[发明专利]故障电流限制器

说明书

本发明涉及一种故障电流限制器（fault current limiter，FCL）。

电力系统中的故障是不可避免的。从电源流至故障位置的故障电流导致在设备（例如，架空线路、缆线、变压器和开关设备）上产生的高动态热应力。

传统断路器技术不能提供对与这种故障相关的电流进行选择性阻断的完整的解决方案。发电量和耗电量的增长以及网络间增加的互连导致故障电流电平（level，等级）的增大。特别地，发电量的持续增长具有这样的结果，即网络到达或甚至超过就其短路承受能力而言的极限。因此，存在对于能够限制故障电流的装置的需要。

由于输送和配送网络扩张以解决增大能量需求和发电电源同间歇性电源连接，短路电流升高。这些可能导致电力中断，设备损坏以及大规模中断，据估计这些每年耗费数十亿美元。为了限制故障电流的影响，公用工程操作工传统上需要借助网络分段以及安装昂贵且有损耗的保护装置，诸如串联扼流圈、电容器、高速断路器和高阻抗变压器。这样的解决方案以能量效率和网络稳定性的总体降低为代价。

故障电流限制器（FCL）的使用允许使得即使预期故障电流超过其额定峰值和短时耐受电流时设备仍保持工作。因此，设备（包括断路器）的替换可被避免或者推迟到以后。

可以各种形式提供故障电流限制器（FCL）。一种类型的故障电流限制器包括完全磁化（饱和）的铁芯。这样的故障电流限制器通常具有卷绕在铁芯上的一个或多个AC线圈，其中通过处于正常工作状态下的DC偏压线圈使铁芯保持在饱和状态。AC线圈连接至栅格（grid），并且线圈在正常工作状态下被保持为饱和，使得在正常运行过程中FCL对于栅格而言是几乎通透的（transparent）。

在故障状态（例如短路）下，电流的激增将增加AC线圈上的电流，导致铁芯的去饱和。由于铁芯的去饱和，阻抗将升高，从而起到限制AC线圈上电流的作用。饱和芯和AC、DC线圈的各种布置是可能的。在WO2007/029224中描述了现有技术的饱和芯FCL的实例。

本发明旨在提供一种与传统布置相比具有改进的性能的FCL。

根据本发明的第一方面，提供了一种故障电流限制器，包括第一能磁性饱和的芯，该第一芯包括：第一支腿；第二支腿，在第二支腿上卷绕有第一AC线圈；第三支腿，在第三支腿上卷绕有第二AC线圈，第一和第二AC线圈串联卷绕并且连接至第一相AC源；第四支腿；其中第一、第二、第三、第四支腿依序布置，其中第一、第二、第三、第四支腿的第一端部通过第一轭状件结合，并且第一、第二、第三、第四支腿的第二端部通过第二轭状件结合；第一磁性偏压单元布置成在第一支腿和第二支腿中产生具有第一通量方向的第一闭合磁路；第二磁性偏压单元布置成在第四支腿和第三支腿中产生具有第二通量方向的第二闭合磁路，其中，第一通量方向与第二通量方向相反；其中第一和第二AC线圈布置成在第二和第三支腿中产生沿AC通量方向的第一闭合AC磁路，该AC通量方向随着每个AC半周期交替。

第一磁性偏压单元可包括卷绕在第一支腿上的第一DC线圈，第二磁性偏压单元可包括卷绕在第四支腿上的第二DC线圈。在这样的布置中，在一个AC半周期中，第二支腿中的AC通量对抗第二支腿中的DC通量并且第三支腿中的AC通量支持第三支腿中的DC通量，并且在下一个半周期中，第三支腿中的AC通量对抗第三支腿中的DC通量并且第二支腿内的AC通量支持第二支腿内的DC通量。然而，其他实施例可使用用于第一和第二磁性偏压单元的可替换的布置，其中由第一磁性和第二单元在第一和第二闭合磁路上产生的AC通量的对抗/支持作用是相同的。

在正常状态下，第一芯的第二和第三支腿是饱和的，并且因此FCL的阻抗是低的。因此，在正常状态下，第二和第三支腿中的AC通量使得第二和第三支腿保持深度的饱和。

在故障状态下，AC电流将升高，使得在一个半周期内，AC通量将使得第二支腿脱离饱和并且使得第三支腿较深地进入饱和。使第二支腿脱离饱和的效果是使阻抗升高，这用作限制故障。在下一个半周期中，AC通量使得第三支腿脱离饱和并且使得第二支腿较深地进入饱和，再次用作限制故障。

由于闭合AC磁路，该实施例具有改进的故障与正常状态阻抗比。这保证仅通过芯饱和来控制从正常到短路状态的阻抗增大，而不是通过一些传统结构中的组合的芯-空气磁通路来控制。这提供了短路状态下的阻抗的可控制的增大，并且可实现高的阻抗比例（通常远大于5）而引起AC安培匝数的大量增加。