CN108963998A - 旋转式液态金属限流器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种旋转式液态金属限流器，包括：限流器本体，其中，限流器本体中的外电极套设在内电极外侧，并在外电极与内电极之间形成密闭的用以承载液态金属的环形腔室。本发明的有益效果为：通过设置内电和外电极，在内外电极间的缝隙内放置液态金属，并通过绝缘密封将内外电极间的缝隙设置为密闭的腔体，在绝缘密封上设置永磁体对，同时在腔体内部设置环形挡板，将腔体分为两部分，以放置液态金属。通过外加磁场，使液态金属在所形成流道内旋转，不仅散热能力得到了提高，液态金属在旋转时还会带走绝缘挡板通流孔处由起弧所产生的杂质，并且在离心力的作用下，绝缘挡板内侧液态金属通过绝缘挡板通流孔进入绝缘挡板外侧，实现了双重限流。

Description

旋转式液态金属限流器

技术领域

本发明涉及限流器技术领域，具体而言，涉及一种旋转式液态金属限流器。

背景技术

近年来随着电力行业的发展，日渐增加的短路电流和短路容量带给电力系统的威胁也越来越大，因而短路故障限流技术越来越受到国内外研究人员的关注和重视。

现有的短路故障限流技术主要有串联限流电抗、PTC电阻限流、固态短路故障限流、超导故障限流等。串联限流电抗比较常规，但在实际工作中会消耗电能较多；PTC电阻限流主要采用热敏电阻的特性进行限流，但存在需要外加并联限压装置且寿命短的问题；固态短路故障电流技术在实际应用中存在较大的固有损耗；超导故障限流技术主要利用高温超导体的特性来实现限流的目的，因超导材料技术仍未成熟，故该技术依然存在着可靠性差，恢复时间短的问题。

液态金属限流器因其结构简单、可靠性高、经济成本低等优点受到研究人员的青睐，如专利号200810232004.7，专利名称为“基于快速转换开关和液态金属限流装置及限流方法”的发明专利，通过将快速转换开关与液态金属限流装置并联再与断路器串联的方法实现限流；公开号为CN107507746A，专利名称为“一种新型液态金属限流装置及方法”的发明专利，通过设置一个金属凸台，利用绝缘挡板内部的斥力线圈产生电磁斥力推动液态金属外移，从而使液态金属进入通孔收缩起弧，实现限流。

上述技术方案采用传统的液态金属限流技术，其存在如下三个方面弊端：

1、由于液态金属本身导电性能(镓基液态金属电导率约为10⁶S/m)差，焦耳热现象严重，加速液态金属氧化，对限流系统的可靠性和寿命带来致命影响；

2、限流过程中通孔温度急剧上升引起孔壁烧灼，从而产生杂质，杂质的堆积会进一步阻碍限流效果；

3、限流路径单一，仅仅通过通孔中液态金属电磁收缩效应，此过程非常剧烈以致难以控制。

本发明提出一种旋转式液态金属限流器，以解决上述技术方案的存在的缺陷。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种旋转式液态金属限流器，旨在解决提高限流器限流效率的问题。

一个方面，本发明提出了一种旋转式液态金属限流器，其特征在于，包括：限流器本体，其中，所述限流器本体中的外电极套设在内电极外侧，并在外电极与内电极之间形成密闭的用以承载液态金属的环形腔室。

进一步地，在所述环形腔室内设置至少一能供液态金属通过的环形挡板，以将环形腔室分割为若干个环形空间。

进一步地，所述环形挡板上设置供液态金属通过的至少一通流孔。

进一步地，所述通流孔内穿设有提高所述液态金属润湿性能的泡沫铜。

进一步地，所述限流器本体还包括绝缘密封和永磁体对其中，所述绝缘密封设置在所述环形腔室的上下两端，以使得所述环形腔室内部密闭；所述永磁体对设置在所述绝缘密封外侧面中部。

进一步地，所述绝缘密封外侧面中部开设有与所述永磁体对相对设置的环形凹槽，所述永磁体对设置在所述环形凹槽内。

进一步地，所述环形挡板设置在上下两端的所述绝缘密封之间。

进一步地，限流器本体还包括至少一通气孔，所述通气孔同时穿过所述绝缘密封和永磁体对，所述通气孔用于排出所述液态金属6在起弧过程中所产生的气体。

进一步地，所述内电极的上下两端的边缘，分别开设第一L型凹槽；所述外电极上下两端的内侧面上，分别开设第二L型凹槽；所述第一L型凹槽与所述第二L型凹槽相对设置；

进一步地，所述绝缘密封上开设有第三凹槽，所述永磁体对设置在所述第三凹槽内。

进一步地，所述内电极的上端设置有第一凸台，所述第一凸台用于与外接线路连接。

进一步地，所述外电极的外侧面上设置有第二凸台，所述第二凸台用于与所述外接线路连接。

进一步地，所述限流器还包括绝缘外壳，所述绝缘外壳围设在所述限流器本体的外侧。

进一步地，所述绝缘外壳上开设有第一光孔和第二光孔，所述第一光孔与所述所述第一凸台相对设置，所述第一凸台穿设在所述第一光孔内；

所述第二光孔与所述第二凸台相对设置，所述第二凸台穿设在所述第二光孔内。

进一步地，所述液态金属的填充高度大于所述通流孔的高度，且小于所述环形挡板的高度。

进一步地，所述液态金属包括镓基液态金属，所述镓基液态金属包括金属镓单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铜合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过设置内电和外电极，在内外电极间的缝隙内放置液态金属，并通过绝缘密封将内外电极间的缝隙设置为密闭的腔体，在绝缘密封上设置永磁体对，同时在腔体内部设置环形挡板，将腔体分为两部分，以放置液态金属。通过外加磁场，使液态金属在所形成流道内旋转，不仅散热能力得到了提高，液态金属在旋转时还会带走绝缘挡板通流孔处由起弧所产生的杂质，并且在离心力的作用下，绝缘挡板内侧液态金属通过绝缘挡板通流孔进入绝缘挡板外侧，实现了双重限流。此外，本发明不仅适用于中低压的电路，同样适用于高压电路，适用面更广。

进一步地，本发明限流器采用环状结构，并通过外加永磁体实现液态金属在环形流道内自循环流动，其增益包括三方面：首先，通过液态金属自身流动，实现快速降温，从而使限流器始终保持在环境温度状态下；其次，液态金属自循环流动可以将通孔内杂质清除掉，可提升限流器的可重复性能；另外，双重限流效果，液态金属在环形流道内的周向运动产生径向离心力，从而使得液态金属液面高度在径向发生偏移，增大系统的电阻，起到限流效果，因而不仅适用于中低压的电路，同样适用于高压电路，适用面更广。

进一步地，通过在环形挡板上开设通流孔，并在通流孔内放置泡沫铜，以使得通流孔形成一泡沫状限流通孔。本发明所述的限流通孔结构，通过采用与液态金属具有润湿特性较好的泡沫铜，可以有效控制限流过程中通孔内液态金属收缩。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的纵剖示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的横剖示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的电弧起弧示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种旋转式液态金属限流器，包括：限流器本体10，其中，限流器本体10中的外电极2套设在内电极1外侧，并在外电极2与内电极1之间形成密闭的用以承载液态金属6的环形腔室11。通过在内外电极间的环形缝隙内放置液态金属6，并使液态金属6在缝隙内流动进行限流，不仅提高了限流效果，还通过液态金属6的流动增大液态金属6与外电极2和内电极1的接触面积，从而提高了限流器的散热效果。

具体而言，在环形腔室11内设置至少一能供液态金属6通过的环形挡板5，以将环形腔室11分割为若干个环形空间。通过将环形腔室11分割为若干个环形空间，使液态金属6在若干个环形空间之间流通，以提高限流器的限流效果。

具体而言，环形挡板5上设置供液态金属6通过的至少一通流孔12。通流孔12为设置在环形挡板5上的通孔，其用于使液态金属6在多个环形空间之间流通，并限制液态金属6的流量，以限制两环形空间之间的电流，进而达到阻流的目的。

具体而言，通流孔12内穿设有提高液态金属6润湿性能的泡沫铜8。通过在通流孔12内放置泡沫铜，以使得通流孔12形成一泡沫状限流通孔，进一步限制通流孔12内通过的液态金属6，并且有效的控制限流过程中通流孔12内液态金属6的收缩，提高限流器的限流效果。液态金属6的填充高度大于通流孔12的高度，且小于环形挡板5的高度。

具体而言，绝缘密封3设置在环形腔室11的上下两端，以使得环形腔室11内部密闭；永磁体对4设置在绝缘密封3外侧面的中部。绝缘密封3外侧面中部开设有与永磁体对4相对设置的环形凹槽，永磁体对4设置在环形凹槽内。环形挡板5设置在上下两端的绝缘密封3之间。

结合图1和图2所示，其分别为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的纵剖示意图和横剖示意图。具体而言，上述实施例中的旋转式液态金属限流器包括：内电极1、外电极2、绝缘密封3、永磁体对4、环形挡板5、液态金属6、泡沫铜8，其中，外电极2为柱体结构，外电极2中部开设有通孔，内电极1沿通孔开口方向设置在通孔内；内电极1与外电极2之间设置有环形腔室11，环形腔室11可以为液态金属流道,液态金属6设置在液态金属流道内；内电极1的外表面上下两端，分别设置有第一L型凹槽；外电极2的内侧面上下两端，分别设置有第二L型凹槽；第一L型凹槽与第二L型凹槽相对设置；绝缘密封3设置在第一L型凹槽和第二L型凹槽之间，绝缘密封3上开设有第三凹槽，第三凹槽与永磁体对4相对设置，且永磁体对4设置在第三凹槽内；环形挡板5设置在液态金属流道内，环形挡板5将内电极1套设其中，环形挡板5的上下两端分别与上下两侧的绝缘密封3接触；环形挡板5上设置有泡沫铜8。

可以理解的是，通过设置内电极1和外电极2，并在内外电极间的缝隙内放置液态金属6，并通过绝缘密封3将内外电极2间的缝隙设置为密闭的腔体，在绝缘密封3上设置永磁体对4，同时在腔体内部设置环形挡板5，将腔体分为多部分，以放置液态金属6。通过外加磁场，使液态金属6在所形成流道内旋转，不仅散热能力得到了提高，液态金属6在旋转时还会带走绝缘挡板通流孔处由起弧所产生的杂质，并且在离心力的作用下，绝缘挡板内侧液态金属6通过绝缘挡板通流孔进入绝缘挡板外侧，实现了双重限流。此外，本申请不仅适用于中低压的电路，同样适用于高压电路，适用面更广。

具体而言，外电极2为一空心圆柱体，内电极1为一实心圆柱体。内电极1穿设在外电极2内部，且两者的中轴线可以重合也可以不重合，其应根据实际情况进行设置。外电极2的内直径大于内电极1的外直径，且外电极2的内侧壁与内电极1的外侧壁之间保持预设的间距。绝缘密封3卡设在内电极1与外电极2之间的凹槽内，通过绝缘密封3，使得内电极1和外电极2之间形成一密闭的腔体，液态金属6在内电极1、外电极2之间的液态金属流道流动。永磁体对4嵌设在绝缘密封3外侧的第三凹槽内，且永磁体对4的N极与S极相对放置，即一个永磁体的N极和另一个永磁体的S极相对应的放置于上下绝缘密封3的凹槽内。环形挡板5可以为一绝缘隔板，绝缘隔板位于液态金属流道内，通过绝缘隔板将液态金属流道进行分割为多部分，并在液态金属流道上开设通流孔12，使得液态金属6能够在分割后的多部分液态金属流道之间流通；同时，通流孔12内设置有泡沫铜8，泡沫铜8紧贴于通流孔12的内表面，以使得通流孔12形成一泡沫状限流通孔，进一步提高限流效果。

具体而言，绝缘密封3呈圆环状，绝缘密封3相对的卡设在第一L型凹槽和第二L型凹槽的竖直边缘之间。绝缘密封3的上下两侧的中间部分设有圆环状凹槽，其中，上侧凹槽与永磁体对4相对设置，用于放置永磁体对4，且上侧凹槽的宽度应大于内电极1和外电极2之间的间距，即，永磁体对4的宽度大于内电极1和外电极2之间的间距，可以理解的是，永磁体对4的宽度大于环形腔室11的宽度；下侧凹槽与绝缘隔板的端部相对设置，下侧凹槽宽度稍大于绝缘隔板的厚度，以将绝缘隔板卡设在下侧凹槽内。具体的，绝缘隔板设置在上下两端的绝缘密封3之间，且绝缘隔板沿与绝缘密封3相垂直的方向设置，即，绝缘隔板的上下两端分别卡设在相对设置的两绝缘密封3的下侧凹槽内。

具体而言，绝缘密封3为一圆环，绝缘密封3上开设有圆环状凹槽。永磁体对4为圆环状永磁体，其磁场强度范围为0.01-5特斯拉。圆环状永磁体与圆环状凹槽相对设置。绝缘密封3与永磁体对4的连接方式为胶粘。

具体而言，绝缘密封3与永磁体对4上设有一定数量的通气孔9，通气孔9同时穿过绝缘密封3和永磁体对4，具体的，绝缘密封3与永磁体对4相对设置有预设数量的通气孔9，通气孔9用以排出液态金属6在起弧过程中所产生的气体。绝缘密封3由胶类绝缘材料制成，除去所开通气孔9外，其上下表面应不存在其他有害的不规则性。通气孔9为绝缘密封3与永磁体对4相对位置上开设通孔，且通孔贯通绝缘密封3与永磁体对4。

具体而言，绝缘挡板上开有至少一通流孔12，所有的通流孔12的高度、大小均相等，可以理解的是，根据液态金属6的电阻率、永磁体对4的磁场强度等来确定通流孔12的孔径的大小，以提高限流效率。

具体而言，内电极1的上端设置有第一凸台，第一凸台用于与外接线路连接。外电极2的外侧面上设置有第二凸台，第二凸台用于与外接线路连接。

具体而言，限流器还包括绝缘外壳7，绝缘外壳7围设在限流器本体10的外侧。绝缘外壳7上开设有第一光孔和第二光孔，第一光孔与第一凸台相对设置，第一凸台穿设在第一光孔内；第二光孔与第二凸台相对设置，第二凸台穿设在第二光孔内。第一凸台穿设在第一光孔内，以使得绝缘外壳7与永磁体对4接触，第二凸台穿设在第二光孔内，以使得绝缘外壳7与外电极2的外侧面接触。

具体而言，内电极1的中轴线沿外电极2的中轴线设置。第一凸台与内电极1的形状相同；第二凸台为沿外电极2的外侧面围设的环状结构，或者为，沿外电极2的外侧面均匀排列的预设数量的凸起结构。内电极1、外电极2均为由铜制成的圆柱体，绝缘隔板为空心圆柱体。第二凸台为由铜制成的圆环，第一凸台为由铜制成的圆柱。

具体而言，液态金属6可以为安全无毒的镓基液态金属，镓基液态金属包括金属镓单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铜合金等低熔点液态金属合金。由于上述合金的熔点较低，可在实际应用中使用外加热措施。液态金属6的填充高度大于通流孔12的高度，且小于绝缘挡板的高度。绝缘外壳7可采用铝来制作，并在其表面形成一定厚度的绝缘薄膜，或在表面涂绝缘漆；在短路电流更大的条件下使用时，为改善限流器的冷却条件，可以将外壳做成散热器的形式。

可以理解的是，本实施例所述的限流器，不同于传统的矩形结构，采用环状结构，并通过外加永磁体实现液态金属在环形流道内自循环流动，其增益包括三方面：首先，通过液态金属自身流动，实现快速降温，从而使限流器始终保持在环境温度状态下；其次，液态金属自循环流动可以将通孔内杂质清除掉，可提升限流器的可重复性能；另外，双重限流效果，液态金属在环形流道内的周向运动产生径向离心力，从而使得液态金属液面高度在径向发生偏移，增大系统的电阻，起到限流效果，因而不仅适用于中低压的电路，同样适用于高压电路，适用面更广。

结合图3和图4所示，其分别为本发明实施例提供的旋转式液态金属限流器的原理示意图和电弧起弧示意图。本实施例所述的旋转式液态金属限流器的工作原理如下：正常条件下，电流的传递方向为外电极2经由液态金属6传递到内电极1，此时电流方向与永磁体磁场方向垂直，产生推动液态金属6运动的电磁力，方向由左手定则确定。当电流过大时，由于液态金属6的自收缩效应，绝缘挡板通流孔部分的液态金属6发生收缩，同时又因为液态金属6受到电磁力和流动过程中的离心力的影响，通孔中心部分的液态金属6收缩的很快，此时电流所产生的焦耳热使该处液态金属6气化并产生高于系统电压的电弧20的电弧电压，进而对短路故障电流起到限制作用。

可以理解的是，通过在绝缘隔板上开设通流孔，并在通流孔内放置泡沫铜，以使得通流孔形成一泡沫状限流通孔。本实施例所述的限流通孔结构，通过采用与液态金属具有润湿特性较好的泡沫铜，可以有效控制限流过程中通孔内液态金属收缩。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种旋转式液态金属限流器，其特征在于，包括：

限流器本体(10)，其中，

所述限流器本体(10)中的外电极(2)套设在内电极(1)外侧，并在外电极(2)与内电极(1)之间形成密闭的用以承载液态金属(6)的环形腔室(11)。

2.根据权利要求1所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，在所述环形腔室(11)内设置至少一能供液态金属(6)通过的环形挡板(5)，以将环形腔室(11)分割为若干个环形空间。

3.根据权利要求2所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述环形挡板(5)上设置供液态金属(6)通过的至少一通流孔(12)。

4.根据权利要求3所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述通流孔(12)内穿设有提高所述液态金属(6)润湿性能的泡沫铜(8)。

5.根据权利要求4所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述限流器本体(10)还包括绝缘密封(3)和永磁体对(4)其中，

所述绝缘密封(3)设置在所述环形腔室(11)的上下两端，以使得所述环形腔室(11)内部密闭；

所述永磁体对(4)设置在所述绝缘密封(3)外侧面中部。

6.根据权利要求5所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述绝缘密封(3)外侧面中部开设有与所述永磁体对(4)相对设置的环形凹槽，所述永磁体对(4)设置在所述环形凹槽内。

7.根据权利要求5所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述环形挡板(5)设置在上下两端的所述绝缘密封(3)之间。

8.根据权利要求7所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，限流器本体(10)还包括至少一通气孔9，所述通气孔(9)同时穿过所述绝缘密封(3)和永磁体对(4)，所述通气孔(9)用于排出所述液态金属6在起弧过程中所产生的气体。

9.根据权利要求8所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，

所述内电极(1)的上下两端的边缘，分别开设第一L型凹槽；所述外电极(2)上下两端的内侧面上，分别开设第二L型凹槽；所述第一L型凹槽与所述第二L型凹槽相对设置；

所述绝缘密封(3)卡设在所述第一L型凹槽和第二L型凹槽之间，所述绝缘密封(3)上开设有第三凹槽，所述永磁体对(4)设置在所述第三凹槽内。

10.根据权利要求1所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述内电极(1)的上端设置有第一凸台，所述第一凸台用于与外接线路连接。

11.根据权利要求10所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述外电极(2)的外侧面上设置有第二凸台，所述第二凸台用于与所述外接线路连接。

12.根据权利要求11所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述限流器还包括绝缘外壳(7)，所述绝缘外壳(7)围设在所述限流器本体(10)的外侧。

13.根据权利要求12所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述绝缘外壳(7)上开设有第一光孔和第二光孔，所述第一光孔与所述所述第一凸台相对设置，所述第一凸台穿设在所述第一光孔内；

所述第二光孔与所述第二凸台相对设置，所述第二凸台穿设在所述第二光孔内。

14.根据权利要求3-9任一项所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述液态金属(6)的填充高度大于所述通流孔(12)的高度，且小于所述环形挡板(5)的高度。

15.根据权利要求1-13中任一项所述的旋转式液态金属限流器，其特征在于，所述液态金属(6)包括镓基液态金属，所述镓基液态金属包括金属镓单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铜合金。