CN101651323A - 一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路方法和装置，属于电气及自动控制领域。装置包括主体和副体两部分，主体的封装外壳与外部固态电极端子构成密闭空腔，空腔内分层次地充有导电流体和磁性流体，空腔数量为多个时，内设有隔板，隔板上设有内部固态电极端子，隔板等分空腔体积，每个空腔内分层次地充有导电流体和磁性流体。副体包括磁场发生装置、温度调节装置。将装置主体部分、磁场发生装置接入受控电路，在受控线路中出现故障电流时，磁场发生装置产生足够大梯度磁场，迅速将导电流体与固态电极端子分离，进而实现线路的快速分断。达到毫秒级的反应时间可有效保护电气设备的安全，可解决触头烧损、难以分断等问题，装置具备自恢复功能。

Description

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路方法和装置

技术领域

本发明属于电气及自动控制领域，涉及电气开关设备的基础工程和远程自动控制技术，具体涉及高压、中压或低压开关设备的限流和断路方法及装置。

背景技术

近年来随着我国石油化工、矿山、冶金、机械、纺织等工业的迅速发展，消耗的电能越来越多且集中。随着电力系统容量的逐年增加，电网短路容量和短路电流水平也在不断增长，作为在电子和电气各领域得到越来越广泛应用的电路保护装置的开关、熔断器等元件，对其分断能力以及可靠运行的要求不断提高，目前这已成为制约电网运行和发展的一个重要问题。因此开发有效的过载或短路限流和断路装置，以限制电力系统的过载或短路容量，从而提高电力系统的运行可靠性，已成为目前我国电力系统安全运行和电力建设、发展的迫切问题。而且，随着环境污染日渐严重和核工业迅速发展，普通的断路和限流装置在一些特定环境中的应用受到限制，希望有一种能够远程控制、高效、能源洁净的控制器件，用来控制某些危险性高或不适宜人工直接操作等领域的电路。对这种场合使用的断路和限流装置要具备下列特点：非接触控制，能连续长期工作，并具有自动控制功能，能够进行远程控制，以适应现代化生产和调度的需要。

断路器在切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，保证设备安全运行方面发挥着越来越重要的作用。目前市面上所用的断路器主要有热断路器、磁断路器、复合断路器和通地漏泄断路器等。热断路器采用一个与电路串联的双金属片。电流在过载期间产生的热量会使双金属片变形。从而使断路器跳闸。与保险丝相比。热保护器有个显著的优点。就是在跳闸后能够重新复位，它们还可以用作被保护设备的电源接通、关断开关。然而此类断路器受温度变化影响较大，工作性能不够稳定。磁断路器为大多数设计问题提供了精度和可靠性较高的解决方案。它主要是电磁接触器和过负荷继电器的组合，由电动开关和磁力线圈组成，磁力线圈的作用是用电磁力来操纵啮合器和电动开关工作。磁断路器的电流感应螺线管受环境温度变化的影响不大.因此磁断路器具有温度稳定性.不会像热断路器那样明显地受到环境温度变化的影响。复合型断路器同时具有热断路器和磁断路器两种结构和功能，能对断路器由于过热、过载或短路引起的故障进行有效地保护，其适应的负载范围更广。通地漏泄断路器的工作方式与磁断路器相同，如果经过通地漏泄断路器后，电源流出和返回的电流值相差超过了漏泄灵敏度的设定值，则断路器将跳闸，且有提示装置发出故障警报，从而具备了智能化的特点。

然而，上述目前广泛使用的断路器主要由机械运动部件和触点构成，这种依赖于固相联系的机械式开关，容易磨损，在固相接触表面易发生侵蚀或熔焊现象，从而导致开关或继电器的短路，所以这类开关断路器使用寿命不长，响应速度慢，工作可靠性不高。大量事实证明，由于电线短路导致电气火灾事故频发的根本原因是断路器不跳闸。断路器拒动的主要原因是触点被烧死粘结或者脱扣机构卡死，这使电力系统存在着难以避免的安全隐患。

熔断器是一种简单而有效的保护电器，被广泛应用于各种电子电气设备中。它主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔体串接于被保护的电路中，当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。它的结构原理确实并不复杂，但要设计和制造出性能优良、可连续重复使用的熔断器却非易事。传统熔断器导通稳定、带负载能力强，但是响应速度慢、易燃弧、稳定性和可控性差，熔体老化严重；固态限流开关响应速度快、无电弧，但是通态损耗大、耐压水平低、不能完全开断电路而且给电网带来了严重的谐波污染。通常的跌落式熔断器、限流式熔断器、旋弧式熔断器、热熔断器、混合式熔断器等在降低熔断器温升、改善熔断器灭弧效果等方面仍不够完善。而且传统的熔断器仅能保护一次，烧断了就必须更换，不可重复使用，增加了设备的维护成本，延误了生产生活的正常进行。其它限流技术如串联限流电抗、固态短路限流、超导故障限流器、PTC电阻限流等因存在过多电能消耗，固有以及附加损耗大，恢复时间长等问题，造成这些限流装置在应用上也受到了限制。

在国外文献中，液态金属自复熔断器实验样品的最初报导始于20世纪70年代。这类熔断器的熔体是液态金属，在故障电流作用下，液态金属蒸发，同时断开所保护的供电系统器件。经过很短的时间，金属蒸汽冷却凝结，熔体所在的电路恢复。这种自复熔断器可重复多次使用，它的主要缺点是保护特性不稳定，这是因为多次动作后，电介质衬圈沟道尺寸改变所致。此外，它有陡的下降保护特性，和别的保护装置配合较难，目前还没有单独用它来做保护装置。国际上常作为开关电器的组成部分，例如与断路器组合，以此提高分断能力。然而，熔断器的多次动作，使电介质衬圈的分解物污染了液态金属，从而导致燃弧时间的延长甚至不熄灭。

20世纪90年代出现的一种新型自恢复熔断器由聚合物树脂基体及掺入其中的导电粒子组成。正常情况下，表现为低阻抗，此时线路流经其上的电流产生的热量很小，不会改变聚合树脂的晶状结构，从而使电路保持通路。当电路中有过电流发生时，流经其上的大电流产生的热量导致树脂基体内温度升高，聚合物树脂基体体积膨胀，其阻抗迅速升高，从而有效地降低了电路中的电流，起到对电路的过流保护作用。故障排除后，树脂重新冷却结晶，熔断器又恢复为低阻抗状态。然而这种自恢复熔断器并不适用于持续反复断开的场合，工作不够稳定，易受环境温度影响，其典型的失效形式是产品室温电阻变得太大，这将使其维修电流变小，如果自恢复熔断器在故障状态时超过了它的额定电压或电流或断路次数过多，则自恢复熔断器可能变形或燃烧。

利用液态金属设计断路和限流装置已逐渐受到本领域内相关研究人员的关注，DE2652506公开了一种电气的具有液态金属的电流开关。该装置所用液态金属通过机械排挤进入接触间隙，并通过电流的收缩效应被稳定和固定于接触间隙中。液态金属混合物可润湿固态电极，减少接触阻抗。然而该装置固体电极之间的电弧在液态金属中可造成氧化，且相对来说，造价较为昂贵。

WO00/77811中公开了一种基于液态金属的自恢复限流装置。该装置采用锥形扩宽式的连接通道，以此改变液态金属液面高度和额定电流承受能力。该装置通过错位布局连接通道来形成曲折的电流路径，使电弧在液态金属汽化时被点燃，从而使装置的限流效果得到改善。然而该装置设计复杂，燃弧时会出现较大磨损，使用寿命不长。该装置对温度和压力等物理条件要求较高，加大了设计难度，并且液态金属冷凝后会使电路重新导通，以致出现重复的开断过程，实用性差。

CN1820338A专利公开了一种用于限流或断路的方法和装置，通过可移动的活塞以及可维持驱动压力的泵向介电气体或液体施加机械压力，介电的气体或液体把压力传递到液态金属上，使液态金属在不同的位置移动，从而实现电路的通断，该装置可以可逆的限流和断流，具备较快的反应时间。其缺点是，此装置的必须有严格的气密性，并且分解产物和在驱动流体中的气泡造成固体电极老化以及气体喷射等问题并未得到很好的解决。

当今世界各制造企业和研究单位除在不断努力改进电路保护装置的性能，尤其是提高其自身分断能力外，还随着当今电子技术和计算机技术的飞速发展，促进电力系统的各项设备向自动化、智能化和小型化方向迈进，以满足我国尽快达到国际先进水平而成为世界电力大国的要求。目前，设计出安全、易操作、低功耗、性能稳定、能重复使用，并且能实现远程自动控制的电路保护装置的开发和应用已成为该领域科技工作者的研究热点。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路方法和装置。该装置充分利用磁性流体和导电流体在密度、磁性等方面的差异，通过磁场有效控制磁性流体及导电流体的形状和位置变化，达到控制电路电流大小，实现对受控电路过载、短路保护以及负荷开关的作用，并实现对电气设备远程控制的目的。

本发明的利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置包括主体和副体两部分：主体包括封装外壳以及封装外壳两侧的外部固态电极端子，封装外壳与外部固态电极端子构成密闭空腔，空腔内分层次地分别充有导电流体和磁性流体，即导电流体和磁性流体构成两个层次。

密闭空腔的数量可以是一个或一个以上，当空腔数量是一个以上时，在空腔内设置隔板，并在隔板上设置内部固态电极端子，隔板将空腔的体积等分。每个空腔内分层次地分别充有导电流体和磁性流体，即导电流体和磁性流体构成两个层次。

副体包括磁场发生装置、温度调节装置，其中温度调节装置根据实际需要确定是否配置。当密闭空腔的数量是一个以上时，主体的至少两个密闭空腔通过内部固态电极端子连接，至少两个的密闭空腔可以对称地放置在磁场发生装置之上或之下，也可以将磁场发生装置组配在两个密闭空腔之间，温度调节装置位于每个空腔之下或外侧。要求磁场发生装置能提供足以驱动磁性流体并使磁性流体驱动导电流体，使导电流体与内部固态电极端子或外部固态电极端子分离，能够达到断电状态的梯度磁场。

在保证可以满足按控制需求开断受控电路的情况下，可以将本装置设计成一个密闭空腔，空腔内分层次地分别充有导电流体和磁性流体，即导电流体和磁性流体构成两个层次。将磁场发生装置放置于密闭空腔的上部或下部，也可以放置于密闭空腔一侧。温度调节装置位于密闭空腔之下或外侧。要求磁场发生装置能提供足以驱动磁性流体并使磁性流体驱动导电流体，使导电流体能够达到断电状态的梯度磁场。

根据本发明的限流断路装置所在工作环境以及受控电路电流情况来决定是否配置温度调节装置，若受控电路电流产生的热量和工作环境温度可以使该限流断路装置的导电流体和磁性流体处于正常的工作状态，则不必配置温度调节装置。

本发明的温度调节装置可为保证导电流体和磁性流体在正常稳定工作状态的任何常规方式实现。例如采用风扇、电加热器、空冷换热器、水冷换热器等。导电流体的正常稳定工作状态为：处于液体状态，其蒸发量不影响控制电路的通断，不会因与其接触物质可能存在的微弱物理化学反应而影响其导电性能及使用寿命；磁性流体的正常工作状态为：处于液体状态，其蒸发量不影响控制电路的通断，不会因沉淀、蒸发、聚集或磁性流体与导电流体的接触等而影响磁性流体的工作性能及使用寿命。

本发明装置的封装外壳采用玻璃、塑料、陶瓷、环氧树脂或复合材料等热塑性和热固性以及机械性能、绝缘性能等满足实际设计需要的材料是适宜的，壳体厚度以保证封装外壳的机械性能和传热效果为宜。

本发明的单个密闭空腔形式的限流断路装置，安装在封装外壳两侧壁的外部固态电极端子在电路正常工作状态下，与导电流体连通。而当电路故障需要断电时，外部固态电极端子与导电流体断开。即当受控电路电流增大时，磁场发生装置产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与外部固态电极端子断开。

当密闭空腔的数量是一个以上时，本发明的至少两个的密闭空腔通过内部固态电极端子连接，内部固态电极端子与安装在封装外壳两侧壁的外部固态电极端子在电路正常工作状态下，与导电流体连通。而当电路故障需要断电时，内部固态电极端子与导电流体断开。

当密闭空腔的数量是一个以上时，应用本发明的至少两个密闭空腔形式的限流断路装置，当受控电路电流增大时，磁场发生装置产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与内部固态电极端子断开。在内部固态电极端子两端同时切断电路，因为是多点切断电路，磁性流体为绝缘子，具备一定的熄弧作用，从而有效限制了燃弧的产生。本发明的密闭空腔可以是一个或一个以上，可根据实际的电路保护需求增加密闭空腔的数目，形成更多断点，则装置的限流和开断电路的效果会更好。

本发明的密闭空腔内可以充入保护性气体，氮气、六氟化硫、氩气等惰性气体和干燥的空气等是适宜的，也可将密闭空腔抽成真空，密闭空腔内的相对真空度范围0到-101.325KPa皆可。

作为导电流体，选择镓、镓铟锡合金、汞、钨或类似物等液态金属以及导电盐溶液、导电离子液体是适宜的，导电盐溶液例如硫酸盐溶液、硝酸盐溶液、氯化盐溶液等，导电离子液体例如Alcl₃型离子液体或一些负离子为BF₄ ^-、PF₆ ^-等非Alcl₃型离子液体皆可；磁性流体可以选用水基、有机基等绝缘性好的磁性流体，例如水基、油基、酯基磁性流体等。导电流体和磁性流体之间几乎不互溶。如果互溶，可在导电流体和磁性流体间加膜，膜材料选用聚氨酯薄膜、聚酯薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯等是适宜的。

导电流体和磁性流体被填充在密闭空腔内，各自的体积视受控电路所需限流断路效果以及固态电极端子的位置计算而得到，磁性流体和导电流体总体积所占密闭空腔的体积可在10％至100％范围之间选择，磁性流体与导电流体的体积比可在1/10至10范围之间选择。

本发明中的温度调节装置可保证导电流体和磁性流体在正常的工作状态，在电路开断时，通过热交换也可起到冷却电弧的作用，能有效限制电弧的产生。

所述的梯度磁场可以由接入电路的磁场发生装置通过电流产生磁场，即受控电路发生过载或短路故障时，由待限制的电流直接或间接向磁场发生装置供电，磁场发生装置产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开。磁场发生装置也可以采用永磁体，受控电路发生过载或短路故障时，触发一个关断指令，通过该指令，机械装置将永磁体移动到预设定位置，在该位置上永磁体产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开。

本发明的磁场发生装置所在电路或受控电路可连接氖管、蜂鸣器、LED显示屏等报警装置，在受控电路因出现故障等原因开断电路时，起到报警提示作用。

作为受控电路的过载或短路保护装置时，本发明装置的使用方法是：将该限流断路装置主体部分接入受控电路，磁场发生装置根据需要选择以下四种连接形式的其中一种接入电路。当过载或短路故障发生时，磁场发生装置产生足够强度的梯度磁场，产生的磁场作用于磁性流体和导电流体，在磁化力作用下，磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。

作为受控电路的正常负荷开关时，本发明装置的使用方法是：将该装置主体部分接入受控电路，磁场发生装置根据需要选择以下四种形式的其中一种接入电路。当需要开断受控电路时，闭合磁场发生装置所在电路或调节与磁场发生装置并联的电位器，或者给机械装置一个移动指令，使机械装置将永磁体移动到预设定位置，使磁场发生装置产生足够大的梯度磁场，产生的磁场作用于磁性流体和导电流体，在磁化力作用下，磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。

本发明的磁场发生装置接入电路的形式有四种。

第一种形式：磁场发生装置串联在受控电路中，依靠受控电路电流变化时产生足够强度的梯度磁场，产生的磁场作用于磁性流体和导电流体，在磁化力作用下，磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而控制受控电路的开断，起到对受控电路的过载或短路保护。当磁场发生装置采用第一种接入电路的形式时，若需要本限流断路装置同时具备负荷开关的功能，可在磁场发生装置旁并联一个电位器。

第二种形式：受控电路与磁场发生装置所在电路构成变压器的原、副线圈，通过设计原、副线圈的匝数，可使受控电路与磁场发生装置所在电路的电参数按确定的比例变化，受控电路电流或电压变化时，导致磁场发生装置所在电路电流或电压发生变化，当磁场发生装置所在电路的电流或电压达到预先设计值时，磁场发生装置可产生足够强度的梯度磁场，产生的磁场向磁性流体和导电流体施加磁化力，在磁化力作用下，磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而控制受控电路的开断，起到对受控电路的过载或短路保护。当磁场发生装置采用第二种接入电路的形式时，若需要本限流断路装置同时具备负荷开关的功能，可在磁场发生装置旁并联一个电位器，在磁场发生装置所在主回路串联一个定值电阻。当需要开断受控电路时，闭合磁场发生装置所在电路或调节与磁场发生装置并联的电位器，使磁场发生装置产生足够大的梯度磁场。

第三种形式：磁场发生装置可连接在附加电路中，附加电路包括任何可向磁场发生装置提供电能并使其产生所需磁场的电源以及连接入电路的晶闸管组件。在附加电路主回路上串联一个开关，在晶闸管组件两侧并联一个开关，可根据需要闭合或断开。附加电路的电流由晶闸管的导通或关断控制，晶闸管的导通需要由受控电路的过电流或过电压来触发，晶闸管受门极触发而导通后，附加电路导通，从而向磁场发生装置供电，通电的磁场发生装置产生足够强度的梯度磁场，作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断电路。

第四种形式：磁场发生装置采用永磁体，采用机械装置移动永磁体产生所需磁场作用于磁性流体和导电流体，采用这种设计形式，作为受控电路的过载或短路保护装置时，本发明装置的使用方法是：将该限流断路装置主体部分接入受控电路，磁场发生装置，即永磁体，与可移动的机械装置组装在一起，机械装置安置在设有滑轨的底座上，底座组配在本发明装置的主体部分。该机械装置与自控装置连接，自控装置采用常用的自控设备即可，能向机械装置传递信号使机械装置运行。当过载或短路故障发生时，触发自控装置产生一个关断指令，该指令传递给机械装置，机械装置运行将永磁体移动到预设定位置，在该位置永磁体产生的梯度磁场能够作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。作为受控电路的正常负荷开关时，本发明装置的使用方法是：将该装置主体部分接入受控电路，磁场发生装置，即永磁体，安置在可移动的机械装置上。当需要开断受控电路时，人工给机械装置一个移动指令，机械装置永磁体移动到预设定位置，永磁体产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。

第一种和第二种形式的连接方式也可用于频繁开断电路，为用电装置进行脉冲供电或产生脉冲信号等，适用于周期性频繁通断的电路应用领域。

第一种和第二种形式的连接方式可根据开断电路的需要，比如在本限流断路装置将受控电路开断后，如果需要保持受控电路的开断状态，可以将本限流断路装置与失压保护装置组配使用，其使用的方法为：将本限流断路装置的主体部分和失压保护装置组配后接入受控电路，当受控电路发生过载或短路时，本限流断路装置开断电路，同时触发失压保护装置动作，再次断开受控电路，从而可避免受控电路连续通断的情况出现。闭合失压保护装置或将电位器复位后闭合失压保护装置，可以恢复受控电路正常导通状态。

本限流断路装置与失压保护装置组配使用的方式主要有甲、乙两种形式。甲种形式：将本限流断路装置与现阶段常规的失压保护装置直接配合使用，二者在结构上是独立的。乙种形式：失压保护装置和本限流保护装置形成组合装置，共用同一个磁场发生装置，采用这种形式可以使组合装置更加紧凑，并能实现组合装置的多功能化，可对受控电路实施过载、短路保护、失压保护以及负荷开关的作用。

根据磁场发生装置的不同位置，采用乙种组配形式的失压保护装置的位置也可以随之改变，即失压保护装置可以放在磁场发生装置之上或之下，以及侧壁。

将本限流断路装置与失压保护装置组配使用，在受控电路出现失压故障时，失压保护装置发生动作，对受控电路实施失压保护。本限流断路装置与失压保护装置组配使用的方式可对受控电路实施过载、短路保护、失压保护以及负荷开关的作用。

第三种形式的连接方式在受控电路出现过载或短路故障时，晶闸管被触发，附加电路导通，附加电路电源向磁场发生装置供电，本限流断路装置发生动作开断受控电路，这种连接形式可提供持续的开断状态，直到故障排除后，断开磁场发生装置所在的电路，该限流断路装置恢复正常状态。作为负荷开关使用时，闭合磁场发生装置所在电路，附加电路电源向磁场发生装置供电，本装置发生动作开断受控电路，需要闭合受控电路时，断开磁场发生装置所在的电路，该限流断路装置和受控电路恢复正常状态。

本发明采用两个或两个以上的断点同时开断电路，可限制电弧产生。本发明具体实施例中采用两个密闭空腔，即两个断点，已达到很好的电路保护效果。根据需要，也可将装置设计成两个以上的密闭空腔，形成更多断点，限流和开断电路的效果会更好。本发明装置可与其它可吸收电路过电压和剩余能量的装置组合成联合装置，提高整体的电路保护性能。

本发明的限流断路装置属于电气开关设备，适用于高压、中压和低压电路的过载、短路保护以及起到正常负荷开关的作用，可开断0.01A到40KA范围的受控电路电流，适用范围较广。

本发明具有如下的技术特点：

(1)将该装置配置在受控线路中，通过温度调节装置有效的换热，温升低，减少了固态电极、导电流体等的氧化。采用导电流体与固态电极端子接触的形式，减少了对固态电极的磨损，有效避免了固相接触表面易发生的侵蚀现象。结构简单，性能稳定，造价低，使用寿命长，易于批量化生产。

(2)在受控线路中出现故障电流时，磁场发生装置产生足够大梯度磁场，迅速将导电流体与固态电极端子分离，进而实现线路的快速分断。达到毫秒级的反应时间可有效保护电气设备的安全，可解决触头烧损、难以分断等问题。

(3)磁性流体既可起到断开导电流体和固态电极接触的作用，也有助于熄灭可能出现的电弧。多点同时分断电路，可有效避免线路断电时的电弧产生，温度调节装置促进封闭空腔与外界的换热，可起到冷却可能出现的电弧的作用。

(4)该装置采用导电流体，减少了接触电阻，可对固态电极进行有效浸润。磁性流体相对于利用固体机械电磁机构而言，在磁场下运动灵活，其在电路中不必发挥既导电又受电磁吸力或斥力的作用，不必既是电极，又要作为开断机构，多次作用后会产生磨损，进而影响电路的导通状态和对电路的控制功能。

(5)该装置可实现自动恢复功能。当故障电流产生时，磁场发生装置产生梯度磁场，该装置发生动作切断电路，故障排除后，只需撤去磁场，线路即可实现导通状态。该装置相比可实现短路保护的熔断器而言，可重复多次使用，无需多次更换，降低了成本，且使用方便。

(6)该装置既可实现对受控电路的过载和短路保护功能，也可实现负荷开关的作用。可采取通过附加电路向磁场发生装置供电，使磁场发生装置产生梯度磁场分断电路的方式。即可通过控制附加电路的导通状态来控制被控制电路的导通状态，可实现以较小电流电路控制更大电流电路的目的。

(7)该装置可与其他电路开关装置组配使用，实现联合开断电路的更加优化的功能。根据常用制造技术，该装置易于与其他装置组配形成集成化装置，实现远程自动控制功能，具备向小型化、智能化方向发展的条件。

(8)本限流断路装置与失压保护装置组配使用可对受控电路实施过载、短路保护、失压保护以及负荷开关的作用。

附图说明

图1为本发明装置的整体正面结构示意图；

图2为本发明装置工作时的原理示意图，其中图2(a)表示受控电路正常导通时，本发明装置处于正常状态；图2(b)为本发明装置发生动作开断受控电路时的状态；

图3为磁场发生装置的三种连接形式示意图，其中图3(a)为磁场发生装置的第一种连接形式；图3(b)为磁场发生装置的第二种连接形式；图3(c)为磁场发生装置的第三种连接形式；

图4为本发明装置与失压保护装置的组配形式示意图，其中图4(a)和图4(b)为本发明采用单个密闭空腔，将失压保护装置组配在密闭空腔一侧，共用同一个磁场发生装置时的示意图；图4(c)为本发明采用两个密闭空腔，将失压保护装置组配在密闭空腔之下，共用同一个磁场发生装置时的示意图；

图5为本发明单个密闭空腔时的结构示意图，其中，图5(a)为磁场发生装置组配在密闭空腔一侧时的示意图；图5(b)为磁场发生装置组配在密闭空腔之下时的示意图；

图6为磁场发生装置组配在至少两个密闭空腔之间时的示意图；

图7为通过机械装置控制永磁体位置移动实现受控电路通断的示意图，其中，图7(a)为机械装置将永磁体移离预定工作位置示意图，图7(b)为机械装置将永磁体移到预定工作位置示意图。

图中：1封装外壳，2外部固态电极端子，3磁性流体，4导电流体，5温度调节装置，6磁场发生装置，7底部支架，8受控电路，9受控电路负载，10受控电路电源，11电位器，12定值电阻，13附加电路电源，14附加电路，15开关K1，16开关K2，17晶闸管组件，18失压保护装置基座，19触头弹簧，20动触头，21静触头，22变压设备，23隔板，24内部固态电极端子，25底座，26机械装置，27滑轨。

具体实施方式

本发明装置整体的结构特点和工作原理如下。

该装置包括主体和副体两部分：主体包括封装外壳1以及封装外壳两侧的外部固态电极端子2，封装外壳1与外部固态电极端子2构成密闭空腔，空腔内分层次地分别充有导电流体4和磁性流体3，空腔数量为一个以上时，空腔内设置有至少一个隔板23，隔板23上设有内部固态电极端子24，隔板23等分空腔的体积，每个空腔内分层次地分别充有导电流体4和磁性流体3。

副体包括磁场发生装置6，与主体部分组装在一起，或与机械装置26组装在一起。

根据需要可在主体每个空腔之下或外侧设置有温度调节装置5。

磁场发生装置6采用能够产生梯度磁场的装置，该梯度磁场作用于磁性流体3和导电流体4，足以造成磁性流体3驱动导电流体4使其发生形变或位置改变，使导电流体3与内部固态电极端子24或外部固态电极端子2分离，达到断电状态。

密闭空腔的数量是一个以上时，磁场发生装置6设置在至少两个的密闭空腔之上或之下，或组装在两个密闭空腔之间。

密闭空腔数量为一个时，磁场发生装置6设置在密闭空腔的上部、下部或密闭空腔一侧。

与机械装置26组装在一起的磁场发生装置6采用永磁体，机械装置26安置在设有滑轨27的底座25上，底座25组装在主体部分封装外壳1上。

在未接入电路或在受控电路正常状态下，内部固态电极端子24或外部固态电极端子2与导电流体4连通。

将本限流断路装置主体部分接入受控电路8，磁场发生装置6根据需要选择上文所述四种连接形式的其中一种接入电路。

所说的磁场发生装置可产生梯度磁场，可使用超导磁石、电磁线圈、电磁铁或永磁体来产生所需磁场。固态电极端子可以磁场发生装置组配，根据设计需要，固态电极端子可以作为电磁线圈的铁芯。

磁场发生装置以第一种和第二种形式的连接方式接入电路时，可根据开断电路的需要，比如在本限流断路装置将受控电路开断后，如果需要保持受控电路的开断状态，可以将本限流断路装置与失压保护装置组配使用，基本的组配形式可参见图4。在受控电路处于正常导通状态时，因为电磁力的吸引作用，失压保护装置的动触头20与静触头21接触良好。当本限流断路装置开断受控电路时，磁场发生装置施加的电磁力消失，触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，从而使失压保护装置闭合，受控电路恢复导通。

磁场发生装置以第一种连接形式接入电路如图3(a)所示，本电路保护装置的工作原理如图2所示：

1.作为过载或短路保护装置：

a)在受控电路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体。导电流体与固态电极端子接触良好。

b)线路发生过载或短路故障时，受控电路8电流增大，磁场发生装置6产生足够大梯度磁场，梯度磁场作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体4与内部固态电极端子端子24断开，实现电路的快速分断。因为内部固态电极端子24两端几乎同时分断，再加上温度调节装置5与封闭空腔内的有效换热，有效限制电弧的产生。

c)当受控电路发生过载或短路，本限流断路装置迅速开断受控电路，如果需要提供持续的开断状态，本限流断路装置可与失压保护装置组配使用，如图4所示。当本限流断路装置开断受控电路时，同时触发失压保护装置动作，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将失压保护装置闭合，受控电路重新导通。

2.作为控制电路通断的负荷开关：

I)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，导电流体与固态电极端子接触良好。

II)需要开断受控电路8时，调节与磁场发生装置6并联的电位器11，使流过磁场发生装置6的电流增大，磁场发生装置6产生足够大梯度磁场，梯度磁场作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与内部固态电极端子24断开，实现电路的快速分断。因为内部固态电极端子24两端几乎同时分断，再加上温度调节装置5与封闭空腔内的有效换热，有效限制电弧的产生。

III)当受控电路被开断时，如果需要提供持续的开断状态，本限流断路装置可与失压保护装置组配使用，如图4所示。当本限流断路装置开断受控电路时，同时触发失压保护装置动作，再次断开受控电路，提供持久的断路状态，直到故障排除后，将电位器11调回初始状态，将失压保护装置闭合，受控电路恢复原来的导通状态。

磁场发生装置以第二种连接形式接入电路如图3(b)所示，本限流断路装置的工作原理如图2所示：

1.作为过载或短路保护装置：

a)在受控电路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体。导电流体与固态电极端子接触良好。

b)线路发生过载或短路故障时，受控电路8电流增大，因为变压设备22的作用，导致磁场发生装置6所在电路电流增大，磁场发生装置6产生足够大梯度磁场，梯度磁场的作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体4与内部固态电极端子24断开，实现电路的快速分断。因为内部固态电极端子24两端几乎同时分断，再加上温度调节装置5与封闭空腔内的有效换热，有效限制电弧的产生。

c)当受控电路发生过载或短路，本限流断路装置迅速开断受控电路，如果需要提供持续的开断状态，本限流断路装置可与失压保护装置组配使用，如图4所示。当本限流断路装置开断受控电路时，同时触发失压保护装置动作，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将失压保护装置闭合，受控电路重新导通。

2.作为控制电路通断的负荷开关：

I)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，导电流体与固态电极端子接触良好。

II)需要开断受控电路时，调节与磁场发生装置并联的电位器11，使流过磁场发生装置的电流增大，磁场发生装置产生足够大梯度磁场，梯度磁场的作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与内部固态电极端子24断开，实现电路的快速分断。因为内部固态电极端子24两端几乎同时分断，再加上温度调节装置与封闭空腔内的有效换热，有效限制电弧的产生。

III)当受控电路被开断时，如果需要提供持续的开断状态，本限流断路装置可与失压保护装置组配使用，如图4所示。当本限流断路装置开断受控电路时，同时触发失压保护装置动作，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将电位器11调回初始状态，将失压保护装置闭合，受控电路恢复原来的导通状态。

磁场发生装置以第三种连接形式接入电路如图3(c)所示，本限流断路装置的工作原理如图2所示

1.作为过载或短路保护装置：

a)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，对线路损耗很小。

b)线路发生过载或短路故障时，晶闸管组件17所在附加电路14迅速导通，磁场发生装置6因通电而产生足够大梯度磁场，梯度磁场的作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与内部固态电极端子24断开，实现电路的快速分断。因为内部固态电极端子24两端几乎同时分断，再加上温度调节装置5与封闭空腔内的有效换热，可限制电弧的产生。

c)因为附加电路14可持续供电，该装置可提供持久的断路状态，直到故障排除后，断开附加电路开关16，附加磁场消失，两液体回复原来的状态，受控电路8重新导通。

2.作为控制电路通断的负荷开关：

I)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，对线路损耗很小。此时附加电路开关15处于开断状态。

II)需要开断受控电路8时，闭合附加电路开关15，附加电路14导通，附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生足够大梯度磁场，梯度磁场的作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体4与内部固态电极端子24断开，实现电路的快速分断。

III)当需要闭合受控电路时，开断附加电路开关16或15，都可使受控电路8回到导通状态。

磁场发生装置选择第四种连接形式产生所需梯度磁场，如图7所示。采用机械装置移动永磁体产生所需磁场，限流断路装置的主体部分和滑轨27安装在底座25上，永磁体6与可电驱动的机械装置26组配放置在滑轨27上，本限流断路装置的工作原理如图7(a)和图7(b)所示。

1.作为过载或短路保护装置：

a)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，对线路损耗很小。机械装置和永磁体所在位置如图7(a)。

b)如图7(b)所示，线路发生过载或短路故障时，触发一个关断指令，通过该指令，机械装置26将永磁体6通过滑轨27移动到预设定位置，永磁体6产生的梯度磁场作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体4与固态电极端子2断开，从而开断受控电路。

c)该装置可提供持久的断路状态，直到故障排除后，通过机械装置26将永磁体6移离预设计位置，两液体回复原来的状态，受控电路重新导通。

2.作为控制电路通断的负荷开关：

I)在线路正常的导通状态情况下，线路电流流过导电流体，对线路损耗很小。机械装置和永磁体所在位置如图7(a)。

II)如图7(b)所示，需要开断受控电路8时，给可电驱动的机械装置26一个移动指令，机械装置26将永磁体6通过滑轨27移动到预设定位置，永磁体6产生的梯度磁场作用于磁性流体3和导电流体4，造成磁性流体3排挤导电流体4使其发生形变或位置移动，直至使导电流体3与固态电极端子2断开，从而开断受控电路。

III)该装置可提供持久的断路状态，直到故障排除后，通过机械装置26将永磁体6移离预设计位置，两液体回复原来的状态，受控电路重新导通。

磁场发生装置产生足够大梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置改变，可根据实际需要和磁场发生装置的放置位置进行设计。

为了按照图2中的最简单的实施形式根据受控电路具体情况选择磁性流体和导电流体，并得到所需磁场，从而设计或选择合适的磁场发生装置，在此给出一个定量的例子。导电流体和磁性流体在梯度磁场中发生运动并最终达到静止的形变状态，两种流体分界面形变高度可通过公式(一)得到：

$h=K_1\frac{|B_1^2-B_2^2|(X_1-k_2{X}_2)}{2{\mathrm{\μ}}_{A}g({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)}$ (一)

式中，h为分界面两个不同形变处的高度差，μ_A为导电流体的磁导率，k₂为磁性流体与导电流体的磁导率之比，表示为k＝μ_B/μ_A，μ_B为磁性流体的磁导率，X₁为导电流体的体积磁化率，X₂为磁性流体的体积磁化率，B₁和B₂分别为分界面两个不同形变处的磁感应强度，ρ₁为导电流体的密度，ρ₂为磁性流体的密度，g为当地重力加速度，K₁为根据实际设计条件校定的修正系数，是一个无量纲量。

根据该限流断路装置的形状尺寸和密闭空腔内流体与固态电极端子的相对位置以及不同的开断需求，可设计不同的的磁场发生装置，选择不同的导电流体和磁性流体。导电流体和磁性流体的选择要求施加磁场后磁性流体驱动导电流体使其发生形变或位置移动并足以隔开固态电极端子和导电流体。当该限流断路装置接入受控电路后，随着受控电路中电流值的变化，磁场发生装置产生梯度磁场，在梯度磁场强度达到设计值时，密闭空腔内的磁性流体和导电流体受到磁化力作用，磁性流体给导电流体的表面施加压力作用，从而排挤导电流体使导电流体与固态电极端子接触面积发生改变或断开连接，从而实现对受控电路的限流和/或断路。

根据上述电路保护装置的结构特点和工作原理，以下具体以实施例进一步说明。

实施例1

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图1所示，磁场发生装置6采用第三种连接形式如图3(c)所示，本实施例中选用最大磁感应强度为0.4T的电磁铁作为磁场发生装置6。封装外壳1采用陶瓷材料制成，与隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成两个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体3，其密度为1320kg/m³，饱和磁化强度为450GS，采用液态金属镓作为导电流体4，其密度为5907kg/m³，将液态金属镓和磁性流体等体积分别注入密闭空腔，磁性流体在上，镓在下，磁性流体和液态金属镓的总体积占密闭空腔的90％，将密闭空腔剩余空间抽成真空，相对真空度为-100Kpa。外部固态电极端子2与内部固态电极端子24均选取长为10mm，直径为5mm的铜电极，主体的两个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接，并对称的放置在磁场发生装置6之上，采用深圳欣锐特电子有限公司销售的KTO011散热恒温调节器与风扇搭配使用作为温度调节装置5，放置底部支架7所围成的空间中，通过有效换热，将密闭空腔里的温度保持在35℃。

如图1和图3(c)所示，作为过载或短路保护装置使用时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至1360A作为短路电流，晶闸管组件17被触发导通，从而使附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在5ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关16，附加电路14被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

如图1和图3(c)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至1250A作为正常负荷电流，晶闸管组件17未被触发导通，从而使附加电路14处于开断状态。闭合附加电路的开关15，附加电路14被接通，附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场，控制磁性流体3和液态金属4动作，在4ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关16或15，附加电路14都可被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

实施例2

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图1所示，本限流断路装置与失压保护装置组配使用，如图4(c)所示，磁场发生装置6采用第二种连接形式，如图3(b)所示，本实施例中选用最大磁感应强度为0.1T的电磁铁作为磁场发生装置6。将受控电路8作为变压设备22的原线圈，磁场发生装置6所在电路作为变压设备22的副线圈，电位器11和定值电阻12的连接形式如图3(b)所示。封装外壳1采用玻璃材料制成，与隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成两个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，磁性流体采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体3，其密度为1320kg/m³，饱和磁化强度为450GS，采用液态金属镓铟锡合金作为导电流体4，根据配比，其密度定为6378kg/m³，先将占密闭空腔40％体积的镓铟锡合金注入密闭空腔中，在镓铟锡合金表面上加厚度为0.04mm的聚氨酯薄膜，并将膜固定在封装外壳1上，再将占密闭空腔50％体积的磁性流体3注入密闭空腔中，磁性流体在上，镓铟锡合金在下。外部固态电极端子2与内部固态电极端子24均选取长为8mm，直径为4mm的铜电极。主体的两个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接，并对称的放置在磁场发生装置6之上，本实验在室温下进行。

如图1、图3(b)和图4(c)所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电压调至380V作为正常负荷电压，将受控电路8电压调至500V作为过电压，此时磁场发生装置6所在电路电压升高，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.1T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在10ms时，受控电路8被切断。触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路8，提供持久的断路状态。直到故障排除后，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路8恢复导通。

如图1、图3(b)和图4(c)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：将受控电路8电压调至380V作为正常负荷电压，调节电位器11(RHQ26系列，上海江晶翔电子有限公司生产)，此时磁场发生装置6两端电压升高，电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.1T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在12ms时，受控电路8被切断。触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将电位器11复位，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路8恢复导通。

实施例3

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图1所示，本限流断路装置与失压保护装置组配使用，如图4(c)所示，磁场发生装置6采用第一种连接形式，如图3(a)所示，本实施例中选用最大磁感应强度为0.3T的电磁铁作为磁场发生装置6，电位器11连接形式如图3(a)所示。封装外壳1采用环氧树脂材料制成，与隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成两个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体3，采用液态金属汞作为导电流体4，其密度为13590g/m³，将汞和磁性流体等体积分别注入密闭空腔，磁性流体在上，汞在下，磁性流体和液态金属汞的总体积占密闭空腔的100％。外部固态电极端子2与内部固态电极端子24均选取长为10mm，直径为5mm的铜电极。主体的两个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接，并对称的放置在磁场发生装置6之上，本实验在室温下进行。

如图1、图3(a)和图4(c)所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电压调至220V作为正常负荷电压，将受控电路8电压调至400V作为过电压，此时磁场发生装置6所在电路电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.3T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在20ms时，受控电路8被切断，触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路8，提供持久的断路状态。直到故障排除后，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路8恢复导通。

如图1、图3(a)和图4(c)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：将受控电路电压调至400V作为正常负荷电压，调节电位器11(RHQ26系列，上海江晶翔电子有限公司生产)，此时磁场发生装置6两端电压升高，电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.3T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在17ms时，受控电路8被切断。触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将电位器11复位，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路恢复导通。

实施例4

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图5(b)，本实施例中选用最大磁感应强度为0.05T的螺线管式电磁铁作为磁场发生装置6，采用第三种连接方式，如图3(c)所示。封装外壳1采用陶瓷材料制成，与固态电极端子2形成一个密闭空腔，密闭空腔尺寸(长×宽×高)为30mm×15mm×15mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF04型磁性流体3，其密度为1310kg/m³，饱和磁化强度为450高斯，采用硫酸铜溶液作为导电流体4，其密度为1133kg/m³，先将占密闭空腔40％体积的磁性流体3注入密闭空腔中，在磁性流体3表面上加厚度为0.08mm的聚氯乙烯薄膜，并将膜固定在封装外壳1上，再将等体积的硫酸铜溶液注入密闭空腔中，磁性流体在下，硫酸铜溶液在上，向密闭空腔中充入保护性气体氩气。固态电极端子2选取长为8mm，直径为4mm的铜电极，密闭空腔放置在磁场发生装置6之下，本实验在室温下进行。

如图5(b)和图3(c)所示，作为过载或短路保护装置使用时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至0.02A作为短路电流，晶闸管组件17被触发导通，从而使附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.05T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在5ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关16，附加电路14被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

如图5(b)和图3(c)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至0.01A作为正常负荷电流，晶闸管组件17未被触发导通，从而使附加电路14处于开断状态。闭合附加电路的开关15，附加电路14被接通，附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.05T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在4ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关15或16都可断开附加电路14，从而使磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

实施例5

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图6。本实施例中选用最大磁感应强度为0.4T的电磁线圈作为磁场发生装置6，磁场发生装置6安装位置如图6所示，磁场发生装置6采用第二种连接形式，如图3(b)所示。将受控电路8作为变压设备22的原线圈，磁场发生装置6所在电路作为变压设备22的副线圈，电位器11和定值电阻12的连接形式如图3(b)所示。封装外壳1采用玻璃材料制成，与隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成两个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，外部固态电极端子2与内部固态电极端子24均选取长为10mm，直径为5mm的铜电极。主体的两个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接。采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MFZ型磁性流体3，其密度为1270kg/m³，饱和磁化强度为450高斯，采用液态金属镓作为导电流体4，其密度为5907kg/m³。将镓和磁性流体等体积分别注入密闭空腔，镓在下，磁性流体在上，磁性流体和液态金属镓的总体积占密闭空腔的50％，向密闭空腔中充入氮气作为保护性气体。采用深圳欣锐特电子有限公司销售的KTO011散热恒温调节器与风扇搭配使用作为温度调节装置5，放置底部支架7所围成的空间中，通过有效换热，将密闭空腔里的温度保持在35℃。

如图6和图3(b)所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电压调至4000V作为正常负荷电压，将受控电路8电压调至4500V作为过电压，此时磁场发生装置6所在电路电压升高，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在10ms时，受控电路8被切断，磁场发生装置6磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复原来状态，受控电路随即被导通，并开始重复开断和导通状态。

实施例6

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置置如图5(a)。本限流断路装置与失压保护装置组配使用，如图4(b)所示，磁场发生装置6采用第一种连接形式，如图3(a)所示。封装外壳1采用环氧树脂材料制成，与固态电极端子2形成一个密闭空腔，密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，本实施例中选用最大磁感应强度为0.3T的电磁铁作为磁场发生装置6，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MFK型磁性流体3，其密度为1480kg/m³，饱和磁化强度为450高斯，采用离子液体Br-Alcl₃作为导电流体4，其密度为1575kg/m³，先将占密闭空腔45％体积的离子液体Br-Alcl₃注入密闭空腔中，在离子液体表面上加厚度为0.06mm的聚氨酯薄膜，并将膜固定在封装外壳1上，再将占密闭空腔40％体积的磁性流体3注入密闭空腔中，向密闭空腔中充入氮气。固态电极端子2选取长为15mm，直径为10mm的铁电极，并将此铁电极作为电磁铁的铁芯，本实验在室温下进行。

如图5(a)、图3(a)和图4(b)所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电压调至10V作为正常负荷电压，将受控电路8电压调至20V作为过电压，此时磁场发生装置6所在电路电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.3T的梯度磁场，控制磁性流体和离子液体动作，在10ms时，受控电路8被切断。触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路8，提供持久的断路状态。直到故障排除后，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路8恢复导通。

如图5(a)、图3(a)和图4(b)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：将受控电路8电压调至10V作为正常负荷电压，调节电位器11，此时磁场发生装置6两端电压升高，电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.3T的梯度磁场，控制磁性流体和离子液体动作，在8ms时，受控电路被切断。触头弹簧19的弹力使动触头20与静触头21迅速分离，再次断开受控电路8，提供持久的断路状态。直到故障排除后，将电位器11复位，通过机械力将失压保护装置的动触头20和静触头21接触，受控电路8恢复导通。

实施例7

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图6所示。磁场发生装置6采用第一种连接形式，如图3(a)所示，内部固态电极端子24采用选用长为20mm，直径为10mm的铁电极，并将铁电极作为螺线管线圈的铁芯与之组配成最大磁感应强度为0.6T的磁场发生装置6，如图6所示。封装外壳1采用玻璃材料，与隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成两个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体，采用液态金属镓作为导电流体，其密度为5907kg/m³，将镓和磁性流体等体积分别注入密闭空腔，磁性流体在上，镓在下，磁性流体和液态金属镓的总体积占密闭空腔的80％，向密闭空腔中充入干燥的空气。主体的两个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接，采用深圳欣锐特电子有限公司销售的KTO011散热恒温调节器与HGK 047电热器搭配使用作为温度调节装置5，放置底部支架7所围成的空间中，通过有效换热，将密闭空腔里的温度保持在35℃。

如图3(a)和图6所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电压调至220V作为正常负荷电压，将受控电路电压调至400V作为过电压，此时磁场发生装置所在电路电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.6T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在11ms时，受控电路被切断，磁场发生装置6磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复原来状态，受控电路随即被导通，并开始重复开断和导通状态。

如图3(a)和图6所示，作为控制电路通断的负荷开关时：将受控电路电压调至400V作为正常负荷电压，调节电位器11，此时磁场发生装置6两端电压升高，电流增大，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.6T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在8ms时，受控电路8被切断，磁场发生装置6磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复原来状态，受控电路随即被导通，并开始重复开断和导通状态。

实施例8

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如实施例1。本实施例中选用最大磁感应强度为0.6T的电磁铁作为磁场发生装置6。

如图1和图3(c)所示，作为过载或短路保护装置使用时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至35KA作为短路电流，晶闸管组件17被触发导通，从而使附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.6T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在20ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关16，附加电路14被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

如图1和图3(c)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至30KA作为正常负荷电流，晶闸管组件17未被触发导通，从而使附加电路14处于开断状态。闭合附加电路的开关15，附加电路14被接通，附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.6T的梯度磁场，控制磁性流体3和液态金属4动作，在4ms时，受控电路8被切断。断开附加电路的开关16或15，附加电路14都可被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

实施例9

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如图7所示，本实施例中选用最大磁感应强度为0.4T的永磁体作为磁场发生装置6。封装外壳1采用陶瓷材料制成，固态电极端子2形成单个密闭空腔，密闭空腔尺寸(长×宽×高)为40mm×20mm×20mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体3，其密度为1320kg/m³，饱和磁化强度为450GS，采用液态金属镓铟锡合金作为导电流体4，根据配比，其密度定为6378kg/m³。将液态金属镓铟锡合金和磁性流体等体积分别注入密闭空腔，磁性流体在上，镓铟锡合金在下，磁性流体和液态金属镓铟锡合金的总体积占密闭空腔的90％，将密闭空腔剩余空间抽成真空，相对真空度为-100Kpa。外部固态电极端子2选取长为10mm，直径为5mm的铜电极。采用电动机驱动机械装置，电动机连接在如实施例1所述的附加电路中。本实验在室温下进行。

如图7(a)和图7(b)所示，作为过载或短路保护装置使用时：将受控电路8电流调至100A作为短路电流，晶闸管组件被触发导通，从而使附加电路电源电动机供电，电动机驱动机械装置26通过滑轨27将永磁体6移动到如图7(b)所示位置，即主体空腔右下方，永磁体6产生的最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场控制磁性流体3和导电流体4动作，在10ms时，受控电路8被切断。通过控制电动机驱动机械装置26沿着滑轨27将永磁体6移动到如图7(a)所示位置，永磁体6产生的磁场对磁性流体和导电流体无法施加磁化力作用或磁化力作用很微弱，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

如图7(a)和图7(b)所示，作为控制电路通断的负荷开关时：给电动机一个控制指令，电动机驱动机械装置26通过滑轨27将永磁体6移动到如图7(b)所示位置，永磁体6产生的最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场控制磁性流体3和导电流体4动作，在12ms时，受控电路8被切断。通过控制电动机驱动机械装置26沿着滑轨27将永磁体6移动到如图7(a)所示位置，永磁体6产生的磁场对磁性流体和导电流体无法施加磁化力作用或磁化力作用很微弱，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

实施例10

一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置如实施例1，与实施例1不同之处在于，本实施例中选用三个相同的最大磁感应强度为0.4T的电磁铁作为磁场发生装置6，三个电磁铁串联在附加电路中。封装外壳1采用陶瓷材料制成，与五个隔板23和固态电极端子2、固态电极端子24形成六个相同的密闭空腔，每个密闭空腔尺寸(长×宽×高)为30mm×15mm×15mm，采用北京市神然磁性流体技术有限公司生产的MF03型磁性流体3，其密度为1320kg/m³，饱和磁化强度为450GS，采用液态金属镓铟锡合金作为导电流体4，根据配比，其密度定为6378kg/m³，将液态金属镓铟锡合金和磁性流体等体积分别注入每个密闭空腔，磁性流体在上，镓铟锡合金在下，磁性流体和液态金属镓铟锡合金的总体积占密闭空腔的90％，将密闭空腔剩余空间抽成真空，相对真空度为-100Kpa。外部固态电极端子2与内部固态电极端子24均选取长为10mm，直径为5mm的铜电极，主体的六个密闭空腔通过内部固态电极端子24连接，并两两对称的分别放置在三个磁场发生装置6之上，本实验在室温下进行。

作为过载或短路保护装置使用时，每两个密闭空腔与一个电磁铁对应的动作情况如图1和图3(c)所示：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至150A作为短路电流，晶闸管组件17被触发导通，从而使附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场，控制磁性流体3和导电流体4动作，在5ms时，受控电路8被切断。对于有六个密闭空腔的本装置，共有六个断点同时开断，实验中无燃弧出现，断路效果优良。断开附加电路的开关16，附加电路14被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

作为控制电路通断的负荷开关时，每两个密闭空腔与一个电磁铁对应的动作情况如图1和图3(c)所示：附加电路的开关16闭合，开关15断开，将受控电路8电流调至120A作为正常负荷电流，晶闸管组件17未被触发导通，从而使附加电路14处于开断状态。闭合附加电路的开关15，附加电路14被接通，附加电路电源13向磁场发生装置6供电，磁场发生装置6产生最大磁感应强度为0.4T的梯度磁场，控制磁性流体3和液态金属4动作，在4ms时，受控电路8被切断。对于有六个密闭空腔的本装置，共有六个断点同时开断，实验中无燃弧出现，断路效果优良。断开附加电路的开关16或15，附加电路14都可被断开，磁场发生装置6产生的磁场消失，导电流体4和磁性流体3恢复初始状态，受控电路8重新被导通。

Claims (15)

1、一种利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置，包括主体和副体两部分：

主体包括封装外壳(1)以及封装外壳两侧的外部固态电极端子(2)，封装外壳(1)与外部固态电极端子(2)构成密闭空腔，空腔内分层次地分别充有导电流体(4)和磁性流体(3)，或空腔内设置有至少一个隔板(23)，隔板(23)上设有内部固态电极端子(24)，隔板(23)等分空腔的体积，每个空腔内分层次地分别充有导电流体(4)和磁性流体(3)；

副体包括磁场发生装置(6)，与主体部分组装在一起，或与机械装置(26)组装在一起。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于在主体每个空腔之下或外侧设置有温度调节装置(5)。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于磁场发生装置(6)选用能够产生梯度磁场的装置，该梯度磁场作用于磁性流体(3)和导电流体(4)，足以造成磁性流体(3)驱动导电流体(4)使其发生形变或位置改变，使导电流体(3)与内部固态电极端子(24)或外部固态电极端子(2)分离，达到断电状态。

4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于密闭空腔数量为一个的装置，磁场发生装置(6)设置在密闭空腔的上部、下部或密闭空腔一侧，密闭空腔的数量是一个以上的装置，磁场发生装置(6)设置在至少两个的密闭空腔之上或之下，或组装在两个密闭空腔之间。

5、按照权利要求1所述的装置，其特征在于与机械装置(26)组装在一起的磁场发生装置(6)采用永磁体，机械装置(26)安置在设有滑轨(27)的底座(25)上，底座(25)组装在主体部分封装外壳(1)上。

6、按照权利要求1所述的装置，其特征在于内部固态电极端子(24)或外部固态电极端子(2)与导电流体(4)连通。

7、按照权利要求1所述的装置，其特征在于导电流体(4)采用液态金属、导电盐溶液或导电离子液体，液态金属采用镓、镓铟锡合金、汞或钨，导电盐溶液采用硫酸盐溶液、硝酸盐溶液或氯化盐溶液，导电离子液体采用AlCl₃型离子液体或负离子为BF₄ ^-、PF₆ ^-的非AlCl₃型离子液体，磁性流体(3)采用水基、油基或酯基磁性流体。

8、按照权利要求1所述的装置，其特征在于磁性流体和导电流体总体积所占密闭空腔的体积为10％～100％，磁性流体与导电流体的体积比为1/10至10。

9、按照权利要求1所述的装置，其特征在于主体密闭空腔内充有保护性气体，或为真空，保护性气体选择氮气、六氟化硫、氩气或干燥空气。

10、采用权利要求1所述的装置限流断路的方法，其特征在于将所述装置作为受控电路的过载或短路保护装置，或受控电路的正常负荷开关的使用方法是：将装置主体部分接入受控电路，磁场发生装置选择以下四种连接形式的一种接入电路，

第一种形式：磁场发生装置串联在受控电路中，

第二种形式：受控电路与磁场发生装置所在电路构成变压器的原、副线圈，

第三种形式：磁场发生装置连接在附加电路中，附加电路包括任何向磁场发生装置提供电能并使其产生所需磁场的电源以及连接入电路的晶闸管组件，在附加电路主回路上串联一个开关，在晶闸管组件两侧并联一个开关，

第四种形式：磁场发生装置采用与机械装置组装在一起的永磁体。

11、按照权利要求10所述的方法，其特征在于采用第一种形式将磁场发生装置接入电路，在磁场发生装置旁并联一个电位器，采用第二种形式将磁场发生装置接入电路，在磁场发生装置旁并联一个电位器，在磁场发生装置所在主回路串联一个定值电阻。

12、按照权利要求10所述的方法，其特征在于将利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置作为受控电路的过载或短路保护装置使用，并且磁场发生装置采用永磁体时，将机械装置与自控装置连接，该自控装置能够在过载或短路故障发生时，产生一个关断指令传递给机械装置，机械装置运行将永磁体移动到预设定位置，在该位置永磁体产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。

13、按照权利要求10所述的方法，其特征在于将利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置作为受控电路的正常负荷开关时，并且磁场发生装置采用永磁体时，将装置主体部分接入受控电路，人工给机械装置一个移动指令，使得机械装置将永磁体移动到预设定位置，在该位置永磁体产生的梯度磁场作用于磁性流体和导电流体，造成磁性流体排挤导电流体使其发生形变或位置移动，直至使导电流体与固态电极端子断开，从而开断受控电路。

14、按照权利要求10所述的方法，其特征在采用第一种和第二种形式的连接方式，将利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置用于频繁开断电路，为用电装置进行脉冲供电或产生脉冲信号，或将利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置与失压保护装置组配使用，组配使用的方式包括以下甲、乙两种形式，

甲种形式：将利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置与失压保护装置直接配合使用，二者在结构上独立，

乙种形式：将失压保护装置和利用导电流体和磁性流体的自恢复限流断路装置构成组合装置，共用同一个磁场发生装置，失压保护装置位于磁场发生装置之上、之下或侧壁。

15、权利要求1所述装置的应用，其特征在于用于高压、中压和低压电路的过载、短路保护以及正常负荷开关，用于开断0.01A到40KA范围的受控电路电流。

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