淺析液態(tài)金屬限流器說課講解

淺析液態(tài)(yètài)金屬限流器電氣(diànqì)91成員(chéngyuán)：李戈韓云飛黃向成李栗武澤辰童文杰第一頁，共51頁。目錄(mùlù)第二頁，共51頁。李戈研究(yánjiū)背景與意義第三頁，共51頁。故障電流限制(xiànzhì)器(FCL，簡稱限流器)能有效的限制(xiànzhì)短路電流，減小短路電流對設(shè)備的損害。研究背景(bèijǐng)與意義什么(SHéNME)是限流器？李戈第四頁，共51頁。沖擊電流會在電氣設(shè)備中產(chǎn)生高溫和很大的電動力，對系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重的影響(yǐngxiǎng)，甚至有可能造成人員的傷亡。為什么不得不用限流器呢？研究(yánjiū)背景與意義李戈第五頁，共51頁。為什么不得不用限流器呢？研究背景(bèijǐng)與意義李戈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(ɡènɡwéi)苛刻的要求。第六頁，共51頁。電力的穩(wěn)定供應(yīng)同樣在企業(yè)生產(chǎn)(shēngchǎn)中非常重要。為什么不得不用限流器呢？研究(yánjiū)背景與意義李戈第七頁，共51頁。傳統(tǒng)(chuántǒng)限流器暴露出來的缺點日趨明顯研究背景(bèijǐng)與意義1限流設(shè)備體積龐大2設(shè)備維護不便3裝置可靠性差4操作成本高能很好的彌補(MíBǔ)傳統(tǒng)限流器的不足 具有廣闊的市場前景為什么液態(tài)金屬限流器會出現(xiàn)？李戈第八頁，共51頁。童文杰故障電流限制技術(shù)(jìshù)的發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀第九頁，共51頁。(1)必須能限制故障短路電流的第一個峰值

(2)正常運行時對系統(tǒng)沒有影響(3)動作時不造成過電壓(4)故障解除后自動復(fù)位(fùwèi)(5)成本較低，能為電力部門所接受故障電流限制技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)與國內(nèi)外現(xiàn)狀故障(gùzhàng)電流限制器須滿足下列要求童文杰第十頁，共51頁。故障電流限制技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)與國內(nèi)外現(xiàn)狀第1類在電力線路上使用串聯(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，故障時打開旁路開關(guān)，故障電流(diànliú)即被轉(zhuǎn)移到限流電阻上。傳統(tǒng)(chuántǒng)限流器童文杰第十一頁，共51頁。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(dǎodiàn)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(dǎodiàn)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。新型(xīnxíng)限流器故障電流限制技術(shù)(jìshù)的發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀童文杰第十二頁，共51頁。(1)造價相對便宜，短路時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，每次動作(dòngzuò)后均需廠家更換爆炸橋和熔斷器(6)無法滿足無人值守要求，平時運行的監(jiān)視和維護工作量大故障電流限制技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)與國內(nèi)外現(xiàn)狀FSR爆炸(bàozhà)橋限流器童文杰第十三頁，共51頁。粉末(fěnmò)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。故障電流限制(xiànzhì)技術(shù)的發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀粉末(fěnmò)顆粒限流器童文杰第十四頁，共51頁。故障電流限制技術(shù)(jìshù)的發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀超導(dǎo)體限流器童文杰第十五頁，共51頁。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(chǔyú)實驗室研發(fā)階段故障電流(diànliú)限制技術(shù)的發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器應(yīng)運而生童文杰第十六頁，共51頁。黃向成液態(tài)金屬限流器的發(fā)展(fāzhǎn)與現(xiàn)狀第十七頁，共51頁。液態(tài)(yètài)金屬汞高阻抗故障電流限制器123液態(tài)(yètài)金屬限流器的發(fā)展與現(xiàn)狀黃向成第十八頁，共51頁。鎵銦錫(GaInSn)液態(tài)(yètài)金屬研制限流器液態(tài)金屬限流器的發(fā)展(fāzhǎn)與現(xiàn)狀優(yōu)點1》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缺點限流器內(nèi)部產(chǎn)生電弧黃向成第十九頁，共51頁。液態(tài)金屬限流器的發(fā)展(fāzhǎn)與現(xiàn)狀鎵銦錫限流器黃向成第二十頁，共51頁。瑞士ABB公司在其一項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(wèizhi)，從而改變限流器內(nèi)部電阻液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器的發(fā)展與現(xiàn)狀A(yù)BB金屬(jīnshǔ)限流器黃向成第二十一頁，共51頁。內(nèi)部無電弧(diànhú)限流和斷流是可逆的適用于高電壓大電流反應(yīng)時間短金屬磨損少便于維護液態(tài)(yètài)金屬限流器的發(fā)展與現(xiàn)狀A(yù)BB金屬(jīnshǔ)限流器黃向成第二十二頁，共51頁。黃向成李栗武澤辰液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器的原理與效果第二十三頁，共51頁。汞限流器在2.8ms時限制(xiànzhì)了電流2.8ms汞限流器汞限流器實驗(shíyàn)電流曲線圖溫度場數(shù)值(shùzí)模擬黃向成第二十四頁，共51頁。溫度為293K時，汞限流器在2.8ms時內(nèi)部(nèibù)最高溫度達到了663.837K汞限流器2.8ms溫度等值線圖汞限流器汞限流器2.8ms溫度(wēndù)等值線圖溫度場數(shù)值(shùzí)模擬黃向成第二十五頁，共51頁。電流得到限制也就是2.2ms時，其內(nèi)部(nèibù)最高溫度也只有340.35K2.2msGaInSn限流器通道入口節(jié)點溫度(wēndù)-時間曲線圖溫度場數(shù)值(shùzí)模擬GalnSn限流器黃向成第二十六頁，共51頁。但是(dànshì)，實驗結(jié)果卻能證實此時限流器內(nèi)部的GaInSn得到了汽化，并因此限制了短路電流溫度場數(shù)值(shùzí)模擬GalnSn的物性(wùxìnɡ)參數(shù)黃向成第二十七頁，共51頁。圓柱坐標(biāo)系恒定(héngdìng)電磁場數(shù)值模擬下面列舉一算例來進行數(shù)值計算(jìsuàn)。算例描述：半徑為a=1m的無限長圓柱導(dǎo)體內(nèi)，電流沿軸向流動，其橫截面電流密度為J=。采用圓柱坐標(biāo)系，取軸線方向為Z方向。求磁勢Az及磁通量密度B。由于電流沿z軸流動，矢量磁位只有z分量，即。在導(dǎo)體內(nèi)部r≤a)，Az1滿足泊松方程，簡化得，其通解(tōngjiě)為：圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬李栗第二十八頁，共51頁。r=0時，Az1應(yīng)為有限(yǒuxiàn)值，則C1=O。從而可知其中，Az1為對應(yīng)半徑r≤a區(qū)域的磁勢。在導(dǎo)體外部(r≥a)，沒有電流(diànliú)分布，Az2滿足拉普拉斯方程其通解(tōngjiě)為由矢量磁位的邊界條件圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬李栗第二十九頁，共51頁。可知在邊界面，r=a處，Az滿足物性參數(shù)(cānshù)，導(dǎo)體和空氣部分的相對磁導(dǎo)率μr=1由此可得，求解(qiújiě)上式可解得，由此可得圓拄外的矢量(shǐliàng)磁位，圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬李栗第三十頁，共51頁。在空氣(kōngqì)模型外邊界r=2m處，令A(yù)z2=0?？傻贸龃藭r(cǐshí)Az1為對A取旋度，可得導(dǎo)體內(nèi)外(nèiwài)的磁通量密度圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬李栗第三十一頁，共51頁。二維Ansoft電磁場模擬(mónǐ)圓柱(yuánzhù)坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值模擬二維空間(kōngjiān)的一個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李栗第三十二頁，共51頁。三維Ansoft電磁場模擬(mónǐ)圓柱坐標(biāo)系恒定電磁場數(shù)值(shùzí)模擬仿真(fǎnɡzhēn)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李栗第三十三頁，共51頁。限流器模型(móxíng)描述液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器實物模型計算(jìsuàn)區(qū)域的幾何模型GalnSn限流器電磁場數(shù)值模擬武澤辰第三十四頁，共51頁。則電位(diànwèi)為，其中、、為柱坐標(biāo)(zuòbiāo)中、、z方向的電流密度分量。GalnSn限流器電磁場數(shù)值(shùzí)模擬邊界條件的確定武澤辰第三十五頁，共51頁。沿Z軸方向通入10000A的電流，取z=0.015m處為電勢(diànshì)零點，通過上述公式求得電場邊界條件為：磁場(cíchǎng)邊界條件為GalnSn限流器電磁場數(shù)值(shùzí)模擬邊界條件的確定武澤辰第三十六頁，共51頁。GaInSn相對(xiāngduì)磁導(dǎo)率GaInSn電阻率絕緣體相對(xiāngduì)磁導(dǎo)率絕緣體的電阻率空氣(kōngqì)域相對磁導(dǎo)率物性參數(shù)GalnSn限流器電磁場數(shù)值模擬武澤辰第三十七頁，共51頁。用Ansoft進行(jìnxíng)電磁場分析GalnSn限流器電磁場數(shù)值(shùzí)模擬圖12Ansoft幾何(jǐhé)模型附上物性參數(shù)與邊值條件，并加載恒定電流10000A，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武澤辰第三十八頁，共51頁。電流密度等值線圖電流密度矢量圖磁通量密度(mìdù)等值線圖磁通量密度(mìdù)矢量圖用Ansoft進行(jìnxíng)電磁場分析GalnSn限流器電磁場數(shù)值模擬武澤辰第三十九頁，共51頁。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)金屬流動起到重要的作用(zuòyòng)。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）用Ansys軟件(ruǎnjiàn)分析的電磁力分布矢量圖用Ansoft進行(jìnxíng)電磁場分析GalnSn限流器電磁場數(shù)值模擬武澤辰第四十頁，共51頁。GalnSn限流器電磁場數(shù)值(shùzí)模擬小結(jié)(xiǎojié)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逐漸衰減電磁力在液態(tài)金屬導(dǎo)體近表處達到最大，方向指向液態(tài)金屬內(nèi)部；在通道邊界(biānjiè)處，電磁力指向通道外側(cè)電磁力對通道內(nèi)的液態(tài)金屬產(chǎn)生一個緊縮力，使得液態(tài)金屬在通道內(nèi)的數(shù)量減少。在這個方向的電磁力作用下，液態(tài)金屬有向通道外流動并與絕緣壁分離的趨勢武澤辰第四十一頁，共51頁。GalnSn限流器流場分析(fēnxī)GalnSn限流器流場分析(fēnxī)x-z剖面的速度(sùdù)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)壁從通道入口流進通道，形成回流。武澤辰第四十二頁，共51頁。GalnSn限流器流場分析(fēnxī)GalnSn限流器流場分析(fēnxī)通過分析，我們得出如下結(jié)論以進一步解釋GalnSn限流器的工作原理：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通道外液態(tài)金屬被壓縮，方向指向限流器內(nèi)部液態(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(cóngér)達到了限流的目的。武澤辰第四十三頁，共51頁。韓云飛液態(tài)(yètài)金屬限流器短路試驗第四十四頁，共51頁。試驗(shìyàn)網(wǎng)路原理圖液態(tài)(yètài)金屬限流器短路試驗液態(tài)金屬限流器短路試驗(shìyàn)電路線圈電容器組用于阻隔反向電流韓云飛第四十五頁，共51頁。液態(tài)限流器限流過程(guòchéng)波形液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器短路試驗實驗結(jié)果(jiēguǒ)分析開始產(chǎn)生電弧弧前時間電容器組兩端殘留充電電壓韓云飛電流過零形成高阻第四十六頁，共51頁。 從允通電流(diànliú)峰值與預(yù)期電流(diànliú)峰值的比值可見，短路預(yù)期電流(diànliú)愈大，限流效果愈明顯。液態(tài)金屬(jīnshǔ)限流器限流特性液態(tài)(yètài)金屬限流器短路試驗限流特性的研究韓云飛第四十七頁，共51頁。液態(tài)金屬限流器短路(duǎnlù)試驗結(jié)論(jiélùn)1在預(yù)期短