浅析液态金属限流器说课讲解

浅析液态(yètài)金属限流器电气(diànqì)91成员(chéngyuán)：李戈韩云飞黄向成李栗武泽辰童文杰第一页，共51页。目录(mùlù)第二页，共51页。李戈研究(yánjiū)背景与意义第三页，共51页。故障电流限制(xiànzhì)器(FCL，简称限流器)能有效的限制(xiànzhì)短路电流，减小短路电流对设备的损害。研究背景(bèijǐng)与意义什么(SHÉNME)是限流器？李戈第四页，共51页。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(yǐngxiǎng)，甚至有可能造成人员的伤亡。为什么不得不用限流器呢？研究(yánjiū)背景与意义李戈第五页，共51页。为什么不得不用限流器呢？研究背景(bèijǐng)与意义李戈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(ɡènɡwéi)苛刻的要求。第六页，共51页。电力的稳定供应同样在企业生产(shēngchǎn)中非常重要。为什么不得不用限流器呢？研究(yánjiū)背景与意义李戈第七页，共51页。传统(chuántǒng)限流器暴露出来的缺点日趋明显研究背景(bèijǐng)与意义1限流设备体积庞大2设备维护不便3装置可靠性差4操作成本高能很好的弥补(MÍBǓ)传统限流器的不足 具有广阔的市场前景为什么液态金属限流器会出现？李戈第八页，共51页。童文杰故障电流限制技术(jìshù)的发展与国内外现状第九页，共51页。(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(fùwèi)(5)成本较低，能为电力部门所接受故障电流限制技术的发展(fāzhǎn)与国内外现状故障(gùzhàng)电流限制器须满足下列要求童文杰第十页，共51页。故障电流限制技术的发展(fāzhǎn)与国内外现状第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(diànliú)即被转移到限流电阻上。传统(chuántǒng)限流器童文杰第十一页，共51页。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(dǎodiàn)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(dǎodiàn)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。新型(xīnxíng)限流器故障电流限制技术(jìshù)的发展与国内外现状童文杰第十二页，共51页。(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(dòngzuò)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故障电流限制技术的发展(fāzhǎn)与国内外现状FSR爆炸(bàozhà)桥限流器童文杰第十三页，共51页。粉末(fěnmò)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。故障电流限制(xiànzhì)技术的发展与国内外现状粉末(fěnmò)颗粒限流器童文杰第十四页，共51页。故障电流限制技术(jìshù)的发展与国内外现状超导体限流器童文杰第十五页，共51页。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(chǔyú)实验室研发阶段故障电流(diànliú)限制技术的发展与国内外现状液态金属(jīnshǔ)限流器应运而生童文杰第十六页，共51页。黄向成液态金属限流器的发展(fāzhǎn)与现状第十七页，共51页。液态(yètài)金属汞高阻抗故障电流限制器123液态(yètài)金属限流器的发展与现状黄向成第十八页，共51页。镓铟锡(GaInSn)液态(yètài)金属研制限流器液态金属限流器的发展(fāzhǎn)与现状优点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黄向成第十九页，共51页。液态金属限流器的发展(fāzhǎn)与现状镓铟锡限流器黄向成第二十页，共51页。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(wèizhi)，从而改变限流器内部电阻液态金属(jīnshǔ)限流器的发展与现状ABB金属(jīnshǔ)限流器黄向成第二十一页，共51页。内部无电弧(diànhú)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液态(yètài)金属限流器的发展与现状ABB金属(jīnshǔ)限流器黄向成第二十二页，共51页。黄向成李栗武泽辰液态金属(jīnshǔ)限流器的原理与效果第二十三页，共51页。汞限流器在2.8ms时限制(xiànzhì)了电流2.8ms汞限流器汞限流器实验(shíyàn)电流曲线图温度场数值(shùzí)模拟黄向成第二十四页，共51页。温度为293K时，汞限流器在2.8ms时内部(nèibù)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汞限流器2.8ms温度(wēndù)等值线图温度场数值(shùzí)模拟黄向成第二十五页，共51页。电流得到限制也就是2.2ms时，其内部(nèibù)最高温度也只有340.35K2.2msGaInSn限流器通道入口节点温度(wēndù)-时间曲线图温度场数值(shùzí)模拟GalnSn限流器黄向成第二十六页，共51页。但是(dànshì)，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温度场数值(shùzí)模拟GalnSn的物性(wùxìnɡ)参数黄向成第二十七页，共51页。圆柱坐标系恒定(héngdìng)电磁场数值模拟下面列举一算例来进行数值计算(jìsuàn)。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(tōngjiě)为：圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟李栗第二十八页，共51页。r=0时，Az1应为有限(yǒuxiàn)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(diànliú)分布，Az2满足拉普拉斯方程其通解(tōngjiě)为由矢量磁位的边界条件圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟李栗第二十九页，共51页。可知在边界面，r=a处，Az满足物性参数(cānshù)，导体和空气部分的相对磁导率μr=1由此可得，求解(qiújiě)上式可解得，由此可得圆拄外的矢量(shǐliàng)磁位，圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟李栗第三十页，共51页。在空气(kōngqì)模型外边界r=2m处，令Az2=0。可得出此时(cǐshí)Az1为对A取旋度，可得导体内外(nèiwài)的磁通量密度圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟圆柱坐标系恒定电磁场数值模拟李栗第三十一页，共51页。二维Ansoft电磁场模拟(mónǐ)圆柱(yuánzhù)坐标系恒定电磁场数值模拟二维空间(kōngjiān)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李栗第三十二页，共51页。三维Ansoft电磁场模拟(mónǐ)圆柱坐标系恒定电磁场数值(shùzí)模拟仿真(fǎnɡzhēn)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李栗第三十三页，共51页。限流器模型(móxíng)描述液态金属(jīnshǔ)限流器实物模型计算(jìsuàn)区域的几何模型GalnSn限流器电磁场数值模拟武泽辰第三十四页，共51页。则电位(diànwèi)为，其中、、为柱坐标(zuòbiāo)中、、z方向的电流密度分量。GalnSn限流器电磁场数值(shùzí)模拟边界条件的确定武泽辰第三十五页，共51页。沿Z轴方向通入10000A的电流，取z=0.015m处为电势(diànshì)零点，通过上述公式求得电场边界条件为：磁场(cíchǎng)边界条件为GalnSn限流器电磁场数值(shùzí)模拟边界条件的确定武泽辰第三十六页，共51页。GaInSn相对(xiāngduì)磁导率GaInSn电阻率绝缘体相对(xiāngduì)磁导率绝缘体的电阻率空气(kōngqì)域相对磁导率物性参数GalnSn限流器电磁场数值模拟武泽辰第三十七页，共51页。用Ansoft进行(jìnxíng)电磁场分析GalnSn限流器电磁场数值(shùzí)模拟图12Ansoft几何(jǐhé)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武泽辰第三十八页，共51页。电流密度等值线图电流密度矢量图磁通量密度(mìdù)等值线图磁通量密度(mìdù)矢量图用Ansoft进行(jìnxíng)电磁场分析GalnSn限流器电磁场数值模拟武泽辰第三十九页，共51页。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(zuòyòng)。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）用Ansys软件(ruǎnjiàn)分析的电磁力分布矢量图用Ansoft进行(jìnxíng)电磁场分析GalnSn限流器电磁场数值模拟武泽辰第四十页，共51页。GalnSn限流器电磁场数值(shùzí)模拟小结(xiǎojié)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(biānjiè)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武泽辰第四十一页，共51页。GalnSn限流器流场分析(fēnxī)GalnSn限流器流场分析(fēnxī)x-z剖面的速度(sùdù)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。武泽辰第四十二页，共51页。GalnSn限流器流场分析(fēnxī)GalnSn限流器流场分析(fēnxī)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(cóngér)达到了限流的目的。武泽辰第四十三页，共51页。韩云飞液态(yètài)金属限流器短路试验第四十四页，共51页。试验(shìyàn)网路原理图液态(yètài)金属限流器短路试验液态金属限流器短路试验(shìyàn)电路线圈电容器组用于阻隔反向电流韩云飞第四十五页，共51页。液态限流器限流过程(guòchéng)波形液态金属(jīnshǔ)限流器短路试验实验结果(jiēguǒ)分析开始产生电弧弧前时间电容器组两端残留充电电压韩云飞电流过零形成高阻第四十六页，共51页。 从允通电流(diànliú)峰值与预期电流(diànliú)峰值的比值可见，短路预期电流(diànliú)愈大，限流效果愈明显。液态金属(jīnshǔ)限流器限流特性液态(yètài)金属限流器短路试验限流特性的研究韩云飞第四十七页，共51页。液态金属限流器短路(duǎnlù)试验结论(jiélùn)1在预期短