STAND DER TECHNIK In der DE 40 12 385 AI wird eine stromgesteuerte Abschalt- vorrichtung offenbart, deren Funktionsprinzip auf dem Pinch-Effekt mit Flüssigmetall beruht. Zwischen zwei Fest- metallelektroden ist ein einzelner, schmaler, mit Flüssig- metall 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 ver- drängte Flüssigmetall wird in einem Vorratsbehälter gesam- melt 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 Hochstromschal- ter mit Flüssigmetall offenbart. Einerseits wird eine Flüssigmetallmischung zur Benetzung von Festmetallelektro- den und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands verwendet.

Dabei wird das Flüssigmetall durch mechanische Verdrän-

gung, z. B. durch bewegliche Kontakte oder pneumatisch an- getriebene 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 zu- sätzlich 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 Flüssig- metall, inertes Gas oder Vakuum und ist entsprechend auf- wendig.

In der DE 199 03 939 AI wird eine selbsterholende Strom- begrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall offenbart. Zwi- schen zwei Festmetallelektroden ist ein druckfestes Iso- liergehäuse angeordnet, in dem Flüssigmetall in Verdich- terräumen und in dazwischenliegenden, die Verdichterräume verbindenden Verbindungskanälen angeordnet ist, so dass ein Strompfad für Nominalströme zwischen den Festelektro- den gegeben ist. In den Verbindungskanälen ist der Strom- pfad gegenüber den Verdichterräumen eingeengt. Die Verbin- dungskanäle werden bei Kurzschlussströmen stark erhitzt und scheiden ein Gas aus. Durch lawinenartige Gasblasen- bildung in den Verbindungskanälen verdampft das Flüssig- metall in die Verdichterräume, so dass in den nun flüssig- metallentleerten Verbindungskanälen ein strombegrenzender Lichtbogen gezündet wird. Nach Abklingen des Überstroms kann das Flüssigmetall wieder kondensieren und der Strom- pfad ist wieder betriebsbereit.

In der WO 00/77811 ist eine Fortbildung der selbst- erholenden Strombegrenzungseinrichtung offenbart. Die Ver- bindungskanäle sind nach oben konisch verbreitert, so dass

die Füllstandshöhe des Flüssigmetalls variiert und die Nennstromtragfähigkeit über einen grossen Bereich ver- ändert werden kann. Ausserdem wird durch eine versetzte Anordnung der Verbindungskanäle ein mäanderförmiger Strom- pfad 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 Rekon- densation 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 Hochstromschal- ter auf Flüssigmetallbasis offenbart. Das Flüssigmetall bildet in einer ersten Position einen ersten Strompfad für den Betriebsstrom und wird beim Stromschalten entlang ei- nes Widerstandselements geführt und in eine zweite Positi- on gebracht, in welcher es in Serie mit dem Widerstands- element liegt und den Strom auf einen kleinen Bruchteil reduziert. Der Hochstromschalter ist zur Erzeugung hochin- tensiver 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 unab- hängigen Ansprüche offenbart. Eine bewegliche Elektrode ist in Form eines auf Schienen fahrbaren Schlittens rea- lisiert, der durch Kurzschlussströme elektromagnetisch auslenkbar ist. Im ausgelenkten Zustand kontaktiert der Schlitten einen Schienenbereich, der einen strombegrenzen- den elektrischen Widerstand für den Strompfad aufweist.

Statt fahrbarer Schlitten kann auch eine in einem Kanal leicht bewegliche Flüssigmetallsäule als bewegliche Elek- trode dienen. Der Strombegrenzer besitzt wiederum keinen Ausschaltzustand, sondern ist in Serie zu einem Leistungs- schalter 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 ei- ner solchen Vorrichtung zur verbesserten und vereinfachten Strombegrenzung und Stromabschaltung anzugeben. Diese Auf- gabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der unab- hängigen Ansprüche gelöst.

In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Ver- fahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungs- vorrichtung, die feststehende Elektroden und mindestens eine bewegliche Elektrode umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den feststehenden Elektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch die Strom- begrenzungsvorrichtung geführt wird und der erste Strom- pfad zumindest teilweise durch die in einer ersten Positi- on befindliche bewegliche Elektrode geführt wird, wobei in einem zweiten Betriebszustand die mindestens eine beweg- liche 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 ei- nen 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 inte- griertem Schalter angegeben. Der Überstrom selber löst die Strombegrenzung aus. Als zugrundeliegende elektromagneti- sche Wechselwirkung kommt z. B. die Lorenzkraft auf einen

stromführenden Leiter in einem Magnetfeld in Frage, aber auch eine kapazitive, induktive, elektrostatische oder an- derweitig elektromagnetische Einwirkung des Überstroms auf den beweglichen Leiterabschnitt oder die bewegliche Elek- trode sind denkbar. Da von der beweglichen Elektrode im Strombegrenzungsfall kein Isolator, sondern ein elektri- scher 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 kosten- günstig.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der dritte Be- triebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, durch den ein externes Magnetfeld zwischen einem Betrieb der Vorrichtung als Strombegrenzer und als Leistungsschalter umgeschaltet wird.

In 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 Wech- selwirkung mit dem zu begrenzenden Überstrom entlang des Widerstandselements zu einer extremalen zweiten Position geführt, wobei die extremale zweite Position in einem Be- reich 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 Widerstands- element zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik mit einem entlang der Bewegungsrichtung der beweglichen Elektrode nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand für den zweiten Strompfad gewählt ; und/oder das Wider-

standselement ist ohmsch und der elektrische Widerstand steigt kontinuierlich mit der zweiten Position an. Auf diese Weise wird eine sanfte Strombegrenzungscharakte- ristik 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 Lorenz- kraft 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, er- zeugt sein. Durch Ausbalancieren der Lorenzkraft und einer geeigneten Rückstellkraft kann die resultierende Bewegung an den zu begrenzenden Überstrom und an die für den benö- tigten elektrischen Widerstand erforderliche Elektroden- auslenkung angepasst werden.

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 Vor- richtung zur Strombegrenzung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens, umfassend feststehende Elektroden und min- destens 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 zu- mindest 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 Erfin- dung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Fig. la, lb zeigen eine erfindungsgemäss selbstbetätigte Strombegrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nennstrombetrieb und im Strombegrenzungs- fall ; Fig. 2,3 zeigen zwei erfindungsgemäss selbstbetätigte Strombegrenzungseinrichtungen mit mechanischem Schleifkontakt im Nennstrombetrieb (strich- punktiert) und im Strombegrenzungsfall ; Fig. 4 zeigt einen strombegrenzenden Schalter mit Einfangmechanismus für Flüssigmetall bei Nenn- strombetrieb ; Fig. 5 zeigt eine Kurvendarstellung der Variation des Widerstands des Strombegrenzers als Funktion der Position der Flüssigmetallsäule ; und Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strom- begrenzer und Flüssigmetall-Leistungsschalter mit externem Magnetfeldantrieb für das Flüs- sigmetall.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs- zeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Fig. la, 1b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Flüssig- metall-Strombegrenzers 1. Der Strombegrenzer 1 umfasst Festmetall-Elektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c für eine Stromzuführung 20 und einen Behälter 4 für das Flüs- sigmetall 3. Der Behälter 4 hat einen Boden 6 und Deckel 6 aus Isolatormaterial, zwischen denen ein elektrisches Wi- derstandsmittel 5 mit mindestens einem Kanal 3a für das Flüssigmetall 3 angeordnet ist. Über der Flüssigmetall- säule 3 kann beispielsweise ein Schutzgas, eine Isolier- flüssigkeit (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 Flüssig- metalls 3 verbleibt dieses im flüssigen Aggregatzustand und wird durch die erzwungene Bewegung gezielt zwischen den unterschiedlichen Positionen xl, 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 32 vorhanden.

Bevorzugt wird der zweite Betriebszustand durch den Über- strom I2 selbsttätig aktiviert, indem die stromdurchflosse- ne bewegliche Elektrode 3, 3'durch eine elektromag- netische Kraft Fmag bewegt wird, die senkrecht zum Strom I2 durch die bewegliche Elektrode 3, 3'und senkrecht zu ei- nem Magnetfeld BeXt, Bint steht und die eine Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrichtung x, 1 aufweist, wobei das Magnetfeld BeXt, Bint als ein externes Magnetfeld Bext und/oder als ein internes, von einer Stromzuführung 2a, 2b ; 20 zur Strombegrenzungsvorrichtung 1 erzeugtes Magnet- feld Bint gewählt wird. Alternativ zur Lorenzkraft kann auch eine andere selbsttätige elektromagnetische Wechsel-

wirkung mit dem Überstrom 12, z. B. eine kapazitive, induk- tive, 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. la) fliesst ein Be- triebs-oder Nennstrom I1 auf einem ersten oder Nennstrom- pfad 30 von der Eingangselektrode 2a via Flüssigmetall 3 und gegebenenfalls Zwischenelektroden 2c zur Abgangselek- trode 2b. Dabei befindet sich das Flüssigmetall 3 in der ersten Position Xi, benetzt zumindest teilweise die fest- stehenden Elektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. lb) wird das Flüssigmetall 3 entlang der Bewegungs- richtung 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 Xiz, X2 des Flüssigmetalls 3 vorgebbaren Höhe angeordnet.

Bevorzugt umfasst das Widerstandsmittel 5 eine dielektri- sche Matrix 5, die wandartige Stege 5a zur dielektrischen Trennung einer Mehrzahl von Kanälen 3a für das Flüssig- metall 3 aufweist, wobei die Stege 5a ein dielektrisches Material mit in der Bewegungsrichtung x zunehmendem und vorzugsweise nichtlinear zunehmenden Widerstand Rx aufwei- sen. Die Stege 5a stellen somit Einzelwiderstände 5a des Widerstandselements 5 dar mit einem entlang der Kanalhöhe zunehmenden und vorzugsweise nichtlinear zunehmenden elektrischen Widerstand Rx. Auf Höhe der ersten Position xi des Flüssigmetalls 3 sollen die Stege 5a Zwischenelektro- den 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Kanäle 3a

aufweisen. Die Kanäle 3a sind vorzugsweise zueinander im wesentlichen parallel angeordnet. Somit wird der strom- begrenzende zweite Strompfad 31 gebildet durch eine alter- nierende 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 min- destens einseitig mit dem Isolator 8 elektrisch verbunden wird. Mit Vorteil ist der Festkörperleiter 3'im wesent- lichen aus Leichtmetall und/oder in Leichtbauweise, bei- spielsweise aus metallbeschichtetem Kork, gefertigt und/oder ist der Schleifkontakt 2d zur Reibungsvermin- derung mit Flüssigmetall benetzt. Fig. 2 zeigt ein Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem der Festkörperleiter 3 an einem Ende drehbar mit der Eingangselektrode 2a verbunden ist und am anderen Ende mit dem Schleifkontakt gleitfähig ent- lang eines kreisbogenförmigen Widerstandselements 5 be- wegbar 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 gan- zen Länge durch die elektromagnetische Wechselwirkung ge- gen eine Rückstellkraft Fr, insbesondere gegen die Schwer- kraft, angehoben werden kann. Die Wegpositionen 11, 112, 12 des Schleifkontakts 2d entsprechen den zuvor genannten zweiten Positionen xl, x12, x2 der Flüssigmetallsäule 3. Die extremale zweite Position 112 kann in dem Bereich liegen, wo das Widerstandsmittel 5 in einen Isolator 8 übergeht, so dass eine Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist.

Bei einem Übergang von der ersten Position Xi, li zur zweiten Position xl2, x2, lis, 12, insbesondere zu einer extremalen zweiten Position x2, 12, wird das Flüssigmetall 3 oder der Festkörperleiter 3'mit Schleifkontakt 2d ent- lang des Widerstandselements 5 geführt. Zur Erzielung ei- ner sanften Strombegrenzungs-oder Abschaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x, l der beweglichen Elektrode 3, 3' nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand RX, R1 für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand RXI RI, der kontinuierlich mit der zweiten Position X12, X2, 112, 12 an- steigt. Für eine lichtbogenfreie Kommutation des Stroms i (t) von den feststehenden Elektroden 2a, 2b, 2c zum Wi- derstandselement 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 wirk- samer Auslösung der Elektrodenbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombe- grenzung und gegebenenfalls Stromabschaltung zu erreichen.

Fig. 4 zeigt eine Variante des Strombegrenzers 1, bei welcher ein Einfangbehälter 3b zur Aufnahme des Flüssig- metalls 3 und zur Schaffung einer Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung vorhanden ist. Zudem kann, wie dargestellt, eine Zuführung 3c für Flüssigmetall 3 zum Auffüllen des Flüssigmetalls 3 in den Kanälen 3a und zum Wiederanschalten der Vorrichtung 1 vorhanden sein. Zudem ist zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegren- zungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorhanden, auf wel- cher die Stege 5a zur Strombegrenzung in Stege 8a zur Stromisolation übergehen. Die Isolationsstege 8a bestehen im wesentlichen aus Isolationsmaterial, sind vorzugsweise im Bereich des Einfangbehälters 3c angeordnet und bilden zusammen mit den durch das eingefangene Flüssigmetall 3 entleerten Kanälen die Isolationsstrecke 32. Hierbei ist

also das Flüssigmetall 3 zwischen dem Nennstrompfad 30, dem Strombegrenzungspfad 31 und der Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar, so dass ein integrierter strombegrenzender Schalter 1 auf Flüssigmetallbasis reali- siert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Be- triebsstrom I1, der zweite Strompfad 31 zur Strombegrenzung und die Isolationsstrecke 32 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung x und/oder im wesentlichen parallel zu- einander 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 Di- mensionierung des elektrischen Widerstands Rx, Ri als Funk- tion der zweiten Position Xiz, 112 der beweglichen Elektrode 3, 3'. Mit Vorteil wird der Widerstand Rx, Ri bis zu einer extremalen zweiten Position x2, 12 auf einen Maximalwert Rx (x2), Rl (12) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert Rx (X2) I Rl (12) des elektrischen Widerstands Rx, Rl nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms 12 auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebsstroms I1 auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.

Der elektrische Widerstand Rx, Rl als Funktion Rx (xi), Rl (112) der zweiten Position Xiz, 112 sowie eine Weg-Zeit Charakteristik xi2 (t), 112 (t) der beweglichen Elektrode 3, 3'entlang der Bewegungsrichtung x, 1 sollen so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position Xiz, X2, 112, 12 der beweglichen Elektrode 3, 3'das Produkt aus elektrischem Widerstand Rx, Rl und Strom I2 kleiner als eine Lichtbogen- zündspannung Ub 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 netzbeding- ter Kurzschlussströme i (t) erzielt wird.

In allen zuvor genannten Ausführungsbeispielen umfassen die elektromagnetischen Antriebsmittel 2a, 2b, 20 ; 11 ; Bint, BeXt Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20 ; 11 zur Erzeugung des Magnetfeldes BeXt, Bint, welches auf die von dem Strom I1, 12 durchflossene bewegliche Elektrode 3, 3'eine Lorenzkraft Fmag mit einer Kraftkomponente parallel zur Bewegungsrich- tung 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 Isola- tionsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar ist. Die Magnetfeldmittel 2a, 2b, 20 ; 11 können die Stromzuführung 2a, 2b ; 20 zur Strombegrenzungsvorrichtung 1 umfassen, um ein internes, vom zu begrenzenden Überstrom 12 abhängiges Magnetfeld Bint zu erzeugen. Zudem können die Magnetfeld- mittel 2a, 2b, 20 ; 11 Mittel 11 zur Erzeugung eines exter- nen regelbaren und insbesondere umschaltbaren Magnetfeldes Bext umfassen.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird beispielhaft die Dimensio- nierung eines Flüssigmetall-Strombegrenzers 1 diskutiert.

Zur Beherrschung von Kurzschlüssen ist ein von Stromnetz- Parametern und dem Durchbruchsverhalten der zu trennenden Kontakte 2a, 2b abhängiger Widerstand Rx der Strombegren- zung notwendig. Je grösser die Steilheit des Kurzschluss- stroms i (t) ist, um so niedriger muss Rx gewählt werden. Im ungünstigsten Fall sind die maximale Kurzschlussstrom- Amplitude und die maximale Kurzschlussstrom-Induktivität anzunehmen. Dann gilt : RX (t) i (t) < Ub (t) (G1) Rx (t) i (t) + L di/dt (t) = UN (t) (G2) wobei t=Zeitvariable, L=Netzinduktivität im Kurzschluss- fall, UN=Betriebs-oder Netzspannung, d/dt gleich erste und d2/dt2 gleich zweite Zeitableitung. In Gleichung (G2) wurde angenommen, dass der Widerstand im Netz RNetz « L ist und die Netzspannung UN bei Kurzschluss aufrechterhalten wird.

Ferner gilt die Bewegungsgleichung (G3) für das Flüssig- metall 3 mit der Masse m, der Position oder Auslenkung

Xi2 (t), dem Reibungskoeffizienten a und der antreibenden Kraft F m d2xl2/dt2 + a dxl2/dt (t) = F-Fr, (G3) wobei Fr=Rückstellkraft, insbesondere Fr=Fg+Fcap mit Fg=m g gleich Gravitationskraft, wobei m=Masse des Flüssigmetalls 3 und g=Erdbeschleunigung, und Fcap gleich Kapillarkraft.

In Fig. 5 wurde beispielhaft eine elektromagnetische Lo- renzkraft F=Fmag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des zu begrenzenden Stroms i (t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zusätzlich F = k i2 (t) (G4) mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k'*i (t) mit k'=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 kurz- schlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, UN=1 kV, Il=l kA, maximaler Kurzschlussstrom 12=50 kA sowie plausib- le Parameterwerte für k, m und a. Dann ergeben sich durch Lösen der Gleichungen (G2)- (G4) unter der Randbedingung (G1) der Widerstand RX (t) und die Weg-Zeitcharakteristik Xi2 (t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimina- tion der Zeitabhängigkeit der Widerstand RX (X12) als Funk- tion der zweiten Position Xi2, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position xl, d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b, 2c, nimmt Rx zunächst überproportional mit der zweiten Position x12 zu, steigt dann linear in einer Phase, in welcher die in der Netzinduktivität L gespeicherte Energie absorbiert werden muss und geht dann in einem Be- reich, in dem der Strom i bereits begrenzt ist und grösse- re Rx tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h. überproportionalen Anstieg RX (X12) über.

Der Gesamtwiderstand des Strombegrenzers 1 wird im ersten Betriebszustand bei Nominalstrom I1 durch die Flüssig- metallstrecken 3 determiniert und kann demzufolge durch Bereitstellung eines geeigneten Flüssigmetallquerschnitts auf vorgebbare Werte festgelegt werden. Der maximale Widerstand Rx (xl2) des Strombegrenzers 1 kann durch Wahl des Widerstandsmaterials 5 und durch seine geometrische Gestalt nach Massgabe eines gewünschten Spannungsniveaus und maximal zulässigen Überstroms 12 dimensioniert werden.

Insbesondere kann ein mit der Wegstrecke x nichtlinear an- steigender Widerstand Rx durch Materialien mit unterschied- lichen spezifischen Widerständen realisiert werden. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand Rx kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strompfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifischen Wi- derstand realisiert sein. Die nichtlineare Graduierung des Widerstands Rx kann auch durch Kombination beider Massnah- men, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromfüh- rung in einem Widerstandselement mit variablem spezifi- schen Widerstand, erreicht werden.

Der Schwellwertstrom Ith, ab dem die Strombegrenzungs- vorrichtung 1 aktiviert wird, tritt auf, wenn die elektro- magnetische Antriebskraft Fmag die Rückstellkraft Fr über- schreitet. In den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. la, lb, 4 und 6 ist die Rückstellkraft Fr=Fg+Fcap. Daraus kann Ith abgeschätzt werden zu Ith = [(Fg+Fcap)/k] 1/2. (G6) Im vereinfachten Fall, in dem die Kapillarkräfte Fcap ver- nachlässigbar sind und das Magnetfeld durch eine Spulen- geometrie erzeugt wird, gilt Ith = [ (A-bg-d-p)/ (g-N)] 1/2 (G7) wobei A=Querschnittsfläche der Flüssigmetall-Kanäle 3a, p=Massendichte des Flüssigmetalls 3, d=Länge der magnet- felderzeugenden Spule in der Stromzuführung 2a, 2b, 20, =magnetische Permeabilität in der Spule bzw. im Flüssig- metall und N=Anzahl Windungen der Spule. Die Reaktionszeit

tu bis zur vollen Strombegrenzung, d. h. bis zum Erreichen der Endposition gemäss Fig. lb (oder auch Fig. 2 oder Fig.

3), kann durch geeignete Dimensionierung der Magnetfeld- mittel 2a, 2b, 20,11 und der Rückstellkräfte Fg, Fcap auf vorgebbare Werte dimensioniert werden.

Fig. lb zeigt die Position des Flüssigmetalls 3 im Strom- begrenzungsfall. Aufgrund der wirksam werdenden Strom- begrenzung nimmt die elektromagnetische Kraft Fmag auf das Flüssigmetall 3 ab und das Flüssigmetall 3 fliesst unter der Wirkung der Gravitationskraft Fg wieder zurück in die Ausgangsposition zwischen die Elektroden 2a, 2b, 2c. Die Wiedereinschaltzeit td kann unter der Annahme, dass die Ka- pillarkraft Fcap und die elektromagnetische Kraft Fmag bei begrenztem Strom i vernachlässigbar sind, abgeschätzt wer- den zu td = [(2 h)/g] l/2 (G8) wobei h=x2-xl=Höhe der Flüssigmetall-Kanäle 3a.

Die Wiedereinschaltzeit td kann durch eine geeignete Auslegung des Strombegrenzers 1 an die Erfordernisse ver- schiedener Anwendungsfälle angepasst werden. Insbesondere sind die Kanalhöhe h und die Kapillarkräfte Fcap beeinflus- sende Grössen wie Kanal-Querschnittsfläche A, Kanalgeome- trie 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 Eloss erhitzt den Strombegrenzer 1. Der Temperaturanstieg AT be- trägt näherungsweise AT = Eloss/(A l p'c'), (G9) wobei A=Querschnittsfläche der Flüssigmetallteile (wie zu- vor), 1=Gesamtlänge des Strombegrenzers 1 oder des Wider- standselements 5, p'=mittlere Massendichte des Strom- begrenzers 1 und c'=mittlere Wärmekapazität des Strom- begrenzers 1. Die Verlustenergie Eloss 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 Eloss weitgehend homogen verteilt über das Volumen des Strom- begrenzers 1 auftritt und dementsprechend die gesamte thermische Masse oder Wärmekapazität zur Absorption der Verlustenergie Eloss ausgeschöpft werden kann.

Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strom- begrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit elektromagnetischen Antriebsmitteln 2a, 2b, 20 ; 11 ; Bint, Bexc für das Flüssigmetall 3. Das Magnetfeld Bint kann intern durch den zu-oder abführenden Stromleiter 20 und/oder bevorzugt durch eine externe, bezüglich ihrer Magnetfeldrichtung umschaltbare Magnetfeldquelle Bext er- zeugt 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 Be- wegungsrichtung-x in mindestens eine dritte Position x13, X3 bewegt werden, wobei das Flüssigmetall 3 in der mindes- tens einen dritten Position X13, X3 in Serie mit einem Iso- lator 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 113, 13 eines beweglich auf- gehängten Festkörperleiters 3'. Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl aus- gelöst, durch den ein externes Magnetfeld Bext 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 selbst- erholende Sicherung oder als Motorstarter. Die Erfindung umfasst auch eine elektrische Schaltanlage, insbesondere eine Hoch-oder Mittelspannungsschaltanlage, gekennzeich- net durch eine Vorrichtung 1 wie oben beschrieben.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Flüssigmetall-Strombegrenzer 2a, 2b Festmetall-Elektroden, Metallplatten, festste- hende 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, Wider- standsmatrix 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 a Reibungskoeffizient Bextt Bint externes, internes Magnetfeld Fmag magnetische Kraft Fr Rückstellkraft i Strom il Betriebsstrom 12 begrenzter Überstrom k Proportionalitätskonstante 1, 11, 12, 112, 13, 113 Schleifkontaktpositionen L Netzinduktivität PiF P2, P3 Gasdruck Rx, Rl Widerstand des Strombegrenzers t Zeitvariable Ub Lichtbogenzündspannung UN Netzspannung, Betriebsspannung VI, V2, V3 Gasvolumen x, Xi, X2, Xi2, X3, X13 Positionen der Flüssigmetallsäule