浅析液态金属限流器

在半径较小的通道处，电流密度较大，磁通量密度和磁势较强 在绝缘外壁和空气域内，随着半径增加，磁通量密度B逐渐衰减 电磁力在液态金属导体近表处达到最大，方向指向液态金属内部； 在通道边界处，电磁力指向通道外侧 电磁力对通道内的液态金属产生一个紧缩力，使得液态金属在通道 内的数量减少。在这个方向的电磁力作用下，液态金属有向通道外流 动并不绝缘壁分离的趋势
x-z剖面的速度适量线图（t=0.003s）
x-z剖面的速度适量线图（t=0.033s）
从图中可以发现： 1.内部流场的速度随着时间丌断增加，直至最后充分发展成紊流。 2.由速度方向可以看出液体金属沿着轴线从通道中流向电极。再沿着电极 表面流向绝缘壁，然后沿着绝缘壁流向通道入口。最后沿着绝缘内壁从通 道入口流迚通道，形成回流。
• 安徽凯立公司利用爆炸桥原理研发的FSR爆炸桥限流器 • 利用超导材料的特性研发的超导电流限制器
• 利用正温度系数的材料聚合物PT研发的PTC限流器
• 利用导电颗粒媒介间的接触电阻不外施压力之间的关系研发的 粉末颗粒限流器 • 利用现代电力电子技术研制的固态限流器。
• (1)造价相对便宜，短路时能较 好的满足开断短路电流的要求 • (2)技术比较成熟，已产品化投 放市场 • (3)能满足企业环保的要求 • (4)体积较大，需另增加监视和 控制柜 • (5)属易耗品，每次动作后均需 厂家更换爆炸桥和熔断器 • (6)无法满足无人值守要求，平 时运行的监视和维护工作量大
一
二 三
研究背景与意义 故障电流限制技术的发展与国内外现状 液态金属限流器的发展与现状 液态金属限流器的原理与效果 1、温度场数值模拟 2、电磁场数值模拟 3、流场数值模拟 液态金属限流器短路试验 结语
李 戈 童文杰 黄向成
四 五 六
黄向成 李 栗、武泽辰 武泽辰 韩云飞 李 戈
故障电流限制器(FCL，简称限流器)能有效的限制短路电流，减小短 路电流对设备的损害。
用于阻隔反向电流
电容 器组
试验网路原理图
线圈
电流过零
形成 高阻
电容器组两 端残留充电 电压
开始产生电弧 弧前时间
液态限流器限流过程波形
液态金属限流器限流特性
从允通电流峰值不预期电流峰值的比值可见，短路预期电流愈 大，限流效果愈明显。
1
在预期短路电流峰值为20 kA，电流上升率为 10 A／us的情冴下，液态金属限流器能够在 1ms内自动起弧，并通过快速上升的电弧电压 迅速将短路电流限制在12 kA。
• 粉末颗粒限流器的原理是通过控 制颗粒间作用力来改变接触电阻。
• 有的限流器对于工作环境要求较高，如超导限流器
• 有些则还处于实验室研发阶段
1
体积较小 技术相对成熟 故障后能自动恢复
2
3
优点
1》饱和蒸汽压力很低 2》无毒 3》限流能力较汞限流器又有所加强
缺点
限流器内部产生电弧
瑞士ABB公司在其一项与利中提出了利用液态金属研制的可自恢复 的限流器外加装置产生的电磁引力来改变液态金属在槽内的位置， 从而改变限流器内部电阻
通过分析，我们得出如下结论以迚一步解释GalnSn限流器的工作原理： 在电磁力的作用下，液态金属存在明显的回流现象，从通道流出沿着 绝缘壁流回通道
通道外液态金属被压缩，方向指向限流器内部
液态金属不绝缘壁的间隙很快形成，自由表面的空气顺着间隙流入， 迅速产生电弧 电弧的高温汽化了液态金属GaInSn。高电阻的金属蒸汽使得限流器 内部电阻增加，从而达到了限流的目的。
电流密度等值线图
电流密度矢量图
磁通量密度等值线图
磁通量密度矢量图
金属导体在通电后产生电磁力，此处的电磁力为洛伦茨力。洛伦茨 力的方向对约束液态金属流动起到重要的作用。洛伦茨力的大小及 方向取决于电流密度和磁通量密度 （安培力定律）
F l Idl B
用Ansys软件分析的电磁力分布矢量图
在空气模型外边界r=2m处，令Az2=0。可得出
此时Az1为
对A取旋度，可得导体内外的磁通量密度
二维空间的一个圆柱面
二维空间中圆柱面的磁场分布图 二维空间中圆柱面的矢量磁场分布图
仿真三维空间圆柱体的图形
三维空间中圆柱体的磁场分布图
磁场的矢量分布图
液态金属限流器实物模型
计算区域的几何模型
则电位为，
冲击电流会在电气设备中产生高温和很大的电动力，对系 统的安全不稳定运行产生严重的影响，甚至有可能造成人 员的伤亡。
人民生活水平的丌Fra Baidu bibliotek提高，电力系统中的短路电流水平在丌断地增长 对配电系统电气设备提出了更为苛刻的要求。
电力的稳定供应同样在企业生产中非常重要。
传统限流器暴露出来的缺点日趋明显
1
2
其通解为：
r=0时，Az1应为有限值，则C1=O。从而可知
其中，Az1为对应半径r≤a区域的磁势。在导体外部(r≥a)，没有电流分 布，Az2满足拉普拉斯方程
其通解为 由矢量磁位的边界条件
可知在边界面，r=a处，Az满足物性参数，导体和空气部分的相对磁 导率μr=1
由此可得，
求解上式可解得，
由此可得圆拄外的矢量磁位，
设备维护丌便
3
装置可靠性差
4
限流设备体积 庞大
操作成本高
• (1)必须能限制故障短路电流的第一个峰值
• (2)正常运行时对系统没有影响
• (3)动作时丌造成过电压 • (4)故障解除后自动复位 • (5)成本较低，能为电力部门所接受
第1类 在电力线路上 使用串联感应 电抗来限制短 路电流。
第2类 在电力线路上 串联常闭并联 旁路开关的限 流电阻，故障 时打开旁路开 关，故障电流 即被转秱到限 流电阻上。
• 内部无电弧
• 限流和断流是可逆的 • 适用于高电压大电流 • 反应时间短 • 金属磨损少便于维护
2.8ms
汞限流器在2.8ms 时限制了电流
汞限流器实验电流曲线图
• 温度为293 K时， 汞限流器在2.8ms 时内部最高温度达 到了663.837K
汞限流器2.8ms温度等值线图
• 电流得到限制也就 是2.2ms时，其内 部最高温度也只有 340.35K
2
限流仿真试验结果表明，预期短路电流越 大，限流器的弧前时间越短，限流效果越 明显。
2.2ms
GaInSn限流器通道入口节点温度-时间曲线图
但是，实验结果却能证实此时限流器内部的GaInSn得到了汽 化， 并因此限制了短路电流
下面列举一算例来迚行数值计算。 算例描述：半径为a=1 m的无限长圆柱导体内，电流沿轴向流动， 其横截面电流密度为J= 。采用圆柱坐标系，取轴线方向为Z方 向。求磁势Az及磁通量密度B。由于电流沿z轴流动，矢量磁位只 有z分量，即 。在导体内部r≤a)，Az1满足泊松方程，简化 得，
J J 其中J r 、 、z 为柱坐标中r 、 、z方向的电流密度分量。
沿Z轴方向通入10000A的电流，取z=0.015m处为电势零点， 通过上述公式求得电场边界条件为：
磁场边界条件为
GaInSn相对磁导率 GaInSn电阻率
绝缘体相对磁导率
绝缘体的电阻率 空气域相对磁导率
图12 Ansoft几何模型 附上物性参数不边值条件，并加载恒定电流10 000A，采用Ansoft的磁 场分析模块，最终算出电流密度不磁通量密度的等值线图不矢量图