專利名稱：在限流器中用于在故障情況下限制電流的附加裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在限流器中用于在故障/短路情況下限制電流的附加裝置。
DE 100 03 556公開了一個具有受控整流管的限流器，其包括兩個彼此串聯(lián)的電感/扼流圈和兩個以彼此相反的導通方向串聯(lián)并跨接兩個電感的受控電整流管。在該公知限流器中公共電位點和兩個電感的公共電位點彼此連接，不必直接連接。
在設(shè)備的功率電路中嵌入限流器。該功率電路為了正常運行或額定運行，如在DE 100 03 556中詳細闡述的那樣不形成或在必要時形成一個可忽略的小歐姆電阻。當在要供電的設(shè)備中短路時或者在超過上限電流時才首先將兩個整流管中的第一整流管并且接下來將第二整流管從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)，從而在該設(shè)備的電源電路中引入一個附加的限制電流的電阻。
限流器有如下功能在接通電流回路之后在達到穩(wěn)定狀態(tài)時，電路直流電流I0分別基于有效的元件參數(shù)而流入兩個由電感和跨接的整流管形成的回路。在穩(wěn)定的額定運行下兩個電感不形成交流阻抗，因為沒有隨時間變化的電流流過。兩個整流管是同類的受控整流管，其在功率電流回路接通時通過相應(yīng)的控制電極有源地進入導通狀態(tài)，其在可能需要的耐壓強度下分別包括同類基本整流管的級聯(lián)。
在短路情況下通過產(chǎn)生適當大小的歐姆電阻、電感或二者的組合來表明限流器(在英語中稱為fault current limiter，F(xiàn)CL)的啟動，由此限制設(shè)備回路中的短路電流。在額定運行之前都“看不見”限流器。在故障/短路情況下，在負載中當超過預(yù)定的故障電流閾值并且在第一次達到恢復設(shè)備的電穩(wěn)定性的最小持續(xù)時間的情況下在相關(guān)整流管上施加一個與導通方向相反的電壓，該整流管自身從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)并且保持在該狀態(tài)。在另一個還處在導通狀態(tài)的整流管上，在隨后的一個半周期內(nèi)同樣會出現(xiàn)這樣的特性，如此兩個電感最后彼此電串聯(lián)并且在回路中用作附加的交流阻抗，由此限制電流/短路電流并且不會惡化。為了在能量技術(shù)中限制電流，應(yīng)用熱電抗器以及超導扼流圈。
超導體特別適合于該任務(wù)，因為其在正常工作時僅僅具有很小的電壓降，并且轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)導線會形成較高電阻和磁通量的穿過。這可以用于電阻性或者電感性的限流功能(Prof.Dr.techn.P.Komarek，Hochstromanwendung der Supraleitung，1995)。在交流運行的情況下超導體連接線不是無損耗的，而是始終有兩種損耗機理在起作用，即在母體中的渦流損耗和在硬超導體本身中的反復磁化損耗(“磁滯損耗”)。在直流運行的情況下超導線中的損耗實際為零。
文獻公開了一種限流器，其超導扼流圈通過整流器接在直流側(cè)(Boenig，H.J.和D.A.Paice，1983，F(xiàn)ault Current Limiter using aSuperconducting Coil，IEEE Transactions on Magnetics，五月第三期19卷，1051頁)。電壓源在直流側(cè)與扼流圈串聯(lián)。該電壓源保證電流I0流入扼流圈。
只要不存在故障情況，電流I0的值超過流經(jīng)限制器的交流電流的幅度，而且顯著小于短路電流。由此電橋也允許負載電流流過。在此限制器上的電壓降等于在電橋兩肩的整流管上的電壓降。
在FR-N°1.337.971中建議一種電子電路，其包括一個負載，該負載經(jīng)過一個保護電路連接在電能量源上。該保護電路用于限制電流改變，以緩和負載中的電流突變。該保護電路包括兩個串聯(lián)的電感，該電感由兩個串聯(lián)的、未受控的整流管、即二極管跨接。該二極管的導通方向相反。二極管和電感的公共點彼此直接連接。非未受控整流管僅僅在電流大于保護設(shè)備的響應(yīng)電流時截止，該響應(yīng)電流對應(yīng)于電感中的起始電流，并且通過電感傳導很多的電流部分。相反在交流情況下，也始終存在的較小電流幾乎沒有阻礙地流經(jīng)二極管(導通方向上的二極管電阻)。流入電感的電流不跟隨在最大電流之后再度減小的電網(wǎng)電流，因為其通過二極管短路，并且在此過程中基本上保持達到的值不變。
考慮把分別最近的半波劃分為低于響應(yīng)電流和高于響應(yīng)電流的電流。較小的電流經(jīng)過導通二極管的路徑，而較高電流流經(jīng)電感并且使已經(jīng)流經(jīng)電感的電流升高。該過程隨著每個半波針對電路的各個有效部分重復。這在短路情況下導致電感和外部電路中的電流在為了斷開設(shè)備至少必需的時間間隔(100-150毫秒)內(nèi)并且特別是在用于保證保護裝置選擇性響應(yīng)所需的時間間隔(1-2s)內(nèi)顯著升高。
通過在橋式電路應(yīng)用有源的半受控整流管、例如可控硅來有效限制短路電路。這引起在故障情況下控制流經(jīng)線圈的電流為零的功率控制。(Boenig，H.J.和D.A.Paice，1983，F(xiàn)ault Current Limiter using aSuperconducting Coil，IEEE Transactions on Magnetics，五月第三期19卷，1051頁；FR-N°1.337.971)。當然在這種情況下需要一個特殊的設(shè)備，其識別短路電流并且改變針對電橋中可控硅的控制算法，也就是說在這種情況下不涉及具有無源觸發(fā)器的可靠工作的限流器。該限流器在這種情況下不再是可無源觸發(fā)的元件。其需要一個用于可控硅的特殊控制單元，這顯著降低了限流器的可靠性。
在故障情況下，如果交流電流的幅度超過在扼流圈中的值I0，則通過扼流圈的感抗限制短路電流。通過在瞬變過程中存儲在扼流圈中的最大能量值確定短路電流的極限Wmax＝L*Imax2/2限流器的優(yōu)化是指使在扼流圈中存儲的能量(Wmax)最小。
在根據(jù)DE 100 03 556的限流器中，在故障情況下、也就是在超過高于額定電流的預(yù)定高電流時自發(fā)地、也就是無源地觸發(fā)限流器的整流管。該整流管從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範顟B(tài)并且保持在該狀態(tài)不變。兩個電感L在故障期間用作電路中的附加交流阻抗2ωL，由此在選擇該電感的相應(yīng)參數(shù)的情況下設(shè)備協(xié)調(diào)地/保護設(shè)備地限制短路電流。
在DE 100 03 556中描述的限流器是為所連接的設(shè)備中罕見的短路故障情況而設(shè)置的。只要兩個整流管運行良好，就一直克制限流器。兩個整流管的保護功能對于所連接的設(shè)備十分重要。由于在短路情況下不存在極為有效的限流，所以一個或兩個整流管的非常罕見的中斷/擊穿故障是災(zāi)難性的。在電路中存在的能量無阻抗地減少，因此在無阻抗的能量變換的情況下瀑布般地流出并隨之在最短時間內(nèi)毀壞電路，至少直到最后可能激活上級的保護體系并且跳閘為止。
由此提出本發(fā)明所基于的任務(wù)。用于在故障情況下限制設(shè)備電流的已知限流器本身備有無源的、自發(fā)反應(yīng)的保護裝置，其在一個或兩個整流管毀壞/擊穿的情況下從一開始一直限制短路電流，直到在還沒有發(fā)生毀壞的情況下通過現(xiàn)有的設(shè)備保護有效地完全斷開該設(shè)備/相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。
該任務(wù)通過根據(jù)在權(quán)利要求1的特征部分特征的、在上述限流器中用于限流的附加裝置解決。
附加保護裝置具有如下結(jié)構(gòu)兩個整流管3和4、即主整流管分別與一個另外的電整流管7或者8、即附加整流管以相同的導通方向串聯(lián)，整流管3或4例如是半受控的可控硅或受全控的晶體管。這兩個整流管支路，其一是主整流管3和附加整流管7的串聯(lián)支路，其二是主整流管4和附加整流管8的串聯(lián)支路，在其公共電位點上直接或間接(參見DE 100 03 556)與兩個電感的公共電位點電連接。從兩個整流管支路的公共電位點上可以看出，附加整流管7或者8跟隨主整流管3或4，或者反過來。
兩個附加整流管7和8分別通過一個相同的、無源復雜線路布置5或6跨接，在額定工作狀態(tài)之前從電阻“看不到”該無源復雜線路布置，并且在故障情況下、即在所連接的設(shè)備中短路的情況下在正常的整流管上同樣“看不到”該無源復雜線路布置。僅僅在非常罕見的、在設(shè)備和/或一個或兩個毀壞/擊穿的主整流管中短路的故障情況下，無源復雜線路布置立即對所屬附加整流管或兩個附加整流管根據(jù)其參數(shù)發(fā)揮作用，限制短路電流，使一個附加整流管或兩個附加整流管過渡到截止狀態(tài)，該截止狀態(tài)在對應(yīng)于相關(guān)主整流管的附加整流管上隨著第一次過零點在超過故障電流極限之后自動并因此自發(fā)無源地實現(xiàn)。隨著后面的過零點在另外的整流管支路中產(chǎn)生截止。
一般以無源的復雜線路布置5或6測量對應(yīng)的附加整流管7或8上的電壓U7或U8。在無源的復雜線路布置中，在故障情況下在對應(yīng)的附加整流管7或8上產(chǎn)生電壓U7MAX或U8MAX。分別如此設(shè)計無源的復雜線路布置5和6，即在限流器無故障運行的情況下附加整流管7和8上的最大電壓U7MAX和U8MAX分別低于主整流管3和4上的電壓U3MAX和U4MAX或可預(yù)先確定的電壓UV1，假如在主整流管3或4中或者在這兩個整流管中發(fā)生短路故障，電壓U7MAX或U8MAX或者二者高于在主整流管3或4上要比較的電壓0.5U3MAX或0.5U4MAX或高于可預(yù)先確定的電壓UV2。在此該附加裝置的保護功能是明顯的，利用該裝置在兩個主整流管突然發(fā)生故障這種非常罕見的故障情況下在該故障開始出現(xiàn)時就自發(fā)限制該故障。由于可信的不相關(guān)原因，將附加整流管7或者8上的匹配電壓kU7或者kU8-k是小于1的系數(shù)(分壓)-優(yōu)選與參考電壓Uref比較，以便在電邏輯連接的情況下產(chǎn)生可調(diào)整的固定關(guān)系用以形成識別限流器中故障的信號。可是主要通過施加的電壓排除對整流管7和8的損害。在正常/額定工作狀態(tài)下例如如下進行復雜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和調(diào)整/參數(shù)選擇只要kU7MAX＜k0.5U3MAX(kUV1)＝Uref和kU8MAX＜k0.5U8MAX(kUV1)＝Uref則沒有故障；如果kU7MAX、kU8MAX＞kUV2＝Uref，則在限流器中識別出故障。
由于技術(shù)上的安全原因保持電壓間隔并因此不應(yīng)用電壓平衡。
在從屬權(quán)利要求2至6中詳細列舉了作為電路元件的部件和網(wǎng)絡(luò)。
兩個附加整流管7和8按照權(quán)利要求2是未加控制的，也就是二極管，按照權(quán)利要求3是半控制的、也就是可控硅，或全控制的、也就是晶體管。
經(jīng)過附加整流管的相應(yīng)線路布置一般是復雜的。按照權(quán)利要求4其是一個特殊情況，因為其僅僅具有一個實部。這在僅僅具有歐姆電阻結(jié)構(gòu)的情況下就振蕩來說是沒有問題的。電抗補償-在最簡單的情況下jωL+1/jωC＝0-受頻率束縛，并因此由于沖擊過程的頻率合成而應(yīng)當被避免，因為在此過程中不可避免要激勵起振蕩。按照權(quán)利要求5無源復雜線路布置是一個RC網(wǎng)絡(luò)，也就是包括至少一個電容C和至少一個歐姆電阻R。在權(quán)利要求6中是一個R-L網(wǎng)絡(luò)。
權(quán)利要求7考慮了具有附加限流裝置和保護裝置的限流器的耐壓強度和載流能力。其表明，兩個主整流管以及兩個附加整流管與所要求的耐壓強度匹配地分別包括一個串聯(lián)電路，以及與載流能力匹配地包括一個由至少一個特定于組的基本整流管形成的并聯(lián)電路。在這種情況下，即在附加整流管包括至少兩個串聯(lián)的基本整流管情況下，每個基本整流管或在并聯(lián)電路情況下每個基本附加整流管組備有一個同樣的、無源復雜的基本線路布置。該無源復雜線路布置由有關(guān)的基本線路布置組成，這在選擇參數(shù)的情況下必須針對不同的設(shè)備情況加以注意。
在額定運行之前從電阻上看不到附加線路布置。在罕見的設(shè)備短路情況下正常的整流管引起電阻接通并因此引起限流。在非常罕見的設(shè)備短路和至少一個主整流管不起作用/擊穿的情況下，對應(yīng)的附加整流管承擔啟動有效限流的任務(wù)。利用用于限流的附加裝置實現(xiàn)在電流供應(yīng)系統(tǒng)短路時和在整流管擊穿時自發(fā)并且高效地限制電流；電流供應(yīng)系統(tǒng)的部件的參數(shù)較低；在電流供應(yīng)系統(tǒng)短路時和在整流管擊穿時保證保護裝置響應(yīng)的選擇性；識別整流管中的故障。
因此在真正的限流器(按照DE 100 03 556)中在整流管擊穿時使連續(xù)故障最小化。
借助附圖以在其中列舉的、用于限制電流的附加裝置的示范結(jié)構(gòu)詳細闡述本發(fā)明

圖1示出在附加整流管上具有電阻線路布置的限流器；圖2示出在附加整流管上具有R-C線路布置的限流器；圖3示出在附加整流管上具有R-L線路布置的限流器。
在此限流器的整流管作為主整流管3和4是可控硅，作為附加整流管同樣是可控硅7和8。所有整流管3、4、7、8是半受控的整流管。所有整流管3、4、7、8設(shè)計適合于在電流供應(yīng)系統(tǒng)短路時可能出現(xiàn)的最大電流和最大電壓。
在設(shè)備開始運行時觸發(fā)可控硅3、7和4、8，并使流過扼流圈1和2的電流升高到(恒定或直流)電流I0，其值超過在正常工作狀態(tài)下流經(jīng)限制器的交流電流IMAX的幅度并且小于短路電流。只要在通過限流器保護的電路中不出現(xiàn)故障，則在附加的保護線路布置中流經(jīng)整流管7的電流等于流經(jīng)整流管3的電流，并且相應(yīng)地流經(jīng)整流管8的電流等于流經(jīng)整流管4的電流。
當在扼流圈1和2中的電流升高到I0之后，在正常工作狀態(tài)下流經(jīng)可控硅3、7和4、8的電流在交流電流的一個周期內(nèi)按照如下公式(1)變化I3，7＝I0+IMAXsin(ωt+0)，I4，8＝I0-IMAXsin(ωt+0)。
在此過程中流經(jīng)扼流圈的電流保持I0不變。在出現(xiàn)短路時兩對可控硅、例如可控硅3和7之一首先截止(不導通)，因為在可控硅3和7上出現(xiàn)一個相反的電壓。如果在可控硅3、7上存在相反的電壓的時間間隔等于或大于可控硅的耐壓強度的恢復時間，則可控硅3和7保持在該狀態(tài)不變。否則可控硅4、8出現(xiàn)類似情況。在此期間扼流圈2中的電流增加并且超過值I0。在如此短路的情況下，在串聯(lián)的整流管3和7或4和8上產(chǎn)生與導通方向相反極性的電壓U3+U7或U4+U8。在此，該電壓在附加的保護線路布置中分配在提到的可控硅3、4和相應(yīng)的整流管7、8之間。如此選擇無源的復雜線路布置5和6-專業(yè)用語稱為緩沖器，即在這種情況下整流管7、8上的電壓(U7、U8)明顯小于整流管3、4上的電壓(U3、U4)，例如U7＜0.3U3并且U8＜0.3U4。由此通過施加的電壓消除了對整流管7、8的損害。此外電壓U3、U4并且特別是U7、U8在相應(yīng)公知的預(yù)處理之后經(jīng)過模擬并且也許數(shù)字的變換，可以用于監(jiān)控和初始化現(xiàn)有的不同保護體系。
在整流管3或4損壞的情況下，在對應(yīng)的附加裝置的整流管7或8上施加全電壓，并且限制流經(jīng)扼流圈1、2以及兩個無源復雜線路布置的短路電流。流經(jīng)緩沖器5、6的電流只是短路電流的一小部分，大約為1至3％。在兩個緩沖器5和6中存儲的或釋放的能量也僅僅是在電感1和2中存儲的能量的很小一部分，小于2％。
通過扼流圈1、2和整流管7、8的參數(shù)確定限流器的功能。在半受控的整流管7或8、也就是可控硅的情況下，在整流管3、4擊穿情況下的短路電流與在限流器正常功能下的電流沒有顯著偏差。
參考符號表1電感2電感3主整流管4主整流管5無源復雜線路布置6無源復雜線路布置7附加整流管8附加整流管
權(quán)利要求
1.一種在限流器中用于在故障情況下限制電流的附加裝置，其中限流器包括兩個彼此串聯(lián)的、同類電感/扼流圈(1)和(2)，兩個同類的、以彼此相反的導通方向串聯(lián)并跨接所述兩個電感(1)和(2)的受控電整流管(3)，其特征在于，兩個整流管(3)和(4)、即主整流管以相同的導通方向分別串聯(lián)一個另外的電整流管(7)或者(8)、即附加整流管，兩個同類整流管支路的公共電位點與兩個電感(1)和(2)的公共電位點連接，兩個附加整流管(7)和(8)分別通過用于在故障情況下限流的并且用于確定對應(yīng)附加整流管(7)或(8)上電壓U7或U8的、相同的無源復雜線路布置(5)和(6)跨接，這樣設(shè)計該無源的復雜線路布置(5)和(6)，即在限流器無故障運行的情況下附加整流管(7)和(8)上的最大電壓U7MAX和U8MAX分別低于整流管(3)和(4)上的最大電壓U3MAX和U4MAX或者一個可預(yù)先確定的電壓Uv1，以及，在主整流管(3)或(4)中或在兩個主整流管(3)和(4)中短路/擊穿的故障情況下，電壓U7MAX或U8MAX高于要比較的電壓0.5U3MAX或0.5U4MAX或高于一個可預(yù)先確定的電壓Uv2。
2.按照權(quán)利要求1的附加裝置，其特征在于，所述兩個附加整流管(7)和(8)是非受控的整流管，即二極管。
3.按照權(quán)利要求1的附加裝置，其特征在于，所述兩個附加整流管(7)和(8)是受控的整流管，如作為半受控整流管的可控硅或作為全受控整流管的晶體管。
4.按照權(quán)利要求2至3之一的附加裝置，其特征在于，所述無源復雜線路布置(5)或(6)由電阻部件構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求2至3之一的附加裝置，其特征在于，所述無源復雜線路布置(5)或(6)是R-C網(wǎng)絡(luò)。
6.按照權(quán)利要求2至3之一的附加裝置，其特征在于，所述無源復雜線路布置(5)或者(6)是R-L網(wǎng)絡(luò)。
7.按照權(quán)利要求1至6之一的附加裝置，其特征在于，所述兩個主整流管(3)和(4)以及兩個附加整流管(7)和(8)與所要求的耐壓強度匹配地分別包括一個串聯(lián)電路，以及與載流能力匹配地包括一個由至少一個特定于組的基本整流管形成的并聯(lián)電路，其中在附加整流管(7)或(8)上的對應(yīng)無源復雜線路布置(5)或(6)由同類無源復雜基本線路布置組成，該無源復雜基本線路布置分別跨接由串聯(lián)的附加基本整流管(7)或(8)形成的級。
全文摘要
一種在限流器中用于在故障情況下限制電流的附加裝置包括一個附加電整流管，其與對應(yīng)的主整流管串聯(lián)并且導通方向相同。兩個如此的整流管支路彼此串聯(lián)并且以相反的導通方向跨接兩個彼此串聯(lián)的限流器扼流圈。兩個附加整流管分別通過一個用于在故障情況下限制電流的、相同的無源復雜線路布置跨接。在標準運行狀態(tài)之前看不到限流裝置，其在故障情況下、即使在主整流管擊穿的情況下也能將短路電流有效限制在一個預(yù)定限度。
文檔編號H02H3/05GK101073188SQ200580041670
公開日2007年11月14日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月4日
發(fā)明者K·-P·朱恩格斯特, M·諾, G·庫帕曼 申請人:卡爾斯魯厄研究中心股份有限公司