基于快速转换开关和液态金属限流装置及限流方法

摘要

基于快速转换开关和液态金属限流装置及限流方法，将快速转换开关和液态金属限流装置并联再与断路器串联，正常工作情况下，大部分电流流过快速转换开关所在的支路，几乎无损耗。一旦发生短路电流故障，斥力机构迅速带动连杆使桥式触头实现快速分断，电流逐渐转移到液态金属限流装置所在支路，当液态金属限流装置将短路电流限制在断路器可开断的范围内，再由断路器开断短路电流。本发明结构简单，特别适用于限制中低压领域交直流系统故障电流，可以帮助减轻断路器等各种电气设备的负担。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电气开关设备的主要技术，适用于中低压领域限制交直流系统故障电流的技术，特别涉及一种基于快速转换开关和液态金属限流装置及限流方法。

背景技术

随着电力系统容量的逐年增加，电网短路容量和短路电流水平也在不断增长，目前这已成为制约电网运行和发展的一个重要问题。因此，研究有效的短路限流装置，以限制电力系统的短路容量，从而提高电力系统的运行可靠性，已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展的迫切问题。到目前为止，应用于短路限流方面的技术主要有：串联限流电抗、固态短路故障限流、超导故障限流器、PTC电阻限流、或使用大容量断路器、限流熔断器等等。

串联限流电抗是以往用于限流的常规做法，但其在电网正常工作情况下，会不可避免消耗电能，造成不必要的经济损失。

固态短路故障限流技术是随电力电子技术快速发展的限流方式，

主要由常规电抗器、电力电子器件(可控功率半导体器件)和控制器构成(江道灼，敖志香，卢旭日，林日磊，陈世省.短路限流技术的研究与发展[J].电力系统及其自动化学报.2007，Vol 19 No.3：pp.9-11.)，其拓扑结构形式多样，在(T.Ueda，M.Morita，H.Arita，J.Kida，Y.Kurosawa，T.Yamagiwa.Solid-State Current Limiter for Power DistributionSyetem.IEEE Transactions on Power Delivery[J].1993，Vol.8 No.4：pp.1796-1801.)中提到的用快速动作的可关断晶体管(GTO)开关与一个阻抗并联而构成的故障电流限制器就是在短路故障发生时，通过GTO的关断，使电抗器串入线路，从而快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，将故障电流限制在较低的水平。但是由于大电流电力电子器件存在的固有损耗问题，使其在应用上受到限制。

超导故障限流器在20世纪80年代发现高温超导体以后而备受关注，其原理均为利用超导体S/N状态的转变来限流(江道灼，敖志香，卢旭日，林日磊，陈世省.短路限流技术的研究与发展[J].电力系统及其自动化学报.2007，Vol19 No.3：pp.9-11.)，如专利号为200610125194.3，专利名称为‘超导型混合限流开关’的专利(庄劲武.超导型混合限流开关[P].中国发明专利，200610125194.3.)，是将固态开关和超导限流器串联后与电磁斥力式机械开关并联，在线路发生故障时，通过超导限流器的串入线路将电流限制在固态开关可分断的范围，并利用固态开关将短路电流开断。但是超导材料用于大功率场合方面的应用技术尚不成熟、可靠性差，同时由于超导体恢复到超导态时间较长，一般难以满足自动重合闸等方面的要求，还存在恢复时需要液氮等附属的冷媒及制冷设备，附加的损耗大等问题。

限流式熔断器是目前唯一商业化的故障电流限流器，利用熔断器的快速性可将短路电流在到达第一个峰值前强行限制，如专利号为200410025999.1，专利名称为‘大容量短路电流开断器’的专利(修士新，王季梅，刘东晖.大容量短路电流开断器[P].中国发明专利，200410025999.1.)用限流熔断器完成大过载电流和短路电流的开断，但是熔断器为单次动作，降低了系统运行的自动化水平，同时由于其自身起弧的时间较长，对于复杂结构的电网来说，牺牲了保护的选择性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够减轻断路器等各种电气设备的负担，有效抑制短路故障电流的基于快速转换开关和液态金属限流装置及限流方法。

为实现上述目的，本发明的限流装置包括：并联后与断路器串联的快速转换开关和液态金属限流装置，快速转换开关包括桥式触头和斥力机构，所说的桥式触头包括动触头以及与断路器相连接的静触头，斥力机构包括金属盘和盘式线圈，盘式线圈上还电连接有充电电路，桥式触头与斥力机构通过连杆连接，所说的液态金属限流装置包括封装外壳以及设置在该外壳两侧的固态电极端子，在外壳与固态电极端子形成的密闭空腔内设置有若干组带有通孔的隔板，且在该密闭空腔内填充有未充满密闭空腔的液态金属。

本发明的充电电路包括电容以及串联在电容与盘式结圈之间的晶闸管，且在盘式线圈的一侧还并联有二极管D；液态金属为镓铟锡合金；隔板上的通孔为一个或多个。

本发明的限流方法为：将液态金属限流装置和快速转换开关并联后与断路器串联，当短路故障发生时，快速转换开关的斥力机构迅速动作，在转换开关触头分断瞬间形成很短电弧，使故障电流转移至液态金属限流装置，最后通过液态金属限流装置的起弧实现限流。

所说的液态金属限流装置可恢复性仅能起到限制短路电流峰值的作用而无法将其切断，故短路电流最终由串联在线路中的断路器切断，但是由于液态金属限流装置的限流作用，降低对断路器本身的开断容量的要求；

所说的快速转换开关斥力机构中的盘式线圈由预充电的电容向其充电，电容的预充电电流由晶闸管SCR的导通或关断控制，二极管在晶闸管关断时对盘式线圈起续流作用，在脉冲电流的作用下，金属盘中感应出涡流并使盘式线圈与金属盘之间产生强大的电磁斥力，从而带动连杆运动，实现动、静触头的快速分断；

所说的液态金属被填充在由隔板与封闭外壳所构成的一系列收缩-扩展结构中，但是未充满整个封闭的空间，当线路电流增大时，由于这种收缩-扩展的隔层结构，通孔截面的电流密度、磁通密度和径向压力加强，使通孔截面处的液态金属快速收缩和气化，从而导致通孔中的燃弧，由于液态金属限流装置由多个隔板组成，故形成多个电弧的串联，致使总的电弧电压升高，达到限制电流的目的。

本发明具有如下的技术特点：

1)快速转换开关和液态金属限流装置并联在线路中。正常工作条件下，大部分电流流过快速转换开关所在的支路，快速转换开关中的桥式触头接触可靠，温升低，具有很好的电热稳定性和动稳定性。液态金属限流装置在动稳定性和热稳定性方面不如桥式触头，这样的设计可以避免额定大电流长期流过液态金属限流装置或者电网偶然发生的正常范围内电流波动时可能会造成的不稳定性，以免引起液态金属限流装置不必要的动作。

2)快速转换开关中的电磁斥力机构是一种利用涡流原理制作的新型快速操动机构，可以带动连杆，进而实现桥式触头的快速分断，电流逐渐转移到液态金属限流装置的支路上。较快的反应时间解决了快速开关直接分断数千安短路电流时所遇到的触头严重烧损、难以分断等等难题。

3)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，其流动性可使限流器没有可动部分。这种限流装置放在一个密封容器内，分断过程没有电弧等离子体喷出，当故障电流较小时，限流器能自动恢复。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明工作时的原理示意图；

图3为液态金属限流装置的结构示意图，1a和1b为装置两端的固态端子，2为狭缝隔板上的小孔，3为填充在该装置内的液态金属，并未充满整个空间，4为绝缘片制成的狭缝隔板，5为封闭外壳；

图4为液态金属限流装置的工作原理示意图；

图5为快速转换开关的结构原理图，6为桥式触头的动触头，7为桥式触头的静触头，8为斥力机构中的金属盘，9为斥力机构中的盘式线圈，10为连杆，虚线框内的电路为盘式线圈的充电电路11；

图6为快速开断装置中斥力机构的工作示意图；

图7为采用本发明中的研究方法进行实验时的波形记录图。

以下结合附图和技术方案的原理及发明人给出的实施例，对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明整体的结构特点和工作原理

如图1所示，本发明的是将快速转换开关(FTS)和液态金属限流装置(LMCL)并联后再与断路器(CB)串联。

它的工作原理如图2：

(a)线路处于正常工作情况下，液态金属限流装置(LMCL)的电阻比快速转换开关(FTS)中桥式触头的电阻大，所以大部分电流流过快速转换开关(FTS)，对线路几乎无损耗；

(b)线路负载Z_L处发生短路故障，盘式线圈9的充电电路11(参见图6)中的晶闸管SCR迅速导通，预充电的电容C向盘式线圈9放电，产生一个维持时间为几个毫秒的脉冲电流i_q，在脉冲电流的作用下，金属盘8感应出涡流i_p并使盘式线圈9与金属盘8之间产生强大的电磁斥力，从而带动连杆10运动，实现桥式触头的快速分断。桥式触头的动触头6和静触头7中间出现电弧，电弧电压约20V，电流迅速全部转移到液态金属限流装置(LMCL)的支路上来，动静触头之间的电弧熄灭；

(c)由于电流转移需要一定的时间，在电流转移过程中，短路电流仍在不断上升，到电流转移完成以后，液态金属限流装置(LMCL)才开始燃弧。隔板4的通孔2中燃起了多个串联的短弧，产生较高的电弧电压，限制了短路故障电流；

(d)由于液态金属3的流动性，液态金属限流装置(LMCL)不能提供持续的断路状态，并不能完全开断短路电流，故先由液态金属限流装置(LMCL)将短路电流限制到断路器CB可分断的范围之内，由断路器CB最终开断短路电流。

快速转换开关的结构特点和工作原理

参见图5，快速转换开关(FTS)由桥式触头和斥力机构组成，它们之间通过连杆10相连接：桥式触头包括动触头6和与断路器CB静触头7各一个；斥力机构包括金属盘8和盘式线圈9，盘式线圈9由专门的充电电路11对其充电。晶闸管SCR在线路正常运行时处于关断状态，一旦线路发生故障，晶闸管SCR导通，预先已充好电的电容C对盘式线圈9进行充电，为了防止脉冲电流i_q在回路中发生振荡现象，在盘式线圈9的一侧并联入二极管D，起续流作用。

液态金属限流装置的结构特点和工作原理

参见图3，液态金属限流装置LMCL具有封闭性的外壳5，在外壳内设置有若干个带通孔2的隔板4，该通孔为一个或两个以上，两端各有一个固态端子1a、1b，镓铟锡合金的液态金属3被填充在这样的封闭空间里，但未充满整个空间。在正常条件下电流流过正极端子，再经过容器内液态金属，最后流过负极端子。该液态金属限流装置(LMCL)具有收缩-扩展的隔板狭缝这种特殊的结构元素，可以引起极不均匀电路密度分布。当流过液态金属限流装置的电流很大时，由于电磁力和液体的流动性，绝缘片孔径部分的液态金属收缩。如图4，由于收缩-扩展的隔板狭缝结构，使得孔颈部分截面的电流密度和磁通密度加强，而其他截面的磁通密度较弱。孔颈部分的液态金属本身可移动的液体数量较少，再加上洛伦磁力的作用，该处的收缩作用进行的很快。焦耳热使这部分的液体金属快速气化，其作用类似于熔断器。随着绝缘片孔颈部分液体金属的收缩和气化，电弧就开始点燃，多个绝缘片组成了多个电弧的串联，相当于传统结构栅片灭弧的多个串联短弧。

根据上述液态金属限流装置的结构特点和工作原理，发明人在电流为1230A的情况下对液态金属限流装置的限流性能进行了测试。下面是液态金属限流装置的限流实验结果：

如图7，波形1测的是预期电流，线路中没有串入液态金属限流装置(LMCL)，但串联有电力二极管，截断工频电流的后半波。预期电流的峰值为1230A；波形2中记录的是液态金属限流装置(LMCL)发生限流作用时两端的电压；波形3测的是线路中串入液态限流装置后的电流波形，可以看出，液态金属限流装置在2.2ms时就将电流峰值降到了大约890A，电流波形发生的畸变不大。由于实验时采用的液态金属限流装置是单孔结构，液态金属限流装置已经起到了很好的限流效果，如果改用多孔式结构的装置，将会达到更好的限流效果。