海军工程大学电气工程学院的研究人员李枫、庄劲武、武瑾等，在2017年第17期《电工技术学报》上撰文指出，随着舰船电力系统容量增大,系统短路电流水平急剧上升,传统电磁脱扣保护装置难以满足现代舰船电力系统快速保护需求。提出了一种液态金属型故障电流触发器,利用液态金属GaInSn在短路电流条件下的自收缩效应产生弧压作为动作信号,具有反应速度快、可靠性高、可自恢复等优点。搭建了液态金属型故障电流触发器弧前特性试验平台,设计了额定1kA的装置样机,进行了温升及弧前特性试验。

试验结果表明：液态金属型故障电流触发器额定1kA通流条件下电极温升仅为43K,其稳态通流能力主要受电磁力作用约束;液态金属型故障电流触发器弧前时间与di/dt近似呈反比关系,当电流上升率为10.3A/μs时,触发器弧前时间为1.09ms。液态金属型故障电流触发器可作为混合型限流断路器的短路电流检测装置,对提高装置可靠性、实现快速限流具有重要意义。

中压直流电力系统是未来舰船电力系统发展的主要方向，具有额定电流大、线路阻抗小等特点，当系统发生短路故障时，短路电流可在2-5ms内上升到100kA以上。

混合型限流断路器通流能力强、分断能力高，成为解决这一问题的有效技术途径。但目前混合型限流断路器通常采用电子测控式传感器作为短路电流检测装置，通过不同的故障判断算法，可将检测时间缩短到几十微秒。但电子测控式传感检测装置元器件多、逻辑判断电路复杂，可能因为器件失效、失电等造成拒动，这也成为制约混合型限流断路器舰用化的主要因素。

电弧触发器体积小、通流能力强、可靠性高，是比较理想的短路电流检测装置。其本质是电热式电流传感器，主要由焊接于电极间的熔体组成，熔体上有许多并联狭颈，正常工况下能够承载额定电流，短路故障时狭颈迅速熔断起弧，弧压作为短路故障信号。

海军工程大学电力系统保护新技术研究室围绕电弧触发器进行了大量研究工作，通过结构尺寸优化、开孔形状改进将载流密度由260A/mm2提升到了3300A/mm2，大大提高了电弧触发器的检测速度。其缺点主要是不可重复使用，每次动作后必须更换，不利于系统供电的连续性。

近年来随着一种无毒、低熔点的金属合金镓铟锡（GaInSn）的出现，使得液态金属在限流保护领域中得到关注。刘懿莹等[12,13]针对液态金属型限流器限流效果的影响因素进行了详细研究，得到了通流孔直径、长度、串联数量及预期短路电流与限流效果的关系。何海龙等[14,15]提出了一种带U型可动部件的液态金属限流器结构，研究了其限流特性，并采用高速摄像观察分析了其内部电弧发展过程。

但以上研究者都是针对限流器进行研究，由于液态金属型限流器通过多个通流孔串联来实现不同电压等级的限流需求，串联数量越大电阻越大，因此只适用于低压小电流场合[16]。文献[17]通过在限流器两端并联快速转换开关来实现大通流能力，但需要额外的故障电流传感器，增加了装置的复杂性。

本文利用液态金属自收缩效应设计了一种故障电流触发器，制作了装置样机并进行了温升及弧前特性试验，实验结果表明了液态金属型故障电流触发器方案的可行性及优越性，可作为混合型限流断路器的短路故障检测装置。

图1 混合型限流断路器原理图

结论

本文利用液态金属自收缩效应提出了一种液态金属型故障电流触发器，制作了额定电流1kA的装置样机，通过温升及弧前特性试验得出如下结论：

1）液态金属型故障电流触发器的弧前过程由于受电热效应和自收缩效应共同作用，弧前时间较纯电热效应的固态电弧触发器和纯电磁力作用的电磁脱扣器更短，di/dt与弧前时间近似呈反比关系，当di/dt为10.3 A/μs时，额定电流1kA的液态金属触发器弧前时间仅为1.09 ms。

2）液态金属型故障电流触发器稳态通流能力受温升影响较小，而主要决于电磁力作用影响。额定电流1kA的液态金属型故障电流触发器稳态通流下电极温升为42K，但液态金属表面在电磁力作用下呈沸腾状。

3）液态金属型故障电流触发器具有传统电磁脱扣器和电弧触发器的高可靠性，同时对短路故障的检测速度有大幅提升并可重复使用，可作为混合型限流断路器中的短路电流传感检测装置，有利于提高装置可靠性，实现快速限流保护。