用自动限流器限流的方法和装置的制作方法
专利名称：用自动限流器限流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电气开关设备的主要技术，特虽是高压、中压或低压开关设备中限制故障电流的主要技术。本发明基于一种独立权利要求的前叙部分所述的限流方法和装置及一种具有该装置的开关设备。
背景技术：
DE4012385A1公开了一种电流控制的断路装置，其工作原理基于具有液态金属的收缩效应。在两个固态金属电极之间设有单个的充填有液态金属的窄的通道。在有过电流时，液态的导体由于电磁力通过收缩放应被收缩，使电流本身收缩和分离液态的导体。被排挤的液态金属被收集在一个贮备容器中并在出现过电流之后重新流回。触点的分离是在没有电弧的情况下进行的。但是该装置只适于较小的电流，小的电压和长的断开时间并且不提供持续的断路状态。
DE2652506公开了一种电气的具有液态金属的强电流开关。一方面，一种用于润湿固态金属电极和用于减少接触阻抗的液态金属混合物被使用。其中，液态金属通过机械的排挤，譬如通过活动的触点或气动的浸液活塞逆向重力地被驱入接触间隙中。通过按其一个导电的导体通过流过该导体的电流径向紧缩的收缩效应，液态金属可附加地被稳定和固定在接触间隙中。外磁场和漏磁通量(譬如由电引起)可在液态金属中造成流动的不稳定性并被屏蔽，并且根据情况在关断时被允许，以便支持在液态金属中对电弧的熄灭。这样做的缺点是，分层次的限流是不可能的并且固态电极之间的电弧在液态金属中造成氧化。该强电流开关的结构包括用于液态金属，惰性气体或真空的密封并且是相当昂贵的。
DE19903939A1公开了一种具有液态金属的自恢复的限流装置。在两个固态金属电极之间设有一个耐压的绝缘箱，在该绝缘箱中，液态金属设在压缩机室和位于其间的连接这些压缩机室的连接通道中，使固态电极之间有了一个用于额定电流的电流路径。在这些连接通道中的电流路径比压缩机室中的电流路径狭窄。在有短路电流时，这些连接通道被强烈加热并发出气体。液态金属通过连接通道中雪崩式的气泡形成汽化到压缩机室中，使一个限流的电弧在现被排空了液态金属的连接通道中被点燃。在过电流衰减后，液态金属可重新冷凝并且电流路径重新准备工作。
在WO00/77811中公开了一种自恢复的限流装置的进展形式。连接通道是向上锥形地扩宽的，使液态金属的液面高度可被改变并且额定电流承受能力可大区域地被改变。此外，一个曲折形的电流路径通过连接通道的错位布局被形成，使一系列限流的电弧在液态金属的过电流造成的汽化时被点燃。这种收缩效应限流器需要在压力和温度方面有很稳定的设计，这在设计上是很费事的。通过借助电弧限流，在限流器内出现大的磨损，并且燃烧残余可能污染液态金属。通过液态金属在短路过后马上再冷凝，又建立一个导电的状态，使断路状态不存在。
GB1206786公开了一种按照独立权利要求的前叙部分所述的基于液态金属的强电流电气开关。液态金属在一个第一位置中形成一个用于工作电流的电流路径并且在开关电流时沿电阻元件被导向并被置入一个第二位置，液态金属在该第二位置中与电阻元件串联并把电流减少到很小一部份上。该强电流开关是为了生成高强度的，兆安和亚毫秒区域中的电流脉冲和用于生成等离子设计的。
US4599671公开了一种如独立权利要求的前叙部分所述的自动限流的电气装置。一个活动电极以一个可在轨道上移动的滑板的形式实现，该滑板可通过短路电流电磁地偏转。在被偏转的状态中，滑板接触一个具有限流电阻抗的轨道区域。替代可移动的滑板，一个在一个通道中容易移动的液态金属体也可用作活动电极。所述的限流器不具有断路状态，而是与一个断路开关串联，以便先限制电流然后完全关断电流。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于改善和简化限流和断流的方法和装置，及具有一个这样的装置的电气开关设备。按照本发明，上述任务通过独立权利要求的特征实现。
一方面，本发明在于一种用一个限流装置限流的方法，该限流装置包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态，工作电流在固体电极之间通过限流装置的第一电流路径上被导向，并且该第一电流路径至少部分地通过第一位置中的液态金属，其中，该至少一个活动电极在第二工作状态通过与待限制的电流的电磁交互作用沿移动方向被移动到至少一个第二位置中，在从第一位置向第二工作位置的过渡时，该活动电极沿一个电阻元件被导向，并在至少一个第二位置中与该电阻构建串联，从而形成一个通过限流装置限流的第二电流路径，该限流的第二电流路径具有一个可预先给定的电阻抗，其中，该活动电极还在一个第三工作状态与一个绝缘子串联，从而形成一个用于通过装置断路的绝缘段。按照本发明，提供了一个特别简单的，用于一个自动限流的开关或集成开关的限流器的布局。过电流本身触发限流。譬如在一个磁场中作用到一个导电的导体上的劳伦兹力作为基础的电磁交互作用，但是过电流对活动的导体段或对活动电极的电容的、感应的、静电的或其它的电磁作用也是可以想象的。由于在限流的情况下，不是绝缘子，而是一个电的阻抗与该活动电极接触，所以没有电弧被点燃。因此，该限流方法也可在很高的电压电平时被采用。此外，几乎不出现由烧损或活动电极的腐蚀造成的磨损。限流是可逆地进行的，因此便于保养和费用合理。
在第一实施例中，第三工作状态由一个关断指令触发，通过该关断指令，一个外磁场在装置作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
在另一实施例中，活动电极在第三工作状态沿相反移动方向移动到至少一个第三位置，并在该至少一个第三位置与绝缘子串联。
在另一实施例中，该活动电极通过与待限制的过电流的电磁的交互作用沿电阻元件被导引至一个极值的第二位置，其中，该极值的第二位置处在一个在其处电阻元件过渡到一个绝缘子的区域中，使所述的或另一个用于断流的绝缘段被形成。
在另一实施例中，为了达到柔和的关断特性，选择具有随活动电极的沿移动方向非线性升高的电阻抗的电阻元件用于第二电流路径，和/或该电阻元件是欧姆的，并且该电阻抗渐进地随第二位置升高。从而实现柔和的用于累加限流的限流特性。
权利要求6所述的实施例的优点是磁场直接作用到有电流流过的活动电极上，并且该电极通过劳伦兹力驱动。该劳伦兹力与磁场强度和电流的乘积成比例。该磁场可能是外部的，特别是恒定的或可转换的，或内部的，特别是由待限制的电流产生的。通过对劳伦兹力和一个适宜的复位力的均衡，结果得出的移动可与待限制的过电流和所需的电阻抗要求的电极偏转相匹配。
权利要求7提供了用于优化设计限流过程的动力学的设定准则。
权利要求8和9提供了优选的，具有一种液态金属和/或一种作为活动电极的滑动触点的固体导体的实施例。特别是通过液态金属体交替地与一种电介质串联，也可有效地和可靠地使用高电压和高电流。
另一方面，本发明涉及一种用于限流的，特别是用于实施上述方法的装置，包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态，在固定电极之间有一个用于通过限流装置的工作电流的第一电流路径，并且该第一电流路径至少部分地通过第一工作位置中的移动的电极。其中，存在用于在有过电流时把活动电极沿一个移动方向自行移动到至少一个第二位置的电磁驱动装置，存在具有可预先给定电阻抗的电阻元件，并且该活动电极在第二工作状态至少部分地与该电阻元件串联，并与该电阻元件一起形成第二电流路径，在该第二电流路径上，工作电流可限制到一个待限制的电流，其中，该活动电极在第三工作状态中与一个绝缘子串联，从而形成一个用于通过装置断路的绝缘段。
根据从属的的权利要求以及以下的描述和附图，得出来发明的其他实施形式、优点和应用。
图1a、1b示出本发明的具有液态金属的，在额定电流操作和在限流情况下的自操作限流装置。
图2、3示出本发明的具有机械的滑动触点，在额定电流操作(点划线)和在限流情况下的两个自操作限流装置。
图4示出本发明的具有用于液态金属的收集机构、在额定电流操作的自操作限流开关。
图5示出作为液态金属体位置的函数的限流器阻抗变化曲线图。
图6示出具有用于液态金属的外磁场驱动装置的组合液金属型限流器和液态金属型断路器。
在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。
具体实施例方式
图1a、1b示出液态金属型限流器1的一个实施例。限流器1包括固态金属电极2a、2b和用于电流源20的中间电极2c及一个用于液态金属3的容器4。容器4有电绝缘材料构成的底6和盖6，在底和盖之间设有一个具有至少一个用于液态金属3的通道3a的电阻抗装置5。在液态金属体上方可譬如设有一种保护气体，一种绝缘液体(具有图中未示出的备用体积)或真空。
按照本发明，液态金属3或概括地说一个活动电极3通过与待限制的过电流电I2自动的电磁交互作用被驱动。在液态金属3的情况下，该液态金属保持液态的聚合状态，并通过强制的移动任意地在不同的位置x1、x12或x2之间移动。其中没有利用收缩效应。由此可以达到低至1ms的快速限流反应时间。除了额定电流路径30和限流路径31，还有一个绝缘段32。
第二工作状态通过电流I2自动地被激活，即有电流通过的活动电极3通过电磁力Fmag被移动，该电磁力垂直于通过该活动电极的电流I2并垂直于一个磁场Bext，Bint，并且该电磁力具有一个平行于移动方向x的分力。其中，磁场Bext，Bint被选择为一个外部磁场Bext和/或一个由通往限流装置1的电流输送装置2a、2b；20生成的内部磁场Bint。替代劳伦兹力，另一自动的、与过电流I2的电磁交互作用，譬如一个电容的、电感的、静电的或其他的交互作用可用于限流。其中，自动意味着活动电极的移动是在没有有源电源测量和有源调节技术的情况下被触发和控制的。
在第一工作状态(图1a)，工作电流或额定电流I1在第一电流路径或者说在额定电流路径30上从输入电极2a经由液态金属3和根据情况经由中间电极2c流往输出电极2b。此时，液态金属3处在第一位置x1中，至少部分地润湿固定的电极2a、2b、2c并导电地桥接通道3a。在第二工作状态中(图1b)，液态金属3沿由通道3a的高度走向给定的移动方向移动到第二位置x2，在该第二位置与介电的电阻装置5串联并且该电阻装置一起形成待限制的电流I2的第二电流路径，或者说限流路径31。为了特别紧凑的布局，额定电流路径30和限流第二电流路径31相互平行地设置，并且两者垂直于通道3a的高度走向，在一个可变的由液态金属3的第二位置x12，x2预先给定的高度处设置。
电阻装置5最好包括一个介电矩阵5，该矩阵具有用于介电隔离多个用于液态金属3的通道3a。其中，隔片5a具有一种其阻抗Rx沿移动方向x升高，并优选地非线性升高的介电材料。隔片5a是电阻元件5的单个电阻5a，具有沿通道高度升高的并优选地非线性升高的电阻抗Rx。在液态金属3的第一位置x1的高度处，隔片5a应具有用于导电连接通道3a的中间电极2c。通道3a优选地基本上相互平行地设置。从而由充填有液态金属3的通道区域3a和作为电阻元件5的以其长度累加的和非线性累加的单个电阻5a起作用的隔片5a的交替串联形成限流的第二电流路径31。
在图2和图3所示实施例中，活动电极3、3’包括具有至少一个滑动触点2d的固体导体3’，并且在第一工作状态中与固定的电极2a，2b电连接，在第二工作状态中至少一侧与电阻元件5电连接，在第三工作状态中至少一侧与绝缘子8电连接。固体导体3基本上由轻金属和/或由轻结构的譬如由涂敷有金属的软木制成，和/或用于减少摩擦的滑动触点2a是用液态金属润湿的。图2所示的实施例中，固体导体3在其一端可转动地与输入电极2a相连，并在另一端用滑动触点可滑动地沿圆弧形的电阻元件5移动。图3所示的实施例中，固体导体3，3’在两端上具有滑动触点2d，并在电阻元件5的壁式电阻5a之间像一个悬梁一样在其整个长度上可通过电磁的交互作用逆着复位力Fr，特别是逆着重力升高。滑动触点2d的行程位置l1，l12，l2，相当于液态金属体3的前述的第二位置x1，x12，x2。极值的第二位置l12可位于电阻元件5过渡到一个绝缘子8的区域内，从而形成一个用于断流的绝缘段32。
在从第一位置x1，l1向第二位置x12，x2，l12，l2，特别是向一个极值的第二位置x2，l2过渡时，液态金属3或具有滑动触点2d的固定导体3沿电阻元件5被导向。为了获得柔和的限流或断路特性，电阻元件5具有一个沿活动电极3，3’的移动方向x、l非线性升高的用于第二电流路径31的电阻抗Rx，R1。电阻元件5应具有一个欧姆分量，且最好是纯欧姆的，该阻抗连续地随第二位置x12，x2，l12，l2升高。为了无电弧地从固定电极2a，2b，2c向电阻元件5传递电流i(t)，与触点材料有关的电弧点燃电压不应被超过，该电压最小为10伏至20伏。
也可相继设置两个具有反相有效地触发电极移动的装置的限流器1，以便在每个电流半波中达到限流和可选地达到断流。
图4示出了限流器1的一个派生形式，其中，提供一个用于容纳液态金属3的和提供用于断流的绝缘段32的收集容器3b。此外，如图所示，也可有一个用于把液态金属3充填到通道3a中并重新接通装置1的液态金属供给装置3c。还有一个绝缘段32，附加于额定电流路径30和限流路径31。在该绝缘段32上，用于限流的隔片5a过渡到用于电流绝缘的隔片8a。绝缘隔片8a基本上由绝缘材料组成，优选地设在收集容器3c的区域中，并与排空了被收集的液态金属3的通道一起形成绝缘段32。在该情况下，液态金属3可在额定电流路径30、限流路径31和绝缘段32之间移动，从而实现了一个基于液态金属的限流的开关1。用于工作电流I1的第一电流路径30，用于限流的第二电流路径31和绝缘段32有利地基本上垂直于移动方向x，和/或基本上相互平行地设置。这样可以获得一个用于集成的、仅用液态金属3工作的限流器-断路器1的特别简单的布局。
图5示出限流的开关1的活动电极3，3’的作为第二位置x12，x2的电阻抗Rx、R1的规格设定。达一个极值的第二位置x2，l2的阻抗Rx，R1非线性升高地，有利地被选到一个最大值Rx(x2)，Rx(l2)上。对于一个给定的电压电平，电阻抗Rx，R1也应根据待限制的电流I2被设定到一个有限的值上或为了关断工作电流I，被设定到一个介电的绝缘值上。
作为第二位置x12，l12的函数Rx(x12)，R1(l12)的电阻抗RxR1以及活动电极3沿移动方向x，l的行程-时间特性x12(t)l12(t)应如此地被选择，使得电阻抗RxR1和电流I2的乘积在活动电极3，3’的每个第二位置x12、x2、l12、l2中小于在活动电极3，3’和固定的电极2a，2b及根据情况中间电极2c之间的电弧点燃电压Ub和/或使用于对付电网造成的短路电流I(t)的限流的足够陡度被达到。
在所有的前述实施例中，电磁互动装置2a，2b，20；11；Bint，Bext包括用于产生磁场Bint，Bext的磁场装置2a，2b，20；11；磁场Bint，Bext把具有一个平行于移动方向x，1的分量的劳伦兹力Fmag作用到被电流I1，I2流过的活动电极3，3’上，使活动电极3，3’是可在用于工作电流I1第一电流路径30、用于限流的第二电流路径31、和用于断流的绝缘段的32之间移动的。磁场装置2a，2b，20；11可包括一个通往限流装置1的电流供给装置2a，2b，20，以便产生一个内部的，与待限制的过电流I2有关的磁场Bint。此外，磁场装置2a，2b，20；11可包括用于产生外部可调的和特别是可转换的磁场Bext的装置11。
以上参考图5对液态金属型限流器1的规格设定进行了举例性讨论。为了对付短路，一个与电网参数和待分离的触点2a，2b的击穿特性有关的限流阻抗Rx是必要的。短路电流I(t)的陡度越大，则Rx须被选得越低。在最不利的情况下，可以假设最大的短路电流幅值和最大的短电流电感，适用的则为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＝时间变量，L＝在短路情况下的电网电感，UN＝工作电压或电网电压，d/dt等于一阶时间导数，d2/dt等于二阶时间导数。在方程式2中假设，电网中的阻抗Rnet2＜＜L，并且短路时电网电压UN被维持。此外，用于具有质量m、位置或偏转x12(t)，摩擦系数和驱动力F的液态金属3的移动方程式3则为m·d2x12/dt2+α·dx12/dt(t)＝F-Fr (方程式3)其中，F＝复位力，特别是Fr＝Fg+Fcap，其中，Fg＝m·g等于万有引力，其中m＝液态金属3的质量，和g＝重力加速度，Fcap等于毛细力。
在图5中譬如假设电磁的劳伦兹力F＝Fmag，该劳伦兹力通过待限制的电流I(t)的白交互作用被施加到液态金属3上，则另外适用的是F＝K·i2(t) (方程式4)其中K＝与几何形状相关的比例常数。在外部磁场B中，F＝K’·i(t)，其中K’＝其它的比例常数。确切地说，K和K’与限流器的几何形状，特别是与电阻元件5的以及电流路径30，31的和绝缘段32的几何形状和设置位置有关，并与磁场介质2a，2b，20的设计位置有关。
在图5中假设短路造成的电流陡度di/dt＝15千安/毫秒，UN＝1千伏，I1＝1千安，最大的短路电流I2＝50千安，以及K，M和α的似然的参数值。通过在边界条件下对方程式2-4的解得出阻抗Rx(t)和液态金属3的行程-时间特性x12(t)，并通过抵消与时间的关系最后得出作为第二位置x12的函数的阻抗x12，如图5中的对数图所示。从第一位置出发，即在液态金属3脱离固定电极2a，2b，2c时，Rx先是超比例地随第二位置x12升高，然后在一个其间存储在电网电感L中的能量须被吸收的阶段线性地升高，在一个其间电流i已被限制的并且更高的Rx变得可被容忍的区域中重新过渡到更陡的，即超比例的升高Rx(x12)中。
限流器1的总阻抗在第一工作状态中在通过液态金属段3的额定电流I操作时被确定，从而通过提供一个适宜的液态金属横截面积可被确定到可预先给定的值。限流器1的最大的阻抗Rx(x12)可通过电阻材料的选择和通过其几何形状根据所希望的电压电平和最大允许的过电流I2设定。
特别是一个随路段x非线性升高的阻抗Rx可通过具有不同电阻率的材料实现。一个非线性升高的总阻抗Rx也可以通过在具有均匀电阻率的电阻元件中采用适当几何形状的电阻路径实现。阻抗Rx的非线性的级配也可通过两个措施的结合，即通过在一个具有可变的电阻率的电阻元件中采用适当几何形状的电流路径被达到。
如果电磁驱动力Fmag超过复位力FR，则出现自其出发限流装置1被激活的阈值电流ith。在图1a，1b，4和6所示的实施例中，复位力Fr＝Fg+Fcap·Fth可从中被估算出，即Ith＝[(Fg+Fcap)/K]1/2(方程式6)在毛细力Fcap可忽略不计且磁场通过一个线圈几何形状产生的最简单的情况下，则Ith＝[(A.g.d.ρ)/(μ.N)]1/2(方程式7)
其中，A＝液态金属通道3a的横面积，ρ＝液态金属3的质量密度，d＝电流输送装置2a，2b，20中产生磁场的线圈的长度，μ＝在线圈中或在液态金属中的导磁率，并且N＝线圈的匝数。达全限流的，即图1b(或还有图2或图3)所示的终点位置时的反应时间tμ可通过把磁场装置2a，2b，20，11和复位力Fg，fcap适当设定到可预先给定的值上而获得。图1b示出了液态金属3在限流情况下的位置，基于变得有效的限流，电磁力Fmag下隆到液态金属3上，并且液态金属3在重力作用下重新流回到电极2a，2b，2c之间的原始位置，重新接通时间td在假设毛细力Fcap和电磁力Fmag在有被限制了的电流i时是可忽略不计的情况下可被估算出td＝[(2，h)/g]1/2(方程式8)其中，h＝x2-x1＝液态金属通道3a的高度，重新接通时间td可通过按不同的应用场合的要求适当设计限流器来适配。特别是影响通道高度和毛细的参量，如通道的横面积，通道的几何形状和通道的表面性质以及液态金属了的类型可相应地被选择。
在对限流器1的热工设计计算中须注意的是，由于短的反应时间和短的重新接通时间，电阻元件不能有效地被冷却。损耗的能量Eloss加热限流器1。温升ΔT近似为ΔT＝Eloss/(A.1.ρ’.c’) (方程式9)其中，A＝液态金属通道3a的横截面积，1＝限流器1或电阻元件5的总长度，ρ’＝限流器1的平均质量密度，和c’＝限流器1的平均热容量。在阻力限流的本案中，损耗能量Eloss远小于通过电弧的限流时的损耗能量，被分布了的，矩阵式的电阻元件5的一个主要的优点还在于，损耗能量Eloss很均匀分布在限流器1的容积的上方，因而全部的热物质或热容量可据此尽量被用于吸收损耗能量Eloss。
图6示出了一个联合的具有用于液态金属3的电磁驱动装置2a，2b，20；11；Bint；Bext的液态金属型限流器1和液态金属型断路器1。磁场Bint可在内部通过输入或输出的电流导体20和/或优选地通过在其磁场方向方面可转换的外部磁场Bext产生。当液态金属3沿正方向x移动时，电流I在限流路径31上被导引，并如上所述被限制；替我地，液态金属3在第三工作状况可沿相反的移动方向-x移动到至少一个第三位置x3，x13中，其中，液态金属3在该至少一个第三位置x13，x3中与一个绝缘子串联，并且一个用于通过装置1断路的绝缘段32据此被形成。如图所示，该绝缘段32可以是由多个绝缘隔片8a在断路情况下与被向下移的液态金属体3交替串联形成。
图3以虚线的形式示出了一个可移动地悬挂的固体导体3的负的偏转1和位置113，13的相仿的情况。第三工作状态特别是通过一个通过其外部的磁场Bext在作为限流器和作为断路器的装置1的操作之间转换的断路指令被触发。作为液态金属3，譬如水银、录、镓铟、锶是适宜的。
至少一个用于断流器的绝缘段32有利地在第二电流路径31的上方和/或在第一电流路径30的下方设置。液态金属3和其驱动机构12的相对于待转换的电流，特别是，相对于额定电流路径30、限流路径31和断流路径32的紧凑的布局据此被实现。如前所述，在图6中所示的限流器1也可以是作为限流的开关1设计的。
装置1的应用涉及在供电电网中作为限流器，限流开关和/或断路器1，作为自恢复的安全装置或电机启动器的应用。本发明还包括一种电气的开关设备，特别是一种其特征在于具有上述装置1的高压开关设备或中压开关设备。
部件列表1液态金属限流器2a、2b固态金属电极，金属盘，静止电极2c中间电极2d阻抗随路径变化的机械滑动接触20电流源，电流导体3液态金属3a液态金属通道3b液态金属收集容器3c液态金属供应30操作电流的电流路径，第一电流路径31限制电流的电流路径，第二电流路径32电流中断路径，隔离段4液态金属容器5限流电阻元件，液态金属的电阻矩阵5a单个电阻6容器盖，容器壁，绝缘子8电流中断绝缘子8a单个绝缘子9柔性薄膜10液态金属供应阀11磁场控制器124反向压力容器，收集气体容积α摩擦系数Bext，Bint外部、内部磁场Fmag磁力Fr复位力
i电流I1操作电流I2限制的过电流k比例常数l，l1，l2，l12，l3，l13滑动接触位置L线路电感P1、P2、P3气体压力Q，Q’液态金属体电流路径的横截面积Rx，R1限流器电阻t时间变量Ub电弧点燃电压UN线路电压，工作电压V1、V2、V3气体体积x、x1、x2、x12、x3、x13液态金属体的位置。
权利要求
1.一种用限流装置(1)限流的方法，该限流装置包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3’)，其中，在位于固定的电极(2a，2b)之间的第一工作状态，工作电流(I1)在一个通过限流装置(1)的第一电流路径(30)上被导向，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过一个第一位置(x1，l1)的活动电极(3，3’)，在第二工作状态，至少一个活动电极(3，3’)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁交互作用沿移动方向(x，l)被移动到至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)，该活动电极(3，3’)在从第一位置(x1，l1)向第二位置(x12，x2，l12，l2)过渡过程中，沿一个电阻元件(5)被导向，并且在至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)与该电阻元件(5)串联，从而形成一个通过限流装置(1)的限流的第二电流路径(31)，该第二电流路径(31)具有可预先给的电阻抗(Rx，R1)，其特征在于，在第三工作状态中，活动电极(3，3’)与一个绝缘子(8)串联，从而形成一个用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第三工作状态通过一个关断指令被触发，通过该指令，一个外部的磁场在装置(1)作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
3.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在该第三工作状态中1)活动电极(3，3’)沿一个相反的移动方向(-x，-l)被移动到至少一个第三位置(x12，x2，l13，l3)，并且2)该活动电极(3，3’)在至少一个第三位置(x12，x2，l13，l3)中与所述的绝缘子(8)串联。
4.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于1)该活动电极(3，3’)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁交互作用沿所述的电阻元件(5)被导向一个极值的第二位置(x2，l2)；2)该极值的第二位置(x2，l2)位于一个在其中电阻元件(5)过渡到所述的绝缘子(8)的区域内，从而形成用于断流的绝缘段(32)。
5.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，1)为获得柔和的关炀特性，选择具有沿活动电极(3，3’)的移动方向(x，l)非线性升高的电阻抗(Rx，R1)的电阻元件(5)用于第二电流路径(31)；2)所述的电阻元件(5)是欧姆，并且电阻抗(Rx，R1)沿第二位置(x12，x2，l12，l2)连续升高。
6.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于。1)所述第二工作状态由过电流(I2)自动地激活，即当前有电流通过的活动电极(3，3’)被垂直于通过活动电极(3，3’)的电流(I2)并垂直于一个具有平行于移动方向(x，l)的分量的磁场(Bext，Bint)的电磁力(Fmag)移动，2)所述的磁场(Bext，Bint)被选作一个外部的磁场(Bext)和/或被造作一个由通往限流装置(1)的电流馈送装置(2a，2b；20)产生的内部磁场(Bint)。
7.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为第二位置(x12，l12)的函数(Rx(x12)，R1(l12))的电阻抗(Rx，R1)以及活动电极(3，3’)沿移动方向(x，l)的行程/时间特性(x12(t))这样选择，使得1)在活动电极(3，3’)的每个第二位置(x12，x2，l12，l2)，电阻抗(Rx，R1)和电流(I2)的乘积小于活动电极(3，3’)和固定电极(2a，2b)和可选地中间电极(2c)之间的电弧点燃电压(Ub)；和/或。2)实现足够的限流陡度来对付电网造成的断路电流(i(t))。
8.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于。1)活动电极(3，3’)包括一种液态金属(3)，该液态金属(3)位于所述限流装置(1)的至少一个通道(3a)中，并可沿位于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)的垂直走向移动，并且2)特别是多个通道(3a)是通过壁式隔片(5a，8a)相互隔离，所述的隔片在第一电流路径(30)的区域中具有用于传递工作电流(I1)的中间电极(2c)，在第二电流路径(31)的区域中具有电阻元件(5)的单个电阻(5a)，并在绝缘段(32)的区域中过渡到用于电流绝缘隔片(8a)中。
9.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，1)所述的活动电极(3，3’)包括具有至少一个滑动触点(2a)的固态导体(3’)，并且在第一工作状态，固定的电极(2a，2b)在第二工作状态中至少一侧与电阻元件(5)电气相连，并在第三工作状态中至少一侧与绝缘子(8)电气相连，2)特别是其中固体导体(3)是基本上由轻金属和/或以轻结构的形式制作的，和/或用于减少摩擦的滑动触点以液态金属润湿。
10.一种限流装置(1)，特别是用于实施以上权利要求之一所述的方法，包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3’)，在第一工作状态中，在固定的电极(2a，2b)之间存在一个用于通过工作电流(I1)的第一电流路径(30)，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过处在第一位置(x1，l1)中的活动电极(3，3’)，其中，存在用于在有过电流(I2)时自动将活动电极(3，3’)沿移动方向(x，l)移动到至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)中的电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)，存在具有可预先给定的电阻抗(Rx)的电阻装置(5)，并且活动电极(3，3’)在第二工作状态中至少部分地与上述电阻装置(5)串联，并且与这些电阻装置一起形成一个第二电流路径(31)，在该第二电流路径上，工作电流(I1)可限制到一个待限制的电流(I2)，其特征在于，活动电极(3，3，)在一个第三工作状态中与一个绝缘子(8)串联，从而存在一个用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
11.按照权利要求10所述的装置(1)其特征在于，所述电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)包括用于产生磁场(Bint，Bext)的磁场装置(2a，2b，20；11)，该磁场(Bint，Bext)把一个具有平行于移动方向(x，l)的分量的劳伦兹力(Fmag)施加到电流(I1，I2)流过的活动电极(3，3’)上，使活动电极(3，3’)可在用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)之间移动。
12.按照权利要求10至11之一所述的装置(1)，其特征在于，1)所述的磁场装置(2a，2b，20；11)包括一个通往限流装置(1)的电流输送装置(2a，2b，20；)，以便产生一个与待限制的过电流(I2)有关的内部磁场(Bint)，和/或2)磁场装置(2a，2b，20；11)包括用于产生一个可调的外部磁场(Bext)的装置(11)。
13.按照权利要求10至12之一所述的装置(1)，其特征在于，1)磁场(Bext，Bint)是根据活动电极(3，3’)在第二电流路径(31)中的待限制的过电流和为此需要的行程/时间特性(x(T))，l(t))设计的，和/或2)电阻装置(5)为了无电弧的限流具有一个沿移动方向(x，l)直至一个极值的第二位置非线性介高的用于第二电流路径(31)的电阻抗(Rx，R1)。
14.按照权利要求10至13之一所述的装置(1)，其特征在于，1)所述的活动电极(3，3’)包括一种液态金属(3)，该液态金属(3)能过磁场装置(2a，2b，20；11)在液态的聚合状态中被移动，和/或2)所述的活动电极(3，3’)包括具有至少一个滑动触点(2d)的固体导体(3’)其中，固体导体(3’)通过磁场装置(2a，2b，20；11)逆向复位力(Fr)，特别是逆向重力地在单侧或双侧提高。
15.按照权利要求10至14之一所述的装置(1)，其特征在于1)用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)是基本上垂直于移动方向(x，l)，和/或基本上相互平行地设置的；2)所述的至少一个用于断流的绝缘段(32)设在第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。
16.一种电气开关设备，特别是高压开关设备或中压开关设备，其特征在于按权利要求10至15之一所述的装置(1)。
全文摘要
本发明涉及一种联合的限流和断路的方法和装置以及一种具有一个这样的装置(1)的开关设备。在本发明的联合的限流器－断路器(1)中，一个活动电极(3，3’)一方面为了限流，通过一个与过电流有关的电磁力F
文档编号H01H77/10GK1820340SQ200480019689
公开日2006年8月16日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月10日
发明者卡韦赫·尼亚耶什, 弗里德里希·柯尼希 申请人:Abb研究有限公司
技术领域：
本发明涉及用于电气开关设备的主要技术，特虽是高压、中压或低压开关设备中限制故障电流的主要技术。本发明基于一种独立权利要求的前叙部分所述的限流方法和装置及一种具有该装置的开关设备。
背景技术：
DE4012385A1公开了一种电流控制的断路装置，其工作原理基于具有液态金属的收缩效应。在两个固态金属电极之间设有单个的充填有液态金属的窄的通道。在有过电流时，液态的导体由于电磁力通过收缩放应被收缩，使电流本身收缩和分离液态的导体。被排挤的液态金属被收集在一个贮备容器中并在出现过电流之后重新流回。触点的分离是在没有电弧的情况下进行的。但是该装置只适于较小的电流，小的电压和长的断开时间并且不提供持续的断路状态。
DE2652506公开了一种电气的具有液态金属的强电流开关。一方面，一种用于润湿固态金属电极和用于减少接触阻抗的液态金属混合物被使用。其中，液态金属通过机械的排挤，譬如通过活动的触点或气动的浸液活塞逆向重力地被驱入接触间隙中。通过按其一个导电的导体通过流过该导体的电流径向紧缩的收缩效应，液态金属可附加地被稳定和固定在接触间隙中。外磁场和漏磁通量(譬如由电引起)可在液态金属中造成流动的不稳定性并被屏蔽，并且根据情况在关断时被允许，以便支持在液态金属中对电弧的熄灭。这样做的缺点是，分层次的限流是不可能的并且固态电极之间的电弧在液态金属中造成氧化。该强电流开关的结构包括用于液态金属，惰性气体或真空的密封并且是相当昂贵的。
DE19903939A1公开了一种具有液态金属的自恢复的限流装置。在两个固态金属电极之间设有一个耐压的绝缘箱，在该绝缘箱中，液态金属设在压缩机室和位于其间的连接这些压缩机室的连接通道中，使固态电极之间有了一个用于额定电流的电流路径。在这些连接通道中的电流路径比压缩机室中的电流路径狭窄。在有短路电流时，这些连接通道被强烈加热并发出气体。液态金属通过连接通道中雪崩式的气泡形成汽化到压缩机室中，使一个限流的电弧在现被排空了液态金属的连接通道中被点燃。在过电流衰减后，液态金属可重新冷凝并且电流路径重新准备工作。
在WO00/77811中公开了一种自恢复的限流装置的进展形式。连接通道是向上锥形地扩宽的，使液态金属的液面高度可被改变并且额定电流承受能力可大区域地被改变。此外，一个曲折形的电流路径通过连接通道的错位布局被形成，使一系列限流的电弧在液态金属的过电流造成的汽化时被点燃。这种收缩效应限流器需要在压力和温度方面有很稳定的设计，这在设计上是很费事的。通过借助电弧限流，在限流器内出现大的磨损，并且燃烧残余可能污染液态金属。通过液态金属在短路过后马上再冷凝，又建立一个导电的状态，使断路状态不存在。
GB1206786公开了一种按照独立权利要求的前叙部分所述的基于液态金属的强电流电气开关。液态金属在一个第一位置中形成一个用于工作电流的电流路径并且在开关电流时沿电阻元件被导向并被置入一个第二位置，液态金属在该第二位置中与电阻元件串联并把电流减少到很小一部份上。该强电流开关是为了生成高强度的，兆安和亚毫秒区域中的电流脉冲和用于生成等离子设计的。
US4599671公开了一种如独立权利要求的前叙部分所述的自动限流的电气装置。一个活动电极以一个可在轨道上移动的滑板的形式实现，该滑板可通过短路电流电磁地偏转。在被偏转的状态中，滑板接触一个具有限流电阻抗的轨道区域。替代可移动的滑板，一个在一个通道中容易移动的液态金属体也可用作活动电极。所述的限流器不具有断路状态，而是与一个断路开关串联，以便先限制电流然后完全关断电流。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于改善和简化限流和断流的方法和装置，及具有一个这样的装置的电气开关设备。按照本发明，上述任务通过独立权利要求的特征实现。
一方面，本发明在于一种用一个限流装置限流的方法，该限流装置包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态，工作电流在固体电极之间通过限流装置的第一电流路径上被导向，并且该第一电流路径至少部分地通过第一位置中的液态金属，其中，该至少一个活动电极在第二工作状态通过与待限制的电流的电磁交互作用沿移动方向被移动到至少一个第二位置中，在从第一位置向第二工作位置的过渡时，该活动电极沿一个电阻元件被导向，并在至少一个第二位置中与该电阻构建串联，从而形成一个通过限流装置限流的第二电流路径，该限流的第二电流路径具有一个可预先给定的电阻抗，其中，该活动电极还在一个第三工作状态与一个绝缘子串联，从而形成一个用于通过装置断路的绝缘段。按照本发明，提供了一个特别简单的，用于一个自动限流的开关或集成开关的限流器的布局。过电流本身触发限流。譬如在一个磁场中作用到一个导电的导体上的劳伦兹力作为基础的电磁交互作用，但是过电流对活动的导体段或对活动电极的电容的、感应的、静电的或其它的电磁作用也是可以想象的。由于在限流的情况下，不是绝缘子，而是一个电的阻抗与该活动电极接触，所以没有电弧被点燃。因此，该限流方法也可在很高的电压电平时被采用。此外，几乎不出现由烧损或活动电极的腐蚀造成的磨损。限流是可逆地进行的，因此便于保养和费用合理。
在第一实施例中，第三工作状态由一个关断指令触发，通过该关断指令，一个外磁场在装置作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
在另一实施例中，活动电极在第三工作状态沿相反移动方向移动到至少一个第三位置，并在该至少一个第三位置与绝缘子串联。
在另一实施例中，该活动电极通过与待限制的过电流的电磁的交互作用沿电阻元件被导引至一个极值的第二位置，其中，该极值的第二位置处在一个在其处电阻元件过渡到一个绝缘子的区域中，使所述的或另一个用于断流的绝缘段被形成。
在另一实施例中，为了达到柔和的关断特性，选择具有随活动电极的沿移动方向非线性升高的电阻抗的电阻元件用于第二电流路径，和/或该电阻元件是欧姆的，并且该电阻抗渐进地随第二位置升高。从而实现柔和的用于累加限流的限流特性。
权利要求6所述的实施例的优点是磁场直接作用到有电流流过的活动电极上，并且该电极通过劳伦兹力驱动。该劳伦兹力与磁场强度和电流的乘积成比例。该磁场可能是外部的，特别是恒定的或可转换的，或内部的，特别是由待限制的电流产生的。通过对劳伦兹力和一个适宜的复位力的均衡，结果得出的移动可与待限制的过电流和所需的电阻抗要求的电极偏转相匹配。
权利要求7提供了用于优化设计限流过程的动力学的设定准则。
权利要求8和9提供了优选的，具有一种液态金属和/或一种作为活动电极的滑动触点的固体导体的实施例。特别是通过液态金属体交替地与一种电介质串联，也可有效地和可靠地使用高电压和高电流。
另一方面，本发明涉及一种用于限流的，特别是用于实施上述方法的装置，包括固定的电极和至少一个活动电极，其中，在第一工作状态，在固定电极之间有一个用于通过限流装置的工作电流的第一电流路径，并且该第一电流路径至少部分地通过第一工作位置中的移动的电极。其中，存在用于在有过电流时把活动电极沿一个移动方向自行移动到至少一个第二位置的电磁驱动装置，存在具有可预先给定电阻抗的电阻元件，并且该活动电极在第二工作状态至少部分地与该电阻元件串联，并与该电阻元件一起形成第二电流路径，在该第二电流路径上，工作电流可限制到一个待限制的电流，其中，该活动电极在第三工作状态中与一个绝缘子串联，从而形成一个用于通过装置断路的绝缘段。
根据从属的的权利要求以及以下的描述和附图，得出来发明的其他实施形式、优点和应用。
图1a、1b示出本发明的具有液态金属的，在额定电流操作和在限流情况下的自操作限流装置。
图2、3示出本发明的具有机械的滑动触点，在额定电流操作(点划线)和在限流情况下的两个自操作限流装置。
图4示出本发明的具有用于液态金属的收集机构、在额定电流操作的自操作限流开关。
图5示出作为液态金属体位置的函数的限流器阻抗变化曲线图。
图6示出具有用于液态金属的外磁场驱动装置的组合液金属型限流器和液态金属型断路器。
在附图中，相同的部件具有相同的附图标记。
具体实施例方式
图1a、1b示出液态金属型限流器1的一个实施例。限流器1包括固态金属电极2a、2b和用于电流源20的中间电极2c及一个用于液态金属3的容器4。容器4有电绝缘材料构成的底6和盖6，在底和盖之间设有一个具有至少一个用于液态金属3的通道3a的电阻抗装置5。在液态金属体上方可譬如设有一种保护气体，一种绝缘液体(具有图中未示出的备用体积)或真空。
按照本发明，液态金属3或概括地说一个活动电极3通过与待限制的过电流电I2自动的电磁交互作用被驱动。在液态金属3的情况下，该液态金属保持液态的聚合状态，并通过强制的移动任意地在不同的位置x1、x12或x2之间移动。其中没有利用收缩效应。由此可以达到低至1ms的快速限流反应时间。除了额定电流路径30和限流路径31，还有一个绝缘段32。
第二工作状态通过电流I2自动地被激活，即有电流通过的活动电极3通过电磁力Fmag被移动，该电磁力垂直于通过该活动电极的电流I2并垂直于一个磁场Bext，Bint，并且该电磁力具有一个平行于移动方向x的分力。其中，磁场Bext，Bint被选择为一个外部磁场Bext和/或一个由通往限流装置1的电流输送装置2a、2b；20生成的内部磁场Bint。替代劳伦兹力，另一自动的、与过电流I2的电磁交互作用，譬如一个电容的、电感的、静电的或其他的交互作用可用于限流。其中，自动意味着活动电极的移动是在没有有源电源测量和有源调节技术的情况下被触发和控制的。
在第一工作状态(图1a)，工作电流或额定电流I1在第一电流路径或者说在额定电流路径30上从输入电极2a经由液态金属3和根据情况经由中间电极2c流往输出电极2b。此时，液态金属3处在第一位置x1中，至少部分地润湿固定的电极2a、2b、2c并导电地桥接通道3a。在第二工作状态中(图1b)，液态金属3沿由通道3a的高度走向给定的移动方向移动到第二位置x2，在该第二位置与介电的电阻装置5串联并且该电阻装置一起形成待限制的电流I2的第二电流路径，或者说限流路径31。为了特别紧凑的布局，额定电流路径30和限流第二电流路径31相互平行地设置，并且两者垂直于通道3a的高度走向，在一个可变的由液态金属3的第二位置x12，x2预先给定的高度处设置。
电阻装置5最好包括一个介电矩阵5，该矩阵具有用于介电隔离多个用于液态金属3的通道3a。其中，隔片5a具有一种其阻抗Rx沿移动方向x升高，并优选地非线性升高的介电材料。隔片5a是电阻元件5的单个电阻5a，具有沿通道高度升高的并优选地非线性升高的电阻抗Rx。在液态金属3的第一位置x1的高度处，隔片5a应具有用于导电连接通道3a的中间电极2c。通道3a优选地基本上相互平行地设置。从而由充填有液态金属3的通道区域3a和作为电阻元件5的以其长度累加的和非线性累加的单个电阻5a起作用的隔片5a的交替串联形成限流的第二电流路径31。
在图2和图3所示实施例中，活动电极3、3’包括具有至少一个滑动触点2d的固体导体3’，并且在第一工作状态中与固定的电极2a，2b电连接，在第二工作状态中至少一侧与电阻元件5电连接，在第三工作状态中至少一侧与绝缘子8电连接。固体导体3基本上由轻金属和/或由轻结构的譬如由涂敷有金属的软木制成，和/或用于减少摩擦的滑动触点2a是用液态金属润湿的。图2所示的实施例中，固体导体3在其一端可转动地与输入电极2a相连，并在另一端用滑动触点可滑动地沿圆弧形的电阻元件5移动。图3所示的实施例中，固体导体3，3’在两端上具有滑动触点2d，并在电阻元件5的壁式电阻5a之间像一个悬梁一样在其整个长度上可通过电磁的交互作用逆着复位力Fr，特别是逆着重力升高。滑动触点2d的行程位置l1，l12，l2，相当于液态金属体3的前述的第二位置x1，x12，x2。极值的第二位置l12可位于电阻元件5过渡到一个绝缘子8的区域内，从而形成一个用于断流的绝缘段32。
在从第一位置x1，l1向第二位置x12，x2，l12，l2，特别是向一个极值的第二位置x2，l2过渡时，液态金属3或具有滑动触点2d的固定导体3沿电阻元件5被导向。为了获得柔和的限流或断路特性，电阻元件5具有一个沿活动电极3，3’的移动方向x、l非线性升高的用于第二电流路径31的电阻抗Rx，R1。电阻元件5应具有一个欧姆分量，且最好是纯欧姆的，该阻抗连续地随第二位置x12，x2，l12，l2升高。为了无电弧地从固定电极2a，2b，2c向电阻元件5传递电流i(t)，与触点材料有关的电弧点燃电压不应被超过，该电压最小为10伏至20伏。
也可相继设置两个具有反相有效地触发电极移动的装置的限流器1，以便在每个电流半波中达到限流和可选地达到断流。
图4示出了限流器1的一个派生形式，其中，提供一个用于容纳液态金属3的和提供用于断流的绝缘段32的收集容器3b。此外，如图所示，也可有一个用于把液态金属3充填到通道3a中并重新接通装置1的液态金属供给装置3c。还有一个绝缘段32，附加于额定电流路径30和限流路径31。在该绝缘段32上，用于限流的隔片5a过渡到用于电流绝缘的隔片8a。绝缘隔片8a基本上由绝缘材料组成，优选地设在收集容器3c的区域中，并与排空了被收集的液态金属3的通道一起形成绝缘段32。在该情况下，液态金属3可在额定电流路径30、限流路径31和绝缘段32之间移动，从而实现了一个基于液态金属的限流的开关1。用于工作电流I1的第一电流路径30，用于限流的第二电流路径31和绝缘段32有利地基本上垂直于移动方向x，和/或基本上相互平行地设置。这样可以获得一个用于集成的、仅用液态金属3工作的限流器-断路器1的特别简单的布局。
图5示出限流的开关1的活动电极3，3’的作为第二位置x12，x2的电阻抗Rx、R1的规格设定。达一个极值的第二位置x2，l2的阻抗Rx，R1非线性升高地，有利地被选到一个最大值Rx(x2)，Rx(l2)上。对于一个给定的电压电平，电阻抗Rx，R1也应根据待限制的电流I2被设定到一个有限的值上或为了关断工作电流I，被设定到一个介电的绝缘值上。
作为第二位置x12，l12的函数Rx(x12)，R1(l12)的电阻抗RxR1以及活动电极3沿移动方向x，l的行程-时间特性x12(t)l12(t)应如此地被选择，使得电阻抗RxR1和电流I2的乘积在活动电极3，3’的每个第二位置x12、x2、l12、l2中小于在活动电极3，3’和固定的电极2a，2b及根据情况中间电极2c之间的电弧点燃电压Ub和/或使用于对付电网造成的短路电流I(t)的限流的足够陡度被达到。
在所有的前述实施例中，电磁互动装置2a，2b，20；11；Bint，Bext包括用于产生磁场Bint，Bext的磁场装置2a，2b，20；11；磁场Bint，Bext把具有一个平行于移动方向x，1的分量的劳伦兹力Fmag作用到被电流I1，I2流过的活动电极3，3’上，使活动电极3，3’是可在用于工作电流I1第一电流路径30、用于限流的第二电流路径31、和用于断流的绝缘段的32之间移动的。磁场装置2a，2b，20；11可包括一个通往限流装置1的电流供给装置2a，2b，20，以便产生一个内部的，与待限制的过电流I2有关的磁场Bint。此外，磁场装置2a，2b，20；11可包括用于产生外部可调的和特别是可转换的磁场Bext的装置11。
以上参考图5对液态金属型限流器1的规格设定进行了举例性讨论。为了对付短路，一个与电网参数和待分离的触点2a，2b的击穿特性有关的限流阻抗Rx是必要的。短路电流I(t)的陡度越大，则Rx须被选得越低。在最不利的情况下，可以假设最大的短路电流幅值和最大的短电流电感，适用的则为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＝时间变量，L＝在短路情况下的电网电感，UN＝工作电压或电网电压，d/dt等于一阶时间导数，d2/dt等于二阶时间导数。在方程式2中假设，电网中的阻抗Rnet2＜＜L，并且短路时电网电压UN被维持。此外，用于具有质量m、位置或偏转x12(t)，摩擦系数和驱动力F的液态金属3的移动方程式3则为m·d2x12/dt2+α·dx12/dt(t)＝F-Fr (方程式3)其中，F＝复位力，特别是Fr＝Fg+Fcap，其中，Fg＝m·g等于万有引力，其中m＝液态金属3的质量，和g＝重力加速度，Fcap等于毛细力。
在图5中譬如假设电磁的劳伦兹力F＝Fmag，该劳伦兹力通过待限制的电流I(t)的白交互作用被施加到液态金属3上，则另外适用的是F＝K·i2(t) (方程式4)其中K＝与几何形状相关的比例常数。在外部磁场B中，F＝K’·i(t)，其中K’＝其它的比例常数。确切地说，K和K’与限流器的几何形状，特别是与电阻元件5的以及电流路径30，31的和绝缘段32的几何形状和设置位置有关，并与磁场介质2a，2b，20的设计位置有关。
在图5中假设短路造成的电流陡度di/dt＝15千安/毫秒，UN＝1千伏，I1＝1千安，最大的短路电流I2＝50千安，以及K，M和α的似然的参数值。通过在边界条件下对方程式2-4的解得出阻抗Rx(t)和液态金属3的行程-时间特性x12(t)，并通过抵消与时间的关系最后得出作为第二位置x12的函数的阻抗x12，如图5中的对数图所示。从第一位置出发，即在液态金属3脱离固定电极2a，2b，2c时，Rx先是超比例地随第二位置x12升高，然后在一个其间存储在电网电感L中的能量须被吸收的阶段线性地升高，在一个其间电流i已被限制的并且更高的Rx变得可被容忍的区域中重新过渡到更陡的，即超比例的升高Rx(x12)中。
限流器1的总阻抗在第一工作状态中在通过液态金属段3的额定电流I操作时被确定，从而通过提供一个适宜的液态金属横截面积可被确定到可预先给定的值。限流器1的最大的阻抗Rx(x12)可通过电阻材料的选择和通过其几何形状根据所希望的电压电平和最大允许的过电流I2设定。
特别是一个随路段x非线性升高的阻抗Rx可通过具有不同电阻率的材料实现。一个非线性升高的总阻抗Rx也可以通过在具有均匀电阻率的电阻元件中采用适当几何形状的电阻路径实现。阻抗Rx的非线性的级配也可通过两个措施的结合，即通过在一个具有可变的电阻率的电阻元件中采用适当几何形状的电流路径被达到。
如果电磁驱动力Fmag超过复位力FR，则出现自其出发限流装置1被激活的阈值电流ith。在图1a，1b，4和6所示的实施例中，复位力Fr＝Fg+Fcap·Fth可从中被估算出，即Ith＝[(Fg+Fcap)/K]1/2(方程式6)在毛细力Fcap可忽略不计且磁场通过一个线圈几何形状产生的最简单的情况下，则Ith＝[(A.g.d.ρ)/(μ.N)]1/2(方程式7)
其中，A＝液态金属通道3a的横面积，ρ＝液态金属3的质量密度，d＝电流输送装置2a，2b，20中产生磁场的线圈的长度，μ＝在线圈中或在液态金属中的导磁率，并且N＝线圈的匝数。达全限流的，即图1b(或还有图2或图3)所示的终点位置时的反应时间tμ可通过把磁场装置2a，2b，20，11和复位力Fg，fcap适当设定到可预先给定的值上而获得。图1b示出了液态金属3在限流情况下的位置，基于变得有效的限流，电磁力Fmag下隆到液态金属3上，并且液态金属3在重力作用下重新流回到电极2a，2b，2c之间的原始位置，重新接通时间td在假设毛细力Fcap和电磁力Fmag在有被限制了的电流i时是可忽略不计的情况下可被估算出td＝[(2，h)/g]1/2(方程式8)其中，h＝x2-x1＝液态金属通道3a的高度，重新接通时间td可通过按不同的应用场合的要求适当设计限流器来适配。特别是影响通道高度和毛细的参量，如通道的横面积，通道的几何形状和通道的表面性质以及液态金属了的类型可相应地被选择。
在对限流器1的热工设计计算中须注意的是，由于短的反应时间和短的重新接通时间，电阻元件不能有效地被冷却。损耗的能量Eloss加热限流器1。温升ΔT近似为ΔT＝Eloss/(A.1.ρ’.c’) (方程式9)其中，A＝液态金属通道3a的横截面积，1＝限流器1或电阻元件5的总长度，ρ’＝限流器1的平均质量密度，和c’＝限流器1的平均热容量。在阻力限流的本案中，损耗能量Eloss远小于通过电弧的限流时的损耗能量，被分布了的，矩阵式的电阻元件5的一个主要的优点还在于，损耗能量Eloss很均匀分布在限流器1的容积的上方，因而全部的热物质或热容量可据此尽量被用于吸收损耗能量Eloss。
图6示出了一个联合的具有用于液态金属3的电磁驱动装置2a，2b，20；11；Bint；Bext的液态金属型限流器1和液态金属型断路器1。磁场Bint可在内部通过输入或输出的电流导体20和/或优选地通过在其磁场方向方面可转换的外部磁场Bext产生。当液态金属3沿正方向x移动时，电流I在限流路径31上被导引，并如上所述被限制；替我地，液态金属3在第三工作状况可沿相反的移动方向-x移动到至少一个第三位置x3，x13中，其中，液态金属3在该至少一个第三位置x13，x3中与一个绝缘子串联，并且一个用于通过装置1断路的绝缘段32据此被形成。如图所示，该绝缘段32可以是由多个绝缘隔片8a在断路情况下与被向下移的液态金属体3交替串联形成。
图3以虚线的形式示出了一个可移动地悬挂的固体导体3的负的偏转1和位置113，13的相仿的情况。第三工作状态特别是通过一个通过其外部的磁场Bext在作为限流器和作为断路器的装置1的操作之间转换的断路指令被触发。作为液态金属3，譬如水银、录、镓铟、锶是适宜的。
至少一个用于断流器的绝缘段32有利地在第二电流路径31的上方和/或在第一电流路径30的下方设置。液态金属3和其驱动机构12的相对于待转换的电流，特别是，相对于额定电流路径30、限流路径31和断流路径32的紧凑的布局据此被实现。如前所述，在图6中所示的限流器1也可以是作为限流的开关1设计的。
装置1的应用涉及在供电电网中作为限流器，限流开关和/或断路器1，作为自恢复的安全装置或电机启动器的应用。本发明还包括一种电气的开关设备，特别是一种其特征在于具有上述装置1的高压开关设备或中压开关设备。
部件列表1液态金属限流器2a、2b固态金属电极，金属盘，静止电极2c中间电极2d阻抗随路径变化的机械滑动接触20电流源，电流导体3液态金属3a液态金属通道3b液态金属收集容器3c液态金属供应30操作电流的电流路径，第一电流路径31限制电流的电流路径，第二电流路径32电流中断路径，隔离段4液态金属容器5限流电阻元件，液态金属的电阻矩阵5a单个电阻6容器盖，容器壁，绝缘子8电流中断绝缘子8a单个绝缘子9柔性薄膜10液态金属供应阀11磁场控制器124反向压力容器，收集气体容积α摩擦系数Bext，Bint外部、内部磁场Fmag磁力Fr复位力
i电流I1操作电流I2限制的过电流k比例常数l，l1，l2，l12，l3，l13滑动接触位置L线路电感P1、P2、P3气体压力Q，Q’液态金属体电流路径的横截面积Rx，R1限流器电阻t时间变量Ub电弧点燃电压UN线路电压，工作电压V1、V2、V3气体体积x、x1、x2、x12、x3、x13液态金属体的位置。
权利要求
1.一种用限流装置(1)限流的方法，该限流装置包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3’)，其中，在位于固定的电极(2a，2b)之间的第一工作状态，工作电流(I1)在一个通过限流装置(1)的第一电流路径(30)上被导向，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过一个第一位置(x1，l1)的活动电极(3，3’)，在第二工作状态，至少一个活动电极(3，3’)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁交互作用沿移动方向(x，l)被移动到至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)，该活动电极(3，3’)在从第一位置(x1，l1)向第二位置(x12，x2，l12，l2)过渡过程中，沿一个电阻元件(5)被导向，并且在至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)与该电阻元件(5)串联，从而形成一个通过限流装置(1)的限流的第二电流路径(31)，该第二电流路径(31)具有可预先给的电阻抗(Rx，R1)，其特征在于，在第三工作状态中，活动电极(3，3’)与一个绝缘子(8)串联，从而形成一个用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该第三工作状态通过一个关断指令被触发，通过该指令，一个外部的磁场在装置(1)作为限流器和作为断路器的操作之间切换。
3.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在该第三工作状态中1)活动电极(3，3’)沿一个相反的移动方向(-x，-l)被移动到至少一个第三位置(x12，x2，l13，l3)，并且2)该活动电极(3，3’)在至少一个第三位置(x12，x2，l13，l3)中与所述的绝缘子(8)串联。
4.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于1)该活动电极(3，3’)自动地通过与待限制的过电流(I2)的电磁交互作用沿所述的电阻元件(5)被导向一个极值的第二位置(x2，l2)；2)该极值的第二位置(x2，l2)位于一个在其中电阻元件(5)过渡到所述的绝缘子(8)的区域内，从而形成用于断流的绝缘段(32)。
5.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，1)为获得柔和的关炀特性，选择具有沿活动电极(3，3’)的移动方向(x，l)非线性升高的电阻抗(Rx，R1)的电阻元件(5)用于第二电流路径(31)；2)所述的电阻元件(5)是欧姆，并且电阻抗(Rx，R1)沿第二位置(x12，x2，l12，l2)连续升高。
6.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于。1)所述第二工作状态由过电流(I2)自动地激活，即当前有电流通过的活动电极(3，3’)被垂直于通过活动电极(3，3’)的电流(I2)并垂直于一个具有平行于移动方向(x，l)的分量的磁场(Bext，Bint)的电磁力(Fmag)移动，2)所述的磁场(Bext，Bint)被选作一个外部的磁场(Bext)和/或被造作一个由通往限流装置(1)的电流馈送装置(2a，2b；20)产生的内部磁场(Bint)。
7.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为第二位置(x12，l12)的函数(Rx(x12)，R1(l12))的电阻抗(Rx，R1)以及活动电极(3，3’)沿移动方向(x，l)的行程/时间特性(x12(t))这样选择，使得1)在活动电极(3，3’)的每个第二位置(x12，x2，l12，l2)，电阻抗(Rx，R1)和电流(I2)的乘积小于活动电极(3，3’)和固定电极(2a，2b)和可选地中间电极(2c)之间的电弧点燃电压(Ub)；和/或。2)实现足够的限流陡度来对付电网造成的断路电流(i(t))。
8.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于。1)活动电极(3，3’)包括一种液态金属(3)，该液态金属(3)位于所述限流装置(1)的至少一个通道(3a)中，并可沿位于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)的垂直走向移动，并且2)特别是多个通道(3a)是通过壁式隔片(5a，8a)相互隔离，所述的隔片在第一电流路径(30)的区域中具有用于传递工作电流(I1)的中间电极(2c)，在第二电流路径(31)的区域中具有电阻元件(5)的单个电阻(5a)，并在绝缘段(32)的区域中过渡到用于电流绝缘隔片(8a)中。
9.按照以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，1)所述的活动电极(3，3’)包括具有至少一个滑动触点(2a)的固态导体(3’)，并且在第一工作状态，固定的电极(2a，2b)在第二工作状态中至少一侧与电阻元件(5)电气相连，并在第三工作状态中至少一侧与绝缘子(8)电气相连，2)特别是其中固体导体(3)是基本上由轻金属和/或以轻结构的形式制作的，和/或用于减少摩擦的滑动触点以液态金属润湿。
10.一种限流装置(1)，特别是用于实施以上权利要求之一所述的方法，包括固定的电极(2a，2b)和至少一个活动电极(3，3’)，在第一工作状态中，在固定的电极(2a，2b)之间存在一个用于通过工作电流(I1)的第一电流路径(30)，并且该第一电流路径(30)至少部分地通过处在第一位置(x1，l1)中的活动电极(3，3’)，其中，存在用于在有过电流(I2)时自动将活动电极(3，3’)沿移动方向(x，l)移动到至少一个第二位置(x12，x2，l12，l2)中的电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)，存在具有可预先给定的电阻抗(Rx)的电阻装置(5)，并且活动电极(3，3’)在第二工作状态中至少部分地与上述电阻装置(5)串联，并且与这些电阻装置一起形成一个第二电流路径(31)，在该第二电流路径上，工作电流(I1)可限制到一个待限制的电流(I2)，其特征在于，活动电极(3，3，)在一个第三工作状态中与一个绝缘子(8)串联，从而存在一个用于通过装置(1)断路的绝缘段(32)。
11.按照权利要求10所述的装置(1)其特征在于，所述电磁驱动装置(2a，2b，20；11；Bint，Bext)包括用于产生磁场(Bint，Bext)的磁场装置(2a，2b，20；11)，该磁场(Bint，Bext)把一个具有平行于移动方向(x，l)的分量的劳伦兹力(Fmag)施加到电流(I1，I2)流过的活动电极(3，3’)上，使活动电极(3，3’)可在用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)之间移动。
12.按照权利要求10至11之一所述的装置(1)，其特征在于，1)所述的磁场装置(2a，2b，20；11)包括一个通往限流装置(1)的电流输送装置(2a，2b，20；)，以便产生一个与待限制的过电流(I2)有关的内部磁场(Bint)，和/或2)磁场装置(2a，2b，20；11)包括用于产生一个可调的外部磁场(Bext)的装置(11)。
13.按照权利要求10至12之一所述的装置(1)，其特征在于，1)磁场(Bext，Bint)是根据活动电极(3，3’)在第二电流路径(31)中的待限制的过电流和为此需要的行程/时间特性(x(T))，l(t))设计的，和/或2)电阻装置(5)为了无电弧的限流具有一个沿移动方向(x，l)直至一个极值的第二位置非线性介高的用于第二电流路径(31)的电阻抗(Rx，R1)。
14.按照权利要求10至13之一所述的装置(1)，其特征在于，1)所述的活动电极(3，3’)包括一种液态金属(3)，该液态金属(3)能过磁场装置(2a，2b，20；11)在液态的聚合状态中被移动，和/或2)所述的活动电极(3，3’)包括具有至少一个滑动触点(2d)的固体导体(3’)其中，固体导体(3’)通过磁场装置(2a，2b，20；11)逆向复位力(Fr)，特别是逆向重力地在单侧或双侧提高。
15.按照权利要求10至14之一所述的装置(1)，其特征在于1)用于工作电流(I1)的第一电流路径(30)、用于限流的第二电流路径(31)和用于断流的绝缘段(32)是基本上垂直于移动方向(x，l)，和/或基本上相互平行地设置的；2)所述的至少一个用于断流的绝缘段(32)设在第二电流路径(31)的上方和/或第一电流路径(30)的下方。
16.一种电气开关设备，特别是高压开关设备或中压开关设备，其特征在于按权利要求10至15之一所述的装置(1)。
全文摘要
本发明涉及一种联合的限流和断路的方法和装置以及一种具有一个这样的装置(1)的开关设备。在本发明的联合的限流器－断路器(1)中，一个活动电极(3，3’)一方面为了限流，通过一个与过电流有关的电磁力F
文档编号H01H77/10GK1820340SQ200480019689
公开日2006年8月16日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月10日
发明者卡韦赫·尼亚耶什, 弗里德里希·柯尼希 申请人:Abb研究有限公司
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