Study on the formation of arc plasma on the resistive wall liquid metal current limiter

Due to its significant attributes,the liquid metal current limiter(LMCL)is considered a new strategy for limiting short-circuit current in the power grid.A resistive wall liquid metal current limiter(RWLMCL)is designed to advance the starting current-limiting time.Experiments are performed to investigate the dynamic behaviors of liquid metal,and the influence of different currents on the liquid metal self-shrinkage effect is compared and analyzed.Furthermore,the liquid metal self-shrinkage effect is mathematically modeled,and the reason for the formation of arc plasma is obtained by simulation.The laws of arc plasma formation and the current transfer in the cavity are revealed,and the motion mechanisms are explained by physical principles.The simulations are in accordance with the test data.It is demonstrated that the sudden change of the current density at both ends of the wall causes the liquid metal to shrink and depress under the electromagnetic force,and the current starts to transfer from the liquid metal path to the wall resistance path.The RWLMCL can effectively advance the starting current-limiting time.

Investigation on the Arc Ignition Characteristics and Energy Absorption of Liquid Metal Current Limiter Based on Self-Pinch Effect

The GaInSn liquid metal current limiter based on the fluid pinch effect has broad application prospects due to its particular properties. However, the limited rated current and abil- ity of power dissipation are the critical problems for its wide application. Firstly, the temperature distribution of the liquid metal current limiter （LMCL） was obtained by experiments with a rated current of 1 kA and the arc ignition phenomenon was observed with 1.5 kA, which indicates that the rated current is mainly limited by the arc rather than the high temperature compared to the traditional switchgears. Furthermore, an improved method is proposed by adding the paralleled pure resistance, impedance or another LMCL element to protect the setup from the fault energy concentration in the setup. The problem of a slower arc voltage increasing rate can be solved by adding a paralleled impedance with suitable parameters. Finally, the current limiting properties based on the improved method were investigated and the alternating oscillating current was found between two paralleled LMCL elements owing to their deviation of arc ignition in reality.

A novel fault current limiter topology design based on liquid metal current limiter

The liquid metal current limiter(LMCL)is regarded as a viable solution for reducing the fault current in a power grid.But demonstrating the liquid metal arc plasma self-pinching process of the resistive wall,and reducing the erosion of the LMCL are challenging,not only theoretically,but also practically.In this work,a novel LMCL is designed with a resistive wall that can be connected to the current-limiting circuit inside the cavity.Specifically,a novel fault current limiter(FCL)topology is put forward where the novel LMCL is combined with a fast switch and current-limiting reactor.Further,the liquid metal self-pinch effect is modeled mathematically in three dimensions,and the gas-liquid two-phase dynamic diagrams under different short-circuit currents are obtained by simulation.The simulation results indicate that with the increase of current,the time for the liquid metal-free surface to begin depressing is reduced,and the position of the depression also changes.Different kinds of bubbles formed by the depressions gradually extend,squeeze,and break.With the increase of current,the liquid metal takes less time to break,but breaks still occur at the edge of the channel,forming arc plasma.Finally,relevant experiments are conducted for the novel FCL topology.The arcing process and current transfer process are analyzed in particular.Comparisons of the peak arc voltage,arcing time,current limiting efficiency,and electrode erosion are presented.The results demonstrate that the arc voltage of the novel FCL topology is reduced by more than 4.5times and the arcing time is reduced by more than 12%.The erosions of the liquid metal and electrodes are reduced.Moreover,the current limiting efficiency of the novel FCL topology is improved by 1%–5%.This work lays a foundation for the topology and optimal design of the LMCL.

液态金属限流器电阻特性测试及建模

液态金属限流器依靠电弧电阻实现故障限制功能,已有研究缺乏对电弧发生发展全过程的分析,未能完整描述其电阻变化特性。本文通过实验方法对液态金属单元的限流工作特性进行了测试,分析了限流过程四个阶段的电阻变化特点,进而建立了描述其完整工作过程的电阻特性数学模型,并与实验结果取得了良好的吻合。此模型有助于实现液态金属单元在电力系统中限流特性的快速仿真计算。

阻性隔板液态金属限流器设计与限流特性分析

液态金属限流器(LMCL)具有独特的优势,在电力系统的限流方面有良好的应用前景。为了减小LMCL烧蚀,提高使用寿命,该文设计了一种阻性隔板液态金属限流器(RWLMCL)。首先,从腔体内部的电流分布角度,分析了RWLMCL减少烧蚀的原因。然后,通过实验与仿真探究了RWLMCL中液态金属自收缩效应的动态变化过程。结果表明,仿真与实验结果具有很好的一致,证明了理论模型的合理性。将LMCL的隔板由绝缘替换为阻性,液态金属自收缩效应仍然有效。最后,比较了RWLMCL与现有绝缘隔板LMCL的限流特性与烧蚀情况,发现与绝缘隔板LMCL对比,铁钴镍隔板LMCL的电流峰值减小了2.68%,电弧电压峰值减小了95.0%,弧前时间减少了23.9%,燃弧时间减少了68.8%,阻性隔板的氧化锌隔板LMCL与铁钴镍隔板LMCL的液态金属烧蚀明显减弱。结果证明,RWLMCL可以限制液态金属电弧剧烈燃烧,减少腔体的烧蚀,从而有效地延长LMCL的使用寿命。

自收缩效应型液态金属限流器限流特性影响因素的研究

基于自收缩效应的液态金属限流器(liquid metal current limiter,LMCL)有自动检测限流、故障排除后可自恢复、填充介质对环境友好、结构简单以及体积小的独特优点,具有良好的应用前景。通过测量不同情况下限流过程回路电流以及LMCL的电弧电压,实验研究了LMCL限流特性的影响因素,为LMCL结构的优化设计提供参考依据。实验结果表明:LMCL的限流效果随着弧前时间的缩短以及电弧电压的上升而愈加明显,弧前时间和电弧电压受预期短路电流和LMCL结构参数的影响;同时实验过程中发现,大电流下电弧压力对LMCL限流性能会产生不利的影响,为解决此问题,提出了一种带有压力释放功能的限流器结构,可以有效地改善限流效果。

磁收缩效应型液态金属限流器起弧特性研究

基于磁收缩效应的液态金属限流器具有体积小、结构简单、自检测故障和自恢复的优点,在未来中低压系统中具有良好的应用前景。采用高速摄影技术对液态金属收缩动态过程进行观测,并对其弧前时间进行测量,通过所建立的仿真模型对该物理过程进行分析研究。采用以上方法对不同因素下的液态金属起弧特性进行了全面研究,包括初始自由液面高度、隔板通孔孔壁粗糙程度及预期电流上升率等关键因素。研究结果表明:液态金属磁收缩过程往往同时包括源于液面凹陷的收缩及通孔液柱直接收缩两个过程。通过研究获得了两个过程的规律及影响,为未来限流器结构设计与性能优化提供依据。

基于自收缩效应液态金属限流器的研究

针对基于自收缩效应的液态金属限流器(LMCL)进行了限流特性的试验研究,得到了不同预期短路电流下的限流效果。试验结果表明,预期短路电流越大,限流效果越明显,在预期短路电流峰值为20 kA,电流上升率为10 A/μs的情况下,LMCL能够在1 ms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。

基于自收缩效应液态金属限流器中电弧行为特性的实验研究

研究基于自收缩效应液态金属限流器(LMCL)中的电弧行为特性。设计了具有LMCL基本结构特征的实验模型。利用高速摄影技术获得的起弧和燃弧过程的影像以及通过数字示波器记录的电弧电压和电流波形,揭示了液态金属中电弧起弧机理,分析了电流对弧前自收缩过程的影响,研究了在单孔条件下电弧形态随电弧电压的演变规律。同时在实验过程中发现了电弧对电极的侵蚀现象,并通过分析其成因提出一种能够有效避免侵蚀的电极结构改进方法。该研究对进一步提高LMCL限流性能具指导意义。

基于快速转换开关的新型液态金属限流器的研究

提出了一种基于快速转换开关的新型液态金属限流器(LMCL)的拓扑结构,在充分利用LMCL快速起弧限流特性的同时,有效提高了限流器的额定通流能力,降低了LMCL额定通流要求。给出了限流器的工作原理及快速转换开关的动作特性。完成了不同短路预期电流下限流装置的限流试验。试验结果证明,提出的新型限流器能够快速、有效限制短路电流,具有良好的应用前景,并为液态金属限流技术的应用提供了一种新的思路。

液态金属在电气领域的应用与展望

液态金属是一种具有独特物理属性的功能材料,在常温下处于液相状态,具有导电性强,热导率高、可重复利用等特点,多用于限流技术、3D打印、柔性电子、储能等领域。近年来,液态金属在国内外学者的探索研究下已经成为重大科技前沿热点。为此回顾了国内外几种典型液态金属的发展历程,对液态金属的热力学性能、导电性能、流动性能等进行了介绍;从应用原理、工作性能等方面总结了液态金属在故障限流器领域、开关领域、磁流体发电领域、储能电池领域的研究现状,并提出了在这些领域未来的研究重点;基于液态金属的性能,对其在特高压直流电气开断中能量快速耗散、滑动电接触等领域的潜在应用进行了展望。

两种新的限流技术

介绍两种低压电器新的限流技术,粉末颗粒分断技术与液体金属限流器。分析了它们的作用原理、结构方案与实验研究结果。

基于GaInSn液态金属自收缩效应的故障电流限制器研究现状与发展

介绍了近40年国内外关于液态金属限流原理及装置的研究现状。同时从试验研究和数值计算的角度介绍了自收缩型液态金属限流器的弧前收缩机理、燃弧特性、电弧对材料的烧蚀机理,以及不同参数对其限流特性的影响规律。最后提出了一种带U型抽板的改进型液态金属限流原理及装置。通过试验验证了新方案能有效地提高电弧电压,改善限流特性。

一种基于电流强制转移原理的直流混合式断路器

在短路故障下,为了实现液态金属限流器高速开关触头无弧打开,提出了一种基于高速开关和液态金属限流器实现直流分断的混合式断路器拓扑结构。介绍了拓扑结构的设计原理及特点;分析了电流转移过程的操作原理;基于振荡电流源模拟故障电流对液态金属限流器的电流转移过程进行了试验研究,分析了不同因素对于液态金属限流器弧后恢复时间的影响,并确定了合适的转移起始电压。

基于高速隔离开关的液态金属限流方法研究

对液态金属限流试验装置进行了不同电流下的温升试验。为了满足额定大电流的使用要求,提出了一种液态金属限流与高速隔离开关相结合的限流方法,可解决限流器长期通电发热的问题。对该限流方案进行试验测试,结果表明所提方法的限流效率随短路电流上升而提高。

液态金属限流器并联限流特性的试验研究

针对自收缩型液态金属限流技术,进行了大量的试验研究。为了解决液态金属限流器在燃弧限流过程中装置内部气压过高的问题,通过液态金属限流器并联阻抗吸收回路和并联结构相同液态金属限流器吸收回路两种方式实现对液态金属限流器的保护。试验研究了并联不同能量吸收回路时液态限流器的限流特性和分流特性,为液态金属限流器在实际工程应用中提供参考。

液态金属故障限流器中镓铟锡电弧特性:数值模型与仿真分析

基于收缩效应的镓铟锡液态金属限流器能够有效地限制系统故障电流。在其限流过程中,镓铟锡金属会受热气化,同时电弧会在该金属气态介质中产生,有必要对该电弧特性进行研究。基于磁流体动力学理论,建立以镓铟锡金属蒸气为介质的镓铟锡金属蒸气电弧模型,对液态金属电弧由完全发展状态直至熄弧的整个收缩过程进行仿真,从而获得电弧收缩过程气流场、压力场、温度场等场量的分布和变化规律,并通过对电弧气流场和温度场的分析,研究电弧对电极的侵蚀原因。这为进一步研究限流器中金属蒸气电弧动态发展的物理过程打下了基础。

液态金属限流器零前熄弧现象及气压特性的试验研究

为了研究自收缩型液态金属限流器在大电流情况下的限流特性,设计了一种观察限流过程中限流波形的试验方案。发现了电弧在电流过零前提前熄灭的现象,提出限流过程中装置内部气压是导致这种现象的主要原因,进而得到了限流过程中限流器内部的气压特性。同时,针对多孔串联限流器的试验样机在大故障电流峰值为22 k A下的限流反弹现象,进行了泄压改进,改善了其限流特性。

液态金属限流器稳态温升仿真及试验研究

液态金属限流器稳态温升限制其通流能力,笔者对液态金属限流器的发热和传热过程进行分析,提出了适用于液态金属限流器稳态温升的仿真分析方法。根据所提出的方法,对液态金属限流器样品进行了三组稳态温升仿真与试验,通过仿真计算结果和试验数据的对比,验证了仿真方法的正确性,得出液态金属限流器通流能力随通流孔径增大而增大的结论。