CN104091717A - 一种新型自能式液态金属限流器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型自能式液态金属限流器装置及限流方法。该限流器利用液态金属在故障电流情况下自收缩起弧，且在该电弧的作用下发生气化，产生的强大金属蒸气不断积累，并最终推动置于绝缘挡板之间的可动绝缘抽板向上滑动，使得绝缘挡板和抽板之间的电弧被迅速挤压至狭缝并进一步拉长，继而电弧电压迅速提高，进一步限制故障电流。本发明结构简单，特别适用于限制中低压领域交直流系统故障电流，可以帮助减轻断路器等各种电气设备的负担。

Description

一种新型自能式液态金属限流器及方法

技术领域

本发明涉及电气开关设备，适用于中低压领域限制交直流系统故障电流，特别涉及一种新型自能式液态金属限流器及方法。

背景技术

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，目前这已成为制约电网运行和发展的一个重要问题。因此，研究有效的短路限流装置，以限制电力系统的短路容量，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稳定运行和电力建设、发展的迫切问题。到目前为止，应用于短路限流方面的技术主要有：串联限流电抗、固态短路故障限流、超导故障限流器、PTC电阻限流、或使用大容量断路器、限流熔断器等等。

串联限流电抗是以往用于限流的常规做法，但其在电网正常工作情况下，会不可避免消耗电能，造成不必要的经济损失。

固态短路故障限流技术是随电力电子技术快速发展的限流方式，主要由常规电抗器、电力电子器件(可控功率半导体器件)和控制器构成，其拓扑结构形式多样，如在文献“Solid-State Current Limiter for Power DistributionSyetem”中提到的，用快速动作的可关断晶体管(GTO)开关与一个阻抗并联而构成的故障电流限制器，就是在短路故障发生时，通过GTO的关断，使电抗器串入线路，从而快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，将故障电流限制在较低的水平。但是由于大电流电力电子器件存在的固有损耗问题，使其在应用上受到限制。

超导故障限流器在20世纪80年代发现高温超导体以后而备受关注，其原理均为利用超导体S/N状态的转变来限流，如专利号为200610125194.3，专利名称为‘超导型混合限流开关’的专利固态开关和超导限流器串联后与电磁斥力式机械开关并联，在线路发生故障时，通过超导限流器的串入线路将电流限制在固态开关可分断的范围，并利用固态开关将短路电流开断。但是超导材料用于大功率场合方面的应用技术尚不成熟、可靠性差，同时由于超导体恢复到超导态时间较长，一般难以满足自动重合闸等方面的要求，还存在恢复时需要液氮等附属的冷媒及制冷设备，附加的损耗大等问题。

限流式熔断器是目前唯一商业化的故障电流限流器，利用熔断器的快速性可将短路电流在到达第一个峰值前强行限制，如专利号为200410025999.1，专利名称为‘大容量短路电流开断器’的专利用限流熔断器完成大过载电流和短路电流的开断，但是熔断器为单次动作，降低了系统运行的自动化水平，同时由于其自身起弧的时间较长，对于复杂结构的电网来说，牺牲了保护的选择性。

发明内容

针对背景技术中所述的短路限流技术的缺陷或不足，为了研究更加有效的可重复使用的自复型短路限流方法，减轻断路器等各种电气设备的负担，本发明目的在于，提出一种通过液态金属中燃弧时产生的气压推动压力抽板运动，并进一步挤压和拉长电弧，提高电弧电压从而提高限流能力的改进方法，该限流器能有效抑制短路故障电流。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型自能式液态金属限流器，其特征在于：

所述限流器至少包括两块绝缘挡板(4)，绝缘挡板上设有通流孔a(9)，绝缘挡板之间放置有可动绝缘抽板(5)，该可动绝缘抽板的两侧都设有通流孔b(9)；液态金属(6)则淹没于通流孔a(9)、通流孔b(8)的，液态金属(6)通过通流孔a(9)在绝缘挡板(4)两侧实现流通，通流孔a(9)、通流孔b(8)在系统电流正常时形成稳定的电流通道；

正常导通情况下，额定电流通过绝缘挡板和可动绝缘抽板的通流孔b和通流孔a中的液态金属进行流通；

当故障发生时，所述限流器利用液态金属自收缩效应快速起电弧(12)，部分液态金属在电弧(12)的作用下迅速气化并产生金属蒸气，可动绝缘抽板(5)在金属蒸气的作用下滑动，从而进一步挤压和拉长电弧(12)，提高电弧(12)电压，实现快速有效限流；

故障切除后，可动绝缘抽板能够恢复至初始位置，液态金属快速回流，限流器进入所述正常导通情况

优选的，所述限流器还包括绝缘外壳(1)和绝缘盖子(2)，绝缘外壳(1)两侧壁上分别安装有一块铜极端子(3)，绝缘外壳(1)与绝缘盖子(2)以及两块铜极端子(3)所围成的密闭空腔内至少有两块绝缘挡板(4)，各绝缘挡板(4)上设有通流孔a(9)，绝缘挡板(4)之间放置有可动绝缘抽板(5)，该可动绝缘抽板(5)的两侧都设有通流孔b(8)，在该密闭空腔内填充有未充满密闭空腔但淹没通流孔a(9)、通流孔b(8)的液态金属(6)，液态金属(6)通过通流孔a(9)在绝缘挡板(4)两侧实现流通，通流孔a(9)、通流孔b(8)在系统电流正常时形成稳定的电流通道。

优选的，所述可动绝缘抽板(5)外侧设有凸起台阶a(10)，其在系统电流正常时紧贴所述绝缘挡板(4)内侧设有的凸起台阶b(11)，此时该可动绝缘抽板(5)刚好置于绝缘挡板(4)底部。

优选的，所述通流孔b(8)和所述通流孔a(9)的大小相同、孔心相互对齐，当所述凸起台阶a(10)和所述凸起台阶b(11)相互紧贴时，通流孔a(9)和通流孔b(8)刚好正对。

优选的，所述绝缘挡板(4)为两块以上的多块，当为多块时，需以满足在挡板间隙中可容纳绝缘抽板(5)为原则顺序间隔放置该多块绝缘挡板；所述可动绝缘抽板(5)可为一块或者多块，当为多块时，其以绝缘挡板(4)为间隔逐一顺序放置于绝缘挡板形成的间隙之间；所述通流孔a(9)、通流孔b(8)为一个或者多个，其形状可以为圆形，椭圆型，三角型，长方形或者正方形。

优选的，所用的液态金属(6)为镓铟锡金属合金。

优选的，正常情况下，固定在绝缘盖子(2)的压缩弹簧(7)通过预压缩使得可动绝缘抽板(5)与绝缘挡板(4)紧贴从而保持正常通流；发生故障并切除后，该压缩弹簧(7)能够保持可动绝缘抽板(5)进行复位，使得限流器具备可重复性。

此外，本发明还公开了一种限流方法，其特征在于：所述方法利用上述任一项所述的液态金属限流器进行。

本发明提出的通过液态金属自收缩和快速滑动抽板相互配合的一种新型液态金属限流器，具有如下的技术特点：

1)该新型液态金属限流器具有灵敏的自检测短路电流功能。不需要外加独立的检测电流设备来判断电力系统是否故障，基于液态金属的自收缩特性，当短路大电流通过时，液态金属通路会自动收缩，最终产生电弧，启动抽板向上滑动，从而限制电路故障电流；

2)该新型液态金属限流器在挡板之间增加了有小台阶的运动抽板。挡板与抽板上都有可以流通液态金属的通孔，在正常情况下，抽板不动作，通流孔中的液态金属保持电流导通，限流器损耗系统能量小。当发生故障时，液态金属在快速上升的短路电流作用下收缩起弧，由于装置密封，电弧快速气化附近液态金属，并产生强大的蒸汽气压，该气压使得可动抽板迅速向上运动，此时电弧被挤压并拉长，电弧电压大大提高，从而增强了限流器限流能力；

3)如果液态金属密度比绝缘抽板的密度大，那么在没有外力的作用下抽板会向上浮起，导致正常情况下通流孔太小而容易起弧。为了保证正常情况下可动抽板始终置于绝缘挡板底部，则在其上方安装预压缩的缓冲弹簧。当绝缘盖盖上时，预压弹簧能够保证其通流孔正对。两外，该弹簧的劲度系数又不能太大，否则起弧后可动抽板运动缓慢；

4)该新型液态金属限流器具有很好的自恢复性。当故障切除之后，压缩弹簧能够推动可动抽板恢复至起始位置，此时其通流孔正对绝缘挡板的通流孔，则液态金属在重力的作用下重新回流至通流孔中，保证线路导通，恢复到故障前的水平，从而迅速投入工作。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的所述限流器的安装图；

图3-图5为本发明的一个实施例在限流过程中的原理示意图；

图6为本发明的一个实施例涉及的限流实验波形；

附图标记说明：1 绝缘外壳  2 绝缘盖子  3 铜极端子  4 绝缘挡板  5可动绝缘抽板  6 液态金属  7 压缩弹簧  8通流孔b  9 通流孔a  10 凸起台阶a  11 凸起台阶b  12 电弧。

具体实施方式

以下实施例，用于对本发明作进一步的详细说明。

在一个实施例中，本发明所述自能式液态金属限流器至少包括两块绝缘挡板(4)，绝缘挡板上设有通流孔a(9)，绝缘挡板之间放置有可动绝缘抽板(5)，该可动绝缘抽板的两侧都设有通流孔b(9)；液态金属(6)则淹没于通流孔a(9)、通流孔b(8)的，液态金属(6)通过通流孔a(9)在绝缘挡板(4)两侧实现流通，通流孔a(9)、通流孔b(8)在系统电流正常时形成稳定的电流通道；

正常导通情况下，额定电流通过绝缘挡板和可动绝缘抽板的通流孔b和通流孔a中的液态金属进行流通；

当故障发生时，所述限流器利用液态金属自收缩效应快速起电弧(12)，部分液态金属在电弧(12)的作用下迅速气化并产生金属蒸气，可动绝缘抽板(5)在金属蒸气的作用下滑动，从而进一步挤压和拉长电弧(12)，提高电弧(12)电压，实现快速有效限流；

故障切除后，可动绝缘抽板能够恢复至初始位置，液态金属快速回流，限流器进入所述正常导通情况。

对于该实施例而言，充分体现了该限流器利用液态金属在故障电流情况下自收缩起弧，且在该电弧的作用下发生气化，产生的强大金属蒸气不断积累，并最终推动置于绝缘挡板之间的可动绝缘抽板向上滑动，使得绝缘挡板和抽板之间的电弧被迅速挤压至狭缝并进一步拉长，继而电弧电压迅速提高，进一步限制故障电流。

在另一个实施例中，如附图1-2所示，该限流器包括绝缘外壳1、绝缘盖子2、铜极端子3、绝缘挡板4、可动绝缘抽板5、液态金属6、以及压缩弹簧7。

所述铜极端子3有两个，分别安装于绝缘外壳1的两相对的侧壁上，绝缘外壳1与绝缘盖子2所围成的密闭空腔内、两块铜极端子3之间含有两块绝缘挡板4，各绝缘挡板4上设有通流孔a(9)，绝缘挡板4之间放置有可动绝缘抽板5，该可动绝缘抽板5为倒U形，倒U形的两个支板上都设计有通流孔b(8)。优选的，可动绝缘抽板5的倒U形顶部设有凸起台阶a(10)，在系统电流正常时紧贴所述绝缘挡板4内侧设有的凸起台阶b(11)，此时该可动绝缘抽板5刚好置于绝缘挡板4底部。优选的，为了达到更佳的通流，所述通流孔b(8)和所述通流孔a(9)的大小相同、孔心相互对齐，当所述凸起台阶a(10)和所述凸起台阶b(11)相互紧贴时，通流孔a(9)和通流孔b(8)刚好正对。

在该密闭空腔内填充有未充满密闭空腔但淹没通流孔a、通流孔b的液态金属6，液态金属6通过通流孔a在绝缘挡板4两侧实现流通，通流孔a、通流孔b在系统电流正常时形成稳定的电流通道，优选的，所用的液态金属6为镓铟锡金属合金。

在正常情况下，固定在绝缘盖子2上的压缩弹簧7通过预压缩使得可动绝缘抽板5与绝缘挡板4紧贴从而保持正常通流，额定电流通过绝缘挡板4和可动绝缘抽板5的通流孔a和通流孔b进行流通。

优选的，所述绝缘挡板4为两块以上的多块，当为多块时，需以满足在挡板间隙中可容纳绝缘抽板5为原则顺序间隔放置该多块绝缘挡板；所述可动绝缘抽板5可为一块或者多块，当为多块时，其以绝缘挡板4为间隔逐一顺序放置于绝缘挡板形成的间隙之间；所述通流孔a(9)、通流孔b(8)为一个或者多个，其形状可以为圆形，椭圆型，三角型，长方形或者正方形。

图3-图5所示为本发明中新型液态金属限流器的工作原理示意图。

正常情况下电流通过通流孔b(8)和a(9)中的液态金属进行导通。一旦系统发生短路故障，则短路电流迅速增加，通流孔处的液态金属在电磁力的作用下迅速收缩并起弧，在液态金属6中相应位置处形成电弧12，如图3所示。

该电弧逐渐扩展并快速向通流孔两侧发展，此时，通流孔附近的液态金属在高温电弧的作用下大量气化。金属蒸气在可动绝缘抽板下方积累，该气压达到一定程度时，则可动绝缘抽板开始向上运动，此时，电弧随着可动绝缘抽板的运动发生挤压，如图4所示。

此后，通流孔中的电弧在系统故障的作用下继续发展，并逐渐超出了通流孔外侧，可动绝缘抽板继续向上方运动。可动绝缘抽板和绝缘挡板间的电弧被继续挤压并拉长，此时电弧电压快速增加，则故障电流被迅速限制，配合系统中的开断装置切断故障电流，保护系统线路和相关电气设备。

当故障切除之后，压缩弹簧能够推动可动抽板恢复至起始位置，此时其通流孔正对绝缘挡板的通流孔，则液态金属在重力的作用下重新回流至通流孔中，保证线路导通，恢复到故障前的水平，从而迅速投入工作。

也就是说，本发明还公开了一种利用上述任一新型自能式液态金属限流器进行限流的方法：正常情况下，额定电流通过绝缘挡板4和可动绝缘抽板5的通流孔b(8)和通流孔a(9)中的液态金属进行流通；当故障发生时，通流孔a(9)和通流孔b(8)中的液态金属根据自收缩效应快速起弧，部分液态金属在电弧(12)的作用下迅速气化并产生金属蒸气，可动绝缘抽板5在金属蒸气的作用下滑动，从而进一步挤压和拉长电弧12，提高电弧12电压，实现快速有效限流。

综上所述，对于本发明：

该限流器工作时，在正常情况下，额定电流通过绝缘挡板4和可动绝缘抽板5的通流孔a9和通流孔b进行流通；当故障发生时，通流孔a和通流孔b中的液态金属根据自收缩效应快速起弧，部分液态金属在电弧12的作用下迅速气化并产生强大的金属蒸气气压，可动绝缘抽板5在金属蒸气的推力作用下向上滑动，并进一步挤压和拉长电弧12，提高电弧12电压，实现快速有效限流。

该限流器对自收缩型液态金属限流器进行改进，在装置腔体内部的绝缘挡板4之间增加了可以上下滑动的可动绝缘抽板5，并在绝缘挡板4与可动绝缘抽板5的表面专门设计有凸起台阶b和凸起台阶a。正常情况下，可动绝缘抽板5静止不动并保持与绝缘挡板紧贴，额定电流通过绝缘挡板与可动抽板上的通流孔保持导通，其中，液态金属作为导电介质，电阻非常小，几乎无损耗。当电网发生短路故障时，通流孔中的液态金属发生自收缩并快速起弧，该金属蒸气电弧所产生的强大气压能够推动抽板向上运动来挤压和拉伸电弧，从而大大提高电弧电压，限流效果明显。

根据上述液态金属限流装置的结构特点和工作原理，发明人在实验峰值电流为6.8kA的情况下对液态金属限流装置的限流性能进行了测试。下面是液态金属限流装置的限流实验结果：

实验采用LC单频实验电流对图1所示的装置进行实验，预期实验电流峰值为6.8kA，实验周期为16ms，实验中选择半波进行实验，如图6所示，实验电流在达到峰值前被限制下来。可以看出在带有可动抽板的新型液态金属限流器装置条件下，电弧电压增加迅速，其峰值能够达到1130V。此外，电弧电压持续时间短，能够使得电流快速被限制并减小。在该实验波形中，能够发现：在液态金属中起弧后不久，可动抽板开始向上运动，电弧电压的斜率在抽板的运动过程中有明显变化，并在抽板开始运动后其电弧电压上升更快。通过实验说明，该新型液态金属限流器具有明显的限流特性，能够提高限流效率并快速将故障电流限制至较低水平。

以上所述仅为本发明的实施例之一而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型自能式液态金属限流器，其特征在于：

所述限流器至少包括两块绝缘挡板(4)，绝缘挡板上设有通流孔a(9)，绝缘挡板之间放置有可动绝缘抽板(5)，该可动绝缘抽板的两侧都设有通流孔b(9)；液态金属(6)则淹没于通流孔a(9)、通流孔b(8)的，液态金属(6)通过通流孔a(9)在绝缘挡板(4)两侧实现流通，通流孔a(9)、通流孔b(8)在系统电流正常时形成稳定的电流通道；

正常导通情况下，额定电流通过绝缘挡板和可动绝缘抽板的通流孔b和通流孔a中的液态金属进行流通；

当故障发生时，所述限流器利用液态金属自收缩效应快速起电弧(12)，部分液态金属在电弧(12)的作用下迅速气化并产生金属蒸气，可动绝缘抽板(5)在金属蒸气的作用下滑动，从而进一步挤压和拉长电弧(12)，提高电弧(12)电压，实现快速有效限流；

故障切除后，可动绝缘抽板能够恢复至初始位置，液态金属快速回流，限流器进入所述正常导通情况。

2.根据权利要求1中所述的液态金属限流器，其特征在于，所述限流器还包括绝缘外壳(1)和绝缘盖子(2)，绝缘外壳(1)两侧壁上分别安装有一块铜极端子(3)，绝缘外壳(1)与绝缘盖子(2)以及两块铜极端子(3)所围成的密闭空腔内至少有两块绝缘挡板(4)，各绝缘挡板(4)上设有通流孔a(9)，绝缘挡板(4)之间放置有可动绝缘抽板(5)，该可动绝缘抽板(5)的两侧都设有通流孔b(8)，在该密闭空腔内填充有未充满密闭空腔但淹没通流孔a(9)、通流孔b(8)的液态金属(6)，液态金属(6)通过通流孔a(9)在绝缘挡板(4)两侧实现流通，通流孔a(9)、通流孔b(8)在系统电流正常时形成稳定的电流通道。

3.根据权利要求2中所述的液态金属限流器，其特征在于：优选的，所述可动绝缘抽板(5)外侧设有凸起台阶a(10)，其在系统电流正常时紧贴所述绝缘挡板(4)内侧设有的凸起台阶b(11)，此时该可动绝缘抽板(5)刚好置于绝缘挡板(4)底部。

4.根据权利要求3中所述的液态金属限流器，其特征在于：所述通流孔b(8)和所述通流孔a(9)的大小相同、孔心相互对齐，当所述凸起台阶a(10)和所述凸起台阶b(11)相互紧贴时，通流孔a(9)和通流孔b(8)刚好正对。

5.根据权利要求4中所述的液态金属限流器，其特征在于：所述绝缘挡板(4)为两块以上的多块，当为多块时，需以满足在挡板间隙中可容纳绝缘抽板(5)为原则顺序间隔放置该多块绝缘挡板；所述可动绝缘抽板(5)可为一块或者多块，当为多块时，其以绝缘挡板(4)为间隔逐一顺序放置于绝缘挡板形成的间隙之间；所述通流孔a(9)、通流孔b(8)为一个或者多个，其形状可以为圆形，椭圆型，三角型，长方形或者正方形。

6.根据权利要求1中所述的液态金属限流器，其特征在于：所用的液态金属(6)为镓铟锡金属合金。

7.根据权利要求2中所述的液态金属限流器，其特征在于：正常情况下，固定在绝缘盖子(2)的压缩弹簧(7)通过预压缩使得可动绝缘抽板(5)与绝缘挡板(4)紧贴从而保持正常通流；发生故障并切除后，该压缩弹簧(7)能够保持可动绝缘抽板(5)进行复位，使得限流器具备可重复性。

8.一种限流方法，其特征在于：所述方法利用上述任一项权利要求所述的液态金属限流器进行。