一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置和方法，所述裝置通過機(jī)械連桿將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元相互結(jié)合以提高該限流器的額定電流和限流效率。正常工作情況下，額定電流流過快速轉(zhuǎn)換開關(guān)，幾乎無通態(tài)損耗；短路故障發(fā)生時(shí)，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)在金屬斥力盤的帶動(dòng)下快速打開，使故障電流完全轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元中，此時(shí)金屬斥力盤同時(shí)帶動(dòng)所述限流裝置中的絕緣擋板運(yùn)動(dòng)，使得限流單元中通流孔內(nèi)液柱急速變細(xì)并收縮起弧。隨著擋板與絕緣隔板相互交錯(cuò)，該方法可快速擠壓限流單元中的電弧弧柱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效限流。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于限制中低壓領(lǐng)域交直流系統(tǒng)故障電流，可以幫助減輕斷路器等各種電氣設(shè)備的負(fù)擔(dān)。
【專利說明】
一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于限制高壓、中壓或低壓開關(guān)設(shè)備中的故障電流技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力系統(tǒng)容量的逐年增加，電網(wǎng)短路容量和短路電流水平也在不斷增長，目前這已成為制約電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的一個(gè)重要問題。因此，研究有效的短路限流裝置，以限制電力系統(tǒng)的短路容量，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，已成為目前我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力建設(shè)、發(fā)展的迫切問題。到目前為止，應(yīng)用于短路限流方面的技術(shù)主要有:串聯(lián)限流電抗、固態(tài)短路故障限流、超導(dǎo)故障限流器、PTC電阻限流或使用大容量斷路器、限流恪斷器等等。
[0003]串聯(lián)限流電抗是以往用于限流的常規(guī)做法，但其在電網(wǎng)正常工作情況下，會(huì)不可避免消耗電能，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
[0004]固態(tài)短路故障限流技術(shù)是隨電力電子技術(shù)快速發(fā)展的限流方式，主要由常規(guī)電抗器、電力電子器件(可控功率半導(dǎo)體器件)和控制器構(gòu)成，但是由于大電流電力電子器件存在的固有損耗問題，使其在應(yīng)用上受到限制。
[0005]超導(dǎo)故障限流器在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體以后而備受關(guān)注，但是超導(dǎo)材料用于大功率場合方面的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟、可靠性差，同時(shí)由于超導(dǎo)體恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)時(shí)間較長，一般難以滿足自動(dòng)重合閘等方面的要求，還存在恢復(fù)時(shí)需要液氮等附屬的冷媒及制冷設(shè)備，附加的損耗大等問題。
[0006]限流式熔斷器是目前唯一商業(yè)化的故障電流限流器，利用熔斷器的快速性可將短路電流在到達(dá)第一個(gè)峰值前強(qiáng)行限制但是熔斷器為單次動(dòng)作，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平，同時(shí)由于其自身起弧的時(shí)間較長，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)來說，犧牲了保護(hù)的選擇性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于此，本發(fā)明公開了一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置，所述裝置包括:快速轉(zhuǎn)換開關(guān)、液態(tài)金屬限流單元和斷路器；
[0008]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元通過絕緣連桿相連接，且快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元相并聯(lián)；
[0009]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與所述斷路器串聯(lián)；
[0010]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)包括主連桿，所述液態(tài)金屬限流單元包括拉桿；
[0011 ]所述主連桿通過絕緣連桿與拉桿相連接。
[0012]并公開了一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流方法，所述方法包括以下步驟:
[0013]S100、將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與斷路器串聯(lián)；
[0014]S200、當(dāng)線路負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，利用快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭帶動(dòng)與之連接的主連桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭的能夠在500ys內(nèi)分?jǐn)?，使電流?00ys內(nèi)轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元的支路上。
[0015]本發(fā)明所述的裝置和方法能夠有效抑制短路故障電流，減輕斷路器等各種電氣設(shè)備的負(fù)擔(dān)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的金屬限流單元的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2(a)_2(d)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中金屬限流單元工作時(shí)的原理示意圖；
[0018]圖3(a)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的液態(tài)金屬限流單元的剖面圖；圖3(b)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的液態(tài)金屬限流單元二分之一模型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中，Ia和Ib為裝置兩端的固態(tài)電極，2為填充在該裝置內(nèi)的液態(tài)金屬，并未充滿整個(gè)空間，3為固定絕緣隔板，4為絕緣擋板，5為隔板上的通孔，6為外殼，7為絕緣拉桿；[°02°]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中液態(tài)金屬限流單元的工作原理示意圖；
[0021]圖5(a)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的合閘結(jié)構(gòu)原理圖，圖5(b)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的分閘結(jié)構(gòu)原理圖；
[0022]其中，8為橋式動(dòng)觸頭，9為靜觸頭，10為合閘線圈，11為分閘線圈，12為金屬斥力盤，13為主連桿。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明；
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開了一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置，所述裝置包括:快速轉(zhuǎn)換開關(guān)、液態(tài)金屬限流單元和斷路器；
[0025]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元通過絕緣連桿相連接，且快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元相并聯(lián)；
[0026]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與所述斷路器串聯(lián)；
[0027]所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)包括主連桿，所述液態(tài)金屬限流單元包括拉桿；
[0028]所述主連桿通過絕緣連桿與拉桿相連接。
[0029]在本實(shí)施例中，如圖1所示:將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)(FTS)和液態(tài)金屬限流單元(LMCL)相互結(jié)合后再與斷路器(CB)串聯(lián);其中，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)包括橋式觸頭系統(tǒng)和線圈-金屬盤，其中橋式觸頭系統(tǒng)包括動(dòng)觸頭和靜觸頭，線圈-金屬盤包括金屬斥力盤、分閘線圈和合閘線圈。其中動(dòng)觸頭、主連桿、絕緣擋板及拉桿相互連接在一起。液態(tài)金屬限流單元LMCL包括外殼以及設(shè)置在該外殼兩側(cè)的導(dǎo)電電極，且裝置內(nèi)的空腔填充有未充滿的液態(tài)金屬。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)還包括:橋式觸頭、分閘線圈、合閘線圈、及金屬斥力盤；
[0031 ]所述橋式觸頭包括動(dòng)觸頭和靜觸頭；
[0032]所述橋式觸頭與主連桿相連接；
[0033]所述分閘線圈與合閘線圈分別置于金屬斥力盤的上方和下方。
[0034]在本實(shí)施例中，所述的快速轉(zhuǎn)換開關(guān)通過對分閘線圈與合閘線圈進(jìn)行放電來完成分合閘操作，在脈沖電流的作用下，金屬斥力盤中感應(yīng)出渦流并使分、合閘線圈與金屬斥力盤之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁斥力，從而帶動(dòng)主連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜觸頭的快速分?jǐn)唷?br>[0035]在一個(gè)實(shí)施例中，所述金屬限流單元還包括:第一電極、第二電極、第一絕緣隔板、第二絕緣隔板、絕緣擋板以及外殼；
[0036]所述絕緣擋板置于第一絕緣隔板和第二絕緣隔板之間，且所述絕緣擋板與拉桿相連接；
[0037]所述第一電極與第二電極設(shè)置在所述外殼的兩側(cè)；
[0038]所述第一絕緣隔板、第二絕緣隔板、絕緣擋板位于外殼內(nèi)。
[0039]在本實(shí)施例中，所述第一絕緣隔板、第二絕緣隔板與外殼共同構(gòu)成收縮-擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，所述收縮-擴(kuò)展結(jié)構(gòu)為一個(gè)或多個(gè);所述收縮-擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中填充有液態(tài)金屬，但為充滿整個(gè)結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于快速轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)靜觸頭間電阻僅為μ ω級，其通態(tài)壓降及電能損耗可忽略，而液態(tài)金屬限流單元LMCL的電阻則相對較大，因此電流主要從快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS流過。
[0040]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一絕緣隔板設(shè)置有第一通流孔，第二絕緣隔板上設(shè)置有第二通流孔，絕緣擋板設(shè)置有第三通流孔，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的位置相互正對，且大小相同；
[0041 ] 所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直徑不小于12mm。
[0042]在本實(shí)施例中，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直徑不小于12mm，采用較大通孔孔徑可有效延遲電弧起弧速度，避免電流未完全轉(zhuǎn)移至限流裝置時(shí)發(fā)生起弧現(xiàn)象，以燒蝕和損毀快速轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭系統(tǒng)。當(dāng)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)打開時(shí)，故障電流在200ys內(nèi)完全轉(zhuǎn)移至限流裝置中，轉(zhuǎn)移完成時(shí)的短路電流達(dá)到I。，液態(tài)金屬限流單元未起弧時(shí)的電阻為Ru!，則Ic;*Rui〈Uai.。，其中IW為動(dòng)觸頭與靜觸頭打開時(shí)的電弧電壓降，一般為40V左右，根據(jù)所確定的液態(tài)金屬限流單元的電阻Rlm，結(jié)合液態(tài)金屬電阻率，來確定通孔孔徑的最小值。為了使得限流效率較高，一般需在短路電流完全轉(zhuǎn)移后500ys以內(nèi)起弧，可結(jié)合絕緣擋板的運(yùn)動(dòng)速度來確定通孔孔徑最大值。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，所述液態(tài)金屬限流單元內(nèi)部分填充有液態(tài)金屬；
[0044]所述液態(tài)金屬為鎵銦錫合金或萊。
[0045]在本實(shí)施例中，在液態(tài)金屬限流單元中填充液態(tài)金屬，是為了防止起弧后造成所述金屬限流單元內(nèi)部因壓力過大而損壞。所述液態(tài)金屬可為鎵銦錫合金或金屬汞，由于汞含有毒性，建議采用鎵銦錫液態(tài)金屬，該金屬常溫下為液態(tài)，但其熔點(diǎn)僅為10°C左右，為防止低溫使用時(shí)發(fā)生結(jié)凍現(xiàn)象，使用中可對其進(jìn)行輔助加熱措施，如用加熱絲覆蓋等。
[0046]在本實(shí)施例中，所述的液態(tài)金屬被填充在由絕緣隔板與封裝外殼所構(gòu)成的一系列收縮-擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，但是未充滿整個(gè)空腔。線路正常運(yùn)行時(shí)，由于隔板上的通孔具有較大的孔徑，液態(tài)金屬限流單元具有很大的額定電流。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，由于快速轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作，短路電路全部轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元的支路上，流經(jīng)裝置的電流迅速增大，同時(shí)金屬斥力盤帶動(dòng)可活動(dòng)絕緣隔板向上運(yùn)動(dòng)，使隔板上的通孔孔徑減小，由于收縮-擴(kuò)展的各層結(jié)構(gòu)，通孔界面的電流密度、磁通密度和徑向壓力加強(qiáng)，使通孔截面處的液態(tài)金屬快速收縮和汽化，從而導(dǎo)致通孔中的燃弧，由于液態(tài)金屬限流單元由多個(gè)隔板組成，故形成多個(gè)電弧的串聯(lián)，致使總的電弧電壓升高，達(dá)到初步限流的目的，這時(shí)，可活動(dòng)絕緣隔板繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，最終基本截?cái)嘁簯B(tài)金屬的導(dǎo)電回路，進(jìn)一步限制短路電流。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)需要分閘時(shí)，對分閘線圈通以電流峰值不小于1kA的脈沖電流，金屬斥力盤中感應(yīng)出禍流，并以5m/s以上的速度向上運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)主連桿、動(dòng)觸頭、絕緣擋板一起向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)需要合閘時(shí)，則對合閘線圈進(jìn)行脈沖放電，則以上部件運(yùn)動(dòng)至合閘位置。
[0048]在本實(shí)施例中，所述金屬斥力盤靜止時(shí)與鄰近線圈間隙應(yīng)不大于3_。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，隨著快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的分閘，短路電流轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元中，隨著流經(jīng)所述裝置的電流繼續(xù)上升，所述拉桿帶動(dòng)絕緣擋板一起向上運(yùn)動(dòng)，所述第一通流孔和第二通流孔內(nèi)的液態(tài)金屬形成的液柱直徑縮小并起弧，導(dǎo)致液態(tài)金屬限流單元電壓上升，達(dá)到限流的目的。
[0050]在本實(shí)施例中，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS快速打開，短路電流完全轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元LMCL中，隨著流經(jīng)所述單元的電流繼續(xù)上升，同時(shí)拉桿帶動(dòng)絕緣擋板向上運(yùn)動(dòng)，使第一、第二絕緣隔板上的通孔液柱變細(xì)；同時(shí)由于液態(tài)金屬的箍縮效應(yīng)，即在收縮-擴(kuò)展的幾何結(jié)構(gòu)中，隨著電流密度、磁通密度和徑向壓力增強(qiáng)，可使通孔截面處的液態(tài)金屬快速收縮并起弧，進(jìn)而導(dǎo)致液態(tài)金屬限流單元電壓急速上升，達(dá)到限流的目的；隨著絕緣擋板的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，與第一絕緣隔板和第二絕緣隔板發(fā)生交錯(cuò)，所述電弧在第一絕緣隔板和第二絕緣隔板之間發(fā)生擠壓，使電弧的弧柱發(fā)生拉伸，進(jìn)一步限制短路電流。
[0051]在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)所述限流結(jié)束后，對合閘線圈進(jìn)行放電，使金屬斥力盤向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)絕緣擋板運(yùn)動(dòng)至初始位置，液態(tài)金屬重新回流至通流孔中，以便下次使用。
[0052]在一個(gè)實(shí)施例中，公開了一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流方法，所述方法包括以下步驟:
[0053]S100、將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與斷路器串聯(lián)；
[0054]S200、當(dāng)線路負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，利用快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭帶動(dòng)與之連接的主連桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭的能夠在500ys內(nèi)分?jǐn)啵闺娏髟?00ys內(nèi)轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元的支路上。
[0055]在本實(shí)施例中，所述的限流方法為:在正常工作情況下，額定電流流過快速轉(zhuǎn)換開關(guān)所在的支路，幾乎無通態(tài)損耗;短路故障發(fā)生時(shí)，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的在金屬斥力盤的帶動(dòng)下迅速打開，在動(dòng)靜觸頭(8)與(9)分?jǐn)嗨查g形成暫態(tài)電弧，使故障電流全部轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元LMCL中，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS打開過程可直接帶動(dòng)液態(tài)金屬限流單元LMCL中的絕緣擋板(4)，可使限流裝置中快速起弧，最終通過擠壓電弧弧柱以提高電弧電壓、實(shí)現(xiàn)高效限流。
[0056]由于液態(tài)金屬限流單元LMCL不具有滅弧能力，它僅能起到限制短路電流峰值的作用而無法將電弧切斷，故短路電流最終由串聯(lián)在線路中的斷路器CB切斷，但是由于液態(tài)金屬限流單元的限流作用，降低對斷路器本身開斷容量的要求。
[0057]在一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S200具體為:當(dāng)線路負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，向分閘線圈放電，產(chǎn)生一個(gè)維持時(shí)間為幾個(gè)毫秒的脈沖電流，在脈沖電流的作用下，金屬斥力盤中感應(yīng)出渦流并使分閘線圈與金屬斥力盤之間產(chǎn)生上萬牛頓電磁斥力，從而帶動(dòng)主連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橋式觸頭的分?jǐn)?橋式觸頭的動(dòng)觸頭和靜觸頭中間出現(xiàn)電弧，電流轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元的支路上來，動(dòng)靜觸頭之間的電弧熄滅。
[0058]在一個(gè)實(shí)施例中，所述的快速轉(zhuǎn)換開關(guān)金屬斥力盤中的分、和閘線圈由預(yù)充電的電容向其充電，電容的預(yù)充電電流有晶閘管SCR的導(dǎo)通或者關(guān)斷來控制，二極管在晶閘管關(guān)斷時(shí)對盤式線圈起續(xù)流作用，在脈沖電流的作用下，金屬斥力盤中感應(yīng)出渦流并使盤式線圈與金屬盤之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁斥力，從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜觸頭的快速分?jǐn)嗪涂苫顒?dòng)絕緣隔板的向上運(yùn)動(dòng)。
[0059]在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明所述的裝置是將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)(FTS)和液態(tài)金屬限流單元(LMCL)相互結(jié)合后再與斷路器(CB)串聯(lián)。
[0060]本發(fā)明所述裝置的工作原理如圖2(a)_2(d)所示:
[0061]圖2(a)所示為線路處于正常工作情況下，液態(tài)金屬限流單元(LMCL)的電阻比快速轉(zhuǎn)換開關(guān)(FTS)中橋式觸頭的電阻大，所以額定電流主要流過快速轉(zhuǎn)換開關(guān)(FTS)，對線路幾乎無損耗。
[0062]圖2(b)所示為線路負(fù)載&處發(fā)生短路故障，對分閘線圈(11)進(jìn)行脈沖電流放電，金屬斥力盤(12)中感應(yīng)出渦流iP并使分閘線圈(11)與金屬斥力盤(12)之間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁斥力，從而帶動(dòng)主連桿(13)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橋式觸頭(8)和(9)的快速打開。動(dòng)觸頭(8)和靜觸頭(9)之間產(chǎn)生電弧，電弧電壓約40V，電流迅速全部轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元(LMCL)的支路上來，動(dòng)靜觸頭(8)與(9)之間的電弧熄滅。
[0063]圖2(c)所示為由于電流轉(zhuǎn)移需要一定的時(shí)間，在電流轉(zhuǎn)移過程中，短路電流仍在不斷上升，同時(shí)，絕緣擋板(4)向上運(yùn)動(dòng)，使得通孔(5)中的液柱有效直徑減小。通過兩者共同作用，通孔(5)中的液態(tài)金屬(2)開始收縮起弧。固定絕緣隔板(3)和絕緣擋板(4)隨后發(fā)生相互交錯(cuò)，進(jìn)而產(chǎn)生較高的電弧電壓，限制了短路故障電流。
[0064]圖2(d)所示為由于液態(tài)金屬(2)的流動(dòng)性，液態(tài)金屬限流單元(LMCL)不能提供持續(xù)的斷路狀態(tài)，并不能開斷短路電流，故由液態(tài)金屬限流單元(LMCL)將短路電流限制到斷路器CB可分?jǐn)嗟姆秶畠?nèi)，由斷路器CB最終開斷短路電流。
[0065]如圖5(a)和圖5(b)所示，快速轉(zhuǎn)換開關(guān)(FTS)主要由橋式觸頭(8)、(9)和線圈金屬盤組成，它們之間通過主連桿(13)相連接:觸頭系統(tǒng)包括動(dòng)觸頭(8)靜觸頭(9);線圈金屬盤包括金屬斥力盤(12)、分閘線圈(11)與合閘線圈(10)。
[0066]如圖3(a)和圖3(b)所示，液態(tài)金屬限流單元LMCL包括兩個(gè)帶有通孔(5)的固定絕緣隔板(3)和一個(gè)帶通孔(5)的絕緣擋板(4)，外殼(6)兩端各有一個(gè)固態(tài)電極(Ia)和(Ib)，液態(tài)金屬(2)被填充于所圍的空腔內(nèi)，但未充滿整個(gè)空間。正常情況下電流由陽極電極(Ia)流入，再經(jīng)過裝置內(nèi)液態(tài)金屬(2)，最后由陰極電極(Ib)流出。該液態(tài)限流裝置LMCL具有收縮-擴(kuò)展的隔板通孔這種特殊的結(jié)構(gòu)元素，可以引起極不均勻電路密度分布。當(dāng)流過液態(tài)金屬限流單元的電流很大時(shí)，由于電磁力和液體的流動(dòng)性，絕緣隔板孔徑部分的液態(tài)金屬收縮。如圖4所示，由于收縮-擴(kuò)展的隔板通孔結(jié)構(gòu)，使得孔徑部分液柱截面的電流密度和磁通密度加強(qiáng)，而其他位置的磁通密度較弱?？讖讲糠忠褐艿綇?qiáng)大的洛倫磁力作用，使得該處的液態(tài)金屬收縮作用進(jìn)行地很快。焦耳熱最終使這部分的液體金屬快速氣化，其動(dòng)作效果類似于熔斷器。隨著絕緣隔板孔徑(5)處液體金屬的收縮和氣化，電弧就開始點(diǎn)燃并快速發(fā)展，直至整個(gè)殼體內(nèi)充滿電弧。
[0067]本發(fā)明所公開的基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置和方法，具有如下的技術(shù)特占.V.
[0068]I)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS和液態(tài)金屬限流單元LMCL通過絕緣連桿(13)結(jié)合為一體。正常工作條件下，額定電流主要流過快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS所在支路，其橋式觸頭(8)和(9)接觸可靠，溫升低，具有很好的電熱穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。液態(tài)金屬限流單元在動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面不如橋式觸頭，這樣的設(shè)計(jì)可避免大電流長期流過液態(tài)金屬限流單元或者電網(wǎng)偶然發(fā)生的正常范圍內(nèi)電流波動(dòng)時(shí)可能會(huì)造成的不穩(wěn)定性，以免引起液態(tài)金屬限流單元不必要的動(dòng)作。
[0069]2)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS中的金屬斥力盤是一種利用渦流原理制作的新型快速操動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以帶動(dòng)連桿(13)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋式觸頭(8)和(9)的快速打開，使電流迅速轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元LMCL中。所述限流方法可在2ms內(nèi)對故障電流做出反應(yīng)，解決了快速開關(guān)直接分?jǐn)鄶?shù)千安短路電流時(shí)所遇到的觸頭嚴(yán)重?zé)龘p、難以分?jǐn)嗟鹊入y題。
[0070]3)采用液態(tài)金屬限流單元LMCL限制短路故障電流。液態(tài)金屬作為限流裝置的導(dǎo)電體不需要接觸壓力，它存放在一個(gè)近似密封的容器內(nèi)，分?jǐn)噙^程沒有電弧等離子體噴出，當(dāng)故障電流較小時(shí)，限流器能自動(dòng)恢復(fù)。
[0071]4)液態(tài)金屬限流單元LMCL中的絕緣隔板(3)和絕緣擋板(4)上設(shè)有較大孔徑的通孔(5)。大的通孔(5)的孔徑使得通孔截面電流密度、磁通密度和徑向壓力較小，在正常工作時(shí)，限流裝置的支路能夠流過更大的電流而不發(fā)生收縮燃弧現(xiàn)象，提高了液態(tài)金屬限流單元的額定電流容量。同時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)也能保證限流裝置的穩(wěn)定性。
[0072]5)采用絕緣擋板(4)加速限流過程。絕緣擋板(4)與快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS依靠絕緣連桿(13)機(jī)械連接，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，絕緣擋板(4)被快速轉(zhuǎn)換開關(guān)FTS的金屬斥力盤和動(dòng)、靜觸頭帶動(dòng)，開始向上運(yùn)動(dòng)，使限流裝置LMCL中的通孔(5)的孔徑減小，加速液態(tài)金屬(2)的收縮燃弧過程，實(shí)現(xiàn)初步限流，最終絕緣擋板(4)基本截?cái)嘁簯B(tài)金屬(2)和電弧組成的導(dǎo)電回路，進(jìn)一步限制短路故障電流。
[0073]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明專利而并非限制本發(fā)明專利所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明專利已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明專利進(jìn)行修改或等同替換;而一切不脫離本發(fā)明專利的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專利的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于絕緣擋板的液態(tài)金屬限流裝置，其特征在于，所述裝置包括:快速轉(zhuǎn)換開關(guān)、液態(tài)金屬限流單元和斷路器； 所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元通過絕緣連桿相連接，且快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元相并聯(lián)； 所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與所述斷路器串聯(lián)； 所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)包括主連桿，所述液態(tài)金屬限流單元包括拉桿； 所述主連桿通過絕緣連桿與拉桿相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，優(yōu)選的，所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)還包括:橋式觸頭、分閘線圈、合閘線圈、及金屬斥力盤； 所述橋式觸頭包括動(dòng)觸頭和靜觸頭； 所述橋式觸頭與主連桿相連接； 所述分閘線圈與合閘線圈分別置于金屬斥力盤的上方和下方。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述金屬限流單元還包括:第一電極、第二電極、第一絕緣隔板、第二絕緣隔板、絕緣擋板以及外殼； 所述絕緣擋板置于第一絕緣隔板和第二絕緣隔板之間，且所述絕緣擋板與拉桿相連接； 所述第一電極與第二電極設(shè)置在所述外殼的兩側(cè)； 所述第一絕緣隔板、第二絕緣隔板、絕緣擋板位于所述外殼內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于:所述第一絕緣隔板設(shè)置有第一通流孔，第二絕緣隔板上設(shè)置有第二通流孔，絕緣擋板設(shè)置有第三通流孔，所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的位置相互正對，且大小相同； 所述第一通流孔、第二通流孔和第三通流孔的通孔直徑不小于12mm。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于:所述金屬限流單元內(nèi)部分填充有液態(tài)金屬； 所述液態(tài)金屬為鎵銦錫合金或汞。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于:當(dāng)所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)分閘時(shí)，對分閘線圈通以電流峰值不小于I OkA的脈沖電流，金屬斥力盤中感應(yīng)出禍流，并以5m/s以上的速度向上運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)主連桿、動(dòng)觸頭、絕緣擋板一起向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所述快速轉(zhuǎn)換開關(guān)合閘時(shí)，則對合閘線圈進(jìn)行脈沖放電，則以上部件運(yùn)動(dòng)至合閘位置。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于:隨著快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的分閘，短路電流轉(zhuǎn)移至液態(tài)金屬限流單元中，隨著流經(jīng)所述裝置的電流繼續(xù)上升，所述拉桿帶動(dòng)絕緣擋板一起向上運(yùn)動(dòng)，所述第一通流孔、第二通流孔內(nèi)和第三通流孔的液態(tài)金屬形成的液柱直徑縮小并起弧，導(dǎo)致液態(tài)金屬限流單元電壓上升，達(dá)到限流的目的。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:當(dāng)所述裝置限流結(jié)束后，對合閘線圈進(jìn)行放電，使金屬斥力盤向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)絕緣擋板運(yùn)動(dòng)至初始位置，液態(tài)金屬重新回流至所述通流孔中，以便下次使用。9.一種基于權(quán)利要求1-8所述的絕緣擋板的液態(tài)金屬限流方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: S100、將快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和液態(tài)金屬限流單元并聯(lián)后與斷路器串聯(lián)； S200、當(dāng)線路負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，利用快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭帶動(dòng)與之連接的主連桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換開關(guān)中的橋式觸頭的能夠在500ys內(nèi)分?jǐn)?，使電流?00ys內(nèi)轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元的支路上。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:所述步驟S200具體為:當(dāng)線路負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，向分閘線圈放電，產(chǎn)生一個(gè)維持時(shí)間為幾個(gè)毫秒的脈沖電流，在脈沖電流的作用下，金屬斥力盤中感應(yīng)出渦流并使分閘線圈與金屬斥力盤之間產(chǎn)生上萬牛頓電磁斥力，從而帶動(dòng)主連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橋式觸頭的分?jǐn)?橋式觸頭的動(dòng)觸頭和靜觸頭中間出現(xiàn)電弧，電流轉(zhuǎn)移到液態(tài)金屬限流單元的支路上來，動(dòng)靜觸頭之間的電弧熄滅。
【文檔編號】H01H9/30GK106026059SQ201610496684
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】何海龍, 吳翊, 榮命哲, 紐春萍, 郭安祥, 周藝環(huán), 宋元峰
【申請人】西安交通大學(xué), 國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院