CN115513911A - 基于液态金属限流模块的直流断路器 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于液态金属限流模块的直流断路器，主电流回路包括高速机械开关和若干串联的液态金属单元，电流转移与吸收支路由熔断器组成，主电流回路并联连接电流转移与吸收支路，系统正常通流状态下，系统电流从主电流回路流过，方向为出线端A1到出线端A2，系统电流流经高速机械开关与串联的液态金属单元，系统的通态损耗为电流在这两个模块的损耗，当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流，在短路电流冲击下，液态金属单元中液态金属由于磁致收缩效应起弧，多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级，实现故障电流限流。

Description

基于液态金属限流模块的直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器领域，特别是一种基于液态金属限流模块的直流断路器。

背景技术

随着城市建设不断推进，发展高供电密度、大容量、高可靠直流配电系统成为大中城市发展的迫切需求。某些特殊电力系统一般短路电流峰值较高，电流上升快，最高可达几十乃至上百千安。传统的直流断路器，由于其自身开断时间长，限流能力有限等特点的限制，难以适应直流系统的高电压、大电流的发展需求。

相较于传统交流系统，直流系统短路故障具有：电流上升速率快、短路电流峰值高、没有自然过零点等特点，同时直流断路器还需要吸收储存在系统电感中的能量，直流开断难度大。目前广泛使用的混合式断路器大多通过注入和短路电流相反的电流来制造人工过零点，从而实现直流分段的目的。但当短路电流太大时，注入电流无法抵消系统的短路电流，导致开断时高速机械开关触头间燃弧难以熄灭，延长开断时间，对系统产生不利影响。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种基于液态金属限流模块的直流断路器。先将较大的短路电流限制在较低水平，再完成开断，缩短短路故障排除时间，提高系统的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种基于液态金属限流模块的直流断路器包括出线端A1、出线端A2、主电流回路和电流转移与吸收支路，主电流回路包括高速机械开关和若干串联的液态金属单元，电流转移与吸收支路由熔断器组成，主电流回路并联连接电流转移与吸收支路，高速机械开关的断口一端和断路器出线端A1相连，最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连；熔断器两端分别连接到断路器出线端子A1、出线端A2，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为出线端A1到出线端A2，系统电流流经高速机械开关与串联的液态金属单元，系统的通态损耗为电流在这两个模块的损耗，

当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流，在短路电流冲击下，液态金属单元中液态金属由于磁致收缩效应起弧，多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级，实现故障电流限流。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器中，直流断路器还包括控制系统，在液态金属单元限流作用下，主电流回路故障电流下降，迫使电流转移至熔断器中，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关收到分闸动作指令，高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧，熔断器的熔丝熔化直到完全熔断，产生熔断过电压迫使主电流回路电流过零，高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器中，控制系统包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器中，所述液态金属单元为封闭立方腔体，腔体中注入液态金属镓铟锡。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器中，所述高速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器中，所述熔断器为高压限流熔断器，其额定通流大于系统的额定电流。

本发明的所述的基于液态金属限流模块的直流断路器具有限流开断的能力，可以将短路电流限制在较低水平，且电流转移支路与能量吸收支路合二为一，使断路器结构更加简单，大大降低体积成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明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。说明书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。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于液态金属限流模块的直流断路器的拓扑示意图；

图2根据本发明一个实施例的基于液态金属限流模块的直流断路器的开断工作原理示意图；

图3(a)至图3(d)是根据本发明一个实施例的基于液态金属限流模块的直流断路器的工作构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的基于液态金属限流模块的直流断路器的断口续流的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明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发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的基于液态金属限流模块的直流断路器的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

所述直流断路器包括出线端A1、出线端A2、主电流回路和电流转移与吸收支路，主电流回路包括高速机械开关和若干串联的液态金属单元，电流转移与吸收支路由熔断器组成，主电流回路并联连接电流转移与吸收支路，高速机械开关的断口一端和断路器出线端A1相连，最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连；熔断器两端分别连接到断路器出线端子A1、出线端A2，

系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为出线端A1到出线端A2，系统电流流经高速机械开关与串联的液态金属单元，系统的通态损耗为电流在这两个模块的损耗，

当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流，在短路电流冲击下，液态金属单元中液态金属由于磁致收缩效应起弧，多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级，实现故障电流限流。

基于液态金属限流模块的直流断路器在主电流回路加入若干个串联的液态金属单元达到限流目的，在较低的短路电流水平下完成开断。所述新型限流直流断路器具有快速开断短路故障的功能，并且开断能量小，延长断路器中各设备的寿命。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器的优选实施例中，直流断路器还包括控制系统，在液态金属单元限流作用下，主电流回路故障电流下降，迫使电流转移至熔断器中，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关收到分闸动作指令，高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧，熔断器的熔丝熔化直到完全熔断，产生熔断过电压迫使主电流回路电流过零，高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器的优选实施例中，控制系统包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器的优选实施例中，所述液态金属单元为封闭立方腔体，腔体中注入液态金属镓铟锡。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器的优选实施例中，所述高速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

所述的基于液态金属限流模块的直流断路器的优选实施例中，所述熔断器为高压限流熔断器，其额定通流大于系统的额定电流。

在一个实施例中，直流断路器，由主电流回路、电流转移与吸收支路组成。其中主电流回路包括高速机械开关和若干串联的液态金属单元，电流转移与吸收支路由熔断器组成。其中：主电流回路高速机械开关断口一端和断路器出线端A1相连，最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连；电流转移与吸收支路为一高压限流熔断器，其两端分别与出线端A1,A2连接，形成与主电流回路的并联。在额定开断下，直接打开高速机械开关，由于额定通流小，高速机械开关不会燃弧，直接完成开断。

在短路开断下，液态金属单元在短路电流磁场作用下起弧，高电弧电压限制故障电流上升；故障电流被限制后，触发高速机械开关分闸，此时电流转移至熔断器中，经过一定时间，熔丝熔化并产生过电压，吸收短路电流能量的同时完成开断。

图2给出了断路器在系统额定通流工况下的开断过程。直接打开高速机械开关，高速机械开关快速建立真空断口，由于额定通流电流小，高速机械开关触头间不会燃弧，直接完成额定开断。

图3(a)至图3(d)给出了断路器在系统短路工况下，电流转移的过程，下文将结合图3(a)至图3(d)说明当系统短路故障发生时的开断过程。

(1)、如图3(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过高速机械开关以及串联的液态金属单元后从出线端A2流出；

(2)、如图3(b)所示,当系统发生短路故障时，主电流回路的电流迅速上升，由于液态金属单元的磁致收缩效应，其电流通路越来越窄，通流能力下降，液态金属单元的电压上升，每个单元的电压可达几百伏。起到限流的作用，主电流回路的短路电流下降，被限制到较低的水平；

(3)、如图3(c)所示，触发高速机械开关分闸，由于此时主回路仍有短路电流存在，所以触头间会燃弧；

(4)、如图3(d)所示，由于液态金属模块的电压以及高速机械开关触头间的弧压，短路电流大量向熔断器转移，熔断器熔丝熔断，耗散大量短路电流能量，且建立熔断过电压，配合断口的绝缘介质恢复，主电路回路的电流被完全截断，完成开断。

图4给出了本发明的电流转移与吸收支路并联多个熔断器的拓扑。此拓扑适用于额定电流较大的工况，多个熔断器可以承担更大的额定电流，吸收更多的短路电流能量。

在一个实施例中，所述电流转移与吸收支路为多个并联的熔断器。进一步地，熔断器为高压限流熔断器。

当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流。此时在短路电流冲击下，液态金属由于磁致收缩效应起弧，多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级，实现故障电流限流。在液态金属限流作用下，主回路故障电流下降，迫使电流转移至熔断器中，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关收到分闸动作指令，开始动作。高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧。此时熔断器的熔丝已经过一段时间的熔化过程，某时刻完全熔断，产生熔断过电压，迫使主回路电流过零，高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭。而熔丝熔断的同时消耗了短路电流的能量，配合真空泡绝缘介质的恢复不在起弧，实现短路故障的限流开断。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (6)

1.一种基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：所述直流断路器包括出线端A1、出线端A2、主电流回路和电流转移与吸收支路，主电流回路包括高速机械开关和若干串联的液态金属单元，电流转移与吸收支路由熔断器组成，主电流回路并联连接电流转移与吸收支路，高速机械开关的断口一端和断路器出线端A1相连，最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连；熔断器两端分别连接到断路器出线端子A1、出线端A2，

系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为出线端A1到出线端A2，系统电流流经高速机械开关与串联的液态金属单元，系统的通态损耗为电流在这两个模块的损耗，

当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流，在短路电流冲击下，液态金属单元中液态金属由于磁致收缩效应起弧，多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级，实现故障电流限流。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：优选的，直流断路器还包括控制系统，在液态金属单元限流作用下，主电流回路故障电流下降，迫使电流转移至熔断器中，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关收到分闸动作指令，高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧，熔断器的熔丝熔化直到完全熔断，产生熔断过电压迫使主电流回路电流过零，高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭。

3.根据权利要求1所述的基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：控制系统包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：所述液态金属单元为封闭立方腔体，腔体中注入液态金属镓铟锡。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：所述高速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属限流模块的直流断路器，其特征在于：所述熔断器为高压限流熔断器，其额定通流大于系统的额定电流。

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