CN107507746B - 一种液态金属限流装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液态金属限流装置及方法，线路正常工作时，金属凸台插入绝缘隔板上的通孔直接与两侧的液态金属接触，额定电流通过液态金属和金属挡板进行通流；当短路故障发生时，利用绝缘隔板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动金属挡板外移，使液态金属进入通孔中收缩起弧，实现快速有效限流。本发明结构简单可实现快速有效限流，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

一种液态金属限流装置及方法

技术领域

本发明属于电路控制技术领域，特别涉及限制高压、中压或低压开关设备中的故障电流技术领域，更具体地是涉及一种液态金属限流装置及方法。

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情况也在不断升高，这极大的影响了电网的发展。因此，研究有效的短路电流限制装置，从而限制短路电流，提高电网运行的可靠性，已经成为今后制约电力系统稳定运行、电力建设和发展的迫切问题。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、PTC电阻限流或使用大容量断路器、固态短路故障限流、超导故障限流器、限流熔断器等等。

串联限流电抗是传统的用于限流的做法，但是其在电网正常工作情况下，会不可避免的消耗电能，而且造成的电能损失较大。

PTC电阻限流技术是利用PTC热敏电阻在短路电流通过时其阻值呈非线性上升的特性实现限流目的，但是该热敏电阻的主相材料易受热发生膨胀，需使用热和机械强度较好的材料作为连接件。此外，在发生故障时，热敏电阻的阻值会急剧增加，须并联限压装置，另外，还存在恢复时间长、使用寿命短等问题。

固态短路故障限流技术是基于电力电子技术快速发展的限流方式，主要包括常规电抗器、电力电子器件(可控功率半导体器件)和控制器构成，然而大功率电力电子器件存在较高的固有损耗，导致其在应用上受到限制。

超导故障限流器是在20世纪80年代之后发现高温超导体后而开始被关注的，但是在大功率场合方面超导材料的应用技术尚未成熟，可靠性也比较差，同时由于超导体的恢复时间到超导态时间比较长，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，并且附加的损耗大。

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，但是熔断器只能单次动作，在一次限流之后必须进行更换，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比较长，对于复杂结构的电网来说，牺牲了保护的选择性。

发明内容

本发明为克服上述短路限流技术的缺陷或不足，提出一种液态金属限流器，能够有效提高额定电流，减小限流装置的损耗，并且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。

本发明所采用的技术方案是，一种液态金属限流器，所述限流器包括阳极电极、阴极电极、绝缘外壳；所述阳极电极和阴极电极对称设置于绝缘外壳的两侧壁上，并与绝缘外壳形成密闭空腔；所述空腔内部垂直设置有绝缘隔板和金属挡板，所述绝缘隔板中间位置设有通孔并且绝缘隔板内部设有斥力线圈，所述金属挡板中间位置设有金属凸台，所述金属凸台插入绝缘隔板通孔中，所述空腔中部分填充液态金属；

所述金属凸台插入绝缘隔板上的通孔时直接与两侧的液态金属接触形成正常工作状态下的电流主回路；所述绝缘隔板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动金属挡板外移时形成短路故障时的电流支路。

优选的，所述绝缘隔板的通孔为圆形通孔，所述金属凸台为圆柱形。

优选的，所述绝缘隔板的通孔孔径大于等于5mm。

优选的，所述金属挡板和金属凸台材质为铜。

优选的，所述金属凸台的高度与绝缘隔板的厚度尺寸相等。

优选的，所述液态金属的填充高度高于所述绝缘隔板的通孔高度且无需填满整个空腔。

优选的，所述液态金属为镓铟锡合金。

优选的，所述金属挡板为可移动装置，其外径尺寸小于所述绝缘隔板外径尺寸。

本发明还提供一种液态金属限流装置，包括液态金属限流器与断路器，所述液态金属限流器与断路器串联。

本发明还提供一种利用液态金属限流器进行限流的方法，

S100、将液态金属限流器与断路器串联连接；

S200、线路正常工作时，金属凸台插入绝缘隔板上的通孔直接与两侧的液态金属接触，额定电流通过液态金属和金属挡板进行通流；当短路故障发生时，利用绝缘隔板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动金属挡板外移，使液态金属进入通孔中收缩起弧，进而利用电弧电压来限制短路电流，实现快速有效限流；

S300、当液态金属限流器将短路电流限制到断路器可分断的范围之内时，断路器开断短路电流。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)具有铜材质的金属凸台插在绝缘隔板的通孔中，其通孔在正常通流时不含液态金属，通过具有铜材质的金属挡板和两侧的液态金属进行导电。由于铜金属的导电性比液态金属好，故在正常通流时液态金属限流器的通流损耗要小得多，非常适合通过高额定电流的工况。

(2)通过使用斥力线圈来进行液态金属限流器的限流，斥力线圈是一种利用涡流原理工作的装置，当短路电流出现时，斥力线圈通电并进行脉冲放电，金属挡板感应出涡流，在力的作用下向外运动，此时液态金属进入通孔中快速收缩起弧，利用电弧电压来限制主回路的短路电流，从而可以有效地减小线路故障造成的对设备的损害。

(3)液态金属作为限流器的导电体不需要接触压力，并且导电性能较好，它存放在一个密闭的空腔内，分断过程中没有电弧等离子体喷出，是一种较为安全的限流方式。此外，液态金属具有自收缩和自恢复的特性，易于控制。

附图说明

图1为本发明液态金属限流器结构示意图；

图2为流过绝缘隔板通孔的液态金属快速收缩起弧的原理示意图；

图3为本发明液态金属限流器与断路器串联的整体结构示意图；

图4(a)-图4(d)为本发明液态金属限流器与断路器的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，液态金属限流器，包括阳极电极1、阴极电极2、绝缘外壳3，阳极电极1和阴极电极2对称设置于绝缘外壳3的两侧壁上，并与绝缘外壳3形成密闭空腔；空腔内部垂直设置有绝缘隔板4和金属挡板5，绝缘隔板4中间位置设有通孔并且绝缘隔板4内部设有斥力线圈8，金属挡板5中间位置设有金属凸台6，金属凸台6插入绝缘隔板4通孔中，空腔中部分填充液态金属7。

金属凸台6插入绝缘隔板4上的通孔时直接与两侧的液态金属7接触形成正常工作状态下的电流主回路；所述绝缘隔板4内部的斥力线圈8产生电磁斥力推动金属挡板5外移时形成短路故障时的电流支路。

优选的，绝缘隔板4的通孔为圆形通孔，金属凸台6为圆柱形。

优选的，绝缘隔板4的通孔孔径大于等于5mm，采用较小的圆形通孔孔径可有效提高电弧的起弧速度，从而可以在短时间内有效的限制故障电流。

优选的，金属挡板5和金属凸台6材质为铜，由于铜金属的导电性比液态金属好，故在正常通流时液态金属限流装置的通流损耗要小得多，非常适合通过高额定电流的工况。

优选的，金属凸台6的高度与绝缘隔板4的厚度尺寸相等。

优选的，液态金属7的填充高度高于绝缘隔板4的通孔高度且无需填满整个空腔。

优选的，液态金属7选用镓铟锡合金，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。

优选的，金属挡板5为可移动装置，其外径尺寸小于绝缘隔板4外径尺寸。

系统正常运行时，具有铜材质的金属凸台6插在通孔中，液态金属与铜的接触电阻仅为μΩ级，因此整个限流器的电阻也为μΩ级，其通态压降及电能损耗较小，电流由阳极电极1流入，再经过腔体内的液态金属7，然后经由插入绝缘隔板4通孔的金属凸台6，再经过液态金属7，最后由阴极电极2流出。当短路故障发生时，绝缘隔板4中的斥力线圈8通电并进行脉冲放电，金属挡板5感应出涡流并使斥力线圈8与金属挡板5之间产生强大的电磁斥力，推动金属挡板5外移，液态金属7进入通孔中，在电流快速上升的过程中，由于液态金属的箍缩效应，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器电压急速上升，达到限流的目的。

该液态金属限流器中，通过绝缘隔板通孔所构成的结构，使得液态金属通过该通孔时具有收缩—扩展的特性，可以引起极不均匀电路密度分布。当流过液态金属限流器的电流很大时，由于电磁力和液体的流动性，使流过绝缘隔板通孔部分的液态金属收缩，如图2所示，由于液态金属通过该通孔时具有收缩—扩展的特性，使得通孔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。通孔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态金属快速汽化，随着绝缘隔板孔径处液体金属的收缩和气化,电弧开始点燃并快速发展,直至整个腔体内充满电弧。

如图3所示，将液态金属限流器与断路器串联形成一种液态金属限流装置，其工作原理如图4所示。

图4(a)所示，线路处于正常工作情况下，金属挡板5上的金属凸台6插在绝缘隔板4的通孔中，且通孔中不含液态金属，电流由阳极电极1流入，再经过装置腔体内的液态金属7，然后经由插入绝缘隔板4通孔的金属凸台6，再经过液态金属7，最后由阴极电极2流出进行通流，并且液态金属不会起弧，因此有效的减小了通态损耗，额定电流损耗非常小，特别适合通过高额定电流。

图4(b)所示，当线路发生短路故障时，线路中的电流检测装置检测到故障电流，触发绝缘隔板4内部的斥力线圈8通电并进行脉冲放电，金属挡板5感应出涡流并使斥力线圈8与金属挡板5之间产生强大的电磁斥力，从而使金属挡板5向外运动，此时液态金属7进入绝缘隔板4的通孔中，随着金属挡板5运动，通孔中开始起弧。

图4(c)所示，由于故障电流上升率非常大，在金属挡板5外移的过程中，短路电流仍在不断上升，进入绝缘隔板4通孔中的液态金属7在上升电流的作用下快速的随着金属挡板5的运动而向绝缘隔板4的通孔内伸展，电弧继续拉长。

图4(d)所示，随着金属挡板5的运动，液态金属7充满整个通孔，电弧也充满整个通孔，从而使主回路电流快速下降。由于液态金属7的流动性，液态金属限流装置不能提供持续的断路状态，并不能开断短路电流，故由液态金属限流器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。

综上所述，利用液态金属限流器进行限流的方法为：

S100、将液态金属限流器与断路器串联连接；

S200、线路正常工作时，金属凸台插入绝缘隔板上的通孔直接与两侧的液态金属接触，额定电流通过液态金属和金属挡板进行通流；当短路故障发生时，利用绝缘隔板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动金属挡板外移，使液态金属进入通孔中收缩起弧，进而利用电弧电压来限制短路电流，实现快速有效限流；

S300、当液态金属限流器将短路电流限制到断路器可分断的范围之内时，断路器开断短路电流。

由于液态金属限流器不具有灭弧能力，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器的限流作用，降低对断路器本身开断容量的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不能因此而理解为对本发明范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态金属限流器，其特征在于：

所述限流器包括阳极电极(1)、阴极电极(2)、绝缘外壳(3)；

所述阳极电极(1)和阴极电极(2)对称设置于绝缘外壳(3)的两侧壁上，并与绝缘外壳(3)形成密闭空腔；所述空腔内部垂直设置有绝缘隔板(4)和金属挡板(5)，所述绝缘隔板(4)中间位置设有通孔并且绝缘隔板(4)内部设有斥力线圈(8)，所述金属挡板(5)中间位置设有金属凸台(6)，所述金属凸台(6)插入绝缘隔板(4)通孔中，所述空腔中部分填充液态金属(7)；

所述金属凸台(6)插入绝缘隔板(4)上的通孔时直接与两侧的液态金属(7)接触形成正常工作状态下的电流主回路；所述绝缘隔板(4)内部的斥力线圈(8)产生电磁斥力推动金属挡板(5)外移时形成短路故障时的电流支路。

2.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述绝缘隔板(4)的通孔为圆形通孔，所述金属凸台(6)为圆柱形。

3.根据权利要求2所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述绝缘隔板(4)的通孔孔径大于等于5mm。

4.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述金属挡板(5)和金属凸台(6)材质为铜。

5.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述金属凸台(6)的高度与绝缘隔板(4)的厚度相等。

6.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述液态金属(7)的填充高度高于所述绝缘隔板(4)的通孔高度且无需填满整个空腔。

7.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述液态金属(7)为镓铟锡合金。

8.根据权利要求1所述的液态金属限流器，其特征在于：

所述金属挡板(5)为可移动装置，其外径尺寸小于所述绝缘隔板(4)外径尺寸。

9.一种液态金属限流装置，其特征在于：

所述装置包括断路器和权利要求1至8任一项所述的液态金属限流器，所述液态金属限流器与断路器串联。

10.一种利用权利要求1至8任一项所述的液态金属限流器进行限流的方法，

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S100、将液态金属限流器与断路器串联连接；

S200、线路正常工作时，金属凸台插入绝缘隔板上的通孔直接与两侧的液态金属接触，额定电流通过液态金属和金属挡板进行通流；当短路故障发生时，利用绝缘隔板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动金属挡板外移，使液态金属进入通孔中收缩起弧，进而利用电弧电压来限制短路电流，实现快速有效限流；

S300、当液态金属限流器将短路电流限制到断路器可分断的范围之内时，断路器开断短路电流。