專利名稱：用于利用液態(tài)金屬限流器限制電流的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電氣開關(guān)設(shè)備，特別是用于限制高壓、中壓或低壓開關(guān)設(shè)備中的故障電流的主要技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明出自一種獨(dú)立權(quán)利要求的前敘部分講述的，用于限流的方法和裝置以及具有該裝置的開關(guān)設(shè)備。
背景技術(shù)：
DE19903939A1公開了一種具有液態(tài)金屬的白恢復(fù)的限流裝置。在兩個(gè)固態(tài)金屬電極之間設(shè)有一個(gè)耐壓的絕緣箱，在該絕緣箱中，液態(tài)金屬設(shè)在壓縮機(jī)室和位于其間的連接這些壓縮機(jī)室的連接通道中，使固態(tài)電極之間有了一個(gè)用于額定電流的電流路徑。在這些連接通道的電流路徑比壓縮機(jī)室中的電流路徑狹窄。在有短路電流時(shí)，這些連接通道被強(qiáng)烈加熱并發(fā)出氣體。液態(tài)金屬通過連接通道中雪崩式的氣泡形成汽化到壓縮機(jī)室中，使一個(gè)限流的電弧在現(xiàn)被排空了液態(tài)金屬的連接通道中被點(diǎn)燃。在過電流衰減后，液態(tài)金屬可重新冷凝并且電流路徑重新準(zhǔn)備工作。
在WO00/77811中公開了一種白恢復(fù)的限流裝置的進(jìn)展形式。連接通道是向上錐形地?cái)U(kuò)寬的，使液態(tài)金屬的液面高度可被改變并且額定電流承受能力可大范圍地被改變。此外，一個(gè)曲折形的電流路徑通過連接通道的錯(cuò)位布局被形成，使一系列限流的電弧在液態(tài)金屬的過電流造成的汽化時(shí)被點(diǎn)燃。這種收縮效應(yīng)限流器需要在壓力和溫度方面有很穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，這在設(shè)計(jì)上是很費(fèi)事的。通過借助電弧限流，在限流器內(nèi)出現(xiàn)大的磨損，并且燃燒殘余可能污染液態(tài)金屬。通過液態(tài)金屬在短路過后馬上再冷凝，又建立一個(gè)導(dǎo)電的狀態(tài)，使斷路狀態(tài)不存在。
在DE4012385A1中公開了一種電流控制的斷路裝置，其工作原理基于具有液態(tài)金屬的收縮效應(yīng)。在兩個(gè)固態(tài)金屬電極之間設(shè)有一個(gè)單個(gè)的、窄的、充有液態(tài)金屬的通道。在有過電流時(shí)，液態(tài)金屬由于電磁力通過收縮效應(yīng)被收縮，使電流本身收縮和斷開液態(tài)的導(dǎo)體。被排擠的液態(tài)金屬被收集在一個(gè)貯備容器中并在過電流事件之后重新流回。觸點(diǎn)的斷開是在沒有電弧的情況下進(jìn)行的。但該裝置僅適用較小的電流，低的電壓和慢的關(guān)斷時(shí)間，并且不提供永久的斷路狀態(tài)。
DER2652506公開了一種電氣的具有液態(tài)金屬的強(qiáng)電流開關(guān)。一方面，一種用于潤濕固態(tài)金屬電極和用于減少接觸阻抗的液態(tài)金屬混合物被使用。其中，液態(tài)金屬通過機(jī)械的排擠，譬如通過活動(dòng)的觸點(diǎn)或氣動(dòng)的浸液活塞逆向重力地被驅(qū)入接觸間隙中。通過按其一個(gè)導(dǎo)電的導(dǎo)體通過流過該導(dǎo)體的電流徑向緊縮的收縮效應(yīng)，液態(tài)金屬可附加地被穩(wěn)定和固定在接觸間隙中。外磁場和漏磁通量(譬如由電引起)可在液態(tài)金屬中造成流動(dòng)的不穩(wěn)定性并被屏蔽，并且根據(jù)情況在關(guān)斷時(shí)被允許，以便支持在液態(tài)金屬中對(duì)電弧的熄滅。這樣做的缺點(diǎn)是，分層次的限流是不可能的并且固態(tài)電極之間的電弧在液態(tài)金屬中造成氧化。該強(qiáng)電流開關(guān)的結(jié)構(gòu)包括用于液態(tài)金屬，惰性氣體或真空的密封并且是相當(dāng)昂貴的。
GB1206786公開了一種按照獨(dú)立權(quán)利要求的前敘部分所述的基于液態(tài)金屬的強(qiáng)電流電氣開關(guān)。液態(tài)金屬在一個(gè)第一位置中形成一個(gè)用于工作電流的電流路徑并且在開關(guān)電流時(shí)沿電阻元件被導(dǎo)向并被置入一個(gè)第二位置，液態(tài)金屬在該第二位置中與電阻元件串列并把電流減少到很小一部份上。該強(qiáng)電流開關(guān)是為了生成高強(qiáng)度的，兆安和亞毫秒范圍中的電流脈沖和用于生成等離子設(shè)計(jì)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于改進(jìn)的和最簡單的限流的方法，裝置和具有一個(gè)這樣的裝置的電氣開關(guān)設(shè)備。按照本發(fā)明，以上任務(wù)通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征被解決。
一方面，本發(fā)明包括一種用于用一個(gè)限流裝置限流的方法，該限流裝置包括固定的電極和一個(gè)具有至少一個(gè)用于液態(tài)金屬的通道的容器，其中，在第一工作狀態(tài)中，工作電流在固態(tài)電極之間，在一個(gè)通過限流裝置的第一電流路徑上被導(dǎo)向并且該第一電流路徑至少部分地通過處在一個(gè)第一位置中的液態(tài)金屬被通過，其中，液態(tài)金屬在第二工作狀態(tài)中沿移動(dòng)方向被移動(dòng)到至少一個(gè)第二位置中，在從第一位置向第二工作位置的過渡時(shí)，沿一個(gè)電阻元件被導(dǎo)向并在至少一個(gè)第二位置中與該電阻元件串聯(lián)并且一個(gè)通過限流裝置限流的第二電流路徑據(jù)此被形成，該限流的第二電流路徑具有一個(gè)可預(yù)先給定的電阻抗，其中，該電阻抗是作為第二位置的函數(shù)被選擇的，并且液態(tài)金屬沿移動(dòng)方向的距離/時(shí)間特性這樣選擇，使得液態(tài)金屬在每個(gè)第二位置中，電阻抗與電流的乘積小于液態(tài)金屬和固態(tài)電極及中間電極之間的電弧點(diǎn)燃電壓，并且獲得足夠的限流梯度來對(duì)付隨網(wǎng)絡(luò)變化而變化的短路電流。本發(fā)明的限流方法適于限制網(wǎng)絡(luò)造成的短路。根據(jù)本發(fā)明，液態(tài)金屬滯留在液態(tài)的聚合狀態(tài)中，并通過強(qiáng)制的移動(dòng)有的放矢地在不同的位置之間移動(dòng)。在該情況下，不使用收縮效應(yīng)?？梢詴r(shí)限很快的，低至1毫秒以下的限流反應(yīng)時(shí)間。該方法指出了用于優(yōu)化設(shè)計(jì)限流過程的動(dòng)力學(xué)的規(guī)格設(shè)定準(zhǔn)則。由于在限流的情況下，不是絕緣子，而是一個(gè)被相宜地設(shè)定的阻抗被液態(tài)金屬潤濕和接觸，所以沒有電弧點(diǎn)燃。因此，該限流方法也可在很高的電壓電平時(shí)被采用。屆時(shí)，通過燒損或液態(tài)金屬的腐蝕造成的磨損幾乎不出現(xiàn)。限流是可逆地進(jìn)行的并因此是便于維護(hù)的和費(fèi)用合理的。
在第一實(shí)施例中，選擇第二電流路徑的電阻元件以實(shí)現(xiàn)柔和的斷路特性，該電阻元件的電阻沿液態(tài)金屬的移動(dòng)方向非線性增加。
在其它實(shí)施例中，所述電阻元件是純阻性的，且電阻抗隨第二位置連續(xù)增加和/或電阻抗作為第二位置的函數(shù)先是超比例地隨第二位置增加，然后在其間存儲(chǔ)在電網(wǎng)電感中的能量須被吸收的階段中線性地隨第二位置升高，然后在其間短路電流已被限制并且更大的、電阻抗變得可容忍的范圍中，又過渡到第二位置的一個(gè)更陡的，即超比例增加的函數(shù)中。據(jù)此，柔和的用于漸進(jìn)限流的限流特性被實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求4所述的實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)即相對(duì)于待切換的電流路徑緊湊地配置液態(tài)金屬。
權(quán)利要求5所述的實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)即通過液態(tài)金屬體交替地與電介質(zhì)串聯(lián)，高的電壓和高的電流也可有效地和可靠地被使用。
權(quán)利要求6和8指出用于限流的開關(guān)或具有液態(tài)金屬的集成的開關(guān)的限流器的特別簡單的布局。
權(quán)利要求7示出了一種有利的，因?yàn)槭亲园l(fā)的和同時(shí)是自恢復(fù)的限流。
另一方面，本發(fā)展涉及一種用于限流的，特別是用于實(shí)施所述方法的裝置，包括固態(tài)電極和一個(gè)具有至少一個(gè)用于液態(tài)金屬的通道的容器，其中，在第一工作狀態(tài)中，在固態(tài)電極之間存在一個(gè)用于通過限流裝置的工作電流的第一電流路徑并且該第一電流路徑至少部分地通過處在一個(gè)第一位置中的液態(tài)金屬被通過，其中，存在具有可預(yù)先給定的電阻抗的電阻裝置，存在用于把液態(tài)金屬沿移動(dòng)方向沿電阻裝置移動(dòng)和空間定位到至少一個(gè)第二位置中的定位裝置，并且液態(tài)金屬在第二工作狀態(tài)中至少部分地與電阻裝置串列并與這些電阻裝置一起形成一個(gè)在其上工作電流是可限制到一個(gè)待限制的電流上的第二電流路徑，其中，電阻抗設(shè)計(jì)為第二位置的函數(shù)，并且定位裝置具有液態(tài)金屬沿移動(dòng)方向的一個(gè)行程/時(shí)間特性，使得在液態(tài)金屬的每個(gè)第二位置中，電阻抗和電流的乘積小于液態(tài)金屬和固態(tài)電極及中間電極之間的電弧點(diǎn)燃電壓，并且獲得足夠的限流梯度來對(duì)付電網(wǎng)造成的短路電流。
從從屬權(quán)利要求中以及從如下的描述和附圖中得出本發(fā)明的其它實(shí)施形式，優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用。


圖1a，1b示出了本發(fā)明的，具有液態(tài)金屬的，在額定電流運(yùn)用和在限流情況中的限流裝置，圖2示出的液態(tài)金屬型限流器和開關(guān)的串聯(lián)形式的限流開關(guān)，圖3，4示出在額定電流操作時(shí)具有用于液態(tài)金屬的收集機(jī)構(gòu)的限流開關(guān)，圖5示出限流器作為液態(tài)金屬體位置的函數(shù)的阻抗變化的曲線圖，圖6示出聯(lián)合的，具有用于液態(tài)金屬的氣體驅(qū)動(dòng)裝置的液態(tài)金屬型限流器和液態(tài)金屬型斷路器。
在附圖中，相同的部件具有相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施例方式
圖1a，1b示出了液態(tài)金屬型限流器1的一個(gè)實(shí)施例。限流器1包括固態(tài)金屬電極2a，2b和用于電流引線20的中間電極2C和一個(gè)用于液態(tài)金屬3的容器4。容器4有一個(gè)由絕緣材料構(gòu)成的底6和蓋6，在底和蓋之間設(shè)有一種具有至少一個(gè)用于液態(tài)金屬3的通道3a的電阻抗裝置5。在液態(tài)金屬體3以上可譬如設(shè)有一種保護(hù)氣體，一種絕緣液體(具有圖中未示出的逃逸體積)或真空。
在第一工作狀態(tài)中(見圖1a)，工作電流或額定電流I1，在一個(gè)額定電流路徑30上由輸入電極2a經(jīng)由液態(tài)金屬3并根據(jù)情況經(jīng)由中間電極2c流往引出電極2b。在該情況下，液態(tài)金屬3處在第一位置X1中，至少部分地潤濕固態(tài)電極2a，2b，2c并且導(dǎo)電地橋接通道3a。在第二工作狀態(tài)中(圖1b)，液態(tài)金屬3沿通過通道3a的高向伸展給出的移動(dòng)方向X被移動(dòng)到一個(gè)第二位置X2中，在那里與電阻抗裝置5串列并與阻抗介質(zhì)一起形成一個(gè)用于待限制的電流I2的第二電流路徑或限流路徑31。為了特別緊湊的布局，額定電流路徑30和限流的第二電流路徑31是相互平行設(shè)置的并且兩者是垂直于通道3a的高向伸展在一個(gè)可變的，可通過液態(tài)金屬3的第二位置X12，X2預(yù)先給定的高度上設(shè)置的。為了無電弧地從固態(tài)電極2a，2b，2c向阻抗元件5切換電流I(t)，一個(gè)典型的，與觸點(diǎn)材料有關(guān)的最小為10伏至20伏的電弧點(diǎn)燃電壓應(yīng)不被超過。
陰抗裝置5優(yōu)選地包括一個(gè)介電矩陣5，該矩陣具有壁式的，用于介電分離多個(gè)用于液態(tài)金屬3的通道3a的隔片5a，其中，隔片5a具有一種介電的，具有沿移動(dòng)方向x非線性增長的阻抗Rx的材料。隔片5a應(yīng)在液態(tài)金屬3的第一位置X1的高度上具有用于導(dǎo)電地連接通道3a的中間電極2c。通道3a優(yōu)選地基本上相互平行地設(shè)置。壁式的隔片5a表示電阻元件5的單個(gè)電阻5a，使的限流的第二電流路徑31通過通道3a和單個(gè)電阻5a的交替串聯(lián)被形成。
用于把液態(tài)金屬3沿移動(dòng)方向x移動(dòng)和空間地定位到至少一個(gè)第二位置X12、X2的定位裝置3a，20，B，12包括通道3a和一個(gè)用于液態(tài)金屬3的運(yùn)輸裝置或驅(qū)動(dòng)裝置20，B，12，特別是還有一個(gè)驅(qū)動(dòng)的控制裝置11(如在圖6中所示)。優(yōu)選地存在一個(gè)電磁的驅(qū)動(dòng)裝置20，B或是有一個(gè)機(jī)械的，具有一種介電流體的驅(qū)動(dòng)裝置12，通過該機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置，液態(tài)金屬3是可在額定電流路徑30和限流路徑31之間移動(dòng)的。
在從第一位置X1向第二位置X12，X2，特別是向極值的第二位置X2過渡時(shí)，液態(tài)金屬3沿電阻元件5被導(dǎo)向。為了得到柔和的斷路特性，電阻元件5具有一個(gè)沿液態(tài)金屬3的移動(dòng)方向X非線性增加的用于第二電流路徑31的電阻抗Rx。電阻元件5應(yīng)具有一個(gè)純電阻性的分量并且優(yōu)選地是純純電阻性的，具有一個(gè)電阻抗Rx，該阻抗Rx連續(xù)地隨第二位置X12，X2增長。
第二工作狀態(tài)典型地通過一個(gè)過電流被觸發(fā)。限制電流最好是白發(fā)地，特別是通過作用到被電流流過的液態(tài)金屬3上的電磁力Fmag被激活，其中，液態(tài)金屬3設(shè)在一個(gè)外部的磁場B中或在一個(gè)內(nèi)部的，通過一個(gè)電流引入裝置2a，2b；20產(chǎn)生的磁場B中。
圖2示出了本發(fā)明與一個(gè)電開關(guān)7，特別是斷路器7串聯(lián)的限流器1。一個(gè)限流的開關(guān)1，7在該布局中被實(shí)現(xiàn)，其中，限流主要按常規(guī)通過本發(fā)明的方法利用液態(tài)金屬3實(shí)現(xiàn)，隨后進(jìn)行電流斷開。在電磁驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬3時(shí)，兩個(gè)限流器1也能以對(duì)液態(tài)金屬移動(dòng)的反相有效的觸發(fā)相繼地切換的，以便在每個(gè)電流半波中達(dá)到限流和根據(jù)情況達(dá)到斷流。
圖3示出了限流器1的一種派生形式，在該派生形式中，存在一個(gè)用于容納液態(tài)金屬3和用于提供一個(gè)用于斷流的絕緣段32的收集容器3b。此外，如圖所示，可存在一個(gè)用于用液態(tài)金屬3充填通道3a和用于重新接通裝置1的液態(tài)金屬3供應(yīng)裝置3c。此外，除了額定電流路徑30和限流路徑31，還可有一個(gè)絕緣段32，在該絕緣段32上，用于限流的隔片50過渡到用于電流絕緣的隔片8a中。絕緣隔片8a基本上由絕緣材料組成，優(yōu)選地設(shè)在收集容器3b的范圍中并與排空了被收集的液態(tài)金屬3的通道一起形成絕緣段32。
圖4示出了另一派生形式，在該派生形式中，絕緣段32是在沒有收集容器3b的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這里，用于液態(tài)金屬3的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過一個(gè)用于限流器1的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置11實(shí)現(xiàn)的。在第二工作狀態(tài)中，裝置1以一個(gè)可預(yù)先給定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，使液態(tài)金屬3通過摩擦力和毛細(xì)力為一方和離心力為另一方之間的平衡占據(jù)電阻元件5的范圍中的第二位置X12并形成一個(gè)限流路徑31。液態(tài)金屬3通過旋轉(zhuǎn)速度和離心力的提高被推動(dòng)到絕緣隔片8a的范圍中并與這些絕緣隔片8a一起形成絕緣段32。由于液態(tài)金屬是導(dǎo)電的，所以對(duì)絕緣隔片8a的介電強(qiáng)度的要求在這里有所提高，這譬如通過加寬絕緣隔片8a和/或通過適宜的材料選擇被達(dá)到。
就是說，在這兩個(gè)派生形式中，液態(tài)金屬3是可在額定電流路徑30，限流路徑31和用于斷流的絕緣路徑30，限流路徑31和用于斷流的絕緣段32之間移動(dòng)的，使一個(gè)集成的，基于液態(tài)金屬的，限流開關(guān)1實(shí)現(xiàn)了。用于額定電流I1的第一電流路徑30，用于限流的第二路徑31和特別是絕緣段32是基本上垂直于移動(dòng)方向X和/或基本上相互平行地設(shè)置的。這產(chǎn)生一個(gè)特別簡單的，用于一個(gè)集成的，唯一地用液態(tài)金屬工作的限流器斷路器的布局。
圖5示出作為用于限流器1或限流的開關(guān)1的液態(tài)金屬3的第二位置X12的函數(shù)的電阻抗Rx的設(shè)計(jì)。阻抗Rx在優(yōu)選在極值的第二位置X2非線性地升高到最大值Rx(X2)。阻抗Rx的最大值Rx(X2)也應(yīng)根據(jù)電流I2將被限制到一個(gè)有限值或斷開操作電流I1所需的斷開隔離值，來針對(duì)一個(gè)給定的電壓電平設(shè)計(jì)。
作為第二位置X12的函數(shù)Rx(X2)以及液態(tài)金屬3沿移動(dòng)方向X的行程/時(shí)間特性X12(t)的電阻抗Rx如此地選擇，使得在液態(tài)金屬3的每個(gè)第二位置X12，X2中，阻抗Rx和電流I1的乘積小于在液態(tài)金屬3和固態(tài)電極2a，2b及中間電極2C之間的電弧點(diǎn)燃電壓Ub，和/或獲得足夠的限流梯度來對(duì)付電網(wǎng)造成的短路電路I(t)。
為了對(duì)付短路，與電網(wǎng)參數(shù)和待斷開的觸點(diǎn)2a，2b的擊穿響應(yīng)有關(guān)的限流阻抗Rx是必要的。短路電流I(t)的梯度越大，則Rx須被選擇得越低。在最不利的情況下，最大的短路電流幅度和最大的短路電流電感必須被假設(shè)。在該情況下Rx(t)·i(t)＜Ub(t)(方程式1)Rx(t)·i(t)+L·di/dt(t)＝UN(t)(方程式2)其中，t＝時(shí)間變量，L＝短路情況時(shí)的電網(wǎng)電感，UN＝工作電壓或電網(wǎng)電壓，d/dt等于一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)，d2/dt2等于二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)。在方程式2中曾假設(shè)，電網(wǎng)的阻抗Rnetwork＜＜L并且短路時(shí)電網(wǎng)電壓UN被維持。此外，移動(dòng)方程式3適用于具有質(zhì)量m、位置或偏轉(zhuǎn)X12(t)，摩擦系數(shù)α和驅(qū)動(dòng)力F的液態(tài)金屬3m·d2X12/dt2+α·dx12/dt(t)＝F-Fr(方程式3)其中，F(xiàn)r＝恢復(fù)力，特別是等于重力F1＝m·g，其中的g＝重力加速度。在圖5中，譬如電磁力F＝Fmag曾被假設(shè)，該電磁力通過流過的電流I(t)的自動(dòng)互作用被作用到液態(tài)金屬3上。此外F＝K·I2(t)(方程式4)其中，K＝與幾何形狀有關(guān)的比例常數(shù)。對(duì)外磁場B，適用的是F＝K’·I(t)，其中K’＝另一個(gè)比例常數(shù)。在機(jī)械驅(qū)動(dòng)中，F(xiàn)＝機(jī)械產(chǎn)生的作用到液態(tài)金屬3上的壓力，該壓力可根據(jù)待關(guān)斷的電流I(t)或過電流I(t)針對(duì)開環(huán)或閉環(huán)控制目的選擇。
圖5基于以下假設(shè)短路造成的電流梯度di/dt＝15千安/毫秒，UN＝1千伏，It＝1千安，最大的短路電流I2＝50千安，以及用于K·M和d的似然參數(shù)值。通過在邊界條件解方程式2至4，遂得出阻抗Rx(t)和液態(tài)金屬3的行程/時(shí)間特性X12(t)并最后通過抵消與時(shí)間的關(guān)系得出作為第二位置X12的函數(shù)的阻抗Rx(X12)，就如在圖5中對(duì)數(shù)示出的那樣。從第一位置出發(fā)，即在液態(tài)金屬3脫離因定電極2a，2b，2c時(shí)，Rx先隨第二位置X12超比例增大，然后在其間存儲(chǔ)在電網(wǎng)電感L中的能量須被吸收的階段線性地增大并隨后在一個(gè)其間電流已經(jīng)是被限制了并且更大的Rx變得可容忍的范圍中重新過渡到一個(gè)更陡的，即超比例增大Rx(X12)中。
一個(gè)這樣的，隨行程段X非線性增大的阻抗Rx可譬如通過具有不同阻抗的材料被實(shí)現(xiàn)。一個(gè)非線性增大的總阻抗Rx也可通過電流路徑的適當(dāng)幾何形狀，在一個(gè)具有均勻阻抗的電阻元件中實(shí)現(xiàn)。阻抗Rx的非線性等級(jí)也可通過綜合兩個(gè)措施來實(shí)現(xiàn)，即通過在具有可變阻抗的電阻元件中適當(dāng)幾何形狀的電流導(dǎo)向來實(shí)現(xiàn)。
圖6示出具有用于液態(tài)金屬3的氣體驅(qū)動(dòng)裝置12的聯(lián)合液態(tài)金屬型限流器/和液態(tài)金屬型功率開關(guān)1。在液態(tài)金屬3沿正的移動(dòng)方向+X移動(dòng)時(shí)，電流I在限流路徑31上被導(dǎo)向并如上所述被限制。液態(tài)金屬3可替代地在第三工作狀態(tài)中沿相反的移動(dòng)方向-X被移動(dòng)到至少一個(gè)第三位置X13，X3，其中，液態(tài)金屬3在所述的至少一個(gè)第三位置X13，X3與一個(gè)絕緣子8串列并且一個(gè)用于斷路的，通過裝置1的絕緣段32據(jù)此被形成。如圖所示，該絕緣段8可以由多個(gè)絕緣隔片8a形成，該絕緣隔片8a在斷路情況下與被向下移動(dòng)的液態(tài)金屬體3交替串聯(lián)。第三工作狀態(tài)特別是通過一個(gè)關(guān)斷指令被觸發(fā)的，其中，液態(tài)金屬3通過一個(gè)電磁的，具有可切換的外磁場B的驅(qū)動(dòng)裝置或通過一個(gè)機(jī)械的，具有一種介電流體的驅(qū)動(dòng)裝置12被移動(dòng)。在圖6中，譬如指出了一個(gè)氣體驅(qū)動(dòng)裝置12，其中，一個(gè)具有氣體(V1，P1)的第一氣體壓力容器121和一個(gè)具有氣體(V2，P2)的第二氣體壓力容器122各經(jīng)由一個(gè)可控的氣體壓力閥門13與具有工作容積V3和工作壓力P3的工作壓力容器123通氣。也可提供一個(gè)聯(lián)合的閥門，譬如一個(gè)三通閥，替代兩個(gè)獨(dú)立的閥門13。通過適當(dāng)?shù)膲毫x擇，如P1＜P2，和激活閥門13，在第一，第二和第三工作狀態(tài)之間可有的放矢地被往復(fù)切換。對(duì)于限流31，出自121的具有壓力P1的氣體譬如流入工作容積V3中并且液態(tài)金屬體3升到X12或X2上。對(duì)于額定電流運(yùn)作30，出自122的氣體有時(shí)流入其中并且液態(tài)金屬液面被降到X＝0。對(duì)于斷路32，具有壓力P2的容器122被打開并且液態(tài)金屬3下降到第三位置X13或極值的第三位置X3上。納入容器124中的氣體造成一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)的彈力。氣體驅(qū)動(dòng)裝置12的其它的細(xì)節(jié)和派生形式，如三個(gè)具有不同的、分別為三個(gè)工作狀態(tài)之一和特別是為把容器124連接到一個(gè)壓力容器上的壓力的容器是可能的，并一并包括在內(nèi)。替代或補(bǔ)充壓力容器121，122液態(tài)金屬驅(qū)動(dòng)裝置也可為具有外磁場的結(jié)構(gòu)。替代和附加于氣體，另一種介電工作流體，如油也可被采用。作為液態(tài)金屬3，譬如水銀、金色、鍶(GaInSn)或類似的流體是適宜的。
用于斷流的絕緣段32有利地設(shè)在第二電流路徑31的上方和/或第一電流路徑30的上方。液態(tài)金屬3和其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12相對(duì)于待通斷的電流，特別是相對(duì)于額定電流路徑30，限流路徑31和根據(jù)情況相對(duì)于斷流路徑32的緊湊的設(shè)置據(jù)此被實(shí)現(xiàn)。如上所述，圖6中的限流器，也可以是設(shè)計(jì)為限流的開關(guān)1的。
裝置1的應(yīng)用涉及作為限流器，限流的開關(guān)和/或斷路器，作為自恢復(fù)的安全裝置或作為電機(jī)起動(dòng)器的使用。本發(fā)明還包括電氣開關(guān)設(shè)備，特別其特征在于具有上述裝置1的高壓開關(guān)設(shè)備和中壓開關(guān)設(shè)備。
部件列表1液態(tài)金屬限流器2a，2b固態(tài)金屬電極，金屬盤2c中間電極3液態(tài)金屬3a液態(tài)金屬通道3b液態(tài)金屬收集容器3c液態(tài)金屬源30操作電流的電流路徑，第一電流路徑31限制電流的電流路徑，第二電流路徑32電流中斷路徑，隔離路徑4液態(tài)金屬容器5限制電流的電阻元件5a單個(gè)電阻6絕緣子7開關(guān)，斷路器8電流中斷絕緣子8a單個(gè)絕緣子9柔性薄膜10液態(tài)金屬供應(yīng)閥11驅(qū)動(dòng)控制器，磁場控制器11’旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)12液態(tài)金屬的氣體驅(qū)動(dòng)121-124其它壓力容器13其它壓力閥α摩擦系數(shù)B磁場
Fmag磁力Fr恢復(fù)力I電流I1操作電流I2限制的過電流K比例常數(shù)L電網(wǎng)電感P1、P2、P3氣體壓力Rx限流器電阻t時(shí)間變量Ub電弧點(diǎn)燃電壓UN電網(wǎng)電壓，操作電壓V1、V2、V3氣體體積x、x1、x2、x12、x3、x13液態(tài)金屬體的位置。
權(quán)利要求
1.一種用于電流限制的方法，特別是在電力網(wǎng)中，該電力網(wǎng)具有一個(gè)限流裝置(1)，該限流裝置(1)具有固態(tài)電極(2a、2b)和一個(gè)具有至少一個(gè)用于液態(tài)金屬(3)的通道(3a)的容器(4)，其中，在第一工作狀態(tài)中，工作電流(I1)在固態(tài)電極(2a、2b)之間通過限流裝置(1)的第一電流路徑(30)上被導(dǎo)引，并且該第一電流路徑(30)至少部分地通過第一位置(X1)的液態(tài)金屬(3)，其中，液態(tài)金屬(3)在第二工作狀態(tài)中沿移動(dòng)方向(X)被移動(dòng)到至少一個(gè)第二位置(X12、X2)，并且在從第一位置(X1)向第二位置(X12、X2)過渡時(shí)，沿一個(gè)電阻元件(5)被導(dǎo)引，并在所述至少一個(gè)第二位置(X12、X2)與所述電阻元件(5)串列，從而形成一個(gè)通過限流裝置(1)的限流的第二電流路徑(31)，該第二電流路徑具有一個(gè)可預(yù)先設(shè)定的電阻抗(Rx)，其特征在于，電阻抗(Rx)作為第二位置(X12)的函數(shù)(Rx(X12))被選擇，并且選擇液態(tài)金屬(3)沿移動(dòng)方向(X)的行程/時(shí)間特性，使得a)在液態(tài)金屬(3)的每個(gè)第二位置(X12，X2)，電阻抗(Rx)和電流(I2)的乘積小于液體金屬(3)和固態(tài)電極(2a，2b)以及中間電極(2c)之間的電弧點(diǎn)燃電壓(Ub)；b)獲得足夠的限流梯度來對(duì)付電網(wǎng)造成的短路電流(I(t))。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，為了獲得柔和的關(guān)斷特性，選擇具有電阻抗(Rx)的電阻元件(5)用于第二電流路徑(31)，該電阻抗(Rx)沿液態(tài)金屬(3)的移動(dòng)方向(X)非線性升高。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，a)所述電阻元件(5)是純電阻性的，并且所述電阻(Rx)隨第二位置(X12，X2)連續(xù)升高；和/或b)電阻抗(Rx)作為第二位置(X12，X2)的函數(shù)(Rx(X12))首先超比例地隨第二位置(X12)升高，隨后在一個(gè)其間存儲(chǔ)在電網(wǎng)電感中的能量須被吸收的階段中線性地隨第二位置(X12)升高，并且隨后在一個(gè)其間短路電流(I(t))已被限制，并且更大的電阻抗(Rx)變得可容忍的范圍中重新過度到第二位置(X12)的超比例升高函數(shù)(Rx(X12))。
4.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于a)液態(tài)金屬(3)的移動(dòng)方向通過至少一個(gè)通道(3a)的高度伸展被預(yù)先給定，和/或b)限流的第二電流路徑(31)基本上垂直于至少一個(gè)通道(3a)的高度伸展走向，并且在一個(gè)可變的，可通過液態(tài)金屬(3)的第二位置(X12，X2)預(yù)先給定的高度上伸展。
5.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，a)多個(gè)通道(3a)是基本上相互平行地設(shè)置的，并且通過壁式的隔片(5a)被相互隔離，b)其中，隔片(5a)形成電阻元件(5)的單個(gè)電阻(5a)，并且限流的第二電流路徑(31)通過通道(3a)和單個(gè)電阻(5a)的交替串聯(lián)被形成，并且c)所述的隔片(5a)在固態(tài)電極(2a，2b)的相同高度上具有用于導(dǎo)通工作電流(I1)的中間電極(2C)。
6.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，a)電阻抗(Rx)在極值的第二位置(X2)升高到一個(gè)最大值Rx(X2)，和/或b)對(duì)于一個(gè)給定的電壓電平，電阻抗(Rx)的最大值Rx(X2)根據(jù)待限制的電流(I2)被設(shè)計(jì)為一個(gè)有限值，或設(shè)計(jì)為具有一個(gè)電絕緣值，以關(guān)斷工作電流(I1)。
7.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，a)第二工作狀態(tài)通過一個(gè)過電流(I2)被觸發(fā)，和/或b)限流自發(fā)地被激活，特別是通過作用到電流流過的液態(tài)金屬(3)上的電磁力(Fmag)被觸發(fā)，其中，液態(tài)金屬(3)被設(shè)在一個(gè)外磁場(B)中或被設(shè)在一個(gè)由電流供給裝置(2a，2b，20)產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(B)中。
8.按照以上權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在一個(gè)第三工作狀態(tài)中a)液態(tài)金屬(3)沿相反的移動(dòng)方向(-X)移動(dòng)到至少一個(gè)第三位置(X13，X3)，并且b)液態(tài)金屬(3)在所述至少一個(gè)第三位置(X13，X3)中與一個(gè)絕緣子(8)串聯(lián)，從而形成一個(gè)用于通過裝置(1)斷路的絕緣段(32)，并且c)特別是第三工作狀態(tài)通過一個(gè)關(guān)斷指令被觸發(fā)，并且液態(tài)金屬(3)通過一個(gè)具有可切換的外磁場(B)的電磁驅(qū)動(dòng)或通過一個(gè)機(jī)械的，具有一種介電流體的驅(qū)動(dòng)裝置(12)，特別是通過一個(gè)氣體驅(qū)動(dòng)裝置(12)被移動(dòng)。
9.一種用于電流限制的裝置(1)，特別是用于執(zhí)行按照前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，該限流裝置(1)具有固態(tài)電極(2a、2b)和一個(gè)具有至少一個(gè)用于液態(tài)金屬(3)的通道(3a)的容器(4)，其中，在第一工作狀態(tài)中，在固態(tài)電極(2a、2b)之間存在一個(gè)用于通過限流裝置(1)的工作電流(I1)的第一電流路徑(30)，并且該第一電流路徑(30)至少部分地通過第一位置(X1)的液態(tài)金屬(3)，其中，存在具有可預(yù)先設(shè)定的電阻抗(Rx)的電阻裝置(5)，存在用于把液態(tài)金屬(3)沿電阻裝置(5)的移動(dòng)方向(X)移動(dòng)和定位到至少一個(gè)第二位置(X12、X2)的定位裝置(3a，20，B，12，11)，并且在第二操作狀態(tài)，所述液態(tài)金屬至少部分地與電阻裝置(5)串聯(lián)，并與電阻裝置(5)一起形成一個(gè)第二電流路徑(31)，在該第二電流路徑上，工作電流(I1)可被限制到待限制的電流(I2)，其特征在于，電阻抗(Rx)設(shè)計(jì)為第二位置(X12)的函數(shù)(Rx(X12))，并且定位裝置(3a，20，B，12，11)具有液態(tài)金屬(3)沿移動(dòng)方向(X)的行程/時(shí)間特性，使得a)在液態(tài)金屬(3)的每個(gè)第二位置(X12，X2)，電阻抗(Rx)和電流(I2)的乘積小于液體金屬(3)和固態(tài)電極(2a，2b)以及中間電極(2c)之間的電弧點(diǎn)燃電壓(Ub)；b)獲得足夠的限流梯度來對(duì)付電網(wǎng)造成的短路電流(I(t))。
10.按照權(quán)利要求9所述的設(shè)置，其特征在于，為了獲得柔和的關(guān)斷特性，電阻裝置(5)具有用于第二電流路徑(31)的電阻抗(Rx)，該電阻抗(Rx)沿液態(tài)金屬(3)的移動(dòng)方向(X)非線性升高。
11.按照權(quán)利要求9或10所述的設(shè)置，其特征在于，a)所述電阻裝置(5)是純電阻性的，并且所述電阻(Rx)隨第二位置(X12，X2)連續(xù)升高；和/或b)電阻抗(Rx)作為第二位置(X12，X2)的函數(shù)(Rx(X12))首先超比例地隨第二位置(X12)升高，隨后在一個(gè)其間存儲(chǔ)在電網(wǎng)電感中的能量須被吸收的階段中線性地隨第二位置(X12)升高，并且隨后在一個(gè)其間短路電流(I(t))已被限制，并且更大的電阻抗(Rx)變得可容忍的范圍中重新過度到第二位置(X12)的超比例升高函數(shù)(Rx(X12))。
12.按照權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)所述的設(shè)置，其特征在于a)電阻裝置(5)包括一個(gè)介電矩陣(5)，該矩陣具有壁式的，用于介電地隔離用于液態(tài)金屬(3)的通道(3a)的隔片(5a)，并且這些隔片(5a)具有一種介電材料，該材料具有沿移動(dòng)方向(X)非線性升高的阻抗(Rx)，并且這些隔片(5a)在液態(tài)金屬(3)的第一位置(X1)的高度上具有用于導(dǎo)電地連接通道(3a)的中間電極(2c)，和/或b)存在一個(gè)用于容納液態(tài)金屬(3)和用于提供一個(gè)用于關(guān)斷電流的絕緣段(32)的收集容器(3b)，和/或c)存在一個(gè)用于把液態(tài)金屬(3)充填到通道(3a)中并用于重新接通裝置(1)的液態(tài)金屬輸送裝置(3c)。
13.按照權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的設(shè)置，其特征在于定位裝置(3a，20，B，12，11)包括通道(3a)和一個(gè)用于液態(tài)金屬(3)的驅(qū)動(dòng)裝置(20，B，12，11)，特別是一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)裝置(20，B，11)或一個(gè)機(jī)械的，具有一種介電流體的驅(qū)動(dòng)裝置(12，11)，通過該機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置，液態(tài)金屬(3)可在用于工作電流(I1)的第一電流路徑(30)和用于限流的第二電流路徑(31)及特別是一個(gè)用于斷流的絕緣段(32)之間移動(dòng)。
14.按照權(quán)利要求9至13之一所述的裝置，其特征在于，a)用于工作電流(I1)的第一電流路徑(30)、用于限流的第二電流路徑(31)、和特別是一個(gè)用于斷流的絕緣段(32)是基本上垂直于移動(dòng)方向(X)和/或基本上相互平行地設(shè)置的，和/或b)至少一個(gè)用于斷流的絕緣段(32)設(shè)在第二電流路徑(31)的上方和/或第一電流路徑(30)的下方。
15.一種電氣開關(guān)設(shè)備，特別是高壓開關(guān)設(shè)備或中壓開關(guān)設(shè)備，其特征在于權(quán)利要求9至14任一項(xiàng)所述的裝置(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于限流的方法和裝置以及一種具有這樣的裝置(1)的開關(guān)設(shè)備。按照本發(fā)明，液態(tài)金屬(3)沿一個(gè)用于限流路徑(31)的電阻元件(5)被導(dǎo)引，以便達(dá)到無電弧的，用于電網(wǎng)造成的斷路電流(I(t))的限流。實(shí)施例涉及一個(gè)沿液態(tài)金屬(3)的方向X非線性升高的，用于柔和的限流特性的電阻抗(RX)，一個(gè)以一個(gè)介電矩陣用于液態(tài)金屬(3)的通道(3a)的矩陣(5)的形式出現(xiàn)的電阻元件(5)和一個(gè)聯(lián)合的限流器斷路器(1)。優(yōu)點(diǎn)是無電弧的，可逆的限流和斷流，也適于高的電壓和電流，快的反應(yīng)時(shí)間，少的磨損和便于維護(hù)。
文檔編號(hào)H01H53/08GK1820341SQ200480019691
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2004年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
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