CN202120847U - 一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器 - Google Patents

Abstract

一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，属于电气及自动控制领域。该断路器包括主体和副体两部分，其中主体部分包括封装外壳、磁性流体、导电流体和固态电极端子；副体部分包括磁场发生装置与辅助装置；辅助装置包括故障检测装置、操动装置、磁场触发装置、温度调节装置和远程控制装置。本实用新型的优点：采用固液接触，避免了电极熔焊问题；磁性流体对固态电极端子磨损小，能对固态电极进行有效浸润，减小接触电阻，有助于灭弧；装置可重复使用；操作方便，能够进行远程控制，可以应用在腐蚀或其他不适合人直接操作的环境中。

Description

一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器

技术领域

本实用新型属于电气及自动控制领域，特别涉及一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器。

背景技术

近年来随着我国经济的迅速发展，对供电电网带载能力的要求越来越高，电网短路容量和短路电流水平不断增长，与此同时，终端用户对电力系统可靠性、稳定性的需求日益提高。作为在电子和电气各领域广泛应用的断路器，对其分断能力以及运行可靠性的要求不断提高，已成为当前制约电网运行和发展的一个重要因素。随着供电可靠性和配电自动化的发展，要求断路保护装置具备遥控、遥测、遥信、遥调的“四遥”功能，且具有高的可靠性和安全性。开发有效的过载或短路限流和断路保护装置，以提高电力系统的过载承受能力或短路容量，从而提高电力系统的运行可靠性，已成为当前我国电力系统安全运行和电力建设发展的迫切问题。该类断路和限流装置要具备下列特点：动作可靠，误动少，能连续长期工作，并具有自恢复功能，能够进行远程控制，确保现代化建设与生产的安全用电。

最简单的防止电路短路或过载的电路保护装置是熔断器，被广泛应用于各种电子电气设备中。当短路或过载时电流增大，熔断保险丝烧熔从而断开电路。熔断器导通稳定、带载能力强，但响应速度慢、易燃弧、可控性较差，熔体老化严重；且仅能保护一次，熔断后就必须更换，增加了设备的维护成本。

断路器能起到与保险丝相同的作用，却可以反复使用。断路器是一种在电路中切断或关合回路的开关装置，不仅可以切断和接通正常情况下电路中的空载电流和负荷电流，还可以在系统发生故障时与保护装置及自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，保证系统的安全运行。目前市场上广泛使用的机械式断路器，一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。电路的导通与断开取决于机械运动部件和触点的相对位置。短路时，流过的大电流产生的磁场力克服弹簧作用，带动机械部件与触点分开，实现瞬时断开。过载时，电流变大，发热量加剧，脱扣器形变增大，当形变到一定程度后将带动机械部件离开触点，电流越大，动作时间越短。这种依赖于固相联系的机械式开关，容易磨损，或在固相接触表面易发生侵蚀或熔焊现象，使触点和机械部件被烧死粘结或者脱扣机构卡死，从而导致断路器拒动，使系统存在严重的安全隐患。因此机械式开关断路器使用寿命不长，响应速度慢，工作可靠性不高。

DE4012385A1公开了一种电流控制的断路装置，其工作原理基于液态金属的收缩效应。在两个固态金属电极之间，设置单个的填充了液态金属的窄通道。当有电流流过时，在电磁力作用下，液态金属收缩，断开通道，在不会产生电弧的情况下进行触点分离。但该装置仅适用较小的电压、电流以及较短的断开时间，并且不提供持续的断路状态。

CN101651323公开了一种利用导电流体和磁性流体的断路器，该断路器由主体和副体两部分组成。主体部分包括由封装外壳与固态电极端子构成的密闭腔体，腔体内分层次地充有导电流体和磁性流体。副体部分包括磁场发生装置、温度调节装置。当受控电路中电流过大时，电磁铁产生足够大的磁场，吸引磁性流体，从而驱动导电流体与固态电极分离。若想取得持续的断路效果，须与接触器配合使用。当电路断开后，需要手动将接触器恢复到原来的位置，磁性流体与导电流体恢复正常液面，电路重新导通。

此类液态金属断路器以液态金属与机械结构的固液接触取代了机械开关中的机械部分与触点的固相接触，避免了机械式断路器中所谓的“磨蚀”问题。短路或过载时，在故障电流作用下，液态金属状态发生改变，实现断开所保护电路功能。然而，当某些原因造成冲击，在电网中形成瞬间大电流，断路器动作，断开保护回路。当过载电流消失后，需要恢复断路器的接通保护状态时，此类液态金属熔断器要求必须及时进行手动操作。在无人值守的场所或者室外环境，往往因为不能及时恢复，影响设备正常使用，造成经济损失。

当前，电力系统的各项设备均向小型化、智能化和自动化方向迈进，设计出安全，易操作，低功耗，可重复利用，并且具备远程控制功能的电路保护装置已成为该领域中科技人员的研究热点，从而在高辐射、高腐蚀等不适于人工直接操作的场合下，实现对故障电路的远程控制功能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器。

本实用新型包括主体和副体两部分，其中主体部分包括封装外壳、磁性流体、导电流体和固态电极端子；副体部分包括磁场发生装置与辅助装置；辅助装置包括故障检测装置、操动装置、磁场触发装置、温度调节装置和远程控制装置；固态电极端子包括内部固态电极端子和外部固态电极端子；

封装外壳与外部固态电极端子构成密闭腔体，腔内分层次的充有导电流体和磁性流体；当密闭腔体的数量为两个或两个以上时，能够在密闭腔体内部设计隔板，隔板上设有内部固态电极端子，隔板等分密闭腔体体积，每个密闭腔体内分层次的充有导电流体和磁性流体；

主体部分的外部固态电极端子接入所保护的电气设备所在的回路当中，将磁场发生装置安装在主体部分密闭腔体的下部或侧部足够远处，操动装置和磁场发生装置连接，操动装置能够带动磁场发生装置运动；温度调节装置放在主体部分密闭腔体下部或侧部，单独供电；故障检测装置与所保护的电气设备所在回路相连以检测负载所在回路的电流或电压变化，磁场触发装置连在操动装置与故障检测装置之间，起传递信号的作用。远程控制装置连接在操动装置所在回路，控制操动装置的运动。

磁性流体起到控制导电流体与固态电极端子连通与断开的作用，其工作原理为：在磁场的作用下，磁性流体产生足够大的形变，从而驱动导电流体，使导电流体与固态电极端子分离，达到断路的目的。对于磁性流体的选择，要求其绝缘性，饱和磁化强度与密度应满足设计要求，即在磁场中能产生足够大的形变。磁性流体可以选择水基、油基、有机基等绝缘性好的磁性流体。

导电流体起到连通两个固态电极端子的作用。导电流体能够是镓、镓铟锡、汞等液态金属、或是导电盐溶液、导电离子体。导电盐溶液可以是硫酸盐、硝酸盐等在通电时物理、化学性质稳定的盐溶液；装置中充入密闭腔体的磁性流体与导电流体的体积可视所需的断路效果以及固态电极端子实际位置来决定。磁性流体与导电流体的总体积与密闭腔体容积之比可在10％至100％的范围选择，磁性流体与导电流体的体积比可在1/10至10的范围内选择。为提高其安全性和防爆等级，密闭腔体中可以充入保护性气体，如二氧化碳、氮气、氦气、氩气等气体，也可以将密闭腔体抽成真空。

磁场发生装置提供断路所需的梯度磁场，磁场发生装置能够采用永磁铁。将永磁铁安装在操动装置上，电路正常工作时，磁场发生装置距密闭腔体较远，其产生的磁场不足以吸引磁性流体分断电路；当电路故障发生时，操动装置被触发，将永磁铁送到距离密闭腔体较近的位置，提高对磁性流体的吸引力，使其产生较大形变，从而驱动导电流体与固态电极端子分离，实现断路目的。

永磁铁的材料能够选择钕铁硼、钐钴或铝镍钴，要求其产生的磁场能使磁性流体发生足够大的形变，驱动导电流体与固态电极分离，实现断路目的。

故障检测装置能够检测出过流或者短路等电路故障，并将故障信号传递给磁场触发装置。常见的故障检测装置有变压器、电流互感器等。

操动装置能够选用机械式移动装置、电磁操动机构或电机操动机构。

磁场触发装置能够采用晶闸管。

温度较低时，导电流体会凝固，造成装置无法正常工作。因此，为避免此类现象发生，可以在密闭腔体的底部或侧部增加温度调节装置，以维持导电流体处于液态，确保断路器能够正常工作。温度调节装置可以采用电加热器、空冷换热器、水冷换热器等。本实用新型可以根据实际工作环境以及受控电路的电流大小情况，决定是否配置温度调节装置，当受控电路产生热量以及工作环境温度可保证导电流体和磁性流体处于正常工作状态时，可以不必配置温度调节装置。

加入远程控制装置实现了断路器的自动化，在腐蚀、辐射等不适合人工直接操作的情况下，可以实现电路的关断与远程控制功能，扩大了装置的使用范围。常见的遥控方式有无线电遥控、红外遥控和声控。

操动装置所在电路可以串联LED、蜂鸣器报警设备，在受控电路故障时，可以实现声光报警功能。

本实用新型的优点：采用固液接触，避免了电极熔焊问题；磁性流体对固态电极端子磨损小，能对固态电极进行有效浸润，减小接触电阻，有助于灭弧；装置可重复使用；操作方便，能够进行远程控制，可以应用在腐蚀或其他不适合人直接操作的环境中。

附图说明

图1为密闭腔体数量为一个时断路器主体示意图，此时电路正常导通，本断路器处于正常工作状态；

图2为密闭腔体数量为一个时断路器主体示意图，此时控制回路发生故障，断路器动作，控制回路断开；

图3为密闭腔体数量为一个以上时断路器主体示意图，此时电路正常导通，本断路器处于正常工作状态；

图4为永磁铁与电磁操动装置的一种连接方式；

图5为永磁铁与机械操动装置的一种连接方式；

图6为本实用新型实施例1示意图；

图7为本实用新型实施例2示意图；

图中：1封装外壳，2磁性流体，3导电流体，4所保护的电气设备，5磁场发生装置，6温度调节装置，7电源，8外部固态电极端子，9远程控制装置，10晶闸管，11动触点，12械动操动装置中的电磁铁，13永磁铁，14电磁操动装置中电磁铁，15隔板，16内部固态电极端子，17继电器，18电流互感器，19变压器。

具体实施方式

本发明结合具体实施例和说明书附图加以详细说明。

该装置包括主体和副体两部分：主体包括封装外壳1以及封装外壳两侧的外部固态电极端子8，封装外壳1与外部固态电极端子8构成密闭空腔，副体部分包括磁场发生装置5与辅助装置，辅助装置主要包括故障检测装置、操动装置、磁场触发装置、温度调节装置6和远程控制装置9；

空腔内分层次地分别充有导电流体3和磁性流体2，空腔数量为一个以上时，空腔内设置有至少一个隔板15，隔板15上设有内部固态电极端子16，隔板15等分空腔的体积，每个空腔内分层次地分别充有导电流体3和磁性流体2。两个等分空腔通过内部固态电极端子16连接。

根据需要可在主体部分的每个空腔的下部或外侧设置温度调节装置6。

磁场发生装置5采用永磁铁，其产生梯度磁场作用于磁性流体2和导电流体3，磁场强度足以造成磁性流体2驱动导电流体3使其发生形变或位置改变，使导电流体3与内部固态电极端子16或外部固态电极端子8分离，达到断路状态。

密闭空腔数量为一个时，磁场发生装置5设置在密闭空腔的上部、下部或密闭空腔一侧。

密闭空腔的数量是一个以上时，磁场发生装置5设置在密闭空腔上部或下部，或组装在两个密闭空腔之间。

远程控制功能具体实现方式为：

当断路器所保护的回路发生故障时，故障检测装置将故障信号传递到磁场触发装置，引起操动装置动作，带动永磁铁13到指定位置，使导电流体3与外部固态电极端子8或内部固态电极端子16分离，实现断路目的。当故障排除之后，通过远程控制装置控制回路，远程控制装置9接受复位信号，继电器17动作，操动装置作用，带动永磁铁13复位，使电路重新导通，实现远程控制功能。

当电路正常工作，需要人为断路时，可以通过向远程控制装置9发送信号，带动继电器17动作，使操动装置动作，带动永磁铁13到指定断路位置，实现断路的功能。

当采用的磁场触发装置为晶闸管10时，晶闸管10的阴极与阳极接在操动装置所在回路，晶闸管10的门极接收电流互感器18或变压器19检测到的所保护电路信号。当断路器所保护的回路发生故障时，晶闸管10门极被触发，晶闸管10导通，带动操动装置动作。当操动装置为机械操动装置，如图5所示，操动装置中电磁铁21产生磁场，吸引动触点11，动触点11运动，将永磁铁13送到距离腔体足够近处，实现分断电路的目的。当操动装置如图4所示时，电磁操动装置中电磁铁14产生与永磁铁13相同方向磁场，将永磁铁13推到指定断路位置，实现分断电路的功能。

当断路器所控制的回路故障排除后，启动远程控制装置9，远程控制装置9可以是无线电组件或红外遥控组件。远程控制装置9通过控制继电器17的关断来实现对操动装置所在回路的通断进行控制。根据操动装置的性质不同，继电器17可以采用点动或与接触器配合使用。远程控制装置9接收动作信号后，继电器17导通，操动装置发生动作。当操动装置如图5所示时，电磁铁12失去磁力，动触点11在弹簧的作用下，带动永磁铁13回复到正常位置，电路重新导通。当操动装置如图4所示，电磁操动装置产生的磁场方向与永磁铁13的方向相反，永磁铁13被吸引回到原来位置，实现电路正常导通。

当电路正常工作，需要人为断路时，可以通过向远程控制装置9发送信号，带动继电器17动作，使操动装置动作，带动永磁铁13到指定断路位置，实现断路的功能。

实施例1

如图1和图2所示，本断路器包括主体部分与副体部分；主体部分包括封装外壳1，磁性流体2，导电流体3，固态电极端子8；副体部分包括磁场发生装置5、远程控制装置9、晶闸管10、变压器19。

本实施例中封装外壳1采用有机玻璃制成的，其厚度为3mm，其与外部固态电极端子8形成一个密闭腔体，密闭腔体的尺寸(长×高×宽)为15mm×10mm×8mm。采用北京市神然技术有限公司生产的MF03型磁性流体2，其密度为1320kg/m³，饱和磁化强度为450GS。导电流体3采用液态金属汞，其密度为13600kg/m³。将液态金属汞与磁性流体2以3∶4的体积比注入到密闭腔体中，磁性流体和液态金属汞的总体积占腔体容积的80％，将腔内抽成真空。外部固态电极端子8是长度为40mm，直径为4mm的铜电极。负载4选用额定工作电压为220V、额定工作功率为400W的灯泡；磁场发生装置5选用永磁铁，操动装置为电磁操动装置，永磁铁13采用钕铁硼材料，磁场强度为4500GS，形状为圆柱体，半径5mm，长为10mm。远程控制装置9选择红外遥控组件，故障检测装置采用晶闸管10、晶闸管型号为BT151，磁场触发装置选用变压器19，变比为220∶24，功率为3W，本实验在室温下进行。具体连接方式如图6。

该装置外部固态电极端子8的一端浸入液态金属汞内；外部固态电极端子8的另一端连接受控电路的灯泡；永磁铁13与操动装置安装在密闭腔体的侧面，电磁操动装置与晶闸管10的阴极、阳极接在同一回路当中，永磁铁13、电磁操动装置、红外遥控组件、变压器19的具体连接方式如图6所示。变压器19将故障信号传递给晶闸管10的门极。当断路器所保护的电路发生故障时，变压器19将故障信号传递到晶闸管10的门极，电磁操动装置动作产生与永磁铁13磁场方向相同的磁场，永磁铁13受到电磁力的排斥，运动到指定位置，磁性流体2发生足够大的形变，驱动导电流体3与固态电极端子8分离，实现断路功能。

当断路器所控制的回路故障排除后，启动远程控制装置9，红外接收管接受到信号后，继电器17动作，电磁操动装置中的电磁铁产生与永磁铁13方向相反的磁场，永磁铁13在磁力的作用下，回复到原来位置，此时导电流体与磁性流体恢复到正常液面状态，电路重新导通。

如图6所示，作为过载和短路保护装置使用时：将受控电路的电流调至220V作为正常工作电压，将受控电路的电压调到400V作为过电压，故障检测装置检测到电压变化，将故障信号传递到晶闸管10的门极，使电磁操动装置作用，带动永磁铁13到指定断路位置，产生磁场控制磁性流体2和液态金属汞产生形变，25ms后，受控电路被切断；当故障排除后，控制红外遥控装置，红外遥控装置收到信号后，继电器17导通，操动装置将永磁铁13吸回，磁性流体2和液态金属汞又恢复正常液面，电路重新导通。

实施例2

如图3所示，本断路器包括主体部分、副体部分：主体部分包括封装外壳1、磁性流体2、导电流体3、外部固态电极端子8、内部固态电极端子16；副体部分包括温度调节装置6和磁场发生装置5、远程控制装置9、晶闸管10及电流互感器18。

本实施例中密闭封装外壳1采用的是环氧树脂材料制成的，其厚度为2mm，其与外部固态电极端子8、内部隔板15和内部固态电极端子16构成等体积的两个密闭腔体。每个密闭腔体的尺寸(长×高×宽)为20mm×15mm×15mm，采用北京市神然技术有限公司生产的MF04型磁性流体2，其密度为1340kg/m³，饱和磁化强度为450GS。导电流体3采用液态金属镓铟锡合金，根据配比，其密度为6428kg/m³。先将占腔体容积35％的液态金属镓铟锡注入密闭腔体中，然后将占密闭腔体容积50％的磁性流体注入密闭腔体，其余的空间充入氮气。外部固态电极端子8采用的是长度为50mm，直径为4mm的铜电极。两个等体积的密闭腔体通过内部固态电极端子16相连接，其中内部固态电极端子16采用长度为5mm，直径为3mm的铜电极。温度调节装置6采用加热炉，其数量为两个。负载4选为电动机；机械操动装置与永磁铁13组合，远程控制装置选用无线电遥控组件，故障检测装置采用晶闸管10，晶闸管型号为BT151，磁场触发装置采用电流互感器18，变比为100∶1，本实验在室温下进行。

该装置外部固态电极端子8的一端浸入液态金属镓铟锡内；外部固态电极端子的另一端连接受控电路的电动机；两个加热炉分别位于密闭腔体的前、后两侧面；永磁铁13安装在密闭腔体的下方，机械操动装置与永磁铁13的结合方式如图5所示，机械操动装置与晶闸管10的阴极与阳极在同一回路当中，电流互感器18将所检测到的故障信号传递给晶闸管10的门极。机械操动装置与无线电遥控组件、电流互感器18的具体连接如图7所示。

电流互感器18用来检测所保护电路的电流变化，当电路过载时，将故障信号传递给晶闸管10的门极，晶闸管10导通，机械操动装置中电磁铁12产生磁场吸引动触点11，动触点11动作使永磁铁13运动到指定位置，使导电流体3与固态电极端子8分离，实现断路功能。对于有两个密闭腔体的该装置，由于两个端子同时分断，实验中无燃弧现象，断路效果优良。故障排除后，控制无线电遥控组件，遥控组件收到信号后，触动继电器17动作，机械操动装置中的电磁铁12失去磁性，永磁铁13在弹簧作用下复位，磁性流体2与导电流体3恢复至正常位置，电路重新导通。

如图7所示，作为过载和短路保护装置使用时：将受控电路的电流20A作为正常负荷，将受控电路的电流调至100A作为过电流，电流互感器18检测到故障电路信号，并将故障信号传递到晶闸管10的门极使晶闸管触发导通，机械操动装置中的电磁铁12吸引动触头11，动触头11动作带动永磁铁13到指定位置，使导电流体2与外部固态电极端子8及内部固态电极端子16分离。电路故障排除后，通过控制无线电组件，图7中的继电器17作用，机械操动装置中的电磁铁12失去磁力，永磁铁13在弹簧弹力的作用下复位，磁性流体与导电流体恢复到正常液面位置，电路重新导通。

Claims (8)

1.一种利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：该断路器包括主体和副体两部分，其中主体部分包括封装外壳、磁性流体、导电流体和固态电极端子；副体部分包括磁场发生装置与辅助装置；辅助装置包括故障检测装置、操动装置、磁场触发装置、温度调节装置和远程控制装置；固态电极端子包括内部固态电极端子和外部固态电极端子；

封装外壳与外部固态电极端子构成密闭腔体，腔内分层次的充有导电流体和磁性流体；当密闭腔体的数量为两个或两个以上时，在密闭腔体内部设计隔板，隔板上设有内部固态电极端子，隔板等分密闭腔体体积，每个密闭腔体内分层次的充有导电流体和磁性流体；

主体部分的外部固态电极端子接入所保护的电气设备所在的回路当中，将磁场发生装置安装在主体部分密闭腔体的下部或侧部远处，操动装置和磁场发生装置连接，操动装置带动磁场发生装置运动；温度调节装置放在主体部分密闭腔体下部或侧部；故障检测装置与所保护的电气设备所在回路相连，磁场触发装置连在操动装置与故障检测装置之间，远程控制装置连接在操动装置所在回路。

2.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的磁性流体选择水基或油基类绝缘性好的磁性流体。

3.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的导电流体采用镓、镓铟锡、汞类液态金属、或是导电盐溶液或导电离子体。

4.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的磁场发生装置采用永磁铁。

5.根据权利要求4所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的永磁铁的材料选择钕铁硼、钐钴或铝镍钴。

6.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的故障检测装置采用变压器或电流互感器。

7.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的操动装置选用机械式移动装置、电磁操动机构或电机操动机构。

8.根据权利要求1所示的利用永磁铁的可远程控制的双流体断路器，其特征在于：所述的磁场触发装置采用晶闸管。

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