CN106026059A - 一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法，所述装置通过机械连杆将快速转换开关和液态金属限流单元相互结合以提高该限流器的额定电流和限流效率。正常工作情况下，额定电流流过快速转换开关，几乎无通态损耗；短路故障发生时，快速转换开关在金属斥力盘的带动下快速打开，使故障电流完全转移至液态金属限流单元中，此时金属斥力盘同时带动所述限流装置中的绝缘挡板运动，使得限流单元中通流孔内液柱急速变细并收缩起弧。随着挡板与绝缘隔板相互交错，该方法可快速挤压限流单元中的电弧弧柱，进而实现高效限流。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

一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法
技术领域
本发明属于限制高压、中压或低压开关设备中的故障电流技术领域，特别涉及一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法。
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，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，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
基于此，本发明公开了一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置，所述装置包括：快速转换开关、液态金属限流单元和断路器；
所述快速转换开关和液态金属限流单元通过绝缘连杆相连接，且快速转换开关和液态金属限流单元相并联；
所述快速转换开关和液态金属限流单元并联后与所述断路器串联；
所述快速转换开关包括主连杆，所述液态金属限流单元包括拉杆；
所述主连杆通过绝缘连杆与拉杆相连接。
并公开了一种基于绝缘挡板的液态金属限流方法，所述方法包括以下步骤：
S100、将快速转换开关和液态金属限流单元并联后与断路器串联；
S200、当线路负载发生短路故障时，利用快速转换开关中的桥式触头带动与之连接的主连杆，进而实现快速转换开关中的桥式触头的能够在500μs内分断，使电流在200μs内转移到液态金属限流单元的支路上。
本发明所述的装置和方法能够有效抑制短路故障电流，减轻断路器等各种电气设备的负担。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的金属限流单元的整体结构示意图；
图2(a)-2(d)为本发明一个实施例中金属限流单元工作时的原理示意图；
图3(a)为本发明一个实施例中的液态金属限流单元的剖面图；图3(b)为本发明一个实施例中的液态金属限流单元二分之一模型结构示意图；
其中，1a和1b为装置两端的固态电极，2为填充在该装置内的液态金属，并未充满整个空间，3为固定绝缘隔板，4为绝缘挡板，5为隔板上的通孔，6为外壳，7为绝缘拉杆；
图4为本发明一个实施例中液态金属限流单元的工作原理示意图；
图5(a)为本发明一个实施例中快速转换开关的合闸结构原理图，图5(b)为本发明一个实施例中快速转换开关的分闸结构原理图；
其中，8为桥式动触头，9为静触头，10为合闸线圈，11为分闸线圈，12为金属斥力盘，13为主连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明；
在一个实施例中，本发明公开了一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置，所述装置包括：快速转换开关、液态金属限流单元和断路器；
所述快速转换开关和液态金属限流单元通过绝缘连杆相连接，且快速转换开关和液态金属限流单元相并联；
所述快速转换开关和液态金属限流单元并联后与所述断路器串联；
所述快速转换开关包括主连杆，所述液态金属限流单元包括拉杆；
所述主连杆通过绝缘连杆与拉杆相连接。
在本实施例中，如图1所示：将快速转换开关(FTS)和液态金属限流单元(LMCL)相互结合后再与断路器(CB)串联；其中，快速转换开关包括桥式触头系统和线圈-金属盘，其中桥式触头系统包括动触头和静触头，线圈-金属盘包括金属斥力盘、分闸线圈和合闸线圈。其中动触头、主连杆、绝缘挡板及拉杆相互连接在一起。液态金属限流单元LMCL包括外壳以及设置在该外壳两侧的导电电极，且装置内的空腔填充有未充满的液态金属。
在一个实施例中，所述快速转换开关还包括：桥式触头、分闸线圈、合闸线圈、及金属斥力盘；
所述桥式触头包括动触头和静触头；
所述桥式触头与主连杆相连接；
所述分闸线圈与合闸线圈分别置于金属斥力盘的上方和下方。
在本实施例中，所述的快速转换开关通过对分闸线圈与合闸线圈进行放电来完成分合闸操作，在脉冲电流的作用下，金属斥力盘中感应出涡流并使分、合闸线圈与金属斥力盘之间产生强大的电磁斥力，从而带动主连杆运动，实现动、静触头的快速分断。
在一个实施例中，所述金属限流单元还包括：第一电极、第二电极、第一绝缘隔板、第二绝缘隔板、绝缘挡板以及外壳；
所述绝缘挡板置于第一绝缘隔板和第二绝缘隔板之间，且所述绝缘挡板与拉杆相连接；
所述第一电极与第二电极设置在所述外壳的两侧；
所述第一绝缘隔板、第二绝缘隔板、绝缘挡板位于外壳内。
在本实施例中，所述第一绝缘隔板、第二绝缘隔板与外壳共同构成收缩-扩展结构，所述收缩-扩展结构为一个或多个；所述收缩-扩展结构中填充有液态金属，但为充满整个结构。在系统正常运行时，由于快速转换开关动静触头间电阻仅为μΩ级，其通态压降及电能损耗可忽略，而液态金属限流单元LMCL的电阻则相对较大，因此电流主要从快速转换开关FTS流过。
在一个实施例中，所述第一绝缘隔板设置有第一通流孔，第二绝缘隔板上设置有第二通流孔，绝缘挡板设置有第三通流孔，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的位置相互正对，且大小相同；
所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直径不小于12mm。
在本实施例中，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直径不小于12mm，采用较大通孔孔径可有效延迟电弧起弧速度，避免电流未完全转移至限流装置时发生起弧现象，以烧蚀和损毁快速转换开关触头系统。当快速转换开关打开时，故障电流在200μs内完全转移至限流装置中，转移完成时的短路电流达到Ic，液态金属限流单元未起弧时的电阻为RLM，则Ic*RLM〈Uarc，其中Uarc为动触头与静触头打开时的电弧电压降，一般为40V左右，根据所确定的液态金属限流单元的电阻RLM，结合液态金属电阻率，来确定通孔孔径的最小值。为了使得限流效率较高，一般需在短路电流完全转移后500μs以内起弧，可结合绝缘挡板的运动速度来确定通孔孔径最大值。
在一个实施例中，所述液态金属限流单元内部分填充有液态金属；
所述液态金属为镓铟锡合金或汞。
在本实施例中，在液态金属限流单元中填充液态金属，是为了防止起弧后造成所述金属限流单元内部因压力过大而损坏。所述液态金属可为镓铟锡合金或金属汞，由于汞含有毒性，建议采用镓铟锡液态金属，该金属常温下为液态，但其熔点仅为10℃左右，为防止低温使用时发生结冻现象，使用中可对其进行辅助加热措施，如用加热丝覆盖等。
在本实施例中，所述的液态金属被填充在由绝缘隔板与封装外壳所构成的一系列收缩-扩展结构中，但是未充满整个空腔。线路正常运行时，由于隔板上的通孔具有较大的孔径，液态金属限流单元具有很大的额定电流。当短路故障发生时，由于快速转换开关动作，短路电路全部转移至液态金属限流单元的支路上，流经装置的电流迅速增大，同时金属斥力盘带动可活动绝缘隔板向上运动，使隔板上的通孔孔径减小，由于收缩-扩展的各层结构，通孔界面的电流密度、磁通密度和径向压力加强，使通孔截面处的液态金属快速收缩和汽化，从而导致通孔中的燃弧，由于液态金属限流单元由多个隔板组成，故形成多个电弧的串联，致使总的电弧电压升高，达到初步限流的目的，这时，可活动绝缘隔板继续向上运动，最终基本截断液态金属的导电回路，进一步限制短路电流。
在一个实施例中，当所述快速转换开关需要分闸时，对分闸线圈通以电流峰值不小于10kA的脉冲电流，金属斥力盘中感应出涡流，并以5m/s以上的速度向上运动，并带动主连杆、动触头、绝缘挡板一起向上运动；当所述快速转换开关需要合闸时，则对合闸线圈进行脉冲放电，则以上部件运动至合闸位置。
在本实施例中，所述金属斥力盘静止时与邻近线圈间隙应不大于3mm。
在一个实施例中，随着快速转换开关的分闸，短路电流转移至液态金属限流单元中，随着流经所述装置的电流继续上升，所述拉杆带动绝缘挡板一起向上运动，所述第一通流孔和第二通流孔内的液态金属形成的液柱直径缩小并起弧，导致液态金属限流单元电压上升，达到限流的目的。
在本实施例中，当短路故障发生时，快速转换开关FTS快速打开，短路电流完全转移至液态金属限流单元LMCL中，随着流经所述单元的电流继续上升，同时拉杆带动绝缘挡板向上运动，使第一、第二绝缘隔板上的通孔液柱变细；同时由于液态金属的箍缩效应，即在收缩-扩展的几何结构中，随着电流密度、磁通密度和径向压力增强，可使通孔截面处的液态金属快速收缩并起弧，进而导致液态金属限流单元电压急速上升，达到限流的目的；随着绝缘挡板的继续运动，与第一绝缘隔板和第二绝缘隔板发生交错，所述电弧在第一绝缘隔板和第二绝缘隔板之间发生挤压，使电弧的弧柱发生拉伸，进一步限制短路电流。
在一个实施例中，当所述限流结束后，对合闸线圈进行放电，使金属斥力盘向下运动，并带动绝缘挡板运动至初始位置，液态金属重新回流至通流孔中，以便下次使用。
在一个实施例中，公开了一种基于绝缘挡板的液态金属限流方法，所述方法包括以下步骤：
S100、将快速转换开关和液态金属限流单元并联后与断路器串联；
S200、当线路负载发生短路故障时，利用快速转换开关中的桥式触头带动与之连接的主连杆，进而实现快速转换开关中的桥式触头的能够在500μs内分断，使电流在200μs内转移到液态金属限流单元的支路上。
在本实施例中，所述的限流方法为：在正常工作情况下，额定电流流过快速转换开关所在的支路，几乎无通态损耗；短路故障发生时，快速转换开关的在金属斥力盘的带动下迅速打开，在动静触头(8)与(9)分断瞬间形成暂态电弧，使故障电流全部转移至液态金属限流单元LMCL中，快速转换开关FTS打开过程可直接带动液态金属限流单元LMCL中的绝缘挡板(4)，可使限流装置中快速起弧，最终通过挤压电弧弧柱以提高电弧电压、实现高效限流。
由于液态金属限流单元LMCL不具有灭弧能力，它仅能起到限制短路电流峰值的作用而无法将电弧切断，故短路电流最终由串联在线路中的断路器CB切断，但是由于液态金属限流单元的限流作用，降低对断路器本身开断容量的要求。
在一个实施例中，所述步骤S200具体为：当线路负载发生短路故障时，向分闸线圈放电，产生一个维持时间为几个毫秒的脉冲电流，在脉冲电流的作用下，金属斥力盘中感应出涡流并使分闸线圈与金属斥力盘之间产生上万牛顿电磁斥力，从而带动主连杆运动，实现桥式触头的分断；桥式触头的动触头和静触头中间出现电弧，电流转移到液态金属限流单元的支路上来，动静触头之间的电弧熄灭。
在一个实施例中，所述的快速转换开关金属斥力盘中的分、和闸线圈由预充电的电容向其充电，电容的预充电电流有晶闸管SCR的导通或者关断来控制，二极管在晶闸管关断时对盘式线圈起续流作用，在脉冲电流的作用下，金属斥力盘中感应出涡流并使盘式线圈与金属盘之间产生强大的电磁斥力，从而带动连杆运动，实现动、静触头的快速分断和可活动绝缘隔板的向上运动。
在一个实施例中，如图1所示，本发明所述的装置是将快速转换开关(FTS)和液态金属限流单元(LMCL)相互结合后再与断路器(CB)串联。
本发明所述装置的工作原理如图2(a)-2(d)所示：
图2(a)所示为线路处于正常工作情况下，液态金属限流单元(LMCL)的电阻比快速转换开关(FTS)中桥式触头的电阻大，所以额定电流主要流过快速转换开关(FTS)，对线路几乎无损耗。
图2(b)所示为线路负载ZL处发生短路故障，对分闸线圈(11)进行脉冲电流放电，金属斥力盘(12)中感应出涡流ip并使分闸线圈(11)与金属斥力盘(12)之间产生强大的电磁斥力，从而带动主连杆(13)运动，实现桥式触头(8)和(9)的快速打开。动触头(8)和静触头(9)之间产生电弧，电弧电压约40V，电流迅速全部转移到液态金属限流单元(LMCL)的支路上来，动静触头(8)与(9)之间的电弧熄灭。
图2(c)所示为由于电流转移需要一定的时间，在电流转移过程中，短路电流仍在不断上升，同时，绝缘挡板(4)向上运动，使得通孔(5)中的液柱有效直径减小。通过两者共同作用，通孔(5)中的液态金属(2)开始收缩起弧。固定绝缘隔板(3)和绝缘挡板(4)随后发生相互交错，进而产生较高的电弧电压，限制了短路故障电流。
图2(d)所示为由于液态金属(2)的流动性，液态金属限流单元(LMCL)不能提供持续的断路状态，并不能开断短路电流，故由液态金属限流单元(LMCL)将短路电流限制到断路器CB可分断的范围之内，由断路器CB最终开断短路电流。
如图5(a)和图5(b)所示，快速转换开关(FTS)主要由桥式触头(8)、(9)和线圈金属盘组成，它们之间通过主连杆(13)相连接：触头系统包括动触头(8)静触头(9)；线圈金属盘包括金属斥力盘(12)、分闸线圈(11)与合闸线圈(10)。
如图3(a)和图3(b)所示，液态金属限流单元LMCL包括两个带有通孔(5)的固定绝缘隔板(3)和一个带通孔(5)的绝缘挡板(4)，外壳(6)两端各有一个固态电极(1a)和(1b)，液态金属(2)被填充于所围的空腔内，但未充满整个空间。正常情况下电流由阳极电极(1a)流入，再经过装置内液态金属(2)，最后由阴极电极(1b)流出。该液态限流装置LMCL具有收缩-扩展的隔板通孔这种特殊的结构元素，可以引起极不均匀电路密度分布。当流过液态金属限流单元的电流很大时，由于电磁力和液体的流动性，绝缘隔板孔径部分的液态金属收缩。如图4所示，由于收缩-扩展的隔板通孔结构，使得孔径部分液柱截面的电流密度和磁通密度加强，而其他位置的磁通密度较弱。孔径部分液柱受到强大的洛伦磁力作用，使得该处的液态金属收缩作用进行地很快。焦耳热最终使这部分的液体金属快速气化，其动作效果类似于熔断器。随着绝缘隔板孔径(5)处液体金属的收缩和气化，电弧就开始点燃并快速发展，直至整个壳体内充满电弧。
本发明所公开的基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法，具有如下的技术特点：
1)快速转换开关FTS和液态金属限流单元LMCL通过绝缘连杆(13)结合为一体。正常工作条件下，额定电流主要流过快速转换开关FTS所在支路，其桥式触头(8)和(9)接触可靠，温升低，具有很好的电热稳定性和动稳定性。液态金属限流单元在动稳定性和热稳定性方面不如桥式触头，这样的设计可避免大电流长期流过液态金属限流单元或者电网偶然发生的正常范围内电流波动时可能会造成的不稳定性，以免引起液态金属限流单元不必要的动作。
2)快速转换开关FTS中的金属斥力盘是一种利用涡流原理制作的新型快速操动机构，可以带动连杆(13)，进而实现桥式触头(8)和(9)的快速打开，使电流迅速转移到液态金属限流单元LMCL中。所述限流方法可在2ms内对故障电流做出反应，解决了快速开关直接分断数千安短路电流时所遇到的触头严重烧损、难以分断等等难题。
3)采用液态金属限流单元LMCL限制短路故障电流。液态金属作为限流装置的导电体不需要接触压力，它存放在一个近似密封的容器内，分断过程没有电弧等离子体喷出，当故障电流较小时，限流器能自动恢复。
4)液态金属限流单元LMCL中的绝缘隔板(3)和绝缘挡板(4)上设有较大孔径的通孔(5)。大的通孔(5)的孔径使得通孔截面电流密度、磁通密度和径向压力较小，在正常工作时，限流装置的支路能够流过更大的电流而不发生收缩燃弧现象，提高了液态金属限流单元的额定电流容量。同时，这样的结构也能保证限流装置的稳定性。
5)采用绝缘挡板(4)加速限流过程。绝缘挡板(4)与快速转换开关FTS依靠绝缘连杆(13)机械连接，当短路故障发生时，绝缘挡板(4)被快速转换开关FTS的金属斥力盘和动、静触头带动，开始向上运动，使限流装置LMCL中的通孔(5)的孔径减小，加速液态金属(2)的收缩燃弧过程，实现初步限流，最终绝缘挡板(4)基本截断液态金属(2)和电弧组成的导电回路，进一步限制短路故障电流。
以上实施例仅用以说明本发明专利而并非限制本发明专利所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明专利已进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明专利进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明专利的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置，其特征在于，所述装置包括：快速转换开关、液态金属限流单元和断路器；
所述快速转换开关和液态金属限流单元通过绝缘连杆相连接，且快速转换开关和液态金属限流单元相并联；
所述快速转换开关和液态金属限流单元并联后与所述断路器串联；
所述快速转换开关包括主连杆，所述液态金属限流单元包括拉杆；
所述主连杆通过绝缘连杆与拉杆相连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，所述快速转换开关还包括：桥式触头、分闸线圈、合闸线圈、及金属斥力盘；
所述桥式触头包括动触头和静触头；
所述桥式触头与主连杆相连接；
所述分闸线圈与合闸线圈分别置于金属斥力盘的上方和下方。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述金属限流单元还包括：第一电极、第二电极、第一绝缘隔板、第二绝缘隔板、绝缘挡板以及外壳；
所述绝缘挡板置于第一绝缘隔板和第二绝缘隔板之间，且所述绝缘挡板与拉杆相连接；
所述第一电极与第二电极设置在所述外壳的两侧；
所述第一绝缘隔板、第二绝缘隔板、绝缘挡板位于所述外壳内。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述第一绝缘隔板设置有第一通流孔，第二绝缘隔板上设置有第二通流孔，绝缘挡板设置有第三通流孔，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的位置相互正对，且大小相同；
所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直径不小于12mm。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述金属限流单元内部分填充有液态金属；
所述液态金属为镓铟锡合金或汞。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：当所述快速转换开关分闸时，对分闸线圈通以电流峰值不小于10kA的脉冲电流，金属斥力盘中感应出涡流，并以5m/s以上的速度向上运动，并带动主连杆、动触头、绝缘挡板一起向上运动；当所述快速转换开关合闸时，则对合闸线圈进行脉冲放电，则以上部件运动至合闸位置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：随着快速转换开关的分闸，短路电流转移至液态金属限流单元中，随着流经所述装置的电流继续上升，所述拉杆带动绝缘挡板一起向上运动，所述第一通流孔、第二通流孔内和第三通流孔的液态金属形成的液柱直径缩小并起弧，导致液态金属限流单元电压上升，达到限流的目的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：当所述装置限流结束后，对合闸线圈进行放电，使金属斥力盘向下运动，并带动绝缘挡板运动至初始位置，液态金属重新回流至所述通流孔中，以便下次使用。
9.一种基于权利要求1-8所述的绝缘挡板的液态金属限流方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100、将快速转换开关和液态金属限流单元并联后与断路器串联；
S200、当线路负载发生短路故障时，利用快速转换开关中的桥式触头带动与之连接的主连杆，进而实现快速转换开关中的桥式触头的能够在500μs内分断，使电流在200μs内转移到液态金属限流单元的支路上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤S200具体为：当线路负载发生短路故障时，向分闸线圈放电，产生一个维持时间为几个毫秒的脉冲电流，在脉冲电流的作用下，金属斥力盘中感应出涡流并使分闸线圈与金属斥力盘之间产生上万牛顿电磁斥力，从而带动主连杆运动，实现桥式触头的分断；桥式触头的动触头和静触头中间出现电弧，电流转移到液态金属限流单元的支路上来，动静触头之间的电弧熄灭。
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