一种新型液态金属限流装置及方法与流程

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新型液态金属限流装置及方法。

背景技术：

目前我国电力系统正朝着更高电压等级和更大容量输电的方向不断迈进，日益提高的短路电流和短路容量给系统的安全性和可靠性带来了极大威胁，如何快速有效地限制短路电流成为当前研究的热点。在线路中加装限流设备既无需变更系统现有的运行方式，又具有保护灵活的特点，是一种较为理想的限制故障电流的措施。到目前为止，应用于短路限流方面的技术主要有：固态短路故障限流器、串联限流电抗、超导故障限流器、ptc电阻限流或使用大容量断路器、限流熔断器和液态金属限流器等等。

固态短路故障限流技术是基于电力电子元器件的一种限流方式，主要由常规电抗器、电力电子器件(可控功率半导体器件)和控制器组成，但是大功率电力电子器件存在比较大的固有损耗，限制了它的使用。

串联限流电抗是比较常规的用于限流的方法，但是由于它在电网中正常工作时，会消耗电能，造成不必要的经济损失。

超导故障限流器是一种主动型、自触发式、可自恢复的新型限流器，自上世纪80年代出现后即引起广泛关注。目前超导材料在大功率场合方面的应用技术尚未成熟、可靠性比较差，此外，由于超导体由失超状态恢复时间较长，一般难以满足自动重合闸等方面的要求，并且受超导材料临界电流和温度的限制，使其额定电流仅为几百安到两千安，还存在超导体在正常工作时需存放于液氮环境，附加损耗大等问题。

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。

技术实现要素：

本发明为克服上述短路限流技术的缺陷或不足，提出一种新型液态金属限流装置及方法，能够有效抑制短路故障电流，提高限流装置的额定通流能力，降低限流装置的通态损耗，减轻断路器等各种电气设备的负担。

本发明采用的技术方案是：一种液态金属限流器，包括绝缘外壳、绝缘顶盖和电极，所述电极包括第一阳极电极、第一阴极电极、第二阳极电极和第二阴极电极；

所述绝缘外壳、绝缘顶盖和第一阳极电极、第一阴极电极、第二阳极电极以及第二阴极电极形成一个密闭腔体；

所述第一阳极电极和第二阳极电极设置于绝缘外壳的一端侧壁上，所述第一阴极电极和第二阴极电极设置于绝缘外壳的另一端侧壁上；

所述密闭腔体内设置有两块绝缘隔板，所述两块绝缘隔板围成空腔并在其空腔内设置有可动绝缘挡板以及填充有液态金属；所述绝缘隔板上设有第一长方形通孔和第一圆形通孔，所述可动绝缘挡板上设有第二长方形通孔和第二圆形通孔；所述第一长方形通孔与第二长方形通孔孔心相对且大小相等，所述第一圆形通孔与第二圆形通孔孔心相对且大小相等；

所述第一阳极电极、第一阴极电极和流过第一长方形通孔、第二长方形通孔的液态金属形成正常工作状态下的第一电流主回路；所述第二阳极电极、第二阴极电极和流过第一圆形通孔、第二圆形通孔的液态金属形成短路故障时的第二电流支路。

优选的，所述液态金属的填充高度高于所述第一长方形通孔和第一圆形通孔以及第二长方形通孔和第二圆形通孔的高度，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，所述第一长方形通孔和第二长方形通孔均大于所述第一圆形通孔和第二圆形通孔的孔径。

优选的，所述第一圆形通孔和第二圆形通孔的孔径均小于5mm；所述第一长方形通孔和第二长方形通孔的垂直方向即通孔宽度均小于10mm。

优选的，所述绝缘隔板的外侧设有固定凸台，所述固定凸台嵌入到所述绝缘外壳的侧壁内。

本发明还提供一种新型液态金属限流装置，所述装置包括电流检测装置、断路器和液态金属限流器；所述液态金属限流器与电流检测装置和断路器串联。

优选的，所述电流检测装置包括罗氏线圈、控制器、触发模块、晶闸管、二极管、放电电容和放电电感；

所述罗氏线圈输入端与第一阳极电极串入的第一电流主回路连接，所述控制器输入端与罗氏线圈输出端连接，所述控制器输出端与触发模块连接，所述触发模块与晶闸管触发极连接，所述第一阴极电极与断路器连接；

所述放电电容与放电电感串联连接，所述放电电感输出端与第二阳极电极串入的第二电流支路连接，所述第二阴极电极与所述晶闸管正级连接，所述晶闸管负极与所述放电电容、二极管串联连接，所述放电电容与所述二极管并联连接。

本发明还提供一种利用液态金属限流装置进行限流的方法，所述方法为：

线路正常工作时，额定电流通过由第一阳极电极、第一阴极电极和流过第一长方形通孔、第二长方形通孔的液态金属形成的第一电流主回路进行通流；当短路故障发生时，控制器通过判断罗氏线圈传送的电流信号输出触发信号给触发模块，触发模块触发晶闸管导通，使放电电容放电产生放电电流，放电电流通过由第二阳极电极、第二阴极电极和流过第一圆形通孔、第二圆形通孔的液态金属形成的第二电流支路进行通流，流过第一圆形通孔和第二圆形通孔的液态金属液柱急速变细并收缩起弧，可动绝缘挡板在电弧力的作用下向上移动，同时流过第一长方形通孔和第二长方形通孔的液态金属也随可动绝缘挡板的上移逐渐变小并收缩起弧，从而快速挤压并拉长电弧弧柱，实现高效限流。

本发明与现有技术相比具有如下技术特点：

(1)可动绝缘挡板上设有第二长方形通孔和第二圆形通孔。线路正常工作条件下，额定电流主要通过第二长方形通孔所在的第一电流主回路，该回路的第二长方形通孔额定通流能力强，通态损耗小，具有良好的导电能力。在线路发生短路故障时，由线路中的电流检测装置检测出故障电流，并触发第二电流支路产生电流，使通过第二圆形通孔的液态金属液柱收缩起弧，由此产生的电弧力推动可动绝缘挡板上移，而通过第一电流主回路第二长方形通孔的液态金属也变小，从而使得它也收缩起弧，达到高效限流的目的。

(2)采用液态金属限流装置限制短路故障电流。液态金属作为限流装置的导电体不需要接触压力，它存放于一个密封的空腔内，分断过程没有电弧等离子体喷出，当故障电流较小时，液态金属限流装置能自动恢复。

(3)采用可动绝缘挡板加速限流过程。可动绝缘挡板上有两个孔(第二长方形通孔和第二圆形通孔)，第二长方形通孔较大，用来进行正常通流，在故障电流产生时不能及时起弧，而加入较小的第二圆形通孔之后，在检测到故障电流时能及时触发起弧，从而可以加快该液态金属限流装置的限流速度。

附图说明

图1为液态金属限流器模型示意图；

图2为液态金属限流器模型侧面剖视图；

图3为液态金属限流器模型沿通孔方向的剖视图；

图4为液态金属限流器与电流检测装置和断路器串联示意图；

图5(a)-图5(e)为液态金属限流装置的工作原理示意图；

图6为流过可动绝缘挡板通孔的液态金属收缩起弧示意图。

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、图2、图3所示，一种液态金属限流器，包括第一阳极电极1a、第一阴极电极1b、第二阳极电极2a、第二阴极电极2b、绝缘隔板3、可动绝缘挡板4、绝缘外壳5、绝缘顶盖6。

第一阳极电极1a和第二阳极电极2a设置于绝缘外壳5的一端侧壁上，第一阴极电极1b和第二阴极电极2b设置于绝缘外壳5的另一端侧壁上；绝缘外壳5、绝缘顶盖6和第一阳极电极1a、第一阴极电极1b、第二阳极电极2a以及第二阴极电极2b形成一个密闭腔体。密闭腔体内设置有两块绝缘隔板3，两块绝缘隔板3围成空腔并在其空腔内设置有可动绝缘挡板4以及填充有液态金属11；绝缘隔板3上设有第一长方形通孔7和第一圆形通孔8，可动绝缘挡板4上设有第二长方形通孔9和第二圆形通孔10；第一长方形通孔7与第二长方形通孔9孔心相对且大小相等，第一圆形通孔8与第二圆形通孔10孔心相对且大小相等。

第一阳极电极1a、第一阴极电极1b和流过第一长方形通孔7、第二长方形通孔9的液态金属形成正常工作状态下的第一电流主回路；第二阳极电极2a、第二阴极电极2b和流过第一圆形通孔8、第二圆形通孔10的液态金属形成短路故障时的第二电流支路。

进一步的，液态金属的填充高度高于第一长方形通孔7和第一圆形通孔8以及第二长方形通孔9和第二圆形通孔10的高度，且无需填满整个空腔，防止液态金属起弧后造成装置内部因压力过大而损坏。

优选的，液态金属为镓铟锡合金，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。

进一步的，第一长方形通孔7和第二长方形通孔9均大于第一圆形通孔8和第二圆形通孔10的孔径。第一长方形通孔7和第二长方形通孔9的具体尺寸需要根据电压等级和额定通流的等级来具体确定，当电压等级和额定通流等级较高时，通孔截面需略大一些，从而可以使通态损耗降低；而在电压等级和额定通流等级较低时，通孔截面可稍小一些，需保证其额定通流时的温升符合国标要求。

优选的，第一长方形通孔7和第二长方形通孔9沿可动绝缘挡板4运动的垂直方向即通孔宽度较短(第一长方形通孔7和第二长方形通孔9的通孔宽度均小于10mm)，可保证可动绝缘挡板4运动后能够尽快使得两通孔交错，通过挤压电弧来提高电压；该第一长方形通孔7和第二长方形通孔9的水平方向即通孔长度较长，可保证其通孔具有较大截面，满足额定通流时温升较低。第一圆形通孔8和第二圆形通孔10的孔径一般小于5mm，较小的孔径可在检测到故障电流时能及时触发起弧。

优选的，绝缘隔板3的外侧设有固定凸台，固定凸台嵌入到绝缘外壳5的侧壁内，用于固定绝缘隔板3。

如图4所示，液态金属限流器与电流检测装置和断路器串联形成一种新型液态金属限流装置，其工作原理如图5所示。

其中，电流检测装置包括罗氏线圈、控制器、触发模块、晶闸管、二极管、放电电容和放电电感；罗氏线圈输入端与第一阳极电极1a串入的第一电流主回路连接，控制器输入端与罗氏线圈输出端连接，控制器输出端与触发模块连接，触发模块与晶闸管触发极连接，第一阴极电极1b与断路器连接；放电电容与放电电感串联连接，放电电感输出端与第二阳极电极2a串入的第二电流支路连接，第二阴极电极2b与所述晶闸管正级连接，晶闸管负极与放电电容、二极管串联连接，放电电容与二极管并联连接。

图5(a)所示，线路正常工作时，液态金属限流器中的第一长方形通孔7和第二长方形通孔9较大，额定电流主要通过第一长方形通孔7和第二长方形通孔9所在的第一电流主回路，该回路额定通流能力强，通态损耗小，具有良好的导电能力，液态金属限流装置保持正常工作状态。此时，主回路额定电流in通过第一电流主回路流过液态金属限流装置。

图5(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，由控制器处理数据，控制器通过判断罗氏线圈传送的电流信号输出触发信号给触发模块，触发模块触发晶闸管导通，此时放电电容放电，此时放电电流通过由第二阳极电极、第二阴极电极和流过第一圆形通孔8、第二圆形通孔10的液态金属形成的第二电流支路。

图5(c)所示，随着放电电流的增大，流过可动绝缘挡板第二圆形通孔10处的液态金属快速收缩起弧，产生空气压力，可动绝缘挡板4在电弧力的作用下向上运动，绝缘隔板3和可动绝缘挡板4随后发生相互交错，从而使得第二长方形通孔9的通流面积减少，促使第一电流主回路的液态金属也收缩起弧。

图5(d)所示，随着可动绝缘挡板4向上运动，绝缘隔板3和可动绝缘挡板4相互交错的距离越来越大，使得第二长方形通孔9的通流面积进一步减小，电弧也越来越长，电弧电阻加大，开始限制第一电流主回路电流。

图5(e)所示，随着可动绝缘挡板4的上移，电弧将被进一步拉长，增大电弧电阻，同时故障电流开始下降。由于液态金属的流动性，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，故当故障电流下降到断路器(cb)可分断的范围之内时，主回路断路器(cb)打开，最终开断短路电流。

综上所述，利用液态金属限流装置进行限流的方法为：

线路正常工作时，额定电流通过由第一阳极电极1a、第一阴极电极1b和流过第一长方形通孔7、第二长方形通孔9的液态金属形成的第一电流主回路进行通流；当短路故障发生时，控制器通过判断罗氏线圈传送的电流信号输出触发信号给触发模块，触发模块触发晶闸管导通，使放电电容放电产生放电电流，放电电流通过由第二阳极电极2a、第二阴极电极2b和流过第一圆形通孔8、第二圆形通孔10的液态金属形成的第二电流支路进行通流，流过第一圆形通孔8和第二圆形通孔10的液态金属液柱急速变细并收缩起弧，可动绝缘挡板4在电弧力的作用下向上移动，同时流过第一长方形通孔7和第二长方形通孔9的液态金属也随可动绝缘挡板4的上移逐渐变小并收缩起弧，从而快速挤压并拉长电弧弧柱，实现高效限流。

如图6所示，该液态金属限流器中，由于可动绝缘挡板4具有第二长方形通孔9和第二圆形通孔10的结构，使流过其通孔的液态金属具有收缩—扩展特性，使得孔径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。孔径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的很快，焦耳热最终使这部分的液体金属快速气化，其动作效果类似于熔断器，随着第二长方形通孔和第二圆形通孔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。

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。