STAND DER TECHNIK In der DE 199 03 939 AI wird eine selbsterholende Strom- begrenzungseinrichtung mit Flüssigmetall offenbart.

Zwischen zwei Festmetallelektroden ist ein druckfestes Isoliergehäuse angeordnet, in dem Flüssigmetall in Ver- dichterräumen und in dazwischenliegenden, die Verdichter- räume verbindenden Verbindungskanälen angeordnet ist, so dass ein Strompfad für Nominalströme zwischen den Fest- elektroden 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 strom- begrenzender Lichtbogen gezündet wird. Nach Abklingen des Überstroms kann das Flüssigmetall wieder kondensieren und der Strompfad ist wieder betriebsbereit.

In der WO 00/77811 ist eine Fortbildung der selbsterholen- den Strombegrenzungseinrichtung offenbart. Die Verbin-

dungskanäle 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 überstrombedingtem Verdampfen des Flüssigmetalls eine Serie strombegrenzender Lichtbogen 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 Abbrandrücks. tände 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 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 Hochstrom- schalter 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 Lö- schen 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 GB 1 206 786 wird ein elektrischer Hochstromschal- ter auf Flüssigmetallbasis gemäss Oberbegriff der unab- hängigen Ansprüche offenbart. Das Flüssigmetall bildet in einer ersten Position einen ersten Strompfad für den Be- triebsstrom und wird beim Stromschalten entlang eines Wi- derstandselements geführt und in eine zweite Position ge- bracht, in welcher es in Serie mit dem Widerstandselement liegt und den Strom auf einen kleinen Bruchteil reduziert.

Der Hochstromschalter ist zur Erzeugung hochintensiver Strompulse im Mega-Ampere und sub-Millisekunden Bereich zur Plasmagenerierung konzipiert.

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 anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungs- gemäss durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche ge- löst.

In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Ver- fahren zur Strombegrenzung mit einer Strombegrenzungs- vorrichtung, die Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall umfasst, wo- bei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Fest- elektroden ein Betriebsstrom auf einem ersten Strompfad durch die Strombegrenzungsvorrichtung 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 entlang einer Bewegungsrichtung in mindestens eine zweite Position bewegt wird, beim Übergang von der ersten Positi- on zur zweiten Position entlang eines Widerstandselements geführt wird und in der mindestens einen zweiten Position in Serie mit einem Widerstandselement liegt und dadurch ein strombegrenzender zweiter Strompfad durch die Strom- begrenzungsvorrichtung gebildet wird, der einen vorgeb- baren elektrischen Widerstand aufweist, wobei der elektri- sche Widerstand als Funktion der zweiten Position sowie die Weg-Zeit Charakteristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position des Flüssigmetalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzünd- spannung zwischen dem Flüssigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurz- schlussströme erzielt wird. Das erfindungsgemässe Strom- <BR> <BR> begrenzungsverfahren ist zur Begrenzung netzbedingter Kurzschlüsse geeignet. Erfindungsgemäss verbleibt das Flüssigmetall im flüssigen Aggregatzustand und wird durch eine erzwungene Bewegung gezielt zwischen den unterschied- lichen Positionen bewegt. Der Pinch-Effekt wird dabei nicht genutzt. Sehr schnelle Strombegrenzungs-Reaktions- zeiten von bis zu unter 1 ms sind erzielbar. Das Verfahren gibt Dimensionierungskriterien zur optimalen Auslegung der Dynamik des Strombegrenzungsvorgangs an. Da vom Flüssig- metall im Strombegrenzungsfal kein Isolator, sondern ein

geeignet dimensionierter elektrischer Widerstand benetzt und kontaktiert wird, wird kein Lichtbogen gezündet. Daher kann das Strombegrenzungsverfahren auch bei sehr hohen Spannungsniveaus eingesetzt werden. Dabei tritt kaum Ver- schleiss durch Abbrand oder Korrosion des Flüssigmetalls auf. Die Strombegrenzung erfolgt reversibel und ist daher wartungsfreundlich und kostengünstig.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Widerstands- element zur Erzielung einer sanften Abschaltcharakteristik mit einem entlang der Bewegungsrichtung des Flüssigmetalls nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand für den zweiten Strompfad gewählt.

In weiteren Ausführungsbeispielen ist das Widerstands- element ohmsch und steigt der elektrische Widerstand kon- tinuierlich mit der zweiten Position an, und/oder der elektrische Widerstand wächst als Funktion der zweiten Po- sition zunächst überproportional mit der zweiten Position, steigt dann linear mit der zweiten Position in einer Pha- se, in welcher die in einer Netzinduktivität gespeicherte Energie absorbiert werden muss, und geht dann in einem Be- reich, in dem der Kurzschlussstrom bereits begrenzt wird und grössere elektrische Widerstände tolerabel werden, wieder in eine steiler, d. h. überproportional ansteigende Funktion der zweiten Position über. Auf diese Weise wird eine sanfte Strombegrenzungscharakteristik für eine pro- gressive Strombegrenzung realisiert.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 4 hat den Vorteil einer kompakten Anordnung des Flüssigmetalls relativ zu den zu schaltenden Strompfaden.

Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 5 hat den Vorteil, dass durch eine Serieschaltung von Flüssigmetallsäulen abwechselnd mit einem Dielektrikum auch hohe Spannungen und hohe Ströme effizient und sicher gehandhabt werden können.

Ansprüche 6 und 8 geben besonders einfache Konfigurationen für einen strombegrenzenden Schalter oder Strombegrenzer mit integriertem Schalter mit Flüssigmetall an.

Anspruch 7 zeigt eine vorteilhafte, weil selbsttätige und zugleich selbsterholende Strombegrenzung.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vor- richtung zur Strombegrenzung, insbesondere zur Ausführung des Verfahren, umfassend Festelektroden und einen Behälter mit mindestens einem Kanal für ein Flüssigmetall, wobei in einem ersten Betriebszustand zwischen den Festelektroden ein erster Strompfad für einen Betriebsstrom durch die Strombegrenzungsvorrichtung vorhanden ist und der erste Strompfad zumindest teilweise durch das in einer ersten Position befindliche Flüssigmetall führt, wobei elek- trische Widerstandsmittel mit einem vorgebbaren elek- trischen Widerstand vorhanden sind, Positionierungsmittel zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssig- metalls entlang einer Bewegungsrichtung entlang den Wider- standsmitteln in mindestens eine zweite Position vorhanden sind, und in einem zweiten Betriebszustand das Flüssig- metall zumindest teilweise in Serie zu den Widerstandsmit- teln liegt und zusammen mit diesen einen zweiten Strompfad bildet, auf dem der Betriebsstrom auf einen zu begrenzen- den Strom begrenzbar ist, wobei der elektrische Widerstand als Funktion der zweiten Position so dimensioniert ist und die Positionierungsmittel eine solche Weg-Zeit Charakte- ristik des Flüssigmetalls entlang der Bewegungsrichtung aufweisen, dass in jeder zweiten Position des Flüssig- metalls das Produkt aus elektrischem Widerstand und Strom kleiner als eine Lichtbogenzündspannung zwischen dem Flüs- sigmetall und den Festelektroden und Zwischenelektroden ist und eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherrschung netzbedingter Kurzschlussströme erzielbar 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 erfindungsgemässe Strombegren- zungseinrichtung mit Flüssigmetall bei Nenn- strombetrieb und im Strombegrenzungsfall ; Fig. 2 zeigt einen strombegrenzenden Schalter in Form einer Serieanordnung von Flüssigmetall- Strombegrenzer und Schalter ; Fig. 3,4 zeigen strombegrenzende Schalter mit Einfang- mechanismen für Flüssigmetall bei Nennstrom- betrieb ; 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 Gasantrieb für das Flüssigmetall.

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

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Fig. la, lb zeigt ein Äusführungsbeispiel eines Flüssig- metall-Strombegrenzers 1. Der Strombegrenzer 1 umfasst <BR> <BR> <BR> 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 Widerstandsmittel 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.

In einem ersten Betriebszustand (Fig. la) fliesst ein Be- triebs-oder Nennstrom Iz auf einem Nennstrompfad 30 von der Eingangselektrode 2a via Flüssigmetall 3 und gegebe- nenfalls Zwischenelektroden 2c zur Abgangselektrode 2b.

Dabei befindet sich das Flüssigmetall 3 in der ersten Po- sition xl, benetzt zumindest teilweise die Festelektroden 2a, 2b, 2c und überbrückt elektrisch leitend die Kanäle 3a. In einem zweiten Betriebszustand (Fig. lb) wird das Flüssigmetall 3 entlang der Bewegungsrichtung x, gegeben durch eine Höhenerstreckung der Kanäle 3a, in eine zweite Position x2 bewegt, liegt dort in Serie zu dem elektrischen Widerstandsmittel 5 und bildet mit diesem einen zweiten Strompfad oder Strombegrenzungspfad 31 für einen zu be- grenzenden 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 xi2, xi des Flüssigmetalls 3 vor- gebbaren Höhe angeordnet. Für eine lichtbogenfreie Kommu- tation des Stroms i (t) von den Festelektroden 2a, 2b, 2c zum Widerstandselement 5 soll eine typische, vom Kontakt- material abhängige, minimale Lichtbogenzündspannung von 10 V-20 V nicht überschritten werden.

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 nichtlinear zuneh- mendem Widerstand Ex aufweisen. Die Stege 5a sollen auf Hö- he der ersten Position Xi des Flüssigmetalls 3 Zwischen- elektroden 2c zur elektrisch leitenden Verbindung der Ka- näle 3a aufweisen. Die Kanäle 3a sind vorzugsweise im we- sentlichen parallel zueinander angeordnet. Die wandartigen Stege 5a stellen Einzelwiderstände 5a des Widerstandsele- ments 5 dar, so dass der strombegrenzende zweite Strompfad 31 durch eine alternierende Serieschaltung der Kanäle 3a und der Einzelwiderstände 5a gebildet wird.

Die Positionierungsmittel 3a ; 20, B, 12 zum Bewegen und räumlichen Positionieren des Flüssigmetalls 3 entlang ei- ner Bewegungsrichtung x in mindestens eine zweite Position xi2, X2 umfassen die Kanäle 3a und ein Transport-oder An- triebsmittel 20, B, 12 für das Flüssigmetall 3, insbeson- dere auch eine Antriebssteuerung 11 (wie in Fig. 6 darge- stellt). Bevorzugt ist ein elektromagnetischer Antrieb 20, B oder ein mechanischer Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 vorhanden, durch den das Flüssigmetall 3 zwischen Nennstrompfad 30 und Strombegrenzungspfad 31 bewegbar ist.

Bei einem Übergang von der ersten Position Xi zur zweiten Position xi2, X2, insbesondere zu einer extremalen zweiten Position X2, wird das Flüssigmetall 3 entlang des Wider- standselements 5 geführt. Zur Erzielung einer sanften Ab- schaltcharakteristik weist das Widerstandselement 5 einen entlang der Bewegungsrichtung x des Flüssigmetalls 3 nichtlinear ansteigenden elektrischen Widerstand Rx für den zweiten Strompfad 31 auf. Das Widerstandselement 5 soll einen ohmschen Anteil aufweisen und ist bevorzugt rein ohmsch mit einem elektrischen Widerstand Rx, der kontinu- ierlich mit der zweiten Position xl2, X2 ansteigt.

Typischerweise wird der zweite Betriebszustand durch einen Überstrom ausgelöst. Bevorzugt wird die Strombegrenzung selbsttätig aktiviert, insbesondere durch elektro- magnetische Kraft Fmagl die auf das stromdurchflossene Flüssigmetall 3 wirkt, wobei das Flüssigmetall 3 in einem externen Magnetfeld B oder in einem internen, durch eine Stromzuführung 2a, 2b ; 20 erzeugten Magnetfeld B ange- ordnet ist.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemässen Strombegrenzer 1 in Serie geschaltet mit einem elektrischen Schalter 7, insbe- sondere einem Leistungsschalter 7. In dieser Anordnung wird ein strombegrenzender Schalter 1, 7 realisiert, bei dem die Strombegrenzung vorgängig durch das erfindungsge- mässe Verfahren mit Flüssigmetall 3 und danach eine Strom- abschaltung konventionell erfolgt. Bei elektromagnetischem Antrieb des Flüssigmetalls 3 können auch zwei Strombegren-

zer 1 mit gegenphasig wirksamer Auslösung der Flüssig- metallbewegung hintereinander geschaltet sein, um in jeder Stromhalbwelle eine Strombegrenzung und gegebenenfalls Stromabschaltung zu erreichen.

Fig. 3 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 kann zusätzlich zum Nennstrompfad 30 und zum Strombegren- zungspfad 31 eine Isolationsstrecke 32 vorgesehen sein, auf welcher die Stege 5a zur Strombegrenzung in Stege 8a zur Stromisolation übergehen. Die Isolationsstege 8a be- stehen im wesentlichen aus Isolationsmaterial, sind vor- zugsweise im Bereich des Einfangbehälters 3c angeordnet und bilden zusammen mit den durch das eingefangene Flüs- sigmetall 3 entleerten Kanälen die Isolationsstrecke 32.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei welcher die Isola- tionsstrecke 32 ohne Einfangbehälter 3b realisiert ist.

Hier ist der Antriebsmechanismus für das Flüssigmetall 3 durch einen Rotationsantrieb 11'für den Strombegrenzer 1 realisiert. Im zweiten Betriebszustand wird die Vorrich- tung 1 mit einer vorgebbaren Rotationsgeschwindigkeit so rotiert, dass durch das Gleichgewicht zwischen Reibung- und Kapillarkräften einerseits und der Zentrifugalkraft andererseits das Flüssigmetall 3 eine zweite Position X12 im Bereich des Widerstandselements 5 einnimmt und einen Strombegrenzungspfad 31 bildet. Durch Erhöhung der Rotati- onsgeschwindigkeit und damit der Zentrifugalkraft wird das Flüssigmetall 3 in den Bereich der Isolationsstege 8a ge- drängt und bildet zusammen mit diesen die Isolationsstre- cke 32. Da das Flüssigmetall leitfähig ist, sind hier die Anforderungen an die dielektrische Festigkeit der Isolati- onsstege 8a erhöht, was z. B. durch breitere Isolations-

stege 8a und/oder eine geeignete Materialwahl erreicht wird.

Bei beiden Varianten ist also das Flüssigmetall 3 zwischen dem Nennstrompfad 30, dem Strombegrenzungspfad 31 und der Isolationsstrecke 32 zur Stromabschaltung bewegbar, so dass ein integrierter strombegrenzender Schalter 1 auf Flüssigmetallbasis realisiert ist. Vorteilhaft sind der erste Strompfad 30 für Betriebsstrom I : L, der zweite Strom- pfad 31 zur Strombegrenzung und insbesondere die Isolati- onsstrecke 32 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrich- tung x und/oder im wesentlichen parallel zueinander ange- ordnet. Dies ergibt eine besonders einfache Konfiguration für einen integrierten Strombegrenzer-Leistungsschalter 1, der ausschliesslich mit Flüssigmetall 3 arbeitet.

Fig. 5 zeigt für den Strombegrenzer 1 oder strombegrenzen- den Schalter 1 eine Dimensionierung des elektrischen Widerstands Rx als Funktion der zweiten Position Xi2 des Flüssigmetalls 3. Mit Vorteil wird der Widerstand Rx bis zu einer extremalen zweiten Position X2 auf einen Maximalwert Rx (xs) nichtlinear ansteigend gewählt. Auch soll für ein gegebenes Spannungsniveau der Maximalwert Rx (X2) des Wider- stands Rx nach Massgabe eines zu begrenzenden Stroms Is auf einen endlichen Wert oder zur Abschaltung des Betriebs- stroms I1 auf einen dielektrischen Isolationswert bemessen werden.

Der elektrische Widerstand RX als Funktion RX (X12) der zwei- ten Position Xi2 sowie eine Weg-Zeit Charakteristik la (t) des Flüssigmetalls 3 entlang der Bewegungsrichtung x sol- len so gewählt werden, dass in jeder zweiten Position xl2, x2 des Flüssigmetalls 3 das Produkt aus elektrischem Wider- stand Rx und Strom Is kleiner als eine Lichtbogenzündspan- nung Ub zwischen dem Flüssigmetall 3 und den Festelektroden 2a, 2b und Zwischenelektroden 2c ist und/oder dass eine hinreichende Steilheit der Strombegrenzung zur Beherr- schung netzbedingter Kurzschlussströme i (t) erzielt wird.

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) ift) < Ub (t) (G1) Ru (tri (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 # d2x12/dt2 + α #dx12/dt(t) = F - Fr, (G3) wobei Fr=Rückstellkraft, insbesondere gleich Gravitations- kraft Fr=m g mit g=Erdbeschleunigung. In Fig. 5 wurde bei- spielhaft eine elektromagnetische Kraft F=Fmag angenommen, die durch Selbstwechselwirkung des durchfliessenden Stroms i (t) auf das Flüssigmetall 3 ausgeübt wird. Dann gilt zu- sätzlich F = kOi2 (t) (G4) mit k=geometrieabhängige Proportionalitätskonstante. Bei externem Magnetfeld B gilt F = k'oi (t) mit k'=weitere Proportionalitätskonstante. Bei mechanischem Antrieb gilt F=mechanisch erzeugte Druckkraft auf Flüssigmetall 3, die z. B. durch Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit eines abzuschaltenden Stroms i (t) oder eines Überstroms i (t) gewählt werden kann.

In Fig. 5 wurden beispielhaft angenommen : eine kurz- schlussbedingte Stromsteilheit di/dt=15 kA/ms, UN=1 kV

Ii=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 R (t) und die Weg-Zeitcharakteristik Xi2 (t) des Flüssigmetalls 3 und schliesslich durch Elimina- tion der Zeitabhängigkeit der Widerstand RX (xiz) als Funk- tion der zweiten Position xl2, wie in Fig. 5 logarithmisch dargestellt. Ausgehend von der ersten Position x1, d. h. bei Ablösung des Flüssigmetalls 3 von den Festelektroden 2a, 2b, 2c, nimmt 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 Ex tolerabel werden, wieder in einen steileren, d. h. überproportionalen Anstieg Rx (xl2) über.

Ein solcher, mit der Wegstrecke x nichtlinear ansteigender Widerstand Rx kann beispielsweise durch Materialien mit un- terschiedlichen spezifischen Widerständen realisiert wer- den. Ein nichtlinear ansteigender Gesamtwiderstand Rx kann auch durch eine geeignete geometrische Führung des Strom- pfades in einem Widerstandselement mit homogenem spezifi- schen Widerstand realisiert sein. Die nichtlineare Gradu- ierung des Widerstands Rx kann auch durch Kombination bei- der Massnahmen, nämlich durch eine geeignete geometrische Stromführung in einem Widerstandselement mit variablem spezifischen Widerstand, erreicht werden.

Fig. 6 zeigt einen kombinierten Flüssigmetall-Strom- begrenzer 1 und Flüssigmetall-Leistungsschalter 1 mit Gas- antrieb 12 für das Flüssigmetall 3. 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 Flüssig- metall 3 in einem dritten Betriebszustand entlang der ent- gegengesetzten Bewegungsrichtung-x in mindestens eine dritte Position X13, x3 bewegt werden, wobei das Flüssig- metall 3 in der mindestens einen dritten Position X13, X3

in Serie mit einem Isolator 8 liegt und dadurch eine Isolationsstrecke 32 zur Leistungsabschaltung durch die Vorrichtung 1 gebildet wird. Wie dargestellt kann die Iso- lationsstrecke 8 durch eine Mehrzahl von Isolationsstegen 8a gebildet sein, die im Abschaltfall in alternierender Serieschaltung mit den nach unten verschobenen Flüssig- metallsäulen 3 stehen. Insbesondere wird der dritte Betriebszustand durch einen Abschaltbefehl ausgelöst, wo- bei das Flüssigmetall 3 durch einen elektromagnetischen Antrieb mit schaltbarem externen Magnetfeld B oder durch einen mechanischen Antrieb mit einem dielektrischen Fluid 12 bewegt wird. In Fig. 6 ist beispielhaft ein Gasantrieb 12 angegeben, bei dem ein erster Gasdruckbehälter 121 mit Gas unter Volumen V1 und Druck pi und ein zweiter Gasdruck- behälter 122 mit Gas unter Volumen V2 und Druck p2 über je ein steuerbares Gasdruckventil 13 mit dem Arbeitsdruckbe- hälter 123 mit Arbeitsvolumen V3 und Arbeitsdruck p3 kommu- nizieren. Es kann auch ein kombiniertes Ventil, z. B. ein Dreiweg-Ventil, statt zweier separater Ventile 13 vorgese- hen sein. Durch Wahl passender Drücke, z. B. P1<P2, und Ak- tivierung der Ventile 13 kann zwischen dem ersten, zweiten und dritten Betriebszustand gezielt hin-und hergeschaltet werden. Beispielsweise wird zur Strombegrenzung 31 Gas aus 121 mit Druck pl in das Arbeitsvolumen V3 eingeströmt und die Flüssigmetallsäulen 3 steigen auf x12 oder x2. Für Nennstrombetrieb 30 wird zeitweise Gas aus 122 eingeströmt und der Flüssigmetallspiegel wird auf x=0 gesenkt. Zur Leistungsabschaltung 32 wird der Behälter 122 mit Druck p2 geöffnet und das Flüssigmetall 3 auf die dritte Position Xi3 oder extremale dritte Position X3 gesenkt. Das ein- geschlossene Gas im Einschlussvolumen 124 bewirkt eine rücktreibende Federkraft. Weitere Details und Varianten des Gasantriebs 12, z. B. drei Druckbehälter mit drei unterschiedlichen Drücken jeweils für einen der drei Betriebszustände und insbesondere Anschluss des Volumens 124 an einen Druckbehälter, sind möglich und seien hiermit ausdrücklich mitumfasst. Alternativ oder ergänzend zu

Druckbehältern 121, 122 kann der Flüssigmetallantrieb auch magnetisch mit externem oder internem Magnetfeld B oder mechanisch mit Kolben ausgeführt sein. Alternativ oder er- gänzend zu Gas kann auch ein anderes dielektrisches Arbeitsfluid, z. B. Öl, verwendet werden. Als Flüssig- metall 3 geeignet sind z. B. Quecksilber, Gallium, Cäsium, GaInSn o. ä..

Mit Vorteil ist die Isolationsstrecke 32 zur Stromabschal- tung oberhalb des zweiten Strompfads 31 und/oder unterhalb des ersten Strompfads 30 angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung des Flüssigmetalls 3 und seines An- triebmechanismus 12 relativ zu den zu schaltenden Strömen, insbesondere zum Nennstrompfad 30, Strombegrenzungspfad 31 und gegebenenfalls Stromabschaltungspfad 32, realisiert.

Auch kann der Strombegrenzer 1 in Fig. 6 auch als strombe- grenzender Schalter 1, wie 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 2c Zwischenelektroden 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 Isolator, Behälterdeckel, Gehäusewand 7 Schalter, Leistungsschalter 8 Isolator für Stromunterbrechung 8a Einzelisolatoren 9 flexible Membran 10 Ventil für Flüssigmetallzuführung 11 Antriebssteuerung, Magnetfeldsteuerung 111 Rotationsbewegung 12 Gasantrieb für Flüssigmetall 121-124 Gasdruckbehälter 13 Gasdruckventile u Reibungskoeffizient B Magnetfeld Fmag magnetische Kraft Fr Rückstellkraft i Strom il Betriebsstrom I2 begrenzter Überstrom k Proportionalitätskonstante

L Netzinduktivität P1, P2, P3 Gasdruck Rx Widerstand des Strombegrenzers t Zeitvariable Ub Lichtbogenzündspannung UN Netzspannung, Betriebsspannung Vi, V2, V3 Gasvolumen X, x2, X2, 2, x3, x13 Position der Flüssigmetallsäule