一种基于液态金属复合式耗能装置的制作方法

1.本发明涉及电气开关技术领域，具体涉及一种基于液态金属复合式耗能装置。


背景技术：

2.构建高压直流电网是实现大规模新能源的并网和输送的必然选择。直流断路器是构建直流电网、保证直流电网供电可靠性和灵活性的设备，通过对直流断路器故障区域进行选择性切除，保证区域的可连续性，供电质量和可靠性大大提高。高压直流电网中断路器能量耗散面临的难题，面向更高等级的直流输电需求，要求直流断路器在10-20ms内耗散百兆焦以上的巨大能量。传统高压直流断路器开断耗能主要靠氧化锌电阻(mov)，功率密度已接近极限，只能通过不断增加其数量和体积来消耗更大的系统能量，以适应高电压大容量要求。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于液态金属复合式耗能装置。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.一种基于液态金属复合式耗能装置，包括：
6.主支路和与所述主支路并联的耗能支路；
7.所述主支路包括断路器开关；
8.所述耗能支路包括串联的阻尼耗能模块、液态金属耗能模块和氧化锌耗能模块；所述液态金属耗能模块包括一个或至少两个串联的液态金属耗能单元，以及并联在各个液态金属耗能单元两端的半桥式固态开关。
9.可选地，所述液态金属耗能单元具体包括：
10.绝缘腔体外壳和设置在所述绝缘腔体外壳上方且封闭配合的绝缘腔体盖；所述绝缘腔体外壳的侧壁分别设置有阳极电极和阴极电极，所述绝缘腔体外壳的内部填充液态金属；所述绝缘腔体盖上设置有多个贯穿并延伸至液态金属中的可自由拆卸的绝缘挡板，所述绝缘挡板设置有在水平方向上贯穿的圆锥形的放电通孔，并设置有在竖直方向上贯穿并延伸至放电通孔的充气导管，各个所述充气导管的进气端通过充气总阀门联通。
11.可选地，所述阳极电极和阴极电极采用铜合金化合物。
12.可选地，所述液态金属采用镓铟锡化合物。
13.可选地，所述绝缘腔体盖上设置有压力测量仪和导气孔。
14.可选地，所述绝缘腔体外壳的侧壁分别设置有进液控制器、出液控制器、温度测量仪和液面高度测量仪，所述温度测量仪位于液态金属的液面上方。
15.可选地，所述阻尼耗能模块包括并联的阻尼电阻和阻尼电容。
16.可选地，所述半桥式固态开关包括第一晶体管igbt1和第二晶体管igbt2；所述第一晶体管igbt1的源极分别与第一二极管d1的正极和液态金属耗能单元的输入端相连，所述第一晶体管igbt1的漏极分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的负极相连；所述
第二晶体管igbt2的源极分别与第二二极管d2的正极和液态金属耗能单元的输出端相连，所述第二晶体管igbt2的漏极分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的负极相连。
17.可选地，所述氧化锌耗能模块包括一个或至少两个串联的氧化锌耗能单元，所述氧化锌耗能单元包括氧化锌电阻和并联在氧化锌电阻两端的全桥式固态开关。
18.可选地，所述全桥式固态开关包括第三晶体管igbt3，所述第三晶体管 igbt3的源极和漏极之间并联第一电容c1和第一电阻r1组成的串联支路，所述第三晶体管igbt3的漏极分别与第三二极管d3的负极和第四二极管d4的负极相连，所述第三晶体管igbt3的源极分别与第五二极管d5的正极和第六二极管d6的正极相连，所述第三二极管d3的正极和第五二极管d5的负极与氧化锌电阻的一端相连，所述第四二极管d4的正极和第六二极管d6的负极与氧化锌电阻的另一端相连。
19.本发明具有以下有益效果：
20.本发明针对传统耗能支路中原有的单一氧化锌耗能方式进行改进，在原有耗能支路的基础上加入阻尼耗能模块和液态金属耗能模块，利用阻尼电阻和电容以及短路电流产生的电弧使液态金属升温蒸发，燃弧过程中通过大量汽化周围液体及传热交换来消耗能量，缩小断路器体积，节约成本。
附图说明
21.图1为本发明实施例中的一种基于液态金属复合式耗能装置的结构示意图；
22.图2为本发明实施例中的液态金属耗能单元的结构示意图；
23.图3a为本发明实施例中半桥式固态开关闭锁时液态金属耗能模块的工作原理示意图；
24.图3b为本发明实施例中半桥式固态开关导通时液态金属耗能模块的工作原理示意图；
25.图4a为本发明实施例中全桥式固态开关闭锁时氧化锌耗能模块的工作原理示意图；
26.图4b为本发明实施例中全桥式固态开关导通时氧化锌耗能模块的工作原理示意图；
27.图5a为本发明实施例中断路器开关正常工作时复合式耗能装置的工作原理示意图；
28.图5b为本发明实施例中电路故障时复合式耗能装置中阻尼耗能模块与多个氧化锌耗能模块串联工作的原理示意图；
29.图5c为本发明实施例中电路故障时复合式耗能装置中阻尼耗能模块与多个液态金属耗能模块串联工作的原理示意图；
30.图5d为本发明实施例中电路故障时复合式耗能装置中阻尼耗能模块与单个液态金属耗能模块及多个氧化锌耗能模块串联工作的原理示意图；
31.图5e为本发明实施例中电路故障时复合式耗能装置中阻尼耗能模块与多个液态金属耗能模块及多个氧化锌耗能模块串联工作的原理示意图。
32.其中附图标记为：1、绝缘腔体外壳，2、绝缘腔体盖，3、阳极电极，4、阴极电极，5、液态金属，6、绝缘挡板，7、放电通孔，8、充气导管，9、充气总阀门，10、压力测量仪，11、导气孔，
12、进液控制器，13、出液控制器， 14、温度测量仪，15、液面高度测量仪。
具体实施方式
33.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
34.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于液态金属复合式耗能装置，包括主支路和与所述主支路并联的耗能支路；
35.所述主支路包括断路器开关；
36.所述耗能支路包括串联的阻尼耗能模块、液态金属耗能模块和氧化锌耗能模块；所述液态金属耗能模块包括一个或至少两个串联的液态金属耗能单元，以及并联在各个液态金属耗能单元两端的半桥式固态开关。
37.本发明采用主支路并联耗能支路的方式，利用耗能支路来消耗短路电流的能量；并且针对传统耗能支路中原有的单一氧化锌耗能方式进行改进，在原有耗能支路的基础上加入液态金属耗能模块和阻尼耗能模块。根据不同的电流等级，通过阻尼耗能模块、液态金属耗能模块与氧化锌耗能模块相配合，来消耗高压直流断路器中不同电流等级的巨大能量；本发明利用复合式耗能的方法来提升断路器能量耗散功率密度，短时可消耗巨大能量，降低断路器级联复杂性，缩小断路器的整体体积。
38.在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明的液态金属耗能单元具体包括：
39.绝缘腔体外壳1和设置在所述绝缘腔体外壳1上方且封闭配合的绝缘腔体盖2；所述绝缘腔体外壳1的侧壁分别设置有阳极电极3和阴极电极4，所述绝缘腔体外壳1的内部填充液态金属5；所述绝缘腔体盖2上设置有多个贯穿并延伸至液态金属5中的可自由拆卸的绝缘挡板6，所述绝缘挡板6设置有在水平方向上贯穿的圆锥形的放电通孔7，并设置有在竖直方向上贯穿并延伸至放电通孔 7的充气导管8，各个所述充气导管8的进气端通过充气总阀门9联通。
40.具体而言，本发明通过绝缘腔体外壳1和绝缘腔体盖2形成一个密闭的腔体，防止液态金属5因为电弧燃烧发生喷溅造成经济及环境的损失；并且在腔体内部插入可自由拆卸的绝缘挡板6，从而能够在电弧燃烧对绝缘挡板6造成烧蚀时进行拆卸更换；腔体绝缘外壳1、绝缘腔体盖2和绝缘挡板6均采用耐高温、耐高压、耐电弧烧蚀的材料，腔体内部通电时，通流小孔两端在液态金属5发生截断现象时会产生高温燃弧，此时腔体内液态金属5会由液态变为气态从而腔体内部产生强大的气压，采用耐高温、耐高压、耐电弧烧蚀的材料以确保装置的安全性及装置的使用寿命。
41.本发明通过在绝缘挡板6的中部设置在水平方向上贯穿的圆锥形的放电通孔7，由于圆锥形的放电通孔7的孔径的流通面积较小，因此会使得此处的电流密度大，电流急剧上升时放电通孔7内的电磁力洛伦兹力将显著地增加，从而驱动液态金属5的自收缩效应，最终使得放电通孔7中产生电弧并向两端扩散。
42.本发明通过在绝缘挡板6的上部设置在竖直方向上贯穿并延伸至放电通孔7 的充
气导管8，通过充气总阀门9以一定的速率向充气导管8冲入助燃气体；通过调节充气总阀门9的档位和充气的时间，来控制充气速率及充气量，充入的气体为氧气，可以使起弧时间更快，燃弧更加剧烈，消耗更多的能量。
43.本发明的液态金属耗能单元在短路电流冲击下，随着电流的急剧上升，放电通孔7内电磁力将更为显著地增加，并驱动液态金属5的自收缩效应，最终使得放电通孔7中产生电弧，利用短路电流产生的电弧使液态金属升温蒸发，燃弧过程中通过大量汽化周围液体及传热交换来消耗能量。
44.本发明的液态金属耗能单元中阳极电极3和阴极电极4采用耐电弧烧蚀的铜合金化合物。本发明利用铜合金化合物具有的抗烧蚀的优异金属特性，能够减小电弧燃烧对阳极电极3和阴极电极4的烧蚀，从而提高装置的稳定性。
45.本发明的液态金属耗能单元中液态金属5采用镓铟锡化合物，其高度淹没导通的放电通孔7，具体高度由液面高度测量仪15测量决定，液面上方为空气。镓铟锡是一种无毒，无污染，低熔点的物质，在常温下为液体，本发明利用其高导电性、高导热性，可重复利用性，可以实现短时能量的向外耗散以及液态金属5的重复利用性。本发明采用的镓铟锡化合物按重量配比大致为0.66：0.205： 0.135，此配比的液态金属5合金具有无毒、无污染、熔点低等特点，正常情况下表现为流动的液体结构，在电弧的影响下能够迅速蒸发并吸收能量。
46.在本发明的一个可选实施例中，本发明的液态金属耗能单元中绝缘腔体盖2 上设置有压力测量仪10和导气孔11。
47.具体而言，本发明在绝缘腔体盖2表面开设两个通孔，一个通孔安装压力测量仪10，另一个通孔安装用于充放密闭腔体内气体的导气孔11。当液态金属 5在放电通孔7内发生起弧放电时，会在很短时间产生液态金属5蒸气向四周扩散，使密封腔体的压强变大，本发明通过压力测量仪10测量腔体内的压力，当压强达到1.5个大气压以上时，通过导气孔11放气把多余的气体释放，使得腔体内的压强降低，以防止腔体内的压强过大发生爆炸。
48.在本发明的一个可选实施例中，本发明的液态金属耗能单元中绝缘腔体外壳1的侧壁分别设置有进液控制器12、出液控制器13、温度测量仪14和液面高度测量仪15，所述温度测量仪14位于液态金属5的液面上方，而进液控制器 12、出液控制器13和液面高度测量仪15位于液态金属5的液面下方。
49.具体而言，由于液态金属5镓铟锡会随着反复起弧而蒸发和气化，腔体内的液态金属5随着蒸发耗能会减少，因此在绝缘腔体外壳1的壳壁上方左右两个侧开设两个通孔，一个通孔为进液控制器12，一个通孔为出液控制器13，用于控制镓铟锡化合物的进出，通过液面高度测量仪15检测腔体内的液态金属5 的液面高度，当低于放电通孔7时，启动进液控制器12，向腔体内充入液态金属镓铟锡，保证其没过放电通孔7不影响其耗能；通过进液控制器12和出液控制器13之间的相互配合，可以改变其液态金属5在密闭腔体的液面高度，得到不同液面高度的镓铟锡的耗能速率。其中进液控制器12的进液速率分为4个档位，出液控制器13的出液速率分为2个档位，根据腔体的体积控制液态金属5 液面高度变化的时间。
50.在本发明的一个可选实施例中，本发明的液态金属耗能模块中半桥式固态开关用于控制液态金属耗能单元的导通，其包括第一晶体管igbt1和第二晶体管igbt2；所述第一晶体管igbt1的源极分别与第一二极管d1的正极和液态金属耗能单元的输入端相连，所述第一晶体管igbt1的漏极分别与第一二极管 d1的负极和第二二极管d2的负极相连；所述第
二晶体管igbt2的源极分别与第二二极管d2的正极和液态金属耗能单元的输出端相连，所述第二晶体管 igbt2的漏极分别与第一二极管d1的负极和第二二极管d2的负极相连。
51.当半桥式固态开关导通时，液态金属耗能单元不工作，电流流通的一条路径为是通过第二二极管d2、第一晶体管igbt1，另一路电流流通的路径为第一二极管d1、第二晶体管igbt2流过，如图3b所示；当模块组件闭锁时，电流通过液态金属耗能单元进行耗能，如图3a所示。
52.在本发明的一个可选实施例中，本发明的阻尼耗能模块包括并联的阻尼电阻和阻尼电容。本发明通过并联的阻尼电阻和阻尼电容来消耗一部分短路电流的能量。
53.在本发明的一个可选实施例中，本发明的氧化锌耗能模块包括一个或至少两个串联的氧化锌耗能单元，所述氧化锌耗能单元包括氧化锌电阻和并联在氧化锌电阻两端的全桥式固态开关。
54.本发明的氧化锌耗能单元中全桥式固态开关用于控制氧化锌电阻是否导通，其包括第三晶体管igbt3，所述第三晶体管igbt3的源极和漏极之间并联第一电容c1和第一电阻r1组成的串联支路，所述第三晶体管igbt3的漏极分别与第三二极管d3的负极和第四二极管d4的负极相连，所述第三晶体管igbt3的源极分别与第五二极管d5的正极和第六二极管d6的正极相连，所述第三二极管d3的正极和第五二极管d5的负极与氧化锌电阻的一端相连，所述第四二极管d4的正极和第六二极管d6的负极与氧化锌电阻的另一端相连。
55.当全桥式固态开关导通时，氧化锌电阻不工作，电流流通的一条路径为是通过第三二极管d3、第三晶体管igbt3，第六二极管d6，如图4b所示；当模块组件闭锁时，电流先给电容充电，待到两端的电压达到氧化锌电阻的额定电压时，氧化锌电阻导通进行耗能，如图4a所示。
56.通过上述原理解释可知，本发明通过桥式固态开关控制液态金属耗能腔体和氧化锌电阻耗能联合耗能，根据短路电流的等级，耗能分为三种模式：
57.(1)通过控制晶体管igbt使液态金属腔体切除，使氧化锌电阻导通，通过阻尼耗能与氧化锌电阻进行耗能；
58.(2)通过控制igbt使液态金属腔体导通，使氧化锌耗能模块关断，通过阻尼耗能模块和液态金属耗能模块进行耗能；
59.(3)通过控制晶体管igbt使液态金属腔体和氧化锌电阻共同导通，只是导通的数量不同，通过三者共同耗能；通过以上三种方式，根据不同的电压电流等级而选择耗能的模式，进而缩小断路器的体积，节约了成本。
60.如图5a所示，为断路器正常工作的示意图，
61.如图5b所示，为电路发生故障时，阻尼模块与多个氧化锌电阻模块串联进行工作；
62.如图5c所示，为电路发生故障时，阻尼模块与多个液态金属模块串联进行工作；
63.如图5d所示，为电路发生故障时，阻尼模块与单个液态金属模块及多个液态金属模块串联进行耗能工作；
64.如图5e所示，为电路发生故障时，阻尼模块和多个液态金属模块及多氧化锌模块进行耗能工作。
65.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，
依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
66.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。