淺析液態(tài)金屬限流器

1、故障電流限制器(FCL，簡稱限流器)能有效的限制短路電流，減小短路電流對設(shè)備的損害。沖擊電流會在電氣設(shè)備中產(chǎn)生高溫和很大的電動(dòng)力，對系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至有可能造成人員的傷亡。人民生活水平的不斷提高，電力系統(tǒng)中的短路電流水平在不斷地增長對配電系統(tǒng)電氣設(shè)備提出了更為苛刻的要求。電力的穩(wěn)定供應(yīng)同樣在企業(yè)生產(chǎn)中非常重要。傳統(tǒng)限流器暴露出來的缺點(diǎn)日趨明顯1限流設(shè)備體積龐大2設(shè)備維護(hù)不便3裝置可靠性差4操作成本高(1)必須能限制故障短路電流的第一個(gè)峰值 (2)正常運(yùn)行時(shí)對系統(tǒng)沒有影響(3)動(dòng)作時(shí)不造成過電壓(4)故障解除后自動(dòng)復(fù)位(5)成本較低，能為電力部門所接受第1類在電力線路上使用

2、串聯(lián)感應(yīng)電抗來限制短路電流。第2類在電力線路上串聯(lián)常閉并聯(lián)旁路開關(guān)的限流電阻，故障時(shí)打開旁路開關(guān)，故障電流即被轉(zhuǎn)移到限流電阻上。安徽凱立公司利用爆炸橋原理研發(fā)的FSR爆炸橋限流器利用超導(dǎo)材料的特性研發(fā)的超導(dǎo)電流限制器利用正溫度系數(shù)的材料聚合物PT研發(fā)的PTC限流器利用導(dǎo)電顆粒媒介間的接觸電阻與外施壓力之間的關(guān)系研發(fā)的粉末顆粒限流器利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)研制的固態(tài)限流器。(1)造價(jià)相對便宜，短路時(shí)能較好的滿足開斷短路電流的要求(2)技術(shù)比較成熟，已產(chǎn)品化投放市場(3)能滿足企業(yè)環(huán)保的要求(4)體積較大，需另增加監(jiān)視和控制柜(5)屬易耗品，每次動(dòng)作后均需廠家更換爆炸橋和熔斷器(6)無法滿足無人值守要

3、求，平時(shí)運(yùn)行的監(jiān)視和維護(hù)工作量大粉末顆粒限流器的原理是通過控制顆粒間作用力來改變接觸電阻。有的限流器對于工作環(huán)境要求較高，如超導(dǎo)限流器有些則還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段1231飽和蒸汽壓力很低2無毒3限流能力較汞限流器又有所加強(qiáng)限流器內(nèi)部產(chǎn)生電弧瑞士ABB公司在其一項(xiàng)專利中提出了利用液態(tài)金屬研制的可自恢復(fù)的限流器外加裝置產(chǎn)生的電磁引力來改變液態(tài)金屬在槽內(nèi)的位置，從而改變限流器內(nèi)部電阻內(nèi)部無電弧限流和斷流是可逆的適用于高電壓大電流反應(yīng)時(shí)間短金屬磨損少便于維護(hù)汞限流器在2.8ms時(shí)限制了電流2.8ms 汞限流器實(shí)驗(yàn)電流曲線圖 溫度為293 K時(shí)，汞限流器在2.8ms時(shí)內(nèi)部最高溫度達(dá)到了663.837K 汞

4、限流器2.8ms溫度等值線圖 汞限流器2.8ms溫度等值線圖 電流得到限制也就是2.2ms時(shí)，其內(nèi)部最高溫度也只有340.35K2.2ms GaInSn限流器通道入口節(jié)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線圖 但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻能證實(shí)此時(shí)限流器內(nèi)部的GaInSn得到了汽化， 并因此限制了短路電流下面列舉一算例來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。算例描述：半徑為a=1 m的無限長圓柱導(dǎo)體內(nèi)，電流沿軸向流動(dòng)，其橫截面電流密度為J= 。采用圓柱坐標(biāo)系，取軸線方向?yàn)閆方向。求磁勢Az及磁通量密度B。由于電流沿z軸流動(dòng)，矢量磁位只有z分量，即 。在導(dǎo)體內(nèi)部ra)，Az1滿足泊松方程，簡化得，其通解為：r=0時(shí)，Az1應(yīng)為有限值，則C1=O。從而可

5、知其中，Az1為對應(yīng)半徑ra區(qū)域的磁勢。在導(dǎo)體外部(ra)，沒有電流分布，Az2滿足拉普拉斯方程其通解為由矢量磁位的邊界條件可知在邊界面，r=a處，Az滿足物性參數(shù)，導(dǎo)體和空氣部分的相對磁導(dǎo)率r=1由此可得，求解上式可解得，由此可得圓拄外的矢量磁位，在空氣模型外邊界r=2m處，令A(yù)z2=0?？傻贸龃藭r(shí)Az1為對A取旋度，可得導(dǎo)體內(nèi)外的磁通量密度二維空間的一個(gè)圓柱面二維空間中圓柱面的磁場分布圖 二維空間中圓柱面的矢量磁場分布圖仿真三維空間圓柱體的圖形三維空間中圓柱體的磁場分布圖磁場的矢量分布圖液態(tài)金屬限流器實(shí)物模型 計(jì)算區(qū)域的幾何模型則電位為，其中 、 、 為柱坐標(biāo)中 、 、z方向的電流密度分量

6、。rJJzJr沿Z軸方向通入10000A的電流，取z=0.015m處為電勢零點(diǎn)，通過上述公式求得電場邊界條件為：磁場邊界條件為GaInSn相對磁導(dǎo)率GaInSn電阻率絕緣體相對磁導(dǎo)率絕緣體的電阻率空氣域相對磁導(dǎo)率圖12 Ansoft幾何模型附上物性參數(shù)與邊值條件，并加載恒定電流10 000A，采用Ansoft的磁場分析模塊，最終算出電流密度與磁通量密度的等值線圖與矢量圖電流密度等值線圖電流密度矢量圖 磁通量密度等值線圖 磁通量密度矢量圖金屬導(dǎo)體在通電后產(chǎn)生電磁力，此處的電磁力為洛倫茨力。洛倫茨力的方向?qū)s束液態(tài)金屬流動(dòng)起到重要的作用。洛倫茨力的大小及方向取決于電流密度和磁通量密度 （安培力定律

7、）lBIdlF用Ansys軟件分析的電磁力分布矢量圖u在半徑較小的通道處，電流密度較大，磁通量密度和磁勢較強(qiáng)u在絕緣外壁和空氣域內(nèi)，隨著半徑增加，磁通量密度B逐漸衰減u電磁力在液態(tài)金屬導(dǎo)體近表處達(dá)到最大，方向指向液態(tài)金屬內(nèi)部；在通道邊界處，電磁力指向通道外側(cè)u電磁力對通道內(nèi)的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)緊縮力，使得液態(tài)金屬在通道內(nèi)的數(shù)量減少。在這個(gè)方向的電磁力作用下，液態(tài)金屬有向通道外流動(dòng)并與絕緣壁分離的趨勢x-z剖面的速度適量線圖（t=0.003s）x-z剖面的速度適量線圖（t=0.033s）從圖中可以發(fā)現(xiàn)：1.內(nèi)部流場的速度隨著時(shí)間不斷增加，直至最后充分發(fā)展成紊流。2.由速度方向可以看出液體金屬沿著軸

8、線從通道中流向電極。再沿著電極表面流向絕緣壁，然后沿著絕緣壁流向通道入口。最后沿著絕緣內(nèi)壁從通道入口流進(jìn)通道，形成回流。通過分析，我們得出如下結(jié)論以進(jìn)一步解釋GalnSn限流器的工作原理：u在電磁力的作用下，液態(tài)金屬存在明顯的回流現(xiàn)象，從通道流出沿著絕緣壁流回通道u通道外液態(tài)金屬被壓縮，方向指向限流器內(nèi)部u液態(tài)金屬與絕緣壁的間隙很快形成，自由表面的空氣順著間隙流入，迅速產(chǎn)生電弧u電弧的高溫汽化了液態(tài)金屬GaInSn。高電阻的金屬蒸汽使得限流器內(nèi)部電阻增加，從而達(dá)到了限流的目的。試驗(yàn)網(wǎng)路原理圖線圈電容器組用于阻隔反向電流液態(tài)限流器限流過程波形開始產(chǎn)生電弧弧前時(shí)間電容器組兩端殘留充電電壓電流過零形成高阻從允通電流峰值與預(yù)期電流峰值的比值可見，短路預(yù)期電流愈大，限流效果愈明顯。 液態(tài)金屬