專利名稱：故障電流限制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)故障電流限制器裝置。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)故障電流限制器的利用是熟知的，因?yàn)樗诒Ｗo(hù)電路避免出現(xiàn)相位間故障和相位到地故障方面具有相當(dāng)大的潛力。 超導(dǎo)故障電流限制裝置的例子在下述文獻(xiàn)中可以看到Darmann等的美國(guó)專利7193825 ;Yuan等的美國(guó)專利6809910 ;Boenig的美國(guó)專利7193825 ;以及Walker等的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2002/0018327。以Darmann為例，這些裝置可以經(jīng)由DC偏置線圈操作，DC偏置線圈放置在磁芯周圍，以將該磁芯偏壓為磁飽和。 一旦有故障發(fā)生，該磁芯去除飽和狀態(tài)，這對(duì)該故障產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的磁阻。其它電流限制裝置通常利用芯體的磁特性的操控。
在大多數(shù)故障電流限制裝置運(yùn)行期間，實(shí)際電流故障可能通過(guò)該裝置的AC電路。這在該裝置的DC電路中感生相應(yīng)的瞬態(tài)電壓和電流。超導(dǎo)線圈本身、互連器、低溫保持器饋通、DC電源和電源過(guò)濾裝置(如，電容器)、以及保護(hù)裝置(例如，二極管、晶體管)必須被選擇或設(shè)計(jì)為承受瞬變周期期間傳遞的所希望的瞬態(tài)電壓、電流和凈能量的最壞情況下的量值。 這種問(wèn)題的例子在圖1和圖2中示出，這兩個(gè)圖示出了歸于Darmann的前述裝置上的故障的模擬。在圖1中，示出了在t = 4.000秒時(shí)發(fā)生的模擬故障的時(shí)間電壓曲線圖。在圖2中，示出了在DC超導(dǎo)偏置線圈中相應(yīng)的感生電流?？梢钥闯觯跁r(shí)間t = 4.000秒處及該時(shí)間之后存在大量潛在破壞性的感生電流。該模擬結(jié)果顯示出，可以感生出500V的瞬態(tài)電壓，并伴隨超過(guò)1. lkA的峰值電流。這種瞬時(shí)現(xiàn)象可能損壞該線圈DC電源和DC線圈本身。 降低這種瞬態(tài)感生電流是困難的，因?yàn)樗鼘?shí)際上由AC和DC線圈之間的變壓器效應(yīng)引起，并且因此是系統(tǒng)依賴的故障電流的函數(shù)。如果AC側(cè)電壓降低瞬態(tài)感生電流是是可以降低的，但是那是固定的并且應(yīng)用依賴(例如，11kv、22kv等)。 瞬態(tài)感生電流還可以通過(guò)降低DC和AC側(cè)之間的匝比(這要求增加在DC線圈上的匝數(shù)，而這對(duì)于在所考慮的應(yīng)用中所要求的故障限制百分比可能不實(shí)際，或者它可能太昂貴)來(lái)降低。可替換地，AC側(cè)的匝數(shù)可以降低，然而，這將降低用于限制故障電流的裝置的有效電阻。該裝置的瞬態(tài)電阻與AC匝數(shù)的平方成比例。通過(guò)降低AC匝數(shù)來(lái)降低有效電阻是存在缺點(diǎn)的，因?yàn)闉榱藢?duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，鋼的橫截面積必須增加，這使設(shè)計(jì)方案更大、更重且更昂貴。 此外，必須注意的是，在該裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，作為AC側(cè)的感生結(jié)果，感生電流和感生電壓也存在與DC電路中。這些在大小上比那些在故障電流限制情況期間感生的電流和電壓低很多，但是盡管如此，這種影響在DC線圈電源接口電路設(shè)計(jì)中是必須被允許的。例如，通過(guò)提供足夠的到地的電容來(lái)將電流從DC電源中吸走。 在本說(shuō)明書全文中討論的現(xiàn)有技術(shù)不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是承認(rèn)這種現(xiàn)有技術(shù)是廣泛熟知的或形成本領(lǐng)域的公知常識(shí)的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供顯著降低故障電流限制器中的感生的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電壓和/
或電流的有效方法。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種抑制磁飽和芯體故障電流限制器的DC電路中的瞬態(tài)電流的方法，該方法包括步驟(a)在該芯體周圍設(shè)置第一電流線圈，用于使連接至DC電源的該芯體磁飽和；(b)在該芯體的周圍設(shè)置第二電阻性電流線圈，第二電阻性電流線圈與第一電流線圈并聯(lián)互連至DC電源，并以與第一電流線圈相反的方向纏繞在該芯體周圍。 第一電流線圈可以為超導(dǎo)線圈。芯體可以互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)電源的每個(gè)相的電流。第二電阻性電流線圈可以與第一電流線圈間隔開(kāi)。第二電阻性電流線圈可以與第一電流線圈交叉。芯體可以互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)電源的每個(gè)相的電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種故障電流限制器，包括至少一個(gè)可磁飽和的芯體；第一電流線圈，纏繞在該芯體周圍，并互連至DC電源，用于使該芯體磁飽和；第二電流線圈，以與第一電流線圈相反的方向纏繞在該芯體周圍，并與第一電流線圈并聯(lián)電互連至DC電源。 第一電流線圈可以為超導(dǎo)線圈。芯體可以互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之
間，且該故障電流限制器限制通過(guò)電源的每個(gè)相的電流。第二電阻性電流線圈可以與第一
電流線圈間隔開(kāi)。第二電阻性電流線圈可以與第一電流線圈交叉。芯體可以互連在電源的
每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)電源的每個(gè)相的電流。 電阻性電流線圈與第一電流線圈理論上電絕緣，并且可以浸入致冷劑、被冷卻至
與第一 電流線圈相同的溫度，或者它可以處于環(huán)境溫度。它可以為平板或柱體形式，并且可
以與所有其它線圈電絕緣地短路，或者它可以電連接至DC偏置線圈。


現(xiàn)在將參照附圖，僅以舉例的方式，描述本發(fā)明的有效實(shí)施方式，在附圖中
圖1示出發(fā)生故障情況時(shí)在現(xiàn)有技術(shù)的DC線圈中的計(jì)算感生EMF的曲線 圖2示出經(jīng)受模擬故障情況時(shí)故障電流限制器的DC線圈中的計(jì)算感生電流的曲線圖； 圖3示意性地示出了在故障電流限制器中結(jié)合有DC阻尼線圈(也稱為補(bǔ)償線圈或電阻線圈)； 圖4示出發(fā)生故障情況時(shí)優(yōu)選實(shí)施方式的DC線圈中計(jì)算感生EMF的曲線 圖5示出經(jīng)歷模擬故障情況時(shí)優(yōu)選實(shí)施方式的故障電流限制器的DC線圈中的計(jì)算感生電流的曲線圖； 圖6示出多相故障電流限制器的側(cè)面透視 圖7示出單相結(jié)構(gòu)的截面圖； 圖8示出多相故障電流限制器的可替換形式的側(cè)面透視 圖9示出圖9的限制器的頂視圖；禾口 圖10示出當(dāng)經(jīng)歷模擬故障電流時(shí)圖8的結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
在優(yōu)選實(shí)施方式中，利用第二線圈與超導(dǎo)線圈一起降低超導(dǎo)線圈和DC電路中的任何瞬態(tài)感生電流和電壓的影響。將參照前述Darmann的系統(tǒng)討論優(yōu)選實(shí)施方式。
在圖3中，示意性地示出了優(yōu)選實(shí)施方式10的單相方案結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了疊片鋼芯IO。在一側(cè)上，電源11互連至圍繞鐵或其它高磁導(dǎo)材料纏繞的主芯體12。而且，負(fù)載14互連至次級(jí)繞組15。圍繞中間臂16形成有兩個(gè)線圈，包括外部超導(dǎo)偏置線圈17和內(nèi)部DC阻尼線圈18，內(nèi)部DC阻尼線圈18可以由銅線或銅片形成并與超導(dǎo)偏置線圈17并聯(lián)連接。在可替換實(shí)施方式中，線圈17可以保持不電連接至任何部并且被短路。超導(dǎo)偏置線圈17用來(lái)將芯臂16偏壓成磁飽和(如由現(xiàn)有技術(shù)所設(shè)置的那樣)。DC阻尼線圈18可以與超導(dǎo)偏置線圈17隔離，并且不需要低溫冷卻，也不需要電連接至偏置線圈。DC阻尼線圈18用來(lái)衰減在故障電流限制器10中的感生瞬態(tài)振蕩。 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，AC線圈在鋼芯中感生出少量磁通量。這使鋼芯磁通量圍繞小磁滯回線振蕩。磁通量的這種小的干擾導(dǎo)致在DC飽和線圈中的感生EMF和感生電流。在常規(guī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，這種感生電流與DC源電流相比相對(duì)小，并且感生EMF小。例如，如果AC線路電流為1000安培AC rms，并且AC線圈和DC線圈匝之間的比為100，則在飽和的故障電流限制器的DC電路感生出IO安培AC有效值(rms)的電流。這是由下述等式[1]描述的基本變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的 I (在DC線圈中感生的)=(n/N) X I (AC_電路) 等式[1]
其中
N = DC匪數(shù)
n = AC匪數(shù) 更一般地，在DC線圈中任意時(shí)間t時(shí)的凈電流等于來(lái)自電源的激勵(lì)電流和從AC電路中在DC線圈中感生的電流之和 I(DC線圈)=I(電源)+I(DC線圈中感生的) 等式[2] 類似地，當(dāng)芯體不飽和時(shí)，在DC線圈中感生的感生正弦穩(wěn)態(tài)EMF將滿足熟知的穩(wěn)態(tài)變壓器等式 V = 4. 44XBpeakXNXAXf 等式[3]
其中 參V =從AC側(cè)在DC線圈中感生的有效值(RMS)[伏]
參Bpeak = FCL芯體中的正弦穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的峰值(特斯拉)[OO41 ] 參A =芯體的橫截面積(m2)
參f = AC系統(tǒng)頻率
參N = DC線圈上的匝數(shù) 類似地，在該裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，根據(jù)等式[4] ， DC阻尼線圈在其中還感生有正弦穩(wěn)態(tài)電流 I (在補(bǔ)償線圈中感生的)=(n/v X I (AC-電路) 等式[4]
其中，v為補(bǔ)償線圈上的匝數(shù)，在某些情況中它可以等于單匝。這在無(wú)故障穩(wěn)態(tài)或有故障穩(wěn)態(tài)(即，當(dāng)在AC線上發(fā)生故障時(shí))情況中也都為真。補(bǔ)償線圈中的感生電流與AC線中的電流的極性相反，并且照這樣將在中間芯體中建立磁通，該磁通與源于AC線圈的磁通極性相反。 利用合適的數(shù)值求解方法在理論上模擬出了補(bǔ)償線圈在無(wú)故障穩(wěn)態(tài)和有故障穩(wěn)態(tài)之間的瞬態(tài)周期期間的影響。 例如，圖4示出優(yōu)選實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的AC電路上模擬故障的電壓輸出波形41，同時(shí)圖5示出偏置線圈電路中的凈電流51和熄滅保護(hù)電阻器52中的電流。芯體被飽和至2. 0特斯拉的值，且穩(wěn)態(tài)中AC干擾近似為-19特斯拉至2. 1特斯拉。在這種電路模擬中采用的其它參數(shù)如下所述 參六個(gè)鐵心中的每一個(gè)上的AC匝數(shù)為40 (n = 40)，
參DC匪數(shù)為800 (N = 800)， 參DC偏置電流為90安培(I (電源)=90安培)， 參線間施加的AC電壓源為llkV AC RMS， 參AC電路負(fù)載為9歐姆(無(wú)故障穩(wěn)態(tài)負(fù)載)， 參采用的短路負(fù)載(即，故障電阻)為0.04歐姆， 參預(yù)期短路電路為10000安培， 參磁導(dǎo)材料的芯體面積為0. 02平方米， 參采用的芯體窗口尺寸為O. 8m寬X2. 2m高，以及 參故障發(fā)生時(shí)間為t = 4. 000秒， 參模擬中使用的阻尼線圈等效于800匝的銅導(dǎo)體，并且能夠傳送期望的感生電流。 圖4和圖5示出，在該電路的AC側(cè)發(fā)生故障期間，DC電路中的和通過(guò)超導(dǎo)偏置線圈的瞬態(tài)感生電流和瞬態(tài)感生電壓實(shí)質(zhì)上降低了。其中發(fā)現(xiàn)在AC側(cè)上的故障之后的峰值瞬態(tài)電流從1. lkA的幅值(沒(méi)有補(bǔ)償線圈)下降至0. 55kA的幅值(有補(bǔ)償線圈)(圖2)。其中發(fā)現(xiàn)在AC側(cè)上的故障之后的峰值瞬態(tài)電壓從93V的幅值(沒(méi)有補(bǔ)償線圈)下降至63V的幅值(有補(bǔ)償線圈)(圖4)。 根據(jù)需要，阻尼線圈17可以纏繞在超導(dǎo)線圈上，在超導(dǎo)線圈之下，或者如果它纏繞在飽和故障電流限制器的中間鐵心周圍，則它可以位于低溫保持器中或低溫保持器外部。當(dāng)然它必須并聯(lián)而不是串聯(lián)電連接至DC線圈，并且它可以形成短路且不連接其它任何部件上。因此，DC線圈可以由具有合適厚度尺寸的銅板柱體形成，也將衰減穩(wěn)態(tài)和DC電路及線圈中的瞬態(tài)感生電流和電壓。 在多相結(jié)構(gòu)中，DC補(bǔ)償線圈18可以纏繞在每個(gè)變壓器芯體的周圍，并與超導(dǎo)DC線圈17并聯(lián)電連接。 圖6示出多相結(jié)構(gòu)的一部分的側(cè)面透視圖。在這種結(jié)構(gòu)中，有三個(gè)輸入線圈70、71、72纏繞在相應(yīng)的臂周圍，并有三個(gè)輸出線圈73、74、75也纏繞在相應(yīng)的臂周圍。每個(gè)臂形成回路的一部分，該回路的其它部分形成芯體80的一部分。可以看出，超導(dǎo)線圈和低溫保持器77以及DC補(bǔ)償線圈70都分別纏繞在多相結(jié)構(gòu)的六個(gè)相臂周圍，以對(duì)每個(gè)相位提供故障電流限制能力。
結(jié)構(gòu)81具有的顯著優(yōu)勢(shì)在于，DC線圈78可以與超導(dǎo)線圈70分開(kāi)形成，并且因此 不需要低溫冷卻。 圖7示出圖6的單相結(jié)構(gòu)的平面圖一側(cè)的設(shè)計(jì)圖，同時(shí)示意性地示出了第一超導(dǎo) 低溫保持器和線圈60以及第二DC線圈61。 圖8示出多相故障電流限制器的其它修改結(jié)構(gòu)的基本部分的側(cè)面透視圖，低溫保 持器82中的超導(dǎo)線圈81形成在疊片鋼芯82周圍。在這個(gè)例子中，補(bǔ)償線圈84設(shè)置在低 溫保持器中。這可以在圖9中更清楚地看出，圖9為圖8的結(jié)構(gòu)的頂視平面圖。
在圖10中，示出了圖8的結(jié)構(gòu)的飽和故障電流限制器的高磁導(dǎo)芯體中的磁通的模 擬的時(shí)間快照。在這個(gè)快照中，發(fā)現(xiàn)6個(gè)外部鐵心(outerlimbs)中的5個(gè)和中間芯體被偏 壓至2.00特斯拉。在這5個(gè)鐵心90-94上的5個(gè)AC線圈中的每一個(gè)都具有低電阻。纏繞 在具有約0. 045特特斯拉的低磁通的鐵心95上的線圈將具有高電阻。因此，此時(shí)，三相裝 置中的兩相具有低電阻，并且一相具有高電阻。這是飽和故障電流限制器可以用來(lái)降低故 障電流大小的機(jī)制。 對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明顯的是，所示出的結(jié)構(gòu)可以在單相和多相系統(tǒng)中都可以 使用。雖然已經(jīng)參照具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以以 其它形式實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種抑制磁飽和芯體故障電流限制器的DC電路中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)感生電流或電壓的方法，該方法包括下述步驟(a)在該芯體周圍設(shè)置第一電流線圈，用于使連接至DC電源的該芯體磁飽和；(b)在該芯體的周圍設(shè)置第二電阻性電流線圈。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第二電阻性電流線圈與第一電流線圈并聯(lián)地互連至DC電源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述電阻性電流線圈以與所述第一電流線圈相反的方向纏繞在該芯體周圍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第二電阻性電流線圈被短路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第一電流線圈為超導(dǎo)線圈。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中該芯體互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)所述電源的每個(gè)相的電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第二電阻性電流線圈與所述第一電流線圈間隔開(kāi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述第二電阻性電流線圈與所述第一電流線圈交叉。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中該芯體互連在所述電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)所述電源的每個(gè)相的電流。
10. —種故障電流限制器，包括至少一個(gè)可磁飽和的芯體；纏繞在該芯體周圍并互連至DC電源的第一電流線圈，用于使該芯體磁飽和；設(shè)置在該芯體周圍的一匝或多匝第二電流線圈。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所示的故障電流限制器，其中所述第二電流線圈包括導(dǎo)電柱體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所示的故障電流限制器，其中所述第二導(dǎo)電線圈包括以與所述第一電流線圈相反的方向纏繞的多匝線圈。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所示的故障電流限制器，其中所述第二電流線圈與所述第一電流線圈并聯(lián)地電互連至所述DC電源。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所示的故障電流限制器，其中所述第一電流線圈為超導(dǎo)線圈。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所示的故障電流限制器，其中該芯體互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)所述電源的每個(gè)相的電流。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所示的故障電流限制器，其中所述第二電阻性電流線圈與所述第一電流線圈間隔開(kāi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10所示的故障電流限制器，其中所述第二電阻性電流線圈與所述第一電流線圈交叉。
18. 根據(jù)權(quán)利要求IO所示的故障電流限制器，其中該芯體互連在電源的每個(gè)相的供給和負(fù)載之間，且該故障電流限制器限制通過(guò)所述電源的每個(gè)相的電流。
全文摘要
一種抑制磁飽和芯體故障電流限制器的DC電路和線圈中的感生的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流和電壓的方法，該方法包括步驟(a)在該芯體周圍設(shè)置第一電流線圈，用于使連接至DC電源的該芯體磁飽和；(b)在該芯體的周圍設(shè)置第二電阻性電流線圈，并且或者被短路或者與第一電流線圈并聯(lián)互連至DC電源，并以與第一電流線圈相同或相反的方向纏繞在該芯體上。
文檔編號(hào)H02H7/00GK101730963SQ200780053702
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者弗朗西斯·安東尼·達(dá)爾曼 申請(qǐng)人:全能智電力股份有限公司