CN116316457A - 复合耗能式直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了复合耗能式直流断路器，涉及直流输电技术领域，包括高速机械开关和电流转移支路，电流转移支路包括磁耦合副边线圈、磁耦合原边线圈和预充电桥式电流电路，磁耦合副边线圈与磁耦合原边线圈电感连接，磁耦合原边线圈与预充电桥式电流电路并联；能量吸收支路包括电力电子支路和复合式耗能支路，电力电子支路与复合式耗能支路并联，复合式耗能支路包括金属氧化物压敏电阻和液态金属耗能装置，金属氧化物压敏电阻与液态金属耗能装置串联；电流转移支路与能量吸收支路串联构成串联支路，串联支路与主通流支路并联。本发明使得耗能功率密度得到明显提升。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体而言，涉及一种复合耗能式直流断路器。
背景技术
直流输电以输电效率高、输送能量大、无稳定性问题、调节快速可靠、节省输电走廊等优势成为输电技术的重要发展方向，但由于短路电流上升速率快且无自然过零点，高压直流断路器的研究成为直流电网输电发展的一个关键问题。高压直流断路器的直流开断过程需要通过电流转移和过零、电压建立和耐受、电能耗散多个物理过程来完成对故障和负荷的切除，然而现有的高压直流断路器的耗能支路通常采用的是金属氧化物压敏电阻，存在能量耗散时间长，能量耗散功率密度低的问题，因此导致故障和负荷的切除时间增加，容易引起安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合耗能式直流断路器，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本申请提供了一种直流断路器，包括：
主通流支路，所述主通流支路包括高速机械开关；
电流转移支路，所述电流转移支路包括磁耦合副边线圈、磁耦合原边线圈和预充电桥式电流电路，磁耦合副边线圈与磁耦合原边线圈电感连接，所述磁耦合原边线圈与所述预充电桥式电流电路并联；
能量吸收支路，包括电力电子支路和复合式耗能支路，所述电力电子支路与所述复合式耗能支路并联，所述复合式耗能支路包括金属氧化物压敏电阻和液态金属耗能装置，所述金属氧化物压敏电阻与所述液态金属耗能装置串联；
其中，所述电流转移支路与所述能量吸收支路串联构成串联支路，所述串联支路与所述主通流支路并联。
进一步地，所述预充电桥式电流电路包括两组第一桥臂和第一电容，每组所述第一桥臂包括一正一反连接的两个晶闸管，其中一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的一端连接，另外一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的另一端连接。
进一步地，所述电力电子支路包括两组第二桥臂、绝缘栅双极型晶体管、第二电容、泄放电阻和第一二极管，每组所述第二桥臂包括一正一反连接的两个第二二极管，所述第二电容的一端和泄放电阻的一端串联，所述第一二极管两端分别与泄放电阻两端相连，其中一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的一端和第二电容的另一端相连，另外一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的另一端和泄放电阻的另一端相连。
进一步地，所述液态金属耗能装置包括：
绝缘外壳，所述绝缘外壳为密封腔体；
液态金属，所述液态金属设置于所述密封腔体内；
电极，所述电极包括设置于绝缘外壳左右两侧的阳极和阴极，所述电极与所述液态金属接触；
耗能单元，包括第一电阻和第二电阻；
所述密封腔体内设有至少一个所述第一电阻，所述第一电阻将所述密封腔体左右分隔为至少两个第一分腔，相邻两个所述第一分腔内的液态金属通过所述第一电阻电连接；
至少一个所述第一分腔内设有至少一个所述第二电阻，所述第二电阻将所述第一分腔上下分隔为至少两个第二分腔，相邻两个所述第二分腔内的液态金属通过所述第二电阻电连接；
通电状态下，在设有所述第二电阻的所述第一分腔内，电流流经所有第二电阻后通过所述第一电阻或阴极流出该第一分腔。
进一步地，第一电阻包括第一绝缘段和第一导电段，所述密封腔体内设有至少两个所述第一电阻，相邻两个所述第一电阻上的所述第一导电段呈上下错位设置。
进一步地，所述第一绝缘段的一端与所述密封腔体内壁固定连接，第一导电段设置于所述第一绝缘段的另一端与所述密封腔体内壁之间。
进一步地，所述第一导电段为金属氧化物压敏电阻。
进一步地，所述第二电阻包括第二绝缘段和第二导电段，所述第一分腔内设有至少两个所述第二电阻，相邻两个所述第二电阻上的所述第二导电段呈左右错位设置。
进一步地，所述第二绝缘段的一端与所述第二分腔内壁固定连接，所述第二导电段设置于所述第二绝缘段的另一端与所述第二分腔内壁之间。
进一步地，所述第二导电段为液态金属。
本发明还提供了一种液态金属耗能装置包括：
绝缘外壳，所述绝缘外壳为密封腔体；
液态金属，所述液态金属设置于所述密封腔体内；
电极，所述电极包括设置于绝缘外壳左右两侧的阳极和阴极，所述电极与所述液态金属接触；
耗能单元，包括第一电阻和第二电阻；
所述密封腔体内设有至少一个所述第一电阻，所述第一电阻将所述密封腔体左右分隔为至少两个第一分腔，相邻两个所述第一分腔内的液态金属通过所述第一电阻电连接；
至少一个所述第一分腔内设有至少一个所述第二电阻，所述第二电阻将所述第一分腔上下分隔为至少两个第二分腔，相邻两个所述第二分腔内的液态金属通过所述第二电阻电连接；
通电状态下，在设有所述第二电阻的所述第一分腔内，电流流经所有第二电阻后通过所述第一电阻或阴极流出该第一分腔。
进一步地，第一电阻包括第一绝缘段和第一导电段，所述密封腔体内设有至少两个所述第一电阻，相邻两个所述第一电阻上的所述第一导电段呈上下错位设置。
进一步地，所述第一绝缘段的一端与所述密封腔体内壁固定连接，第一导电段设置于所述第一绝缘段的另一端与所述密封腔体内壁之间。
进一步地，所述第一导电段为金属氧化物压敏电阻。
进一步地，所述第二电阻包括第二绝缘段和第二导电段，所述第一分腔内设有至少两个所述第二电阻，相邻两个所述第二电阻上的所述第二导电段呈左右错位设置。
进一步地，所述第二绝缘段的一端与所述第二分腔内壁固定连接，所述第二导电段设置于所述第二绝缘段的另一端与所述第二分腔内壁之间。
进一步地，所述第二电阻在所述第一分腔内倾斜设置，相邻两个所述第二电阻彼此平行设置。
本发明的有益效果为：
本发明复合耗能式直流断路器通过液态金属耗能装置和压敏电阻实现复合式耗能，由此使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求；与此同时，本发明结合了机械开关良好的静态特性和电力电子支路优越的动态特性，电流主回路采用纯机械开关承担额定通流，正常工作损耗小，短时耐受能力强，静态工作特性好。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1中正常导通状态下主电流回路的电流流向示意图。
图2为本发明实施例1中短路故障发生时电流由主电流回路向电流转移支路转移的电流流向示意图。
图3为本发明实施例1中短路故障发生时电流转移至能量吸收支路的电流流向示意图。
图4为本发明实施例2中液态金属耗能装置的结构示意图。
图5为本发明实施例3中液态金属耗能装置的结构示意图。
图6为本发明实施例4中液态金属耗能装置的结构示意图。
图7为本发明实施例5中液态金属耗能装置的结构示意图。
图8为本发明实施例6中液态金属耗能装置的结构示意图。
图中标记：1、绝缘外壳；11、第一分腔；12、第二分腔；2、液态金属；31、阳极；32、阴极；4、第一电阻；41、第一绝缘段；42、第一导电段；5、第二电阻；51、第二绝缘段；52、第二导电段；6、高速机械开关；71、磁耦合副边线圈；72、磁耦合原边线圈；73、预充电桥式电流电路；81、电力电子支路；82、金属氧化物压敏电阻；83、液态金属耗能装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明具体实施方式公开了一种复合耗能式直流断路器器，包括：
主通流支路，所述主通流支路包括高速机械开关6；
电流转移支路，所述电流转移支路包括磁耦合副边线圈71、磁耦合原边线圈72和预充电桥式电流电路73，磁耦合副边线圈71与磁耦合原边线圈72电感连接，所述磁耦合原边线圈72与所述预充电桥式电流电路73并联；
电流转移支路是实现故障电流快速转移的核心模块，通过磁耦合线圈方式进行电流快速转移，降低断口通态损耗。
能量吸收支路，包括电力电子支路81和复合式耗能支路，所述电力电子支路81与所述复合式耗能支路并联，所述复合式耗能支路包括金属氧化物压敏电阻82和液态金属耗能装置83，所述金属氧化物压敏电阻82与所述液态金属耗能装置83串联；
其中，所述电流转移支路与所述能量吸收支路串联构成串联支路，所述串联支路与所述主通流支路并联。
所述预充电桥式电流电路73包括两组第一桥臂和第一电容，每组所述第一桥臂包括一正一反连接的两个晶闸管，其中一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的一端连接，另外一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的另一端连接。
四个正反晶闸管组成的预充电桥式电流电路用于控制系统电流正向或反向开断，故实现系统电流的双向开断；磁耦合副边线圈L1和磁耦合原边线圈L2，第一容器C1作为磁耦合原边线圈L2的驱动电容，通过C1对L2放电，L1感应出高频反向电压，实现电流由HSCB向C1的转移。预充电桥式电流电路73既有对电容进行充电缓冲电流，又有低功耗、整流效率高的优点。在实际工程中，通过仿真确定原、副边电感值，进而合理选择原、副边电感的大小，可以提高电流转移能力，缩短转移时间，因而实现短路电流快速转移的同时，还能对短路电流限流的作用。
所述电力电子支路81包括两组第二桥臂、绝缘栅双极型晶体管、第二电容、泄放电阻和第一二极管，每组所述第二桥臂包括一正一反连接的两个第二二极管，所述第二电容的一端和泄放电阻的一端串联，所述第一二极管两端分别与泄放电阻两端相连，其中一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的一端和第二电容的另一端相连，另外一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的另一端和泄放电阻的另一端相连。
电力电子支路81一是抑制关断时的du/dt和过电压；二是抑制开通时的di/dt和过电流；三是减小高频应用情况下器件的开关损耗。
所述液态金属耗能装置83包括：
绝缘外壳1，所述绝缘外壳1为密封腔体；
液态金属2，所述液态金属2设置于所述密封腔体内；
电极，所述电极包括设置于绝缘外壳1左右两侧的阳极31和阴极32，所述电极与所述液态金属2接触；
耗能单元，包括第一电阻4和第二电阻5；
所述密封腔体内设有至少一个所述第一电阻4，所述第一电阻4将所述密封腔体左右分隔为至少两个第一分腔11，相邻两个所述第一分腔11内的液态金属2通过所述第一电阻4电连接；
至少一个所述第一分腔11内设有至少一个所述第二电阻5，所述第二电阻5将所述第一分腔11上下分隔为至少两个第二分腔12，相邻两个所述第二分腔12内的液态金属2通过所述第二电阻5电连接；
通电状态下，在设有所述第二电阻5的所述第一分腔11内，电流流经所有第二电阻5后通过所述第一电阻4或阴极32流出该第一分腔11。
第一电阻4包括第一绝缘段41和第一导电段42，所述密封腔体内设有至少两个所述第一电阻4，相邻两个所述第一电阻4上的所述第一导电段42呈上下错位设置。
所述第一绝缘段41的一端与所述密封腔体内壁固定连接，第一导电段42设置于所述第一绝缘段41的另一端与所述密封腔体内壁之间。
所述第一导电段42为金属氧化物压敏电阻。
所述第二电阻5包括第二绝缘段51和第二导电段52，所述第一分腔11内设有至少两个所述第二电阻5，相邻两个所述第二电阻5上的所述第二导电段52呈左右错位设置。
所述第二绝缘段51的一端与所述第二分腔12内壁固定连接，所述第二导电段52设置于所述第二绝缘段51的另一端与所述第二分腔12内壁之间。
所述第二导电段52为液态金属2。
本发明具体实施方式还提供了一种所述液态金属耗能装置83包括：
绝缘外壳1，所述绝缘外壳1为密封腔体；
液态金属2，所述液态金属2设置于所述密封腔体内；
电极，所述电极包括设置于绝缘外壳1左右两侧的阳极31和阴极32，所述电极与所述液态金属2接触；
耗能单元，包括第一电阻4和第二电阻5；
所述密封腔体内设有至少一个所述第一电阻4，所述第一电阻4将所述密封腔体左右分隔为至少两个第一分腔11，相邻两个所述第一分腔11内的液态金属2通过所述第一电阻4电连接；
至少一个所述第一分腔11内设有至少一个所述第二电阻5，所述第二电阻5将所述第一分腔11上下分隔为至少两个第二分腔12，相邻两个所述第二分腔12内的液态金属2通过所述第二电阻5电连接；
通电状态下，在设有所述第二电阻5的所述第一分腔11内，电流流经所有第二电阻5后通过所述第一电阻4或阴极32流出该第一分腔11。
第一电阻4包括第一绝缘段41和第一导电段42，所述密封腔体内设有至少两个所述第一电阻4，相邻两个所述第一电阻4上的所述第一导电段42呈上下错位设置。由此延长了电流在液态金属中的流通路径，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
所述第一绝缘段41的一端与所述密封腔体内壁固定连接，第一导电段42设置于所述第一绝缘段41的另一端与所述密封腔体内壁之间。
所述第一导电段42为金属氧化物压敏电阻。
所述第二电阻5包括第二绝缘段51和第二导电段52，所述第一分腔11内设有至少两个所述第二电阻5，相邻两个所述第二电阻5上的所述第二导电段52呈左右错位设置。由此延长了电流在液态金属中的流通路径，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
所述第二绝缘段51的一端与所述第二分腔12内壁固定连接，所述第二导电段52设置于所述第二绝缘段51的另一端与所述第二分腔12内壁之间。
所述第二导电段52为液态金属2。
实施例1：
如图1所示，提供了本实施例1中正常导通状态下主电流回路的电流流向示意图。如图1所示，所述主电流回路中包括系统电源E0、限流电阻R0、限流电感L0和负载电阻ZL直接串联，还包括一种复合耗能式直流断路器，包括：主通流支路，所述主通流支路包括单个或多个串联的高速机械开关6，单个或多个串联的高速机械开关6即HSCB与所述限流电阻R0、限流电感L0和负载电阻ZL直接串联；电流转移支路，所述电流转移支路包括磁耦合副边线圈71即L1、磁耦合原边线圈72即L2和预充电桥式电流电路73，磁耦合副边线圈71即L1与磁耦合原边线圈72即L2电感连接，所述磁耦合原边线圈72即L2与所述预充电桥式电流电路73并联；
能量吸收支路，包括电力电子支路81和复合式耗能支路，所述电力电子支路81与所述复合式耗能支路并联，所述复合式耗能支路包括金属氧化物压敏电阻82即MOV和液态金属耗能装置83即LM，所述金属氧化物压敏电阻82即MOV与所述液态金属耗能装置83即LM串联；其中，所述电流转移支路与所述能量吸收支路串联构成串联支路，所述串联支路与所述主通流支路并联。
所述预充电桥式电流电路73包括两组第一桥臂和第一电容C1，每组所述第一桥臂包括一正一反连接的两个晶闸管，其中一组所述第一桥臂中两个晶闸管VT1、VT4之间的连接处与所述第一电容C1的一端连接，另外一组所述第一桥臂中两个晶闸管VT2、VT3之间的连接处与所述第一电容C1的另一端连接。
所述电力电子支路81包括两组第二桥臂、绝缘栅双极型晶体管IGCT、第二电容C2、泄放电阻R1和第一二极管VD5，每组所述第二桥臂包括一正一反连接的两个第二二极管，所述第二电容C2的一端和泄放电阻R1的一端串联，所述第一二极管VD5两端分别与泄放电阻R1两端相连，其中一组所述第二桥臂中两个第二二极管VD1和VD4之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管IGCT的一端和第二电容C2的另一端相连，另外一组所述第二桥臂中两个第二二极管VD2和VD3之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管IGCT的另一端和泄放电阻R1的另一端相连。
主电流回路运行开始之后先检测短路故障信息，判断是否接收到所述短路故障开断信号，若否，则主电流回路正常导通，在主电流回路正常导通状态下，电流从所述主电流回路流过，此时的预充电桥式电流电路73中的晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4和电力电子支路81中的二极管VD1、VD2、VD3、VD4均未被触发，电流转移支路和能量吸收支路没有导通阈值电压，致使没有导通电流。
判断是否接收到所述短路故障开断信号，若是，则将主支路关断。
如图2所示，图2为本实施例1中短路故障发生时电流由主电流回路向电流转移支路转移的电流流向示意图。
当短路故障发生时，流经高速机械开关6即HSCB的电流迅速上升，当故障电流达到预先设定的阈值时，对高速机械开关6即HSCB发出打开命令，经过短暂的机械延时后，高速机械开关6触头拉开燃弧。
随后控制晶闸管VT2和VT4和固态开关中的IGCT同时导通，第一电容 C1放电，故障电流由主通流支路向电流转移支路转移，具体为在电流转移模块中磁耦合原边线圈72侧感应出负电压，主电流回路的故障电流由主通流支路向电流转移支路转移。
如图3所示，图3为本实施例1中短路故障发生时电流转移至能量吸收支路的电流流向示意图。
在主电流回路的故障电流完全转移后，高速机械开关6即HSCB的电流下降至 0，电弧熄灭，此时所有故障电流都电流转移支路，第一电容 C1被不断充电，HSCB触头两端的电压 Us 由电容电压和 L0上的感应电压共同决定。
HSCB能够承受开断过电压，桥式固态开关中串联的IGCT关断，在开关的关断电压下达到复合式耗能支路导通电压时，Us增大到 MOV的导通电压，MOV和LM导通，电流转移至复合式耗能支路，最后故障电流能量被完全耗散，MOV保持系统电压在正常水平，开断完成。
其中所述MOV选用氧化锌压敏电阻。
实施例2：
如图4所示，实施例2与所述实施例1的区别在于，在本实施例2中所述液态金属耗能装置83包括：
绝缘外壳1，所述绝缘外壳1为密封腔体，所述绝缘外壳1包括绝缘外壳主体和绝缘外壳主体顶部设置的绝缘顶罩形成腔体结构。
液态金属2，所述液态金属2设置于所述密封腔体内，密封腔体给液态金属相变潜热耗能提供空间以及防止液态金属液滴飞溅；
电极，所述电极包括分别设置于绝缘外壳1左右两侧上端的阳极31和阴极32，所述阳极31和阴极32均延伸浸入所述液态金属2中；
耗能单元，包括一个第一电阻4和两个第二电阻5，所述第一电阻4包括第一电阻4包括第一绝缘段41和第一导电段42，所述第二电阻5包括所述第二电阻5包括第二绝缘段51和第二导电段52，所述第一导电段42为金属氧化物压敏电阻。所述第二导电段52为液态金属2。
其中，所述第一电阻4将所述密封腔体左右分隔为两个第一分腔11，所述第一导电段42设置于所述第一电阻4的下端与密封腔体的底壁固定连接，所述第一绝缘段41设置于所述第一电阻4的上端与密封腔体的顶壁固定连接。
第一绝缘段41和第二绝缘段51的前后侧均与密封腔体的前后内壁固定连接。
左边的第一分腔11中的所述第二绝缘段51的左端与密封腔体的左内壁固定连接，第二绝缘段51的右端与所述第一绝缘段41之间设有间隙，所述第二导电段52位于该间隙内。
右边的第一分腔11中的所述第二绝缘段51的右端与密封腔体的右内壁固定连接，第二绝缘段51的左端与所述第一绝缘段41之间设有间隙，所述第二导电段52位于该间隙内。
所述第一导电段42的高度需要明显小于第一绝缘段41的高度。
所述第二导电段52的长度需要明显小于第二绝缘段51的长度。
通电状态下，本实施例2中的电流流向为阳极31——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——阳极。本实施例2延长了电流在液态金属中的流通路径，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
其中，所述第一导电段42为氧化锌压敏电阻，第一绝缘段41和第二绝缘段51均为绝缘板结构，所述LM中的液态金属和第二导电段52为液态金属2均为镓铟锡液态金属。具体为LM中电极的阳极与MOV连接。液态金属采用镓铟锡液态金属，镓铟锡液态金属合金可以选择含有66%镓、20.5%铟、13.5%锡的镓铟锡液态金属，此配比的液态金属合金具有无毒、无污染、熔点低等特点，正常情况下表现为固体特性，在大电流的影响下能够迅速相变潜热并吸收能量。LM电极的材料采用耐高温、耐电弧烧蚀、导电电热性能好、加工性能好的钨铜合金，绝缘外壳1、第一绝缘段41和第二绝缘段51均采用耐高温、耐高压、高度透明性和机械强度高的有机玻璃材料。
液态金属相比于其他金属的优点是液态金属的耗能功率密度大于其他金属，镓铟锡液态金属可以通过氧化或者调整配比改变其电阻率或是其他性质，液态金属由于是液态，相比于固体金属更加安全，固体金属在承受过大能量时会出现爆炸，损坏耗能器件而无法使用，但液态金属在承受大电流时，会出现收缩，从而导流柱变细，将能量集中在某个点耗散，使液态金属出现液-气相变，在能量耗散完之后，液态金属由于液体性质又会恢复原始状态实现重复利用，相比于固体金属更加安全。
由于镓铟锡液态金属材料具有沸点高、导电性强、热导率高等多种特性，同时具备常规金属材料所没有的低熔点特性，在断路器开断条件后能迅速恢复的可恢复性优点。
本实施例中液态金属液面高度没过所述电极，液态金属上液面与密封腔体的顶壁之间设有间隙，所述间隙内设有抗氧化气体，所述抗氧化气体选用氦气，由此避免镓铟锡液态金属在空气下表面被氧化生成镓铟锡液态金属合金氧化物，影响装置的性能。
绝缘外壳1的左右两侧顶部有两个完全相同的凹槽，所述阳极31和阴极32分别放置在左右两侧凹槽内，并与外部电路相连。
实施例3：
如图5所示，实施例3与所述实施例2的区别在于，在本实施例3中所述液态金属耗能装置83包括：
耗能单元，包括一个第一电阻4和每个第一分腔11内设置有至少两个第二电阻5，每个第一分腔11内的上下相邻的两个第二绝缘段51与所述第一绝缘段41之间均设有间隙，并且相邻的两个第二绝缘段51与所述第一绝缘段41之间的间隙为左右错位设置，即相邻的两个第二绝缘段51中其中一个第二绝缘段51的左端与密封腔体的左内壁固定连接并且该第二绝缘段51的右端与所述第一绝缘段41之间设有间隙，相邻的两个第二绝缘段51中另外一个第二绝缘段51的右端与第一绝缘段41的侧壁固定连接并且该第二绝缘段51的左端与所述第一绝缘段41之间设有间隙。
所述第一导电段42的高度L不大于所述密封腔体高度a的百分之十五。
所述第二导电段52的长度L’不大于所述第一分腔11宽度b的二分之一。
通电状态下，本实施例3中的电流流向为阳极31——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——阳极，与实施例2不同的是，本实施例3相比于实施例2更加延长了电流在液态金属中的流通路径，使得电流在第一分腔11的液态金属2中曲折流经，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
实施例4：
如图6所示，实施例4与所述实施例3的区别在于，在本实施例4中所述液态金属耗能装置83包括：
耗能单元，包括至少一个第一电阻4，并且所述第一电阻4的数量为偶数个，所述第一电阻4将密封腔体分隔为至少三个第一分腔11。
电极，所述电极中的阳极31设置于绝缘外壳1左侧上端，阴极32设置于绝缘外壳1右侧下端。
相邻的两个第一电阻4上的第一导电段42的设置位置为上下错位，即相邻的两个第一电阻4中的其中一个第一电阻4上的第一导电段42与密封腔体的底壁固定连接，相邻的两个第一电阻4中的另外一个第一电阻4上的第一导电段42与密封腔体的顶壁固定连接。
通电状态下，本实施例4中的电流流向为阳极31——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——阳极，与实施例2不同的是，本实施例4相比于实施例3更加延长了电流在液态金属中的流通路径，使得电流在第一分腔11的液态金属2中曲折流经，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
实施例5：
如图7所示，实施例5与所述实施例4的区别在于，在本实施例5中所述液态金属耗能装置83包括：
耗能单元，包括至少一个第一电阻4，并且所述第一电阻4的数量为奇数个，所述第一电阻4将密封腔体分隔为至少三个第一分腔11。
电极，所述电极中的阳极31设置于绝缘外壳1左侧上端，阴极32设置于绝缘外壳1右侧上端。
通电状态下，本实施例5中的电流流向为阳极31——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——第一导电段42——第二导电段52——阳极，与实施例2不同的是，本实施例5相比于实施例4更加延长了电流在液态金属中的流通路径，使得电流在第一分腔11的液态金属2中曲折流经，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
实施例6：
如图8所示，实施例6与所述实施例5的区别在于，在本实施例6中所述第二电阻5在所述第一分腔11内倾斜设置，相邻两个所述第二电阻5彼此平行设置。
在效果上，本实施例6相比于实施例5，使得电流在第一分腔11的液态金属2中不仅曲折流经，还倾斜流经，因此进一步地增加了电流流经的路径，增大了电阻，使得液态金属耗能装置83对于电流的能量耗散量增大，进一步使得耗能功率密度得到明显提升，在减少断路器端间电压增大量的同时减少金属氧化物压敏电阻的数量，达到直流断路器轻量化的要求。
实施例7：
本实施例7采用400kV混合式直流断路器仿真模型设计对比例和实施例。
其中，对比例的耗能支路采用相同10个氧化锌压敏电阻串联，氧化锌压敏电阻的残压比为1.5，通过仿真实验得到其耗能密度为0.266kJ/cm3;
其中，实验例采用实施例3，每个第一分腔11中设有10个隔板为例，通过仿真实验得到其耗能密度为0.3457kJ/cm3,
前后对比发现实验例将耗能时间提前2ms，并且减少断路器端间电压增大量的同时减少氧化锌压敏电阻数量，减少整体直流短路器的体积，达到直流断路器轻量化的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.复合耗能式直流断路器，其特征在于，包括：
主通流支路，所述主通流支路包括高速机械开关（6）；
电流转移支路，所述电流转移支路包括磁耦合副边线圈（71）、磁耦合原边线圈（72）和预充电桥式电流电路（73），磁耦合副边线圈（71）与磁耦合原边线圈（72）电感连接，所述磁耦合原边线圈（72）与所述预充电桥式电流电路（73）并联；
能量吸收支路，所述能量吸收支路包括电力电子支路（81）和复合式耗能支路，所述电力电子支路（81）与所述复合式耗能支路并联，所述复合式耗能支路包括金属氧化物压敏电阻（82）和液态金属耗能装置（83），所述金属氧化物压敏电阻（82）与所述液态金属耗能装置（83）串联；
其中，所述电流转移支路与所述能量吸收支路串联构成串联支路，所述串联支路与所述主通流支路并联。
2.如权利要求1所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述预充电桥式电流电路（73）包括两组第一桥臂和第一电容，每组所述第一桥臂包括一正一反连接的两个晶闸管，其中一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的一端连接，另外一组所述第一桥臂中两个晶闸管之间的连接处与所述第一电容的另一端连接。
3.如权利要求1所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述电力电子支路（81）包括两组第二桥臂、绝缘栅双极型晶体管、第二电容、泄放电阻和第一二极管，每组所述第二桥臂包括一正一反连接的两个第二二极管，所述第二电容的一端和泄放电阻的一端串联，所述第一二极管两端分别与泄放电阻两端相连，其中一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的一端和第二电容的另一端相连，另外一组所述第二桥臂中两个第二二极管之间的连接处分别与绝缘栅双极型晶体管的另一端和泄放电阻的另一端相连。
4.如权利要求1所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述液态金属耗能装置（83）包括：
绝缘外壳（1），所述绝缘外壳（1）为密封腔体；
液态金属（2），所述液态金属（2）设置于所述密封腔体内；
电极，所述电极包括设置于绝缘外壳（1）左右两侧的阳极（31）和阴极（32），所述电极与所述液态金属（2）接触；
耗能单元，包括第一电阻（4）和第二电阻（5）；
所述密封腔体内设有至少一个所述第一电阻（4），所述第一电阻（4）将所述密封腔体左右分隔为至少两个第一分腔（11），相邻两个所述第一分腔（11）内的液态金属（2）通过所述第一电阻（4）电连接；
至少一个所述第一分腔（11）内设有至少一个所述第二电阻（5），所述第二电阻（5）将所述第一分腔（11）上下分隔为至少两个第二分腔（12），相邻两个所述第二分腔（12）内的液态金属（2）通过所述第二电阻（5）电连接；
通电状态下，在设有所述第二电阻（5）的所述第一分腔（11）内，电流流经所有第二电阻（5）后通过所述第一电阻（4）或阴极（32）流出该第一分腔（11）。
5.如权利要求4所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，第一电阻（4）包括第一绝缘段（41）和第一导电段（42），所述密封腔体内设有至少两个所述第一电阻（4），相邻两个所述第一电阻（4）上的所述第一导电段（42）呈上下错位设置。
6.如权利要求5所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述第一绝缘段（41）的一端与所述密封腔体内壁固定连接，第一导电段（42）设置于所述第一绝缘段（41）的另一端与所述密封腔体内壁之间。
7.如权利要求5所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述第一导电段（42）为金属氧化物压敏电阻。
8.如权利要求4或5所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述第二电阻（5）包括第二绝缘段（51）和第二导电段（52），所述第一分腔（11）内设有至少两个所述第二电阻（5），相邻两个所述第二电阻（5）上的所述第二导电段（52）呈左右错位设置。
9.如权利要求8所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述第二绝缘段（51）的一端与所述第二分腔（12）内壁固定连接，所述第二导电段（52）设置于所述第二绝缘段（51）的另一端与所述第二分腔（12）内壁之间。
10.如权利要求8所述的复合耗能式直流断路器，其特征在于，所述第二导电段（52）为液态金属（2）。
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