Flüssigmetall-Stromschalter mit Piezo-Fluidantrieb

Abstract

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

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Primärtechnik für elektrische Schaltanlagen, insbesondere der Strombegrenzung und Leistungsschaltung in Hoch-, Mittel- oder Niederspannungsschaltanlagen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Strombegrenzung oder Leistungsschaltung sowie von einer Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

STAND DER TECHNIK

[0002] In der DE 26 52 506 wird ein elektrischer Hochstromschalter mit Flüssigmetall offenbart. Einerseits wird eine Flüssigmetallmischung zur Benetzung von Festmetallelektroden und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands verwendet. Dabei wird das Flüssigmetall durch mechanische Verdrängung, z. B. durch bewegliche Kontakte oder pneumatisch angetriebene Tauchkolben, entgegen der Schwerkraft in den Kontaktspalt getrieben. Durch Pinch-Effekt, gemäss dem ein stromführender Leiter durch den ihn durchfliessenden Strom eine radiale Striktion erfährt, kann das Flüssigmetall zusätzlich im Kontaktspalt stabilisiert und festgehalten werden. Äussere Magnetfelder und magnetische Streuflüsse, z. B. durch die Stromzuführungen, können im Flüssigmetall Strömungsinstabilitäten verursachen und werden abgeschirmt und gegebenenfalls nur beim Ausschalten zugelassen, um das Löschen des Lichtbogens im Flüssigmetall zu unterstützen. Nachteilig ist, dass eine graduelle Strombegrenzung nicht möglich ist und Lichtbogen zwischen den Festelektroden Oxidation im Flüssigmetall verursachen. Die Konstruktion des Hochstromschalters umfasst Dichtungen für Flüssigmetall, inertes Gas oder Vakuum und ist entsprechend aufwendig.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] In der WO 00/77811 ist eine Fortbildung der selbsterholenden Strombegrenzungseinrichtung offenbart. Die Verbindungskanäle sind nach oben konisch verbreitert, so dass die Füllstandshöhe des Flüssigmetalls variiert und die Nennstromtragfähigkeit über einen grossen Bereich verändert werden kann. Ausserdem wird durch eine versetzte Anordnung der Verbindungskanäle ein mäanderförmiger Strompfad gebildet, so dass bei überstrombedingem Verdampfen des Flüssigmetalls eine Serie strombegrenzender Lichtbögen gezündet wird. Derartige Pinch-Effekt Strombegrenzer benötigen einen hinsichtlich Druck und Temperatur sehr stabilen Aufbau, was konstruktiv aufwendig ist. Durch die Strombegrenzung per Lichtbogen tritt grosser Verschleiss im Innern des Strombegrenzers auf und Abbrandrückstände können das Flüssigmetall kontaminieren. Durch die Rekondensation des Flüssigmetalls stellt sich unmittelbar nach einem Kurzschluss wieder ein leitfähiger Zustand ein, so dass kein Ausschaltzustand vorhanden ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine elektrische Schaltanlage mit einer solchen Vorrichtung zur verbesserten und vereinfachten Stromschaltung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0007] In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, mit einem Flüssigmetall-Stromschalter, der Festelektroden und einen Flüssigmetall-Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch den Stromschalter geführt wird und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall durch einen Piezoantrieb mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird und das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position aus dem ersten Strompfad entfernt ist und dadurch ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad durch den Stromschalter gebildet wird. Erfindungsgemäss wird also im zweiten Betriebszustand, wenn das Flüssigmetall zwischen den Festelektroden verdrängt und somit der Flüssigmetallkontakt geöffnet wird, eine dielektrisch isolierende Distanz zwischen den Festelektroden geschaffen. Der Piezo-Flüssigmetallantrieb ist für sehr schnelle und kompakte Stromschalter, insbesondere lichtbogenfreie Strombegrenzer, Leistungsschalter mit oder ohne Lichtbogenbildung und strombegrenzende Leistungsschalter, geeignet. Das Flüssigmetall bleibt jederzeit im flüssigen Aggregatzustand und sein Strömungszustand kann sehr gut unter Kontrolle gehalten werden. Das Verfahren kann auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Die Stromschaltung mit piezoangetriebenem Flüssigmetall erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig. Der Piezo-Flüssigmetallantrieb zeichnet sich zudem durch grosse Zuverlässigkeit und geringen Verschleiss aus.

[0008] Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 2 haben den Vorteil einer effizienten Druckübertragung vom Arbeitsfluid auf das Flüssigmetall, einer zuverlässigen Phasentrennung zwischen Antriebsfluid und Flüssigmetall sowie einer hohen dielektrischen Festigkeit des Antriebsfluids. Durch Inkompressibilität des Antriebsfluids wird eine besonders schnelle Reaktionszeit des Stromschalters realisiert.

[0009] Ansprüche 3 und 4 geben besonders einfache Konfigurationen für den Piezoantrieb mit Flüssigmetall an, wobei die Spannungsfestigkeit im kontaktgeöffneten Zustand durch Wahl des Antriebsfluids oder des Isoliergases und insbesondere Gasdrucks günstig beeinflusst wird.

[0010] Ansprüche 5 und 6 geben Dimensionierungskriterien für eine vorteilhafte mechanische Auslegung des Piezo-Fluidantriebs an.

[0011] Durch das Dielektrikum gemäss Anspruch 7 wird die Spannungsfestigkeit des Stromschalters im kontaktgeöffneten zweiten oder dritten Betriebszustand weiter verbessert.

[0012] Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil, dass eine progressive Strombegrenzung mit einer sanften, möglichst lichtbogenfreien Strombegrenzungscharakteristik oder Abschaltcharakteristik realisiert werden kann.

[0013] Anspruch 9 gibt eine besonders einfache Konfiguration für einen piezoelektrisch angetriebenen integrierten Flüssigmetall-Strombegrenzer/Leistungsschalter an.

[0014] In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Flüssigmetall-Stromschalter zur Strombegrenzung und/oder Stromschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens, umfassend Festelektroden und einen Flüssigmetall-Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch den Stromschalter vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall führt, wobei ein Piezoantrieb mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben zum Bewegen des Flüssigmetalls entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position vorhanden ist und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall in der mindestens einen zweiten Position aus dem ersten Strompfad entfernt ist und dadurch im Stromschalter ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad vorhanden ist.

[0015] Ansprüche 11-13 geben Komponenten und Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung des Piezoantriebs an.

[0016] Ansprüche 14-15 geben vorteilhafte geometrische Anordnungen von Flüssigmetall und Widerstands- oder Isolatormitteln an. Insbesondere können durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit dem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden.

[0017] 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

[0018] 

Fig. 1a-1c

zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Stromschalters mit erfindungsgemässem Piezo-Fluidantrieb mit Flüssigmetallkontakt geschlossen (Fig.1a) oder offen (Fig.1b, 1c);

Fig. 2, 3

zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des Piezo-Fluidantriebs; und

Fig. 4, 5

zeigen Berechnungen von Kontaktöffnungszeiten und des erforderlichen piezoelektrischen Hubs.

[0019] In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0020] Fig. 1a, 1b, 1c zeigen im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Flüssigmetall-Stromschalters 1, insbesondere eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1 oder Flüssigmetall-Leistungsschalters 1. Der Stromschalter 1 umfasst Festmetall-Elektroden 2a, 2b zum Anschliessen einer Stromzuführung und einen Behälter 4 für das Flüssigmetall 3, in dem mindestens ein Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet ist.

[0021] Erfindungsgemäss weist der Stromschalter 1 einen piezoelektrischen Antrieb 12 für das Flüssigmetall 3 auf, bei dem vorzugsweise mittels eines Arbeitsfluid 9 mit einem vorgebbaren Antriebsdruck p₁, p₂ unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch eingewirkt wird und die Flüssigmetallsäule 3 von einer ersten Position x₁ in eine zweite Position x₁₂, x₂ bewegt wird. In der ersten Position x₁ befindet sich das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise in einem ersten Strompfad 30 für einen Betriebsstrom I₁. In der zweiten Position x₁₂, x₂ liegt das Flüssigmetall 3 zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig ausserhalb des ersten Strompfads 30, so dass ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad 31, 32 durch den Stromschalter 1 gebildet wird.

[0022] Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1a, 1b, 1c weist der Piezoantrieb 12 einen Piezoaktuator 100, den durch diesen bewegbaren Kolben 100, ein dielektrisches Antriebsfluid 9 zur Druckübertragung vom Kolben 100 auf das Flüssigmetall 3 und eine Steuerung 11 auf. Der Piezoantrieb 12 umfasst auch einen Druckbehälter 40a zum Sammeln von Antriebsfluid 9 und einen Antriebskanal 40b zum Zuführen von Antriebsfluid 9 zu dem mindestens einen Kanal 3a für das Flüssigmetall 3. Der Kolben 100 ist beispielhaft durch den Piezoaktuator 100 selber gegeben. Hierfür ist ein relativ grosser Piezokristall notwendig. Dafür ist die seitliche Abdichtung des beweglichen Kolbens 100 problemlos.

[0023] Bevorzugt umfasst der Piezoantrieb 12 ein dielektrisches Antriebsfluid 9, wobei: das Antriebsfluid 9 inkompressibel ist und mit einem durch den Kolben 100 vorgebbaren Druck p₁, p₂ unmittelbar auf eine erste Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 mechanisch einwirkt; und/oder ein durch den Kolben 100 im Antriebsfluid 9 vorgebbarer Druck p₁, p₂ geringfügig niedriger als eine Oberflächenspannung der druckbeanspruchten ersten Oberfläche 3b des Flüssigmetalls 3 gewählt wird; und/oder das Antriebsfluid 9 zwischen dem Kolben 100 und dem Flüssigmetall 3 angeordnet ist; und/oder als Antriebsfluid 9 eine dielelektrische Flüssigkeit, insbesondere eine Isolatorflüssigkeit 9 wie z. B. Transformatorenöl oder Silikonöl, gewählt wird, die im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall 3 vermischt wird.

[0024] Das Flüssigmetall 3 kann über die erste Oberfläche 3c von dem Antriebsfluid 9 getragen werden. Gemäss Fig. 1c wird das Flüssigmetall 3 zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb 12 so nach oben bewegt, dass ein Kontaktspalt 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b mit dem Antriebsfluid 9 gefüllt wird. Dadurch wird im kontaktgeöffneten zweiten Betriebszustand eine gute dielektrische Festigkeit oder Isolationsfestigkeit des zweiten Strompfads 32 erreicht.

[0025] Das Flüssigmetall 3 kann auch über eine zweite Oberfläche 3c mit einem Isoliergas 9' in Kontakt stehen. Gemäss Fig. 1b wird das Flüssigmetall 3 zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb 12 so nach unten bewegt, dass ein Kontaktspalt 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b mit dem Isoliergas 9' gefüllt wird. Als Isoliergas 9' sind beispielsweise trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum geeignet. Dadurch kann die dielektrische Festigkeit noch weiter verbessert werden. Zudem werden verhindert: eine Lichtbogenzündung im Antriebsfluid 9, eine Verunreinigung des Antriebsfluids 9 durch chemische Zersetzungsprodukte, eine chemische Alterung der Festelektroden 2a, 2b durch die Zersetzungsprodukte und eine Gasblasenbildung im Antriebsfluid 9. Im Vergleich hierzu ist eine Lichtbogenzündung im Isoliergas 9' deutlich unproblematischer. Für die Druckauslegung im Isoliergas 9', d. h. im gefangenen Gasvolumen 4a, gilt: Durch Erhöhung des Drucks im Isoliergas 9' kann die dielektrische Festigkeit im kontaktgeöffneten zweiten Betriebszustand auf vorgebbare Werte dimensioniert werden; durch Wahl eines Gasvolumens 4a deutlich grösser als eine durch Bewegung des Flüssigmetalls 3 verursachte Änderung des Gasvolumens 4a kann der Druck im Isoliergas 9' weitgehend konstant gehalten werden, so dass durch den Piezoantrieb 12 keine Kompressionsarbeit aufgebracht werden muss. Denkbar ist auch eine Konfiguration, bei der das Gasvolumen 4a klein relativ zu seiner Änderung ausgelegt ist, beim Kontaktöffnen des Flüssigmetalls 3 gemäss Fig. 1b der Piezoantrieb 12 durch Expansionsarbeit des Isoliergases 9' unterstützt wird und so die Reaktionszeit des Kontaktöffnens verkürzt wird. Beim Kontaktschliessen ist dann durch den Piezoantrieb 12 die Kompressionsarbeit für das Isoliergas 9' zu leisten, was durch geringfügig verlängerte Kontaktschliesszeiten erreicht wird.

[0026] Beide Ausführungsformen zum Öffnen des Flüssigmetallkontakts 3 nach Fig. 1b und Fig. 1c können alternativ, d. h. einander ausschliessend, oder gemeinsam, d. h. einander ergänzend, implementiert sein und insbesondere durch die Piezo-Steuerung 11 kontrolliert werden.

[0027] In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 2 und Fig. 3 sind mehrere Kontaktspalte 2d zwischen den Festelektroden 2a, 2b vorhanden, die im ersten Betriebszustand zumindest teilweise mit dem Flüssigmetall 3 gefüllt sind, wobei im zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall 3 mittels des Piezoantriebs 12 aus den Kontaktspalten 2d verdrängt ist und durch das Antriebsfluid 9 und/oder das Isoliergas 9' ersetzt ist.

[0028] In Fig. 2 ist der Piezo-Fluidantrieb 12 analog zu Fig. 1a-1c aufgebaut. In Fig. 3 umfasst der Kolben 101 einen Hilfskolben 101, der durch mindestens einen Piezoaktuator 100 des Piezoantriebs 12 antreibbar ist. Dadurch kann eine deutlich grössere Kolbenfläche A_K zum Antreiben des Flüssigmetalls 3 geschaffen werden und die Kolbenfläche A_K ist unabhängig von der Grösse des Piezoaktuators 100 wählbar. Mit Vorteil wird ein Verhältnis A_F/A_K einer Kolbenfläche A_k des Kolbens 100, 101 zu einer gesamten Antriebsquerschnittsfläche A_F des anzutreibenden Flüssigmetalls 3 in allen Kanälen 3a nach Massgabe eines zu erzielenden Verhältnisses eines Arbeitshubs Δx für das Flüssigmetall 3 zu einem Kolbenhub Δy des Kolbens 100, 101 gewählt. Insbesondere soll ein Arbeitshub Δx des Flüssigmetalls 3 grösser als ein zu erzielender minimaler vertikaler Kontaktabstand g_open gewählt werden. Es wird also die Kolbenfläche A_k und der Kolbenhub Δy des Kolbens 100 auf eine GesamtQuerschnittsfläche A_F des anzutreibenden Flüssigmetalls 3 in allen Kanälen 3a und auf den zu erzielenden Arbeitshub Δx für das Flüssigmetall 3 abgestimmt.

[0029] Für die Auslegung des Piezoantriebs 12 gemäss der einfachsten Ausführungsform in Fig. 1a - Fig. 1c wird ein quantitatives Beispiel gegeben. Im kontaktgeöffneten Zustand ist das Volumen V_F des Antriebsfluids 9 im Kanal 3a gleich

wobei A_F=B • W=Antriebs-Querschnittsfläche der anzutreibenden Flüssigmetallsäule(n), B=Breite des Kanals 3a (oder Gesamtbreite aller Kanäle 3a), W=Tiefe des Kanals 3a (oder der Kanäle 3a), H=Höhe der Flüssigmetallsäule(n) und g_open=minimaler vertikaler Kontaktabstand. Zudem gilt Q=H • W=Querschnittsfläche für einen beispielhaft rechteckigen Flüssigmetall-Strompfad 30. Somit ist A_F=Q • B/H.

[0030] Die Bewegungsgleichung für die vom Piezoantrieb zu bewegende Fluidsäule 3, 9 lautet dann

wobei F=piezoelektrische Kraft, A_K=Kolbenfläche, m_F=Masse des Flüssigmetalls und x=Position der Flüssigmetallsäule(n) 3 während des dynamischen Schaltens. In Gleichung (G2) wurde eine Anhebung der Masse des Antriebsfluids 9 im Vorratsbehälter 40a vernachlässigt, da dieser breit, tief und flach ist. Gleichung (G2) kann numerisch integriert werden und die Reaktionszeit t_sep des Stromschalters 1 kann als Funktion der Kanaltiefe W und des minimalen vertikalen Kontaktabstands g_open bestimmt werden.

[0031] In Fig. 4 ist die Schaltzeit t_sep(W) als Funktion der Kanaltiefe W für verschiedene g_open zwischen 2 mm und 6 mm angegeben, wobei folgende Parameter angenommen wurden: Q=400 mm², Kanalbreite=minimaler Kontaktspalt B=8 mm (geeignet für einen Leistungsschalter 1 mit 12 kV Nennspannung, 1250 A Betriebsstrom I₁, 25 kA Kurzschlussstrom I₂), F=4000 N, A_K=A_p=(150 mm)², ρ_oil=900 kg/m³, und Dichte des Flüssigmetalls ρ_F=m_f/V_F=3000 kg/m³. Für eine schnelle Kontaktöffnungszeit t_sep soll die gesamte bewegte Masse von Flüssigmetall 3 und Antriebsfluid 9 m_F+ (H + g_open) • A_F • ρ_oil so klein wie möglich gehalten werden.

[0032] Der erforderliche Piezohub Δy ist gleich

[0033] In Fig. 5 ist der resultierende Piezohub Δy(g_open, W) als Funktion des erforderlichen vertikalen Kontaktabstands g_open und der Kanaltiefe W angegeben. Man erkennt, dass ein Stromschalter 1 mit maximaler Verzögerungszeit t_sep von 1,5 ms und minimalem vertikalem Kontaktabstand g_open von 5 mm mit einem Piezokristall 100 mit einem minimalen piezoelektrischen Arbeitshub von 240 µm realisierbar ist.

[0034] Der konstruktive Aufbau der Stromschalters 1 gemäss Fig. 2 und Fig. 3 umfasst im Flüssigmetall-Behälter 4 mehrere, im wesentlichen zueinander parallele und entlang der Bewegungsrichtung x erstreckte Kanäle 3a für das Flüssigmetall 3, die durch wandartige Stege 5a, 8a voneinander getrennt sind. Die Stege 5a, 8a weisen im Bereich des ersten Strompfads 30 Zwischenelektroden 2c zum Durchleiten des Betriebsstroms I₂ und im Bereich des zweiten Strompfads 31 Einzelwiderstände 5a und/oder Einzelisolatoren 8a des Dielektrikums 5, 8 auf. Dabei dient ein Bereich mit Widerstandsmitteln 5 zur Schaffung eines strombegrenzenden zweiten Strompfads 31 und ein Bereich mit Isolatormitteln 8 zur Schaffung eines zweiten Strompfads 32 zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung. Das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' kann auch das Antriebsfluid 9 und/oder das Isoliergas 9' umfassen, die ebenfalls einen vorgebbaren elektrischen Widerstands R_x für den zweiten Strompfad 31, 32 aufweisen.

[0035] Allgemein soll ein Dielektrikum 5, 8, 9, 9' vorhanden sein, wobei das Flüssigmetall 3 in der zweiten Position x₁₂, x₂ in Serie zu dem Dielektrikum 5, 8, 9, 9' liegt und mit diesem einen strombegrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad 31, 32 im Stromschalter 1 bildet. Das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch.

[0036] Mit Vorteil umfasst das Dielektrikum ein Widerstandsmittel 5, das zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung x bis zu einer extremalen zweiten Position x₂ kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand R_x für den zweiten Strompfad 31 aufweist. Hierfür weisen die Stege 5a ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung x zunehmendem Widerstand R_x auf. Das Flüssigmetall 3 wird bei einem Übergang von der ersten Position x₁ zur zweiten Position x₁₂, x₂ entlang der Stege 5a des Widerstandselements 5 geführt. Somit wird der strombegrenzende zweite Strompfad 31 gebildet durch eine alternierende Serieschaltung von mit Flüssigmetall 3 gefüllten Kanalbereichen 3a und den Stegen 5a, die als mit ihrer Länge progressive Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 wirken.

[0037] Bezüglich der elektrischen Auslegung des Stromschalters 1 als Strombegrenzer 1 ist folgendes zu beachten: Für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i(t) von den Festelektroden 2a, 2b, 2c zum Widerstandselement 5 soll eine typische, vom Kontaktmaterial abhängige, minimale Lichtbogenzündspannung von 10 V - 20 V nicht überschritten werden. Der elektrische Widerstand R_x als Funktion R_x(x₁₂) der zweiten Position x₁₂ sowie eine Weg-Zeit Charakteristik x₁₂(t) des Flüssigmetalls 3 entlang der Bewegungsrichtung x sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position x₁₂, x₂ des Flüssigmetalls 3 das Produkt aus elektrischem Widerstand R_x und Strom I₂ kleiner als eine Lichtbogenzündspannung U_b zwischen dem Flüssigmetall 3 und den Festelektroden 2a, 2b und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme i(t) erzielt wird.

[0038] Fig. 3 zeigt einen kombinierten oder integrierten Flüssigmetall-Strombegrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Piezoantrieb 12 für das Flüssigmetall 3. Der Behälter 4 hat einen Boden 6 und Deckel 6 aus Isolatormaterial, zwischen denen das Dielektrikum 5, 8, 9, 9' und die Flüssigmetall-Kanäle 3a angeordnet sind. Bei einer Verschiebung des Flüssigmetalls 3 in positive Bewegungsrichtung +x wird der Strom i auf dem Strombegrenzungspfad 31 geführt und wie oben diskutiert begrenzt. Alternativ kann das Flüssigmetall 3 in einem dritten Betriebszustand entlang der entgegengesetzten Bewegungsrichtung -x in mindestens eine dritte Position x₁₃, x₃ bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindestens einen dritten Position x₁₃, x₃ in Serie mit dem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird.

[0039] Wie dargestellt kann auch die Isolationsstrecke 8 durch eine Mehrzahl von Isolationsstegen 8a gebildet sein, die im Abschaltfall in alternierender Serieschaltung mit den nach unten verschobenen Flüssigmetallsäulen 3 stehen. Insbesondere wird zwischen dem zweiten und dritten Betriebszustand durch einen Kontrollbefehl umgeschaltet, wobei die Steuerung 11 bei einem Strombegrenzungsbefehl eine Piezobewegung oder piezoelektrische Kraft F nach oben zur Anhebung der Flüssigmetallsäule 3 erzeugt und bei einem Abschaltbefehl eine piezoelektrische Kraft nach unten zur Senkung der Flüssigmetallsäule 3.

[0040] Für eine besonders kompakte Anordnung sind der erste oder Nennstrompfad 30 und der strombegrenzende oder zweite Strompfad 31 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung x, vorgegeben durch die Längserstreckung der Kanäle 3a, und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Mit Vorteil ist zudem die Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung oberhalb des zweiten Strompfads 31 und/oder unterhalb des ersten Strompfads 30 und möglichst parallel zu diesen angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines Piezo-Fluidantriebs 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen I₁, I₂, i, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert.

[0041] Vorzugsweise wird das Flüssigmetall 3 durch den Fluidantrieb 12 in eine geordnete Fliessbewegung versetzt. Somit verbleibt das Flüssigmetall 3 im ersten, zweiten und dritten Betriebszustand in einem flüssigen Aggregatzustand.

[0042] Dadurch können hohe Ströme mit sehr schnellen Reaktionszeiten von bis zu unter 1 ms auch ohne Pinch-Effekt begrenzt oder abgeschaltet werden.

[0043] Als Flüssigmetall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn o. ä.. Mit dem erfindungsgemässen Flüssigmetall-Stromschalter 1 sind die Erfordernisse für Leistungsschalter erfüllbar, insbesondere die Nennstromtragfähigkeit, Kurzschlussstromtragfähigkeit für einige ms, synchrone Stromunterbrechung beim Stromnulldurchgang und die dielektrische Festigkeit für die transiente Einschwingspannung nach Stromunterbrechung sowie für Durchschlagsspannung (BIL=basic insulation level). Der Piezoantrieb 12 hat den besonderen Vorteil, dass ein hydraulischer oder aufwendiger mechanischer Antrieb für das Flüssigmetall 3 vermieden werden kann.

[0044] 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

[0045] 

1

Flüssigmetall-Strombegrenzer/Leistungsschalter

2a, 2b

Festmetall-Elektroden, Metallplatten, feststehende Elektroden

2c

Zwischenelektroden

2d

Kontaktspalt

3

Flüssigmetall

3a

Kanäle für Flüssigmetall

3b, 3c

Oberflächen des Flüssigmetalls

30

Strompfad für Betriebsstrom, erster Strompfad

31

Strompfad für Strombegrenzung, zweiter Strompfad

32

Stromunterbrechungspfad, Isolationsstrecke

4

Behälter, Flüssigmetall-Behälter

4a

Isoliergasbehälter, gefangenes Gasvolumen

40

Fluidbehälter

40a

Druckbehälter für Antriebsflüssigkeit

40b

Antriebskanal für Antriebsflüssigkeit

5

Widerstandsmatrix für Flüssigmetall

5a

Einzelwiderstände

6

Behälterdeckel, Gehäusewand, Isolator

8

Isolator für Stromunterbrechung

8a

Einzelisolatoren

9

dielektrisches inkompressibles Antriebsfluid, Öl

9'

Isoliergas

100

piezoelektrischer Aktuator

101

Kolben

11

Steuerung für Piezo-Fluidantrieb

12

dielektrischer Piezo-Fluidantrieb

A_F

Antriebs-Querschnittsfläche der Flüssigmetallsäulen

A_K

Kolbenfläche

A_P

Fläche des Piezoaktuators

B

Durchmesser der Flüssigmetallsäule, Kanalbreite, minimaler Kontaktspalt

F

Kraft auf Flüssigmetallsäule

g_open

minimaler vertikaler Kontaktabstand

H

Höhe der Flüssigmetallsäule

i

Strom durch Flüssigmetallschalter

I₁

Betriebsstrom

I₂

begrenzter Überstrom

m

Masse des Flüssigmetalls

Q

Querschnittsfläche für Flüssigmetall-Strompfad

R_x

elektrischer Widerstand des Strombegrenzers

ρ

Dichte des Antriebsfluids

t_sep

Reaktionszeit des Stromschalters, Verzögerungszeit zwischen Triggern und Kontaktöffnen

W

Tiefe der Flüssigmetallsäule

x, x₁, x₂, x₁₂, x₃, x₁₃

Positionen der Flüssigmetallsäule

Δx

Hub der Flüssigmetallsäule, Arbeitshub

Δy

Hub des Piezoaktuators, Kolbenhub, Antriebshub

Ansprüche

1. Verfahren zur Stromschaltung, insbesondere zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, mit einem Flüssigmetall-Stromschalter (1), der Festelektroden (2a, 2b) und einen Flüssigmetall-Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3) umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein Betriebsstrom (I₁) auf einem ersten Strompfad (30) durch den Stromschalter (1) geführt wird und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x₁) befindliche Flüssigmetall (3) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand

a) das Flüssigmetall (3) durch einen Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben (100, 101) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂) bewegt wird und

b) das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (x₁₂, x₂) aus dem ersten Strompfad (30) entfernt ist und dadurch im Stromschalter (1) ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad (31, 32) gebildet wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoantrieb (12) ein dielektrisches Antriebsfluid (9) umfasst, wobei

a) das Antriebsfluid (9) inkompressibel ist und mit einem durch den Kolben (100, 101) vorgebbaren Druck (p₁, p₂) unmittelbar auf eine erste Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) mechanisch einwirkt und/oder

b) ein durch den Kolben (100, 101) im Antriebsfluid (9) vorgebbarer Druck (p₁, p₂) geringfügig niedriger als eine Oberflächenspannung einer druckbeanspruchten ersten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) gewählt wird und/oder

c) das Antriebsfluid (9) zwischen dem Kolben (100, 101) und dem Flüssigmetall (3) angeordnet ist und/oder

d) als Antriebsfluid (9) eine dielelektrische Flüssigkeit, insbesondere eine Isolatorflüssigkeit (9), gewählt wird, die im wesentlichen nicht mit dem Flüssigmetall (3) vermischt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Flüssigmetall (3) über die erste Oberfläche (3c) von dem Antriebsfluid (9) getragen wird und

b) das Flüssigmetall (3) zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb (12) so bewegt wird, dass ein Kontaktspalt (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) mit dem Antriebsfluid (9) gefüllt wird.

4. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Flüssigmetall (3) über eine zweite Oberfläche (3c) mit einem Isoliergas (9') in Kontakt steht und

b) das Flüssigmetall (3) zum Kontaktöffnen durch den Piezoantrieb (12) so bewegt wird, dass ein Kontaktspalt (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) mit dem Isoliergas (9') gefüllt wird und

c) insbesondere dass das Isoliergas (9') in einem Isoliergasbehälter (4a) gefangen ist.

5. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

a) ein Verhältnis (A_F/A_K) einer Kolbenfläche (A_k) des Kolbens (100, 101) zu einer gesamten Antriebs-Querschnittsfläche (A_F) des anzutreibenden Flüssigmetalls (3) nach Massgabe eines zu erzielenden Verhältnisses eines Arbeitshubs (Δx) für das Flüssigmetall (3) zu einem Kolbenhub (Δy) des Kolbens (100, 101) gewählt wird und/oder

b) ein Arbeitshub (Δx) des Flüssigmetalls (3) grösser als ein zu erzielender minimaler vertikaler Kontaktabstand (g_open) gewählt wird.

6. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenfläche (A_k) des Kolbens (100)

a) gleich einer piezoelektrisch angetriebenen Fläche (A_p) eines Piezoaktuators (100) des Piezoantriebs (12) gewählt ist oder

b) grösser als eine Fläche (A_p) eines Piezoaktuators (100) des Piezoantriebs (12) gewählt ist.

7. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Flüssigmetall (3) durch die zweite Position (x₁₂, x₂) in eine Serieschaltung mit einem Dielektrikum (5, 8, 9, 9') gebracht wird und

b) das Dielektrikum (5, 8, 9, 9') ein Widerstandselement (5) und/oder ein dielektrisches Antriebsfluid (9) für den Piezoantrieb (12) mit einem vorgebbaren elektrischen Widerstand (R_x), ein Isolator (8) und/oder ein Isoliergas (9'), insbesondere trockene Luft, Stickstoff, Schwefelhexafluorid, Argon oder Vakuum, ist.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strombegrenzung oder strombegrenzenden Stromabschaltung

a) als Dielektrikum ein Widerstandselement (5) gewählt wird, das einen entlang der Bewegungsrichtung (x) des Flüssigmetalls (3) ansteigenden elektrischen Widerstand (R_x) für den zweiten Strompfad (31) aufweist und

b) bei einem Übergang von der ersten Position (x₁) zur zweiten Position (x₁₂, x₂) das Flüssigmetall (3) entlang des Widerstandselements (5) geführt wird.

9. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand

a) das Flüssigmetall (3) entlang einer entgegengesetzten Bewegungsrichtung (-x) in mindestens eine dritte Position (x₁₃, x₃) bewegt wird und

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

10. Flüssigmetall-Stromschalter (1) zur Strombegrenzung und/oder Leistungsschaltung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend Festelektroden (2a, 2b) und einen Flüssigmetall-Behälter (4) mit mindestens einem Kanal (3a) für ein Flüssigmetall (3), wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden (2a, 2b) ein erster Strompfad (30) für einen Betriebsstrom (I₁) durch den Stromschalter (1) vorhanden ist und der erste Strompfad (30) zumindest teilweise durch das in einer ersten Position (x₁) befindliche Flüssigmetall (3) führt, dadurch gekennzeichnet, dass

a) ein Piezoantrieb (12) mit mindestens einem piezoelektrisch angetriebenen Kolben (100, 101) zum Bewegen des Flüssigmetalls (3) entlang einer Bewegungsrichtung (x) in mindestens eine zweite Position (x₁₂, x₂) vorhanden ist und

b) in einem zweiten Betriebszustand das Flüssigmetall (3) in der mindestens einen zweiten Position (x₁₂, x₂) aus dem ersten Strompfad (30) entfernt ist und dadurch im Stromschalter (1) ein strombegrenzender und/oder stromabschaltender zweiter Strompfad (31, 32) vorhanden ist.

11. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Piezoantrieb (12) einen Piezoaktuator (100), den durch diesen bewegbaren Kolben (100, 101), ein dielektrisches Antriebsfluid (9) zur Druckübertragung vom Kolben (100, 101) auf das Flüssigmetall (3) und eine Steuerung (11) umfasst und/oder

b) der Piezoantrieb (12) einen Druckbehälter (40a) zum Sammeln von Antriebsfluid (9) und einen Antriebskanal (40b) zum Zuführen von Antriebsfluid (9) zu dem mindestens einen Kanal (3a) für das Flüssigmetall (3) umfasst.

12. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Kolben (100) durch einen Piezoaktuator (100) des Piezoantriebs (12) selber gebildet ist oder

b) der Kolben (101) einen Hilfskolben (101) umfasst, der durch mindestens einen Piezoaktuator (100) des Piezoantriebs (12) antreibbar ist.

13. Die Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass

a) eine Kolbenfläche (A_k) und ein Kolbenhub (Δy) des Kolbens (100, 101) sowie eine gesamte Antriebs-Querschnittsfläche (A_F) des anzutreibenden Flüssigmetalls (3) nach Massgabe eines zu erzielenden Arbeitshubs (Δx) für das Flüssigmetall (3) gewählt sind und/oder

b) ein Antriebsfluid (9) des Piezoantriebs (12) eine Isolatorflüssigkeit (9) ist, die inkompressibel und nicht vermischbar mit dem Flüssigmetall (3) ist und die in einem direkten Druckaustausch mit mindestens einer druckbeanspruchten ersten Oberfläche (3b) des Flüssigmetalls (3) steht.

14. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass

a) mehrere Kontaktspalte (2d) zwischen den Festelektroden (2a, 2b) vorhanden sind, die im ersten Betriebszustand zumindest teilweise mit dem Flüssigmetall (3) gefüllt sind und

b) im zweiten Betriebszustand durch den Piezoantrieb (12) das Flüssigmetall (3) aus den Kontaktspalten (2d) verdrängt und durch das Antriebsfluid (9) und/oder ein Isoliergas (9') ersetzt ist.

15. Der Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dielektrikum (5, 8, 9, 9') vorhanden ist und

a) das Flüssigmetall (3) in der zweiten Position (x₁₂, x₂) in Serie zu dem Dielektrikum (5, 8, 9, 9') liegt und mit diesem einen strombegrenzenden und/oder stromabschaltenden zweiten Strompfad (31, 32) im Stromschalter (1) bildet und/oder

b) das Dielektrikum ein Widerstandsmittel (5) umfasst, das zur lichtbogenfreien Strombegrenzung einen entlang der Bewegungsrichtung (x) bis zu einer extremalen zweiten Position (x₂) kontinuierlich zunehmenden elektrischen Widerstand (R_x) für den zweiten Strompfad (31) aufweist und/oder

c) das Dielektrikum einen Isolator (8) umfasst, der zur Stromabschaltung, insbesondere unter Lichtbogenbildung, ausgelegt ist.

16. Elektrische Schaltanlage, insbesondere Hoch- oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeichnet durch einen Flüssigmetall-Stromschalter (1) nach einem der Ansprüche 10-15.

Zeichnung