專利名稱：用于故障限流器的功率衰減器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超導故障限流器設備。
背景技術：
已知超導故障限流器的應用在保護電氣電路免受相間故障和單相接地故障方面具有巨大潛力。超導故障限流器設備的例子可在下面這些專利中看到=Darmarm等的美國專利 7193825 ；Yuan等的美國專利6809910 ；Boenig的美國專利5726848 ；以及Walker等的公開 號為2002/0018327的美國專利申請。以Darmarm的專利為例，這些設備可以利用DC偏置 線圈來進行操作，圍繞磁芯布置DC偏置線圈以將該磁芯偏置到磁飽和。一旦發(fā)生故障，該 磁芯失去飽和，這將相對于故障產(chǎn)生相當大的磁阻。其它的限流器設備通常利用對磁芯的 磁特性的操作。在大多數(shù)故障限流器設備的操作中，當故障發(fā)生時，會有相當大的故障電流流過 該設備的AC電路。這會在該設備的DC電路中產(chǎn)生相應的瞬變電壓和電流。超導線圈自身、 互連、過渡饋線、DC電源、和電源濾波(如電容器)、和保護器件(例如二極管、晶體管)必 須被選擇或設計為承受瞬變電壓、電流和瞬變期間傳輸?shù)膬艄β实牧恐档淖畈钋闆r。本說明書上下文中的故障事件被描述為一種FCL所保護的AC電路上的短路的形 式，S卩，F(xiàn)CL被設計用來限制的AC電路上的短路或其它瞬變現(xiàn)象。假定該故障不描述在FCL、 繞組、或其組件內發(fā)生的內部故障。圖1和圖2中示出了這個問題的一個例子，示出了基于前面提到的Darmarm的設 備的故障事件仿真。在圖1中，示出了在t = 4. 000秒時發(fā)生的所仿真的故障的時間電壓 曲線圖。在圖2中，示出了在DC超導偏置線圈中流動的相應的感應電流。可以看出，在t =4. 000秒及以后，存在巨大潛在破壞性的感應電流。該仿真結果表明，可感應出500V的 瞬變電壓，并且伴有超過1. IkA的峰值電流。這樣的瞬變可能損壞線圈的DC電源和DC線 圈自身。很難減小該瞬變感應電流，因為該瞬變感應電流被AC和DC線圈之間的變壓器效 應有效驅動，并從而依賴于與系統(tǒng)有關的故障電流。如果減小AC側電壓的話，該感應電流 可被減小，但是該AC側電壓是固定的并且與環(huán)境有關(如llkV、22kV等)。也可通過降低DC和AC側之間的匝數(shù)比來減小該瞬變感應電流，這要求增加DC線 圈的匝數(shù)，這對于所考慮的應用中要求的故障限制百分比來說是不現(xiàn)實的，或者過于昂貴。 備選地，可以減少AC側的匝數(shù)，然而，這將會減小設備用于限制故障電流的有效阻抗。設備 的瞬變阻抗與AC匝數(shù)的平方成正比。通過減少AC匝數(shù)來減小有效阻抗是不利的，因為為 了補償匝數(shù)的減少，鋼鐵的橫截面積必須要增加，從而使得設計更大、更重且成本更高。另外，必須注意的是，在設備的穩(wěn)態(tài)操作過程中，由于AC側感應，使得在DC電路中 也會出現(xiàn)感應電流和電壓。這些感應電流和電壓在幅值上要比在故障電流限制事件中感應 的電流和電壓的幅值低得多，盡管如此，在DC線圈電源接口電路的設計中必須得允許這種效應。例如，通過提供充分的對地電容來從DC電源中吸收電流。在超導應用中通常包括失超檢測電路和保護。該失超檢測電路通常包括用于隔離 電源的快速斷開固態(tài)開關和用于閉合以將存儲的能量轉儲到電阻器的另一固態(tài)開關。這些 所謂的“失超保護機制”被設計位保護超導線圈免受內部產(chǎn)生的故障或不穩(wěn)定熱瞬變的影 響，所述內部產(chǎn)生的故障或不穩(wěn)定熱瞬變將線圈驅動到正常導通狀態(tài)。失超檢測電路通常 依賴于對超導線圈內形成的兩個或更多個線圈段之間的電壓比的檢測。不幸的是，失超檢測電路和保護機制電路不適于在DC飽和故障限流器的AC電路 上的故障事件期間轉儲能量。這是因為電壓比檢測電路將不能正確地工作。在AC側故障 期間感應到DC電路中的電壓瞬變現(xiàn)象不是由于內部產(chǎn)生的故障引起的。此外，由于上述現(xiàn)象，感應的電壓瞬變均勻地分布在線圈上，這并不參與常規(guī)的失 超檢測和保護。在說明書全文中對現(xiàn)有技術的任何描述都不應被理解為承認這樣的現(xiàn)有技術被 廣泛地熟知或構成本領域公知常識的一部分。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種對故障限流器中的瞬變進行功率衰減的有效方法。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種使故障限流器的DC偏置線圈中的瞬變衰減 的方法，該方法包括如下步驟將瞬態(tài)抑制電路互連在DC偏置線圈兩端，瞬變抑制電路當 DC偏置線圈兩端的瞬變電壓超過預定的最大值時工作。瞬變抑制電路可以包括第一組串聯(lián)的二極管和第二組串聯(lián)的二極管，第一組和第 二組以彼此相反的方向并聯(lián)。備選地，瞬變抑制電路可以包括一組級聯(lián)的齊納二極管。備 選地，瞬變抑制電路可以優(yōu)選地包括一組非線性電阻器。DC偏置線圈可以纏繞多相系統(tǒng)中 的單相磁芯或多相磁芯。DC偏置線圈可包括超導線圈。根據(jù)本發(fā)明進一步的方面，提供了一種用于與故障限流器中的DC偏置線圈并聯(lián)地互連的功率衰減電路，該功率衰減電路具有非線性響應，在DC偏置線圈兩端為低電壓時 具有高阻抗，以及在DC偏置線圈兩端為高電壓時具有低阻抗。該電路可由無源器件構成，包括一組串聯(lián)的齊納二極管或至少一個非線性電阻器，并且所述齊納二極管當DC線圈兩端的電壓超過預定電壓時被激活。


現(xiàn)在將參考相應的附圖僅以示例的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中圖1示出了故障狀況發(fā)生時計算出的現(xiàn)有技術的DC線圈內的感應EMF的曲線圖；圖2示出了當受到模擬故障狀況時計算出的在故障限流器的DC線圈內的感應電 流的曲線圖；圖3示出了根據(jù)美國專利7193825構造的故障限流器的一個臂(arm)；圖4示出了用于仿真在不防止反射功率的情況下的DC飽和FCL的電路；圖5示出了圖4電路的仿真響應的圖示；圖6示出了由于圖4中FCL的操作而導致的故障電流減小的圖示；圖7示意性地示出了功率衰減電路與DC線圈的并聯(lián)；
圖8示意性地示出了一種形式的衰減電路；圖9示出了第二種形式的衰減電路；圖10示出了包括圖8的衰減電路的仿真電路；圖11示出了針對圖10電路的相應的DC瞬變；圖12示出了表示通過使用功率衰減器而實現(xiàn)的故障電流減小的曲線圖；圖13示出了表示DC電路瞬變的操作的曲線圖；圖14示出了針對兩個連續(xù)瞬變的DC電路電流；以及圖15示出了針對兩個緊密布置的連續(xù)瞬變的DC電路電流。
具體實施例方式在優(yōu)選實施例中，圍繞鐵芯的DC飽和超導線圈內的能量實質上等于磁場和磁化 強度的乘積，這是因為磁芯處于高度的飽和狀態(tài)。希望高度飽和的磁芯使設備的插入阻抗 (即，在非故障、穩(wěn)態(tài)條件下從AC端看到的該設備阻抗)最小化。在DC飽和FCL中，如在美 國專利7193825中公開的(其內容通過交叉引用結合于此)，AC和DC線圈都存在。在故障 電流事件期間(即，受保護的AC電路上的短路)，必須要被轉儲的能量不僅包括DC線圈的 儲存能量，還包括由于AC和DC線圈之間的互相耦合而從AC電路反射到DC線圈中的能量。
能量可以如下表示
<formula>formula see original document page 5</formula>等式1其中，能量是在DC電路中消耗的總能量，BUtl)是故障時間之前鐵芯內的DC磁場； H(t0)是故障時間之前鐵芯的DC磁化強度；ν (t)是通過AC耦合而感應到DC線圈中的電壓 瞬變；i (t)是通過AC耦合而感應到DC線圈中的電流瞬變；且、是AC電路的故障周期的 結束時間。DC線圈內的瞬變電壓和電流將取決于保護電路和DC線圈的特征。在優(yōu)選實施例 中，希望減小v(t)和i(t)兩者的幅值以及控制總的線圈能量，從而使得在FCL的操作期間 (即，在AC電路的故障期間)將該能量安全地轉儲在外部電阻器中。能量方程(等式1)的第一部分是取決于DC飽和FCL的具體設計的量。通常根據(jù) 技術和經(jīng)濟考慮來最優(yōu)化B和H的值。能量方程的第二部分是通過適當設計AC與DC電路 之間的匝數(shù)比以及它們之間耦合度而可增大的部分。(例如通過在鐵芯內引入氣隙而實現(xiàn) 的)較低磁耦合將會減小感應瞬變電流和電壓，然而，這增加了使磁芯飽和所需的超導安 匝數(shù)量，這將是不經(jīng)濟的。另外，增大磁化強度H，從而增大系統(tǒng)中的DC存儲能量。本領域技術人員將會認識 至IJ，額外的能量實質上儲存在氣隙部分的磁場中。減小總能量的更好方法是通過DC電路上的保護電路控制瞬變感應電流和電壓 的波形v(t)和i(t)，從而直接減小由AC電路耦合到DC電路中的能量。將合適大小的電阻 器并聯(lián)在DC線圈的兩端可以實現(xiàn)這一目的，然而，當采用永久連接的電阻器時，將會產(chǎn)生 大量的能量損耗并且DC電源必須具有相當大的尺寸以提供恒定的DC分路電流。
圖4示出了用于在優(yōu)選實施例上進行仿真測試的仿真AC電路。如在之前提到的 專利申請中形成的，電路41互連到一個三分支FCL 42。飽和磁場是2. OOT (特斯拉)，磁化 強度是10000A/m。儲存在DC磁場內的能量大約為20kJ。在仿真中，有多種不同的方法來 表示DC電源。不論是使用恒流源模型、或恒壓源模型、線性調節(jié)電源模型、或開關型電源， 發(fā)現(xiàn)得到的結果實質上是一致的。在每種情況下感應的瞬變電壓和電流波形的細節(jié)雖然有 所變化，但是這并不損害這里公開的保護機制的操作。為了簡單起見，優(yōu)選實施例的仿真采 用恒壓源。圖5示出了 DC電路中對AC側故障的預期感應瞬變電流和電壓波形響應的曲線 圖。通過對0.08歐姆電阻器引入短路來仿真AC電路故障。曲線50示出了 AC電路故障， 曲線51示出了 DC電路中相應的感應瞬變電壓。缺少任何的電阻都會使感應瞬變很大，并 且感應瞬變取決于DC電源的情況。通常，感應到DC電路51中的瞬變感應電壓對超導線圈有害，并且將會導致增加絕緣損壞和超導線圈完全失效的可能性。圖6示出了 FCL的基本功能特性。這就是說，這里所描述的技術不會影響FCL的 性能，而是能增強了該DC電路的正確和重復操作所需的保護和可靠性。曲線圖示出了在第 一種情況60和第二種情況61下的AC側電流，其中在第一種情況60中不存在FCL，在第二 種情況61中存在FCL。這兩個曲線圖示出了與在AC電路中不使用DC飽和故障限流器的情 況相比，在AC電路中使用DC飽和故障限流器時故障電流減小。在優(yōu)選實施例中，除了 FCL之外，還包括與DC線圈并聯(lián)的無源開關功率衰減電路， 其電路結構如圖7所示，其中，圍繞磁芯74形成DC線圈71，功率衰減電路72與DC功率源 73并聯(lián)地互連。圖8示出了無源開關功率衰減電路80的第一種形式，并且圖9示出了電路90的 第二種形式。它們兩者都包括在DC線圈電路中的無源開關轉儲電阻器。如前述的，這些電 路與超導線圈并聯(lián)。圖8和9的電路兩者都使用非線性組件，它們在AC電路的瞬變事件期間作為開 關。在穩(wěn)態(tài)、非故障條件期間，保護電路80、90具有總的高阻抗并且不傳導電流。因此，這 些保護電路不會在DC電源上強加任何額外的電流負擔，并且具有零熱負載。這減小了本來 需要的熱吸收和冷卻的量。在AC電路上的故障事件期間，通過AC和DC電路之間的互耦，DC線圈71 (圖7)兩 端的瞬變電壓幅值將會增加到高于正常值。該電壓將會觸發(fā)無源開關元件(即，可變電阻 器81或二極管82)導通，并且如果大小合適的話，這些組件將會在AC電路的故障時間段內 具有低電阻。將認識到，可以通過調整在每個串聯(lián)組中二極管81的數(shù)量來設計圖8所示電路的 “導通”電壓。在備選實施例中，可以將二極管81替換成在已知的前向偏置電壓下導通的合 適大小的火花隙器件或其它無源器件。備選地，可以在合適情況下將二極管鏈替換成適當 標定的齊納二極管。如圖8所示的保護電路的一個優(yōu)點是，器件在它們下一次應用于電壓限制功能之 前，沒有瞬變熱冷卻時間的要求。例如一些非線性電阻器在熱效應中會表現(xiàn)出它們的非線 性特性。這些效應將需要冷卻時間，這對于整個設備的可靠性來說是不實際的。例如，在特 定子站的斷路器邏輯會要求斷路器在1秒的時間段之后閉合，從而“重試(re-try)，，電路。通常在使用架空線的地方(即，非地下)使用這種方案，掉落的支線可能是引起短路的原 因。在圖8中二極管81的前向偏置電壓可以被設置為比DC電源73(圖7)上的過電壓保護設置低的值。通過這種方式，電源在AC側故障事件期間保持有效，并為下一個AC故 障事件做好準備，而無需任何的時間延遲來重新偏置磁芯。轉儲電阻器R(82、92)的選擇將取決于在DC電源和濾波器中使用的器件、儲存在 DC線圈內的能量、和承受DC線圈電平的電壓絕緣。在優(yōu)選實施例中，采用電路來保護超導線圈，并且采用這些電路來轉儲來自線圈 的從電路的AC側反射的能量。本領域技術人員將認識到，可以通過使用過電壓檢測電路、隔離電源的一個IGBT 開關、以及將DC線圈能量和反射的瞬變能量轉移到轉儲電阻器的另一個IGBT開關，來代替 上述電路。然而，這種類型的保護機制依賴于有源檢測技術和有效電子器件。優(yōu)選實施例 提供無源電路，并且因此可能會更魯棒，并且與DC飽和故障限流器的無源特性一致?，F(xiàn)在將說明無源衰減電路如何作用以減小瞬變感應電流和電壓波形。圖10示出的電路與圖4所示電路不同之處僅在于還包括無源反射功率衰減電路 100。通過在每個并聯(lián)的二極管組中串聯(lián)十個二極管，將每個二極管組100的正向偏置電 壓設置為6.0伏。這是保護電路的“導通”電壓。該電路的其它有關參數(shù)如下在6個分 支中每個分支上的AC匝數(shù)為40 (η = 40) ；DC匝數(shù)為800 (N = 800) ；DC偏置電流為90安 培，I (P0Wer_Supply) = 90安培；采用的AC電壓源為線與線之間IlkV ACRMS ；AC電路負 載為10歐姆(非故障穩(wěn)態(tài)負載)；采用的短路負載(即故障負載)為0.08歐姆；預期短路 電流為10，000安培；穿透性材料的磁芯面積為0. 02平方米；使用的磁芯窗口尺寸為0. 8m 寬X 2. 2m高，并且故障發(fā)生時間被設定為t= 12. 000秒。圖11示出了在AC側故障事件之后，計算的DC電路中的瞬變電流111和電壓110。 在DC電路中的感應電壓被有效地減小到大約200伏的峰值，并且DC電流被有效地減小到 大約300安培的峰值。圖12示出了在具有FCL的情況下122和在不具有FCL的情況下121，圖10電路 中所計算的AC電路瞬變電流波形?？梢钥闯?，在包括保護電路的情況下，F(xiàn)CL不會改變其 主要的性能要求。顯然，可以改變導通電壓和電阻值以適應具體的電源或DC線圈設計。例 如，如果由于較高的DC線圈絕緣使得可以承受較高的感應電壓電平，那么可通過增加在每 個二極管組中串聯(lián)布置的二極管的數(shù)量來增大導通電壓。電阻R的選擇還需要綜合考慮用 于超導線圈的冷卻類型。例如，在真空中干冷卻(即，通過冷頭(cold head)來冷卻)的超 導線圈，不太能夠承受長時間的瞬變加熱時間段。在這種情況下，可使用超導線圈的更好絕 緣和更高的轉儲電阻值，從而使得在縮短的時間周期內轉儲能量。作為針對冷頭冷卻的超導線圈的合適保護技術的具體示例，圖13示出了 通過以 DC電路中感應的最大線圈電壓更高為代價增大轉儲電阻值，可以在更短的時間段內轉儲總 能量。在這個計算中，轉儲電阻的值增大到10歐姆，保護二極管的導通電壓保持在6伏。結 果是，在DC電路中感應的最大電壓增大到2. 5kV，然而，由于較高的轉儲電阻值，增大的電 流流動的時間段顯著地減小因子10。可以增大R的值，直到達到DC線圈的脈沖絕緣強度為止。然而，R的選擇必須要綜合考慮保護電路組件的熱額定值、超導線圈，并且必須針對具體電路來適當?shù)卦O置熱吸 收器的尺寸。圖14和15示出，將提出的保護電路包括在內并不會阻止FCL限制在時間上相隔緊密地發(fā)生的故障，例如關于AC電路上的持續(xù)故障的斷路器重新閉合事件。還可以認識到，這里給出的方案提供了一種用于包括備份或冗余保護的方式。通 過在DC線圈兩端增加并聯(lián)的一個或多個無源功率衰減電路，可以建立冗余系統(tǒng)，其中以熱 或電的方式將每個無源功率衰減電路設計并定尺寸為接受預期的感應電壓和電流。這將在 任意一種衰減電路中防止燒毀組件或其他電故障。對本領域技術人員來說很清楚的是，這里示出的布置可用在單相和多相系統(tǒng)中。 盡管參考具體的例子對本發(fā)明進行了描述，本領域技術人員應當理解的是，本發(fā)明還可以 包括多種其它的形式。
權利要求
一種使故障限流器的DC偏置線圈中的瞬變衰減的方法，該方法包括如下步驟將瞬變抑制電路互連在DC偏置線圈的兩端，所述瞬變抑制電路在DC偏置線圈兩端的瞬變電壓超過預定最大值時工作。
2.如權利要求1的方法，其中所述瞬變抑制電路包括一組級聯(lián)的二極管。
3.如權利要求2的方法，其中所述瞬變抑制電路包括第一組串聯(lián)的二極管和第二組串 聯(lián)的二極管，第一組和第二組以彼此相反的方向并聯(lián)。
4.如權利要求2或3的方法，其中所述瞬變抑制電路包括與二極管串聯(lián)地互連的電阻ο
5.如權利要求1的方法，其中所述瞬變抑制電路包括一組非線性電阻器。
6.如權利要求1的方法，其中所述瞬變抑制電路包括與合適大小的線性電阻器串聯(lián)的 一組級聯(lián)齊納二極管。
7.如權利要求1的方法，其中所述瞬變抑制電路包括與合適大小的線性電阻器串聯(lián)的 一組背靠背并聯(lián)的二極管。
8.如之前任一項權利要求的方法，其中DC偏置線圈纏繞多相系統(tǒng)中的單相磁芯。
9.如之前任一項權利要求的方法，其中DC偏置線圈纏繞多相系統(tǒng)中保護多相的磁芯。
10.如之前任一項權利要求的方法，其中所述DC偏置線圈包括超導線圈。
11.一種用于與故障限流器中的DC偏置線圈并聯(lián)地互連的功率衰減電路，功率衰減電 路具有非線性響應，在DC偏置線圈兩端為低電壓時具有高阻抗，并在DC偏置線圈兩端為高 電壓時具有低阻抗。
12.如權利要求11的功率衰減電路，其中所述電路由無源組件構成。
13.如權利要求11的功率衰減電路，其中所述電路包括第一組串聯(lián)的二極管和第二組 串聯(lián)的二極管，第一組和第二組以彼此相反的方向并聯(lián)。
14.如權利要求13的功率衰減電路，其中所述電路包括與二極管串聯(lián)地互連的電阻ο
15.如權利要求12的功率衰減電路，包括至少一個非線性電阻器。
16.一種實質上如本文參考附圖和/或示例所示的本發(fā)明任意一個實施例而描述的使 故障限流器的DC偏置線圈中的瞬變衰減的方法。
17.一種實質上如本文參考附圖和/或示例所示的本發(fā)明任意一個實施例而描述的功 率衰減電路。
全文摘要
一種使故障限流器中DC偏置線圈的瞬變衰減的方法，該方法包括如下步驟將瞬變抑制電路互連在DC偏置線圈的兩端，當該DC偏置線圈兩端的瞬變電壓超過預定的最大值時，所述瞬變抑制電路工作。
文檔編號H02H9/00GK101816109SQ200780100411
公開日2010年8月25日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權日2007年8月30日
發(fā)明者弗朗西斯·安東尼·德爾曼 申請人:全能智電力股份有限公司