, 1b 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 Flüssigmetallsäule 3 kann beispielsweise ein Schutzgas, eine Isolierflüssigkeit (mit hier nicht dargestelltem Ausweichvolumen) oder Vakuum angeordnet sein.
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, x₁₂ 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 (nicht dargestellt) vorhanden.
Bevorzugt wird der zweite Betriebszustand durch den Überstrom I₂ selbsttätig aktiviert, indem die stromdurchflossene bewegliche Elektrode 3, 3' durch eine elektromagnetische Kraft F_mag bewegt wird, die senkrecht zum Strom I₂ durch die bewegliche Elektrode 3, 3' und senkrecht zu einem Magnetfeld B_ext, B_int steht und die eine Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung x, 1 aufweist, wobei das Magnetfeld B_ext, B_int als ein externes Magnetfeld B_ext und/oder als ein internes, von einer Stromzuführung 2a, 2b; 20 zur Strombegrenzungsvorrichtung 1 erzeugtes Magnetfeld B_int 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.
In einem ersten Betriebszustand (Fig. 1a) fliesst ein Betriebs- oder Nennstrom I₁ 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 x₁, benetzt zumindest teilweise die feststehenden Elektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. 1b) wird das Flüssigmetall 3 entlang der Bewegungsrichtung x, gegeben durch eine Höhenerstreckung der Kanäle 3a, in eine zweite Position x₂ bewegt, liegt dort in Serie zu dem elektrischen Widerstandsmittel 5 und bildet mit diesem einen zweiten Strompfad oder Strombegrenzungspfad 31 für einen zu begrenzenden Strom I₂. Für eine besonders kompakte Anordnung sind der Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende zweite Strompfad 31 zueinander parallel und beide senkrecht zu der Höhenerstreckung der Kanäle 3a auf einer variablen, durch die zweite Position x₁₂, x₂ des Flüssigmetalls 3 vorgebbaren Höhe angeordnet.
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 R_x aufweisen. Die Stege 5a stellen somit Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar mit einem entlang der Kanalhöhe zunehmenden und vorzugsweise nichtlinear zunehmenden elektrischen Widerstand R_x. Auf Höhe der ersten Position x₁ 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.
Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die bewegliche Elektrode 3, 3' einen Festkörperleiter 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 elektrisch verbunden wird. Mit Vorteil ist der Festkörperleiter 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 Ausführungsbeispiel, bei dem der Festkörperleiter 3' 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 Festkörperleiter 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 F_r, insbesondere gegen die Schwerkraft, angehoben werden kann. Die Wegpositionen l₁, l₁₂, l₂ des Schleifkontakts 2d entsprechen den zuvor genannten zweiten Positionen x₁, x₁₂, x₂ der Flüssigmetallsäule 3. Die extremale zweite Position l₁₂ 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 x₁, l₁ zur zweiten Position x₁₂, x₂, l₁₂, l₂, insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x₂, l₂, wird das Flüssigmetall 3 oder der Festkörperleiter 3' mit Schleifkontakt 2d entlang des Widerstandselements 5 geführt. Zur Erzielung einer sanften Strombegrenzungs- oder Abschaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x, l der beweglichen Elektrode 3, 3' nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand R_x, R₁ für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand R_x, R₁, der kontinuierlich mit der zweiten Position x₁₂, x₂, l₁₂, l₂ 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.
Es können auch zwei Strombegrenzer 1 mit gegenphasig wirksamer Auslösung der Elektrodenbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombegrenzung und gegebenenfalls Stromabschaltung zu erreichen.
Fig. 4 zeigt eine Variante des Strombegrenzers 1, bei welcher ein Einfangbehälter 3b zur Aufnahme des Flüssigmetalls 3 und zur Schaffung einer Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist. Zudem kann, wie dargestellt, eine Zuführung 3c für Flüssigmetall 3 zum Auffüllen des Flüssigmetalls 3 in den Kanälen 3a und zum Wiederanschalten der Vorrichtung 1 vorhanden sein. Zudem 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 realisiert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Betriebsstrom I₁, 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 Strombegrenzer - Leistungsschalter 1, der ausschliesslich mit Flüssigmetall 3 arbeitet.
Fig. 5 zeigt für den strombegrenzenden Schalter 1 eine Dimensionierung des elektrischen Widerstands R_x, R₁ als Funktion der zweiten Position x₁₂, l₁₂ der beweglichen Elektrode 3, 3'. Mit Vorteil wird der Widerstand R_x, R₁ bis zu einer extremalen zweiten Position X₂, l₂ auf einen Maximalwert R_x(x₂), R₁(l₂) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert R_x(x₂), R₁(l₂) des elektrischen Widerstands R_x, R₁ nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms I₂ auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms I₁ auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.
Der elektrische Widerstand R_x, R₁ als Funktion R_x(x₁₂), R₁(l₁₂) der zweiten Position x₁₂, l₁₂ sowie eine Weg-Zeit Charakteristik x₁₂(t), l₁₂(t) der beweglichen Elektrode 3, 3' entlang der Bewegungsrichtung x, l sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position x₁₂, x₂, l₁₂, l₂ der beweglichen Elektrode 3, 3' das Produkt aus elektrischem Widerstand R_x, R₁ und Strom I₂ kleiner als eine Lichtbogenzündspannung U_b zwischen der beweglichen Elektrode 3, 3' und den feststehenden Elektroden 2a, 2b und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird.
In allen zuvor genannten Ausführungsbeispielen umfassen die elektromagnetischen Antriebsmittel 2a, 2b, 20; 11; B_int, B_ext Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20; 11 zur Erzeugung des Magnetfeldes B_ext, B_int, welches auf die von dem Strom I₁, I₂ durchflossene bewegliche Elektrode 3, 3' eine Lorenzkraft F_mag mit einer Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung x, 1 ausübt, so dass die bewegliche Elektrode 3, 3' zwischen dem ersten Strompfad 30 für Betriebsstrom I₁, dem zweiten Strompfad 31 zur Strombegrenzung und der Isolationsstrecke 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 B_int zu erzeugen. Zudem können die Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20; 11 Mittel 11 zur Erzeugung eines externen regelbaren und insbesondere umschaltbaren Magnetfeldes B_ext umfassen.
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 R_x der Strombegrenzung notwendig. Je grösser die Steilheit des Kurzschlussstroms i(t) ist, um so niedriger muss R_x gewählt werden. Im ungünstigsten Fall sind die maximale Kurzschlussstrom-Amplitude und die maximale Kurzschlussstrom-Induktivität anzunehmen. Dann gilt: $R_{x} (t) • i (t) < U_{b} (t)$
$R_{x} (t) • i (t) + L • di / dt = U_{N} (t)$

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

wobei F_r=Rückstellkraft, insbesondere F_r=F_g+F_cap mit F_g=m•g gleich Gravitationskraft, wobei m=Masse des Flüssigmetalls 3 und g=Erdbeschleunigung, und F_cap gleich Kapillarkraft.
In Fig. 5 wurde beispielhaft eine elektromagnetische Lorenzkraft F=F_mag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des zu begrenzenden Stroms i(t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zusätzlich $F = k • i^{2} (t)$
mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k'•i(t) mit k'=weitere Proportionalitätskonstante. Im Detail hängen k und k' von der Geometrie des Strombegrenzers 1, insbesondere der Struktur und Anordnung des Widerstandselements 5 sowie der Strompfade 30, 31 und der Isolationsstrecke 32, ab und von der Anordnung der Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20.
In Fig. 5 wurden beispielhaft angenommen: eine kurzschlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, U_N=1 kV, I₁=1 kA, maximaler Kurzschlussstrom I₂=50 kA sowie plausible Parameterwerte für k, m und α. Dann ergeben sich durch Lösen der Gleichungen (G2)-(G4) unter der Randbedingung (G1) der Widerstand R_x(t) und die Weg-Zeitcharakteristik X₁₂(t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimination der Zeitabhängigkeit der Widerstand R_x(x₁₂) als Funktion der zweiten Position x₁₂, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position x₁, d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b , 2c, nimmt R_x zunächst überproportional mit der zweiten Position x₁₂ zu, steigt dann linear in einer Phase, in welcher die in der Netzinduktivität L gespeicherte Energie absorbiert werden muss und geht dann in einem Bereich, in dem der Strom i bereits begrenzt ist und grössere R_x tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h. überproportionalen Anstieg R_x(x₁₂) über.
Der Gesamtwiderstand des Strombegrenzers 1 wird im ersten Betriebszustand bei Nominalstrom I₁ durch die Flüssigmetallstrecken 3 determiniert und kann demzufolge durch Bereitstellung eines geeigneten Flüssigmetallquerschnitts auf vorgebbare Werte festgelegt werden. Der maximale Widerstand R_x(x₁₂) 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 R_x durch Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen realisiert werden. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand R_x kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strompfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifischen Widerstand realisiert sein. Die nichtlineare Graduierung des Widerstands R_x kann auch durch Kombination beider Massnahmen, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromführung in einem Widerstandselement mit variablem spezifischen Widerstand, erreicht werden.
Der Schwellwertstrom I_th, ab dem die Strombegrenzungsvorrichtung 1 aktiviert wird, tritt auf, wenn die elektromagnetische Antriebskraft F_mag die Rückstellkraft F_r überschreitet. In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 1a, 1b, 4 und 6 ist die Rückstellkraft F_r=F_g+F_cap. Daraus kann I_th abgeschätzt werden zu $I_{th} = {[(F_{g} + F_{cap}) / k]}^{1 / 2}$
Im vereinfachten Fall, in dem die Kapillarkräfte F_cap vernachlässigbar sind und das Magnetfeld durch eine Spulengeometrie erzeugt wird, gilt $I_{th} = {[(A • g • d • ρ) / (μ • N)]}^{1 / 2},$

wobei A=Querschnittsfläche der Flüssigmetall-Kanäle 3a, ρ=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 t_u bis zur vollen Strombegrenzung, d. h. bis zum Erreichen der Endposition gemäss Fig. 1b (oder auch Fig. 2 oder Fig. 3), kann durch geeignete Dimensionierung der Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20, 11 und der Rückstellkräfte F_g, F_cap auf vorgebbare Werte dimensioniert werden.
Fig. 1b zeigt die Position des Flüssigmetalls 3 im Strombegrenzungsfall. Aufgrund der wirksam werdenden Strombegrenzung nimmt die elektromagnetische Kraft F_mag auf das Flüssigmetall 3 ab und das Flüssigmetall 3 fliesst unter der Wirkung der Gravitationskraft F_g wieder zurück in die Ausgangsposition zwischen die Elektroden 2a, 2b, 2c. Die Wiedereinschaltzeit t_d kann unter der Annahme, dass die Kapillarkraft F_cap und die elektromagnetische Kraft F_mag bei begrenztem Strom i vernachlässigbar sind, abgeschätzt werden zu $t_{d} = {[(2 • h) / g]}^{1 / 2},$

wobei h=x₂-x₁=Höhe der Flüssigmetall-Kanäle 3a.
Die Wiedereinschaltzeit t_d kann durch eine geeignete Auslegung des Strombegrenzers 1 an die Erfordernisse verschiedener Anwendungsfälle angepasst werden. Insbesondere sind die Kanalhöhe h und die Kapillarkräfte F_cap beeinflussende Grössen 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 E_loss erhitzt den Strombegrenzer 1. Der Temperaturanstieg ΔT beträgt näherungsweise $ΔT = E_{loss} / (A • l • ρʹ • cʹ),$

wobei A=Querschnittsfläche der Flüssigmetallteile (wie zuvor), 1=Gesamtlänge des Strombegrenzers 1 oder des Widerstandselements 5, p'=mittlere Massendichte des Strombegrenzers 1 und c'=mittlere Wärmekapazität des Strombegrenzers 1. Die Verlustenergie E_loss 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 E_loss weitgehend homogen verteilt über das Volumen des Strombegrenzers 1 auftritt und dementsprechend die gesamte thermische Masse oder Wärmekapazität zur Absorption der Verlustenergie E_loss ausgeschöpft werden kann.
Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit elektromagnetischen Antriebsmitteln 2a, 2b, 20; 11; B_int, B_ext für das Flüssigmetall 3. Das Magnetfeld B_int kann intern durch den zu- oder abführenden Stromleiter 20 und/oder bevorzugt durch eine externe, bezüglich ihrer Magnetfeldrichtung umschaltbare Magnetfeldquelle B_ext 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 x₁₃, x₃ bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindestens einen dritten Position x₁₃, x₃ in Serie mit einem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird. Wie dargestellt kann die Isolationsstrecke 8 durch eine Mehrzahl von Isolationsstegen 8a gebildet sein, die im Abschaltfall in alternierender Serieschaltung mit den nach unten verschobenen Flüssigmetallsäulen 3 stehen. Fig. 3 zeigt gestrichelt den analogen Fall für negative Auslenkungen 1 und Positionen l₁₃, l₃ eines beweglich aufgehängten Festkörperleiters 3'. Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, durch den ein externes Magnetfeld B_ext zwischen einem Betrieb der Vorrichtung 1 als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird. Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn.
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 Nennstrompfad 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.
Anwendungen der Vorrichtung 1 betreffen u.a. den Einsatz als Strombegrenzer, strombegrenzender Schalter und/oder Leistungsschalter 1 in Stromversorgungsnetzen, als selbsterholende Sicherung oder als Motorstarter. Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Schaltanlage, insbesondere eine Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung 1 wie oben beschrieben.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Flüssigmetall-Strombegrenzer
2a, 2b: Festmetall-Elektroden, Metallplatten, feststehende Elektroden
2c: Zwischenelektroden
2d: mechanischer Schleifkontakt mit wegabhängigem Widerstand
20: Stromzuführung, Stromleiter
3: Flüssigmetall
3a: Kanäle für Flüssigmetall
3b: Einfangbehälter für Flüssigmetall
3c: Zuführung für Flüssigmetall
30: Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad
31: Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad
32: Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke
4: Flüssigmetall-Behälter
5: Widerstandselement für Strombegrenzung, Widerstandsmatrix für Flüssigmetall
5a: Einzelwiderstände
6: Behälterdeckel, Gehäusewand, Isolator
8: Isolator für Stromunterbrechung
8a: Einzelisolatoren
9: flexible Membran
10: Ventil für Flüssigmetallzuführung
11: Magnetfeldsteuerung
124: Gegendruckbehälter, gefangenes Gasvolumen

α: Reibungskoeffizient
B_ext, B_int: externes, internes Magnetfeld
F_mag: magnetische Kraft
F_r: Rückstellkraft
i: Strom
I₁: Betriebsstrom
I₂: begrenzter Überstrom
k: Proportionalitätskonstante
1, l₁, l₂, l₁₂, l₃, l₁₃: Schleifkontaktpositionen
L: Netzinduktivität
P₁, P₂, P₃: Gasdruck
R_x, R₁: Widerstand des Strombegrenzers
t: Zeitvariable
U_b: Lichtbogenzündspannung
U_N: Netzspannung, Betriebsspannung
V₁, V₂, V₃: Gasvolumen
x, x₁, x₂, x₁₂, x₃, x₁₃: Positionen der Flüssigmetallsäule

Claims

Verfahren zur Strombegrenzung 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 (I₁) auf einem ersten Strompfad (30) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch die in einer ersten Position (x₁, l₁) 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 Überstrom (I₂) entlang einer Bewegungsrichtung (x, 1) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) bewegt wird, die bewegliche Elektrode (3, 3') bei einem Übergang von der ersten Position (x₁, l₁) zur zweiten Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) entlang eines Widerstandselements (5) geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) in Serie mit dem Widerstandselement (5) liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad (31) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) gebildet wird, der einen vorgebbaren elektrischen Widerstand (R_x, R₁) 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.
Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst wird, durch den ein externes Magnetfeld (B_ext) zwischen einem Betrieb der Vorrichtung (1) als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Betriebszustand
a) die bewegliche Elektrode (3, 3') entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x, -1) in mindestens eine dritte Position (x₁₃, x₃, l₁₃, l₃) bewegt wird und

b) die bewegliche Elektrode (3, 3') in der mindestens einen dritten Position (x₁₃, x₃, l₁₃, l₃) in Serie mit dem Isolator (8) liegt.
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, l₂) geführt wird und

b) die extremale zweite Position (x₂, l₂) in einem Bereich liegt, wo das Widerstandselement (5) in den Isolator (8) übergeht, so dass die Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung gebildet wird.
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 (R_x, R₁) für den zweiten Strompfad (31) gewählt wird und/oder

b) das Widerstandselement (5) ohmsch ist und der elektrische Widerstand (R_x, R₁) kontinuierlich mit der zweiten Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) ansteigt.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der zweite Betriebszustand durch den Überstrom (I₂) selbsttätig aktiviert wird, indem die stromdurchflossene bewegliche Elektrode (3, 3') durch eine elektromagnetische Kraft (F_mag) bewegt wird, die senkrecht zum Strom (I₂) durch die bewegliche Elektrode (3, 3') und senkrecht zu einem Magnetfeld (B_ext, B_int) steht und die eine Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung (x, 1) aufweist, wobei

b) das Magnetfeld (B_ext, B_int) als ein externes Magnetfeld (B_ext) und/oder als ein internes, von einer Stromzuführung (2a, 2b; 20) zur Strombegrenzungsvorrichtung (1) erzeugtes Magnetfeld (B_int) gewählt wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R_x, R₁) als Funktion (R_x(x₁₂), R₁(l₁₂)) der zweiten Position (x₁₂, l₁₂) sowie eine Weg-Zeit- Charakteristik (x₁₂(t), l₁₂(t)) der beweglichen Elektrode (3, 3') entlang der Bewegungsrichtung (x, 1) so gewählt werden, dass
a) in jeder zweiten Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) der beweglichen Elektrode (3, 3') das Produkt aus elektrischem Widerstand (R_x, R₁) und Strom (I₂) kleiner als eine Lichtbogenzündspannung (U_b) zwischen der beweglichen Elektrode (3, 3') und den feststehenden Elektroden (2a, 2b) und gegebenenfalls Zwischenelektroden (2c) ist und/oder

b) eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme (i(t)) erzielt wird.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die bewegliche Elektrode (3, 3') ein Flüssigmetall (3) umfasst, das in mindestens einem Kanal (3a) der Strombegrenzungsvorrichtung (1) angeordnet wird und entlang einer Höhenerstreckung des Kanals (3a) zwischen dem ersten Strompfad (30) für den Betriebsstrom (I₁), dem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung 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 (I₁) 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.
Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die bewegliche Elektrode (3, 3') einen Festkörperleiter (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) elektrisch verbunden wird und

b) insbesondere dass der Festkörperleiter (3') im wesentlichen aus Leichtmetall und/oder in Leichtbauweise gefertigt ist und/oder der Schleifkontakt (2d) zur Reibungsverminderung mit Flüssigmetall benetzt wird.
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, 3'), wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehenden Elektroden (2a, 2b) ein erster Strompfad (30) für einen Betriebsstrom (I₁) durch die Strombegrenzungsvorrichtung (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch die in einer ersten Position (x₁, l₁) befindliche bewegliche Elektrode (3, 3') führt, wobei elektromagnetische Antriebsmittel (2a, 2b, 20; 11; B_int, B_ext) zum bei Überstrom (I₂) selbstbetätigten Bewegen der beweglichen Elektrode (3, 3') entlang einer Bewegungsrichtung (x, 1) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂, l₁₂, l₂) vorhanden sind, elektrische Widerstandsmittel (5) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (R_x) 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 (I₁) auf einen zu begrenzenden Strom (I₂) begrenzbar ist, 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) vorhanden ist.
Die Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Antriebsmittel (2a, 2b, 20; 11; B_int, B_ext) Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B_ext, B_int) umfassen, welches auf die von dem Strom (I₁, I₂) durchflossene bewegliche Elektrode (3, 3') eine Lorenzkraft (F_mag) mit einer Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung (x, 1) ausübt, so dass die bewegliche Elektrode (3, 3') zwischen dem ersten Strompfad (30) für Betriebsstrom (I₁), dem zweiten Strompfad (31) zur Strombegrenzung und der Isolationsstrecke (32) zur Stromabschaltung bewegbar ist.
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 (B_int) zu erzeugen und/oder

b) die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) Mittel (11) zur Erzeugung eines externen regelbaren Magnetfeldes (B_ext) umfassen.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Magnetfeld (B_ext, B_int) 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 Strompfad (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, l₂) nichtlinear zunehmenden elektrischen Widerstand (R_x, R₁) für den zweiten Strompfad (31) aufweisen.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass
a) die bewegliche Elektrode (3, 3') ein Flüssigmetall (3) umfasst, das durch die Magnetfeldmittel. (2a, 2b, 20; 11) im flüssigen Aggregatzustand bewegt wird und/oder

b) die bewegliche Elektrode (3, 3') einen Festkörperleiter (3') mit mindestens einem Schleifkontakt (2d) umfasst, wobei der Festkörperleiter (3') durch die Magnetfeldmittel (2a, 2b, 20; 11) gegen eine Rückstellkraft (F_r), insbesondere gegen die Schwerkraft, einseitig oder beidseitig angehoben wird.
Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der erste Strompfad (30 für Betriebsstrom (I₁), 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.
Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-15.