基于磁场触发的液态金属限流器及其限流方法

摘要

本发明公开了一种基于磁场触发的液态金属限流器及其限流方法，液态金属限流器中，绝缘腔体设有水平通道和竖直通道，所述竖直通道向下连通水平通道的中部，所述水平通道内填充液态金属，左电极和右电极分别设在所述水平通道的两侧，左电极、水平通道内的液态金属和右电极形成通路，串接于电力线路中。当电路发生故障使得电流超出预定阈值时，液态金属经由磁场产生安培力作用以向上进入竖直通道，液态金属液柱发生截断产生电弧以限流。

说明书

技术领域

本发明属于中低压电力系统故障电流限制领域，特别是一种基于磁场触发的液态金属限流器及其限流方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的不断发展，供配电系统的容量迅速增加，互联程度越来越深，导致系统短路电流水平不断增加，对系统的安全稳定运行带来了巨大威胁与挑战。传统中低压断路器的开断速度较慢，难以有效限制短路电流。因此，研究结构相对简单的故障电流限制器，以限制电力系统的短路水平，从而保护其它设备与负载，是提高供配电系统可靠性与经济性的有效途径。

液态金属限流是一种颇具潜力的限流技术，它借助液态金属电弧来限制故障电流，具有结构简单、自恢复、可多次使用、无可动部件、响应速度快、限流特性好的特点。DE10018563 B4公开了一种典型的液态金属限流器的结构形式。两个金属电极位于装有液态金属的绝缘腔体两侧，腔体内部放置多个带有窄孔的绝缘隔板，当短路电流流过时，液态金属基于磁收缩效应在窄孔处起弧，建立电弧电压，从而限制短路电流。对于这种结构的液态金属限流器，若想获得更快的故障响应速度，也就是更快起弧，需要减小窄孔的截面积，但是这样会导致限流器的额定通流能力下降。为此，CN 101394085 A公开了一种基于快速转换开关和液态金属结合的限流器。将快速转换开关与液体金属限流器并联，正常工作情况下，电流流过机械开关支路，损耗小，额定通流能力强；故障情况下，分断快速转换开关，电流转移到液体金属限流器支路，实现限流功能。这种结构形式可以显著提高限流器的额定通流能力，但是因为引入了机械开关，环节变多，结构复杂。CN 106356237 A公开了一种液态金属断路器。通过操作机构拉动绝缘板运动，使通流孔截面积发生改变，从而平衡额定通流与故障限流的矛盾。但是同样因为操作机构的引入，整体结构变得较复杂，而且这种结构难以实现多个单元的串联。CN 107507746 A公开了一种液态金属限流装置。在填充液态金属的绝缘腔体中放置了一个带有凸台的金属挡板。故障情况下，通过斥力线圈推动金属挡板运动，使液态金属流入通孔而收缩起弧。这种方式需要先推开金属板然后液态金属再收缩起弧，响应速度不够快。其次是金属挡板如何在故障结束后准确复位是个难题。CN109995006 A公开了一种液态金属故障电流限制器，通过小孔起弧触发主通流孔快速起弧，故障响应速度快，额定通流能力强。但是控制回路与主电路直接连通，无法做到电气隔离，所以只能应用于电压较低的系统中。

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

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于磁场触发的液态金属限流器及其限流方法，采用截面积较大的导电通道，可以无障碍地提高限流器的额定通流能力，在故障情况下，利用自励磁场或外加磁场产生安培力作用使液态金属起弧，显著提高故障响应速度，改善限流性能。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于磁场触发的液态金属限流器包括，

绝缘腔体，其设有水平通道和竖直通道，所述竖直通道向下连通水平通道的中部，所述水平通道内填充液态金属，

左电极和右电极，其分别设在所述水平通道的两侧，左电极、水平通道内的液态金属和右电极形成电路，当电路故障使得电流超出预定阈值时，液态金属经由磁场产生安培力以向上进入竖直通道，液态金属发生截断产生电弧以限流。

所述的液态金属限流器中，所述磁场包括可以由电路故障电流产生的自励磁场提供。

所述的液态金属限流器中，所述磁场还可由他励磁场提供，响应于电流超出预定阈值时，他励磁场使得液态金属受到安培力的作用向上进入竖直通道。

所述的液态金属限流器中，他励磁场可由永磁体或电磁线圈提供。

所述的液态金属限流器中，所述预定阈值相关于所述水平通道的截面尺寸。

所述的液态金属限流器中，所述竖直通道的截面尺寸不小于水平通道的截面尺寸。

所述的液态金属限流器中，达到水平通道和竖直通道的截面为圆形，水平通道孔径大于15mm。

所述的液态金属限流器中，液态金属为镓铟锡合金。

所述的液态金属限流器中，左电极和右电极的材料为铜。

根据本发明另一方面，一种利用所述的基于磁场触发的液态金属限流器的限流方法包括以下步骤：

左电极、水平通道内的液态金属和右电极形成电路，正常工作状态下，液态金属受到的电磁力不足以推动其向竖直通道中运动处于稳态通流状态，

电路发生故障时，电流增大，磁场对液态金属施加安培力使竖直通道下方的液态金属向上进入所述竖直通道，金属液柱发生截断而产生电弧，建立电弧电压对电路中的故障电流产生限制作用。

有益效果

本发明结构简单，无可动部件，可多次使用，且一次限流动作结束后可迅速恢复导通状态，无需额外的维护工作。本发明利用磁力作用使液态金属截断起弧，速度极快，大大提高了限流器的故障响应速度，且通过调节磁场强度易于实现对起弧过程的控制。本发明不同于传统的磁收缩液态金属限流器，不必为了加强磁收缩效应而减小通流孔孔径，可以采用较大孔径的导电通道，提高了限流器的额定通流能力。本发明通过磁场作用触发起弧，控制回路无需与主回路接触，实现了电气隔离，安全性和可靠性得到改善。

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实现上述和其它目的、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为本发明的液态金属限流器整体示意图；

图2为本发明的磁场产生方式一示意图；

图3为本发明的磁场产生方式二示意图；

图4至图6为本发明的液态金属在故障情况下的起弧过程示意图。

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6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。

如图1所示，一种基于磁场触发的液态金属限流器包括，

绝缘腔体2，其设有水平通道4和竖直通道7，所述竖直通道7向下连通水平通道4的中部，所述水平通道4内填充液态金属5，

左电极3和右电极6，其分别设在所述水平通道4的两侧，左电极3、水平通道4内的液态金属5和右电极6形成电路，当电路故障使得电流超出预定阈值时，液态金属5经由磁场产生安培力以向上进入竖直通道7，液态金属5发生截断产生电弧以限流。

所述的液态金属限流器中，所述磁场可以由电路故障电流产生的自励磁场提供。

所述的液态金属限流器中，液态金属限流器还可由他励磁场提供，响应于电流超出预定阈值，他励磁场使得液态金属5受到安培力的作用向上进入竖直通道。

所述的液态金属限流器中，他励磁场可由永磁体9或电磁线圈10提供。

所述的液态金属限流器中，所述预定阈值相关于所述水平通道4的截面尺寸。

所述的液态金属限流器中，所述竖直通道7的截面尺寸不小于水平通道4的截面尺寸。

所述的液态金属限流器中，达到水平通道4和竖直通道7的截面为圆形，水平通道4孔径大于15mm。

所述的液态金属限流器中，液态金属5为镓铟锡合金。

所述的液态金属限流器中，左电极3和右电极6的材料为铜。

基于磁场触发的液态金属限流器包括绝缘腔体2、盖板1、金属电极、液态金属5等。所述绝缘腔体2中分别加工有水平通道4和竖直通道7，两通道垂直并连通。所述盖板1安装于绝缘腔体2的上方。所述电极位于水平通道4的两侧，水平通道4中填充液态金属5。所述限流器串接于电路中，在正常工作状态下，电流流通路径为左电极3、液态金属5、右电极6。在故障状态下，对限流器施加横向磁场，此磁场将对水平通道4中的液态金属5产生竖直向上的安培力，使竖直通道7下方的液态金属5向上运动。液态金属5向竖直通道7中运动，导致水平通道4中出现空腔，其他液态金属5来不及填充此空腔，随着越来越多的液态金属5进入竖直通道7，此空腔不断扩大，最终导致水平通道4中的液柱发生断裂而起弧。从而建立电弧电压限制短路电流。

本发明所述的横向磁场可以由两种方式产生。方式一是自励磁场，即由故障电流本身产生；方式二是他励磁场，即由外部辅助装置产生。

若采用方式一，则需对装置的导电回路形状做出一定改变，主要是改变右电极6的形状，使其电流的流向与液态金属5中电流流向相反，从而产生排斥作用。

若采用方式二，则需要在装置侧壁附加永磁体9或电磁线圈10，使其产生垂直于电流流向的磁场，从而对液态金属5施加安培力作用。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，如图1所示，本发明提供了一种基于磁场触发的液态金属限流器。该限流器包括盖板1、绝缘腔体2、左电极3和右电极6、水平通道4、液态金属5、竖直通道7等。所述绝缘腔体2中分别加工有水平通道4和竖直通道7，两通道垂直并连通。所述盖板1固定于绝缘腔体2的上方。所述左电极3和右电极6位于水平通道4的两侧，水平通道4中填充液态金属5。

如图1所示，所述限流器串接于电路中，在正常工作状态下，负载电流I流通路径为左电极3、液态金属5、右电极6。

在一个优选实施例中，所述电极3和6的材料为紫铜，拥有良好的导电性和导热性。所述液态金属5的材料为镓铟锡合金，具有低熔点，高沸点，无毒的特性。所述水平通道4为圆形通孔，孔径大于15mm。因为孔径较大，所以可以承载很大的额定电流，特别适用于大容量电力系统中。应当指出，本发明中水平通道4的孔径大小与所承载的额定电流有关，其形状与截面积可以做出若干变化，在不脱离本发明构思的前提下，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，对限流器施加垂直纸面向里的磁场B，根据左手定则，此磁场将对水平通道4中的液态金属5产生竖直向上的安培力，若此力足够大，则会使液态金属5向竖直通道7中运动。

此磁场可以由两种方式产生。方式一是自励磁场，即由故障电流本身产生，如图2所示；方式二是他励磁场，即由外部辅助装置产生，如图3所示。

如图2所示，采用方式一，对右电极的形状做出一定改变，如8所示。在此情况下，液态金属5中的电流流向与其下方替换右电极6的第二右电极8中的电流流向相反，因而会产生排斥作用，使液态金属受到向上的安培力。

在正常工作状态下，负载电流I较小，安培力作用会使液态金属5发生一定扰动，但不会使其迅速向上运动。只有在故障情况下，电流迅速增加，达到设计值时，才能使液态金属5发生截断起弧。应当指出，本发明的动作电流值可以通过限流器的结构设计和参数选取进行改变，在不脱离本发明构思的前提下，这些都属于本发明的保护范围。

如图3所示，采用方式二，由外部辅助装置产生磁场。图3为图1的侧视图，并隐去左电极3和右电极6。9和10为永磁铁或电磁线圈，位于绝缘腔体2的侧壁。可产生垂直于液态金属5中电流的磁场B。若采用电磁线圈，在故障情况下，可通过外部辅助放电回路对此线圈进行放电，产生较强的磁场。

如图4所示，在故障情况下，电流I迅速增加，使液态金属5受到远大于正常通流状态下的安培力F，推动其迅速向竖直通道7中运动。导致水平通道4和竖直通道7连通位置产生空腔11。

如图5所示，随着越来越多液态金属5进入竖直通道7中，空腔体积不断增加，最终导致水平通道4中液态金属路径上发生断裂，随之产生电弧12。

如图6所示，电弧产生后，因为其具有高温高压，导致更多液态金属发生汽化，在水平通道4中不断发展拉长，如标记13所示。电弧电压迅速增加，对外呈现高阻态，从而对故障电流产生限制作用。

在故障结束后，液态金属由于良好的流动性将回流至水平通道4中，限流器恢复到图1的状态，为下次动作做好准备。因为本发明除了液态金属本身是流体之外，并无其他可动部件，所以结构设计简单，附件少，免维护，寿命长，可多次重复使用。

本发明通过磁力作用使液态金属截断起弧，显著提高了故障响应速度，而且使其具备较大的额定通流能力，获得了良好的故障限流效果。

一种利用所述的基于磁场触发的液态金属限流器的限流方法包括以下步骤：

左电极、水平通道内的液态金属和右电极形成电路，正常工作状态下，液态金属受到的电磁力不足以推动其向竖直通道中运动处于稳态通流状态，

电路发生故障时，电流增大，磁场对液态金属施加安培力使竖直通道下方的液态金属向上进入所述竖直通道，金属液柱发生截断而产生电弧，建立电弧电压对电路中的故障电流产生限制作用。

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。