浅析液态金属限流器

研究背景与意义李戈一故障电流限制技术的发展与国内外现状童文杰二液态金属限流器的发展与现状黄向成三液态金属限流器的原理与效果1、温度场数值模拟黄向成2、电磁场数值模拟李栗、武泽辰3、流场数值模拟武泽辰四液态金属限流器短路试验韩云飞五结语李戈六故障电流限制器(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。冲击电流会在电气设备中产生高温和很大的电动力，对系统的安全与稳定运行产生严重的影响，甚至有可能造成人员的伤亡。人民生活水平的不断提高，电力系统中的短路电流水平在不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限流设备体积庞大2设备维护不便3装置可靠性差4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)动作时不造成过电压•(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，故障电流即被转移到限流电阻上。•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与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•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123体积较小技术相对成熟故障后能自动恢复优点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公司在其一项专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•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汞限流器在2.8ms时限制了电流2.8ms汞限流器实验电流曲线图•温度为293K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340.35K2.2msGaInSn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进行数值计算。算例描述：半径为a=1m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，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，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，其中、、为柱坐标中、、z方向的电流密度分量。rJJzJr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12Ansoft几何模型附上物性参数与边值条件，并加载恒定电流10000A，采用Ansoft的磁场分析模块，最终算出电流密度与磁通量密度的等值线图与矢量图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）lBIdlF用Ansys软件分析的电磁力分布矢量图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与绝缘壁分离的趋势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不断增加，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进通道，形成回流。通过分析，我们得出如下结论以进一步解释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液态金属与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。试验网路原理图线圈电容器组用于阻隔反向电流液态限流器限流过程波形开始产生电弧弧前时间电容器组两端残留充电电压电流过零形成高阻从允通电流峰值与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。液态金属限流器限流特性1在预期短路电流峰值为20kA，电流上升率为10A／us的情况下，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12kA。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。