阻性隔板液態(tài)金屬限流器設(shè)計與限流特性分析

段雄英 李金金 謝為贏 黃智慧 廖敏夫

阻性隔板液態(tài)金屬限流器設(shè)計與限流特性分析

段雄英 李金金 謝為贏 黃智慧 廖敏夫

（大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 大連 116024）

液態(tài)金屬限流器（LMCL）具有獨特的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)的限流方面有良好的應(yīng)用前景。為了減小LMCL燒蝕，提高使用壽命，該文設(shè)計了一種阻性隔板液態(tài)金屬限流器（RWLMCL）。首先，從腔體內(nèi)部的電流分布角度，分析了RWLMCL減少燒蝕的原因。然后，通過實驗與仿真探究了RWLMCL中液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)的動態(tài)變化過程。結(jié)果表明，仿真與實驗結(jié)果具有很好的一致，證明了理論模型的合理性。將LMCL的隔板由絕緣替換為阻性，液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)仍然有效。最后，比較了RWLMCL與現(xiàn)有絕緣隔板LMCL的限流特性與燒蝕情況，發(fā)現(xiàn)與絕緣隔板LMCL對比，鐵鈷鎳隔板LMCL的電流峰值減小了2.68%，電弧電壓峰值減小了95.0%，弧前時間減少了23.9%，燃弧時間減少了68.8%，阻性隔板的氧化鋅隔板LMCL與鐵鈷鎳隔板LMCL的液態(tài)金屬燒蝕明顯減弱。結(jié)果證明，RWLMCL可以限制液態(tài)金屬電弧劇烈燃燒，減少腔體的燒蝕，從而有效地延長LMCL的使用壽命。

液態(tài)金屬限流器 隔板材料 液態(tài)金屬自收縮效應(yīng) 限流特性

0 引言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)短路電流水平也隨之迅速增長，很多線路目前或預(yù)期的短路水平已接近甚至超過現(xiàn)有斷路器遮斷容量[1-2]。這嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，同時也造成了新建發(fā)電廠接入電力系統(tǒng)能力不足等問題，限制了電力系統(tǒng)的發(fā)展[3-5]。故障限流器（Fault Current Limiter, FCL）可以快速地限制短路電流，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[6-7]。國內(nèi)外已對FCL進行了深入的研究，先后涌現(xiàn)出多種類型的FCL[8-10]，例如超導(dǎo)限流器、固態(tài)限流器、混合式限流器、液態(tài)金屬限流器等。其中較為新穎的液態(tài)金屬限流器（Liquid Metal CurrentLimiter, LMCL）具有能夠自動檢測限流、導(dǎo)電體無需接觸壓力、沒有可動部件及自恢復(fù)性等獨特優(yōu)點[11-13]，成為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦拖蘖骷夹g(shù)。

目前，LMCL受到了廣泛的關(guān)注和研究，并取得了很多優(yōu)秀的成果。為了將LMCL發(fā)展到高壓限流領(lǐng)域，本課題組提出了一種由新型LMCL、快速開關(guān)和限流電抗器組成的新型FCL拓?fù)鋄12-13]。文獻[14]提出一種主動觸發(fā)電弧的LMCL，提高故障響應(yīng)性能，增加額定載流能力。榮命哲等[15]從實驗角度研究LMCL中液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)，并分析了電極燒蝕的原因。為了減少電極燒蝕，文獻[16]通過實驗與仿真，研究了磁場梯度下液態(tài)金屬自由表面的穩(wěn)定性。Yang Zhuo等[17]將多個串聯(lián)的LMCL與一個快速開關(guān)配合使用，用于直流限流領(lǐng)域。文獻[18]通過建立絕緣隔板的LMCL仿真模型，對液態(tài)金屬的弧前收縮物理機理進行分析。文獻[19]提出了一種改進LMCL的方法，增加并行純電阻、阻抗或其他LMCL元件，保護裝置免受故障能量的影響。到目前為止，針對絕緣隔板LMCL已經(jīng)做了深入的研究。然而，還未有針對阻性材料作為LMCL隔板的液態(tài)金屬自收縮原理的研究，也沒有研究關(guān)注阻性隔板LMCL的限流特性。

基于液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)，本文設(shè)計了一種阻性隔板液態(tài)金屬限流器（Resistive Wall Liquid Metal Current Limiter, RWLMCL）。阻性隔板可以被連接到限流回路中。首先，從LMCL內(nèi)部的電流分布角度分析絕緣隔板LMCL與RWLMCL的電弧強度不同的原因；然后，為了探究RWLMCL中液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)的產(chǎn)生機理，分別通過實驗與仿真分析了在電流作用下液態(tài)金屬的自收縮過程，證明了阻性隔板材料LMCL的有效性，揭示了RWLMCL的限流機理；最后，利用振蕩回路為電源，分別對亞克力（模擬現(xiàn)有的絕緣隔板LMCL[14-19]）、氧化鋅、鐵鈷鎳三種隔板LMCL進行實驗，詳細(xì)地比較了三個LMCL的限流特性及電弧燒蝕情況。

1 液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)

當(dāng)電流密度為的電流流過液態(tài)金屬時，電流與自身產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為的磁場相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，洛倫茲力產(chǎn)生徑向的壓力梯度，使液態(tài)金屬自身收縮、變細(xì)。這個過程稱為液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)，其原理如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)原理

根據(jù)文獻[11-19]，當(dāng)電流流過隔板的通流孔時，通流孔內(nèi)外的電流密度分布不均勻，導(dǎo)致通流孔中液態(tài)金屬受到的洛倫茲力遠(yuǎn)大于兩側(cè)區(qū)域。正常運行時，流經(jīng)LMCL的電流較小，隔板內(nèi)外受到的洛倫茲力不足以驅(qū)動液態(tài)金屬凹陷，此時LMCL表現(xiàn)為低阻態(tài)。若發(fā)生短路故障時，通過LMCL的電流在數(shù)ms內(nèi)上升至幾十kA，自收縮效應(yīng)使通流孔附近的液態(tài)金屬液面凹陷，直至液態(tài)金屬通流通道發(fā)生斷裂和起弧。在短路故障消失之后，作用在液態(tài)金屬上的洛倫茲力會迅速降為零，液態(tài)金屬自動恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 RWLMCL模型設(shè)計

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

基于液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)，本文設(shè)計了RWLMCL實驗?zāi)Ｐ团c樣機，如圖2所示。RWLMCL主要由環(huán)氧樹脂外殼、L型銅電極、帶有通流孔的阻性隔板和透明蓋板等部件組成。環(huán)氧樹脂外殼尺寸為100 mm×200 mm×200 mm（長×寬×高），用于放置其他部件。L型銅電極位于外殼兩端，可與外電路相連接。阻性隔板位于腔體內(nèi)部的中央位置，并可靈活拆卸，其整個規(guī)格尺寸為50 mm×20 mm× 50 mm（長×寬×高），距兩端L型銅電極距離均為10 mm，且其正中央有一個直徑為10 mm的圓柱形通流孔。三個LMCL的隔板材料分別為亞克力、氧化鋅與鐵鈷鎳合金。透明蓋板位于限流器頂部，防止液態(tài)金屬飛濺。蓋板的透明特性便于高速攝影儀從限流器的正上方垂直透過蓋板，拍攝液態(tài)金屬的動態(tài)變化和電弧的發(fā)展過程。

圖2 RWLMCL實驗?zāi)Ｐ团c樣機

本文設(shè)計的RWLMCL主要有三點優(yōu)勢與創(chuàng)新：①腔體內(nèi)部燒蝕減小。與現(xiàn)有的絕緣材料隔板LMCL[14-19]對比，本文設(shè)計的RWLMCL隨著腔體內(nèi)液態(tài)金屬收縮，隔板自身的電阻逐漸被串聯(lián)到回路中，減少了流過液態(tài)金屬的電流，電弧強度被降低，可以有效地減小腔體的燒蝕。②限流敏感性增加。因為RWLMCL內(nèi)部的阻性隔板結(jié)構(gòu)，所以液態(tài)金屬的液面不用太高，這樣可以增加對短路電流的敏感度。③限流器設(shè)計難度降低。因為RWLMCL的燃弧強度低，可以減少腔體內(nèi)的設(shè)計難度，使更多的材料能夠使用到LMCL的設(shè)計中。

2.2 RWLMCL減少燒蝕理論分析

現(xiàn)有的絕緣隔板LMCL的主要缺陷是液態(tài)金屬與腔體燒蝕嚴(yán)重，制約了LMCL的限流次數(shù)與實際應(yīng)用[11]。根據(jù)RWLMCL的實際結(jié)構(gòu)，結(jié)合實驗波形圖與液態(tài)金屬動態(tài)變化圖像，本文從腔體內(nèi)部的電流分布角度分析RWLMCL減少燒蝕的原因。

系統(tǒng)正常運行和電弧聯(lián)通時，RWLMCL腔體內(nèi)部的電流分布如圖3所示。圖中，1為流過RWLMCL的電流，Wall為流過隔板的電流，LA為電弧電流，LA為液態(tài)金屬電弧的電阻，Wall為隔板電阻。

圖3 RWLMCL腔體內(nèi)部的電流分布

如圖3a所示，系統(tǒng)正常運行時，RWLMCL腔體內(nèi)部的電流1流過左側(cè)凹槽液態(tài)金屬—隔板區(qū)域液態(tài)金屬—右側(cè)凹槽液態(tài)金屬，RWLMCL的阻抗幾乎為0。

如圖3b所示，在短路電流流過RWLMCL時，為簡化分析，只考慮兩個凹槽的電弧與通流孔內(nèi)的電弧處于聯(lián)通狀態(tài)。同時把電弧看作可變電阻，不考慮溫升等對隔板的影響。此時，隔板電阻與電弧并聯(lián)，共同分擔(dān)短路電流。根據(jù)基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law, KVL）、基爾霍夫電流定律（Kirchhoff's Current Law, KCL），可以推導(dǎo)得到RWLMCL隔板支路的電流為

根據(jù)式（1），當(dāng)隔板為絕緣材料時，Wall無窮大，所以Wall=0。因此，僅有電弧電阻串聯(lián)接入回路。當(dāng)隔板為阻性材料時，液態(tài)金屬電弧電阻與隔板電阻共同分擔(dān)流過RWLMCL的短路電流。由文獻[11]可知，在燃弧過程中，隨著液態(tài)金屬燃弧增強，電弧電阻LA逐漸增加，使隔板支路電流逐漸增加。相較于絕緣隔板LMCL，RWLMCL的電弧電阻支路流過的電流減小，電弧強度降低，可以有效地減小腔體的燒蝕。

2.3 實驗回路

為了模擬RWLMCL在電力系統(tǒng)短路狀態(tài)下的限流特性，本文搭建了如圖4所示的實驗回路。、、VD構(gòu)成實驗電源，其中，為電源電容器組，容值為0.341 F；為電源電抗器，電感值為186.6 μH。T、B、1、2、S1構(gòu)成電容器組充電回路，其中，T為變壓器；B為整流橋；1、2為限流電阻。S為主合閘開關(guān)。

圖4 實驗回路

實驗前首先斷開主合閘開關(guān)S，再閉合充電回路開關(guān)S1，充電回路對電容器組充電至實驗所需的電壓值后斷開S1。然后閉合主合閘開關(guān)S，單頻振蕩回路對RWLMCL放電，并使用二極管VD避免反復(fù)振蕩損壞電路。同時，分別記錄通過RWLMCL的電流和兩端的電壓的示波器波形，并利用高速攝影儀拍攝RWLMCL腔體內(nèi)液態(tài)金屬的動態(tài)變化過程。

3 液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)動態(tài)過程分析

3.1 實驗結(jié)果與討論

利用圖4的實驗回路進行實驗。設(shè)S在0時刻完全閉合，振蕩電源放電。RWLMCL的阻性隔板為鐵鈷鎳合金。液態(tài)金屬液面距通流孔底部高度為5 mm。當(dāng)電容器組充電電壓為120 V時，高速攝影儀拍攝的液態(tài)金屬動態(tài)變化如圖5所示。

圖5 液態(tài)金屬自收縮動態(tài)變化

由圖5可知，當(dāng)短路電流流過RWLMCL時，液態(tài)金屬呈現(xiàn)收縮凹陷的趨勢。在3.8 ms時刻，凹槽與通流孔的四個拐角處率先凹陷；在4.2 ms時刻，通流孔兩端附近的液面開始出現(xiàn)明顯的凹陷；隨著電流的增加，在4.8 ms時刻，通流孔兩端凹陷的區(qū)域逐漸擴大，且向著通流孔內(nèi)和電極方向延伸，而且凹陷深度增加；在5.8 ms時刻，液面凹陷的區(qū)域幾乎拓展到了全部通流孔和大部分凹槽，同時凹槽內(nèi)的液面持續(xù)向下凹陷，且低于通流孔底端。

因為RWLMCL的特殊通流孔結(jié)構(gòu)，位于通流孔兩端的液態(tài)金屬的電流密度會發(fā)生突變。凹槽與通流孔的四個拐角處的液態(tài)金屬洛倫茲力變化最大，因而所形成的壓力梯度是整個區(qū)域最大的。且液態(tài)金屬與隔板無法緊密地貼合，在洛倫茲力和氣流的共同作用下，在四個拐角處會率先出現(xiàn)凹陷，同時將阻性隔板逐漸并聯(lián)到限流回路中。液態(tài)金屬的局部收縮，凹陷處的橫截面積減小，使凹陷處的電流密度和磁感應(yīng)強度分布更不均勻。隨著電流的增加，導(dǎo)致凹陷處的液態(tài)金屬洛倫茲力進一步增大，使該處液面的凹陷繼續(xù)加深擴大。直至凹陷達到通流孔的底端，液態(tài)金屬通道發(fā)生斷裂。

3.2 仿真結(jié)果與討論

為了簡化仿真計算，針對圖2中RWLMCL腔體內(nèi)的流體域，本文構(gòu)建RWLMCL仿真模型如圖6所示。該模型的固體區(qū)域為鐵鈷鎳合金隔板，流體域為液態(tài)金屬和空氣。

圖6 RWLMCL仿真模型

根據(jù)液態(tài)金屬的流動特性，本文利用Fluent仿真軟件，結(jié)合磁流體動力學(xué)模型、多相流VOF（volume of fluid）模型和湍流模型，在短路電流恒為6 kA時，對模型進行求解計算。得到=20 mm、截面上，不同時刻流體域中氣-液兩相分布如圖7所示。圖中紅色為液態(tài)金屬，藍(lán)色為空氣。

圖7 流體域中氣-液兩相分布

由圖7可知，在0.1 ms時刻，通流孔兩端與隔板接觸的拐角處率先發(fā)生了凹陷；在0.2 ms時刻，通流孔內(nèi)壁和通流孔兩端的自由液面發(fā)生了凹陷；隨著電流的持續(xù)施加，液面凹陷的區(qū)域不斷向著凹槽和通流孔內(nèi)兩側(cè)延伸；在0.5 ms時刻，液面凹陷已拓展到了通流孔內(nèi)和凹槽的絕大部分區(qū)域。

綜上所述，圖5的實驗結(jié)果和圖7的仿真結(jié)果具有很好的一致性，證明了本文建立液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)數(shù)學(xué)模型的正確性。同時也證明了將LMCL的隔板由絕緣替換成阻性后，液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)仍然有效。

4 RWLMCL與現(xiàn)有LMCL限流特性對比

為了探究不同隔板材料對LMCL限流特性的影響，本文選取了亞克力、氧化鋅、鐵鈷鎳三種電導(dǎo)率差距較大的隔板材料進行實驗。并且利用亞克力隔板LMCL模擬現(xiàn)有的絕緣隔板LMCL[14-19]，氧化鋅、鐵鈷鎳隔板LMCL為本文設(shè)計的RWLMCL。三者分別被命名為亞克力隔板LMCL、氧化鋅隔板LMCL、鐵鈷鎳隔板LMCL。亞克力、氧化鋅、鐵鈷鎳與液態(tài)金屬鎵銦錫的電導(dǎo)率見表1。

表1 鎵銦錫與隔板材料的電導(dǎo)率

Tab.1 Electrical conductivity parameters of GaInSn and wall materials

4.1 不同隔板材料LMCL限流特性分析

4.1.1 實驗結(jié)果與分析

亞克力、氧化鋅、鐵鈷鎳分別為LMCL的隔板材料，通流孔長度和直徑分別為20 mm和10 mm，液態(tài)金屬液面距通流孔底部高度為8 mm。三種LMCL分別采用圖4的實驗回路進行實驗。當(dāng)電容器組充電電壓為50 V時，得到三種LMCL的電流電壓波形如圖8所示。

圖8 三種LMCL的實驗波形

由圖8a可知，亞克力隔板LMCL的電流峰值約為1.12 kA。在12.48 ms時刻，LMCL兩端的電壓由0 V突增為25.5 V，此時電流的下降速率明顯加快；然后電壓逐漸增加，在14.60 ms時刻突增至74.5 V；在16 ms時刻，電壓值又迅速由77.1 V降為0 V。結(jié)合高速攝影儀拍攝的電弧圖像，本文找到了電壓曲線出現(xiàn)突增的原因。在12.48 ms時刻，通流孔一側(cè)的液態(tài)金屬發(fā)生斷裂，產(chǎn)生了電弧；在14.60 ms時刻，通流孔另一側(cè)的液態(tài)金屬也產(chǎn)生了電弧，兩段電弧電壓共同疊加使亞克力隔板LMCL兩端的壓降達到了77.1 V。在16 ms時刻，由于電流降為零，導(dǎo)致電弧迅速熄滅，亞克力隔板LMCL兩端的電壓突降為0 V。

由圖8b可以發(fā)現(xiàn)，氧化鋅隔板LMCL的電流波形變化與圖8a類似，其電流峰值約為1.12 kA。在12.23 ms時刻，LMCL兩端的電壓由0 V突增為29.11 V，并且電流曲線的下降速率略有加快；在12.23～18 ms時間段，電弧電壓出現(xiàn)多次階躍式的上下波動；在17.06 ms時刻，電弧電壓達到最大值，約為49.98 V；在18 ms時刻，電壓降為0 V。結(jié)合高速攝影儀拍攝的電弧圖像發(fā)現(xiàn)，在12.23 ms發(fā)生電壓陡增的原因是在該時刻產(chǎn)生了電弧。因為液態(tài)金屬回流和電弧的同時存在，且電弧發(fā)展不穩(wěn)定，造成了電壓曲線出現(xiàn)多次階躍式變化的現(xiàn)象。隨著電流降為零，電弧熄滅，電壓迅速降為0 V。

由圖8c中的實驗波形可知，鐵鈷鎳隔板LMCL的電流峰值約為1.09 kA。在短路電流施加的初始階段，將阻性隔板并聯(lián)到了回路中，使鐵鈷鎳隔板LMCL兩端出現(xiàn)了壓降。在9.5 ms時刻，液態(tài)金屬收縮至斷裂而導(dǎo)致起弧，電壓由0.4 V突增為3.86 V。由于產(chǎn)生的電弧很微弱，又迅速熄滅，10.6 ms時電弧電壓迅速降為2.06 V。隨著液態(tài)金屬的緩慢回流，并聯(lián)在回路中的隔板體積逐漸減小，使LMCL的電阻減小，在45 ms時刻降為0 V。

4.1.2 討論

為了清晰地對比三種不同隔板材料LMCL的限流特性，列出三種LMCL的主要限流參數(shù)見表2。

表2 三種LMCL主要限流參數(shù)

Tab.2 Three LMCLs main current limiting parameters

由表2可知，與亞克力隔板LMCL相比，鐵鈷鎳隔板LMCL的電流峰值減小了2.68%，電弧電壓峰值減小了95.0%，弧前時間減小了23.9%，燃弧時間減少了68.8%；而氧化鋅隔板LMCL的電流峰值沒有減小，電弧電壓峰值減小了35.2%，弧前時間減小了2%，燃弧時間增加了63.9%。在此實驗中，鐵鈷鎳隔板LMCL相較于亞克力隔板LMCL與氧化鋅隔板LMCL，具有較好的限流特性。

4.2 不同隔板LMCL燒蝕情況對比

當(dāng)短路電流峰值為3 kA，分別對亞克力隔板LMCL、氧化鋅隔板LMCL與鐵鈷鎳隔板LMCL進行一次實驗，實驗后液態(tài)金屬的表面燒蝕狀況如圖9所示。

圖9 三種LMCL液態(tài)金屬表面燒蝕對比

由圖9可知，因為亞克力隔板LMCL的液態(tài)金屬燃弧時間長、電弧電壓大，導(dǎo)致液態(tài)金屬燒蝕嚴(yán)重，液態(tài)金屬液面存在大量的凹陷和突起的黑色塊狀物質(zhì)，消耗了液態(tài)金屬的總量，無法進行下一次的限流；氧化鋅隔板LMCL的左側(cè)凹槽內(nèi)有大塊黑色氧化物，右側(cè)凹槽也有燒蝕的氧化物，雖然液態(tài)金屬的總量略有減少，但是不影響下一次限流；而電導(dǎo)率較大的鐵鈷鎳隔板LMCL的燒蝕最弱，液態(tài)金屬表面平滑，僅有少量雜質(zhì)。

綜上所述，液態(tài)金屬燒蝕與隔板材料有關(guān)。隔板材料電導(dǎo)率越大，流過電弧支路的電流越小，電弧的能量越低，導(dǎo)致燒蝕越輕微。同時，也使電弧的燃弧時間減少、電弧電壓峰值降低。通過把隔板材料由絕緣變?yōu)樽栊?，RWLMCL可以限制液態(tài)金屬電弧劇烈燃燒，減少腔體的燒蝕，從而有效地延長使用壽命。

5 結(jié)論

基于液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)，本文設(shè)計了一種RWLMCL，通過實驗與仿真探究了RWLMCL中液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)的產(chǎn)生機理，比較與討論了RWLMCL與現(xiàn)有絕緣隔板LMCL的限流特性與燒蝕情況，得到如下結(jié)論：

1）因為RWLMCL的通流孔結(jié)構(gòu)，位于通流孔兩端的液態(tài)金屬的電流密度會突變。凹槽與通流孔的四個拐角處的液態(tài)金屬洛倫茲力變化最大。在洛倫茲力和氣流的共同作用下，四個拐角處會率先出現(xiàn)凹陷。隨著電流的增加，凹陷處的液態(tài)金屬洛倫茲力進一步增大，使該處液面的凹陷繼續(xù)加深擴大。直至凹陷達到通流孔的底端，液態(tài)金屬通道發(fā)生斷裂。仿真與實驗的結(jié)果具有很好的一致性，證明了理論模型的合理性。同時也證明了將LMCL的隔板由絕緣替換成阻性，液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)仍然有效。

2）與亞克力隔板LMCL對比，鐵鈷鎳隔板LMCL的電流峰值、電弧電壓峰值、弧前時間、燃弧時間分別減小了2.68%、95.0%、23.9%、68.8%。在此實驗中，鐵鈷鎳隔板LMCL相較于亞克力隔板LMCL，具有較好的限流特性。

3）相較于亞克力隔板LMCL，阻性隔板的氧化鋅隔板LMCL與鐵鈷鎳隔板LMCL的燒蝕減弱。液態(tài)金屬燒蝕與隔板材料有關(guān)，隔板材料電導(dǎo)率越大，流過電弧支路的電流越小，電弧的能量越低，導(dǎo)致燒蝕越輕微。因此，RWLMCL可以減少腔體的燒蝕，延長液態(tài)金屬限流器的使用壽命。

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Design and Current Limiting Characteristic Analysis of Resistive Wall Liquid Metal Current Limiter

Duan Xiongying Li Jinjin Xie Weiying Huang Zhihui Liao Minfu

（School of Electrical Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China）

Liquid metal current limiter (LMCL) have unique advantages. It has a good application prospect in the current limiting of the power grid. In order to reduce the erosion of LMCL and improve the service life, a resistive wall liquid metal current limiter (RWLMCL) was designed in this paper. During the current limiting process, the resistive wall can be connected to the circuit.

First, the reason for the RWLMCL reduced arc intensity was analyzed from the perspective of current distribution inside the cavity. When the wall is the resistive material, the arc resistance and the wall resistance share the short-circuit current. During the burning arc process, the arc resistance increases gradually with the enhancement of the arc, and the wall branch current gradually increases. Compared with the insulating wall LMCL, the current flowing through the arc branch of the RWLMCL is decreased, and the arc intensity is reduced, which can effectively reduce the erosion of the cavity.

Further, in order to explore the mechanism of the liquid metal self-pinch effect in the RWLMCL, the liquid metal dynamic change under the action of current was analyzed by experiment and simulation. The liquid metal current density at both ends of the channel will suddenly change because of the RWLMCL channel structure. The liquid metal Lorentz force changes most at the four corners of the grooves and channel. Under the action of Lorentz force and air flow, the liquid metal at the four corners is first depressed. With the increase of the current, the liquid metal Lorentz force in the depressions further increases, so that the depressions continues to deepen and expand. The depressions reach the bottom end of the channel, and the liquid metal paths break. By replacing the insulating wall of the LMCL with a resistive wall, the liquid metal self-pinch effect is still effective. The simulations are in good agreement with the experiment results, which proves the rationality of the theoretical model.

Finally, usingoscillation circuit as power supply, experiments were carried out on three LMCLs, i.e. polymethyl methacrylate (PMMA), ZnO pulse power resistance (ZnO PPR) and Fe-Co-Ni walls. In this paper, PMMA was used as the insulating wall material to simulate the existing LMCL. The current limiting characteristics and arc erosion of the three LMCLs were compared in detail. Compared with the PMMA wall LMCL, the peak current, peak arc voltage, pre-arc time, and arcing time of the Fe-Co-Ni wall LMCL are reduced by 2.68%, 95.0%, 23.9%, and 68.8%, respectively. In this experiment, the Fe-Co-Ni wall LMCL has the best current limiting characteristics.

Compared with the PMMA wall LMCL, the liquid metal erosion of the ZnO wall LMCL and the Fe-Co-Ni wall LMCL is significantly weakened. The degree of liquid metal erosion is related to the wall material. The greater the conductivity of the wall material, the smaller the current flowing through the arc branch and the lower the arc energy, resulting in less erosion. Therefore, the RWLMCL can reduce the erosion of the cavity and prolong the service life of the LMCL.

Based on the research in this paper, the design idea of LMCL cavity is expanded. So that more new materials are applied to the field of current limiting.

Liquid metal current limiter, wall materials, liquid metal self-pinch effect, current limiting characteristics

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220967

TM773

國家自然科學(xué)基金（52177131）和武漢強磁場學(xué)科交叉基金（WHMFC202130）資助項目。

2022-05-30

2022-08-08

段雄英 女，1974年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為智能電器、電力設(shè)備在線檢測、絕緣診斷與限流器。E-mail：xyduan@dlut.edu.cn（通信作者）

李金金 男，1993年生，博士研究生，研究方向為智能電器與液態(tài)金屬限流器。E-mail：jinjinli@mail.dlut.edu.cn

（編輯 李冰）