CN101073188B - 在限流器中用于在故障情况下限制电流的附加装置 - Google Patents

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Abstract

一种在限流器中用于在故障情况下限制电流的附加装置包括一个附加电整流管，其与对应的主整流管串联并且导通方向相同。两个如此的整流管支路彼此串联并且以相反的导通方向跨接两个彼此串联的限流器扼流圈。两个附加整流管分别通过一个用于在故障情况下限制电流的、相同的无源复杂线路布置跨接。在标准运行状态之前看不到限流装置，其在故障情况下、即使在主整流管击穿的情况下也能将短路电流有效限制在一个预定限度。

Description

在限流器中用于在故障情况下限制电流的附加装置
技术领域
本发明涉及一种在限流器中用于在故障/短路情况下限制电流的附加装置。
背景技术
DE 100 03 556公开了一个具有受控整流管的限流器，其包括两个彼此串联的电感/扼流圈和两个以彼此相反的导通方向串联并跨接两个电感的受控电整流管。在该公知限流器中公共电位点和两个电感的公共电位点彼此连接，不必直接连接。
在设备的功率电路中嵌入限流器。该功率电路为了正常运行或额定运行，如在DE 100 03 556中详细阐述的那样不形成或在必要时形成一个可忽略的小欧姆电阻。当在要供电的设备中短路时或者在超过上限电流时才首先将两个整流管中的第一整流管并且接下来将第二整流管从导通状态转变为截止状态，从而在该设备的电源电路中引入一个附加的限制电流的电阻。
限流器有如下功能：在接通电流回路之后在达到稳定状态时，电路直流电流I0分别基于有效的元件参数而流入两个由电感和跨接的整流管形成的回路。在稳定的额定运行下两个电感不形成交流阻抗，因为没有随时间变化的电流流过。两个整流管是同类的受控整流管，其在功率电流回路接通时通过相应的控制电极有源地进入导通状态，其在可能需要的耐压强度下分别包括同类基本整流管的级联。
在短路情况下通过产生适当大小的欧姆电阻、电感或二者的组合来表明限流器(在英语中称为fault current limiter，FCL)的启动，由此限制设备回路中的短路电流。在额定运行之前都“看不见”限流器。在故障/短路情况下，在负载中当超过预定的故障电流阈值并且在第一次达到恢复设备的电稳定性的最小持续时间的情况下在相关整流管上施加一个与导通方向相反的电压，该整流管自身从导通状态转变为截止状态并且保持在该状态。在另一个还处在导通状态的整流管上，在随后的一个半周期内同样会出现这样的特性，如此两个电感最后彼此电串联并且在回路中用作附加的交流阻抗，由此限制电流/短路电流并且不会恶化。为了在能量技术中限制电流，应用热电抗器以及超导扼流圈。
超导体特别适合于该任务，因为其在正常工作时仅仅具有很小的电压降，并且转变为常规导线会形成较高电阻和磁通量的穿过。这可以用于电阻性或者电感性的限流功能(Prof.Dr.techn.P.Komarek，Hochstromanwendung der Supraleitung，1995)。在交流运行的情况下超导体连接线不是无损耗的，而是始终有两种损耗机理在起作用，即在母体中的涡流损耗和在硬超导体本身中的反复磁化损耗(“磁滞损耗”)。在直流运行的情况下超导线中的损耗实际为零。
文献公开了一种限流器，其超导扼流圈通过整流器接在直流侧(Boenig，H.J.和D.A.Paice，1983，Fault Current Limiter using aSuperconducting Coil，IEEE Transactions on Magnetics，五月第三期19卷，1051页)。电压源在直流侧与扼流圈串联。该电压源保证电流I0流入扼流圈。只要不存在故障情况，电流I0的值超过流经限制器的交流电流的幅度，而且显著小于短路电流。由此电桥也允许负载电流流过。在此限制器上的电压降等于在电桥两肩的整流管上的电压降。
在FR-N°1.337.971中建议一种电子电路，其包括一个负载，该负载经过一个保护电路连接在电能量源上。该保护电路用于限制电流改变，以缓和负载中的电流突变。该保护电路包括两个串联的电感，该电感由两个串联的、未受控的整流管、即二极管跨接。该二极管的导通方向相反。二极管和电感的公共点彼此直接连接。非未受控整流管仅仅在电流大于保护设备的响应电流时截止，该响应电流对应于电感中的起始电流，并且通过电感传导很多的电流部分。相反在交流情况下，也始终存在的较小电流几乎没有阻碍地流经二极管(导通方向上的二极管电阻)。流入电感的电流不跟随在最大电流之后再度减小的电网电流，因为其通过二极管短路，并且在此过程中基本上保持达到的值不变。
考虑把分别最近的半波划分为低于响应电流和高于响应电流的电流。较小的电流经过导通二极管的路径，而较高电流流经电感并且使已经流经电感的电流升高。该过程随着每个半波针对电路的各个有效部分重复。这在短路情况下导致电感和外部电路中的电流在为了断开设备至少必需的时间间隔(100-150毫秒)内并且特别是在用于保证保护装置选择性响应所需的时间间隔(1-2s)内显著升高。
通过在桥式电路应用有源的半受控整流管、例如可控硅来有效限制短路电路。这引起在故障情况下控制流经线圈的电流为零的功率控制。(Boenig，H.J.和D.A.Paice，1983，Fault Current Limiter usinga Superconducting Coil，IEEE Transactions on Magnetics，五月第三期19卷，1051页；FR-N°1.337.971)。当然在这种情况下需要一个特殊的设备，其识别短路电流并且改变针对电桥中可控硅的控制算法，也就是说在这种情况下不涉及具有无源触发器的可靠工作的限流器。该限流器在这种情况下不再是可无源触发的元件。其需要一个用于可控硅的特殊控制单元，这显著降低了限流器的可靠性。
在故障情况下，如果交流电流的幅度超过在扼流圈中的值I0，则通过扼流圈的感抗限制短路电流。通过在瞬变过程中存储在扼流圈中的最大能量值确定短路电流的极限：
Wmax＝L＊Imax 2/2
限流器的优化是指使在扼流圈中存储的能量(Wmax)最小。
在根据DE 100 03 556的限流器中，在故障情况下、也就是在超过高于额定电流的预定高电流时自发地、也就是无源地触发限流器的整流管。该整流管从导通状态转变为截止状态并且保持在该状态不变。两个电感L在故障期间用作电路中的附加交流阻抗2ωL，由此在选择该电感的相应参数的情况下设备协调地/保护设备地限制短路电流。
在DE 100 03 556中描述的限流器是为所连接的设备中罕见的短路故障情况而设置的。只要两个整流管运行良好，就一直克制限流器。两个整流管的保护功能对于所连接的设备十分重要。由于在短路情况下不存在极为有效的限流，所以一个或两个整流管的非常罕见的中断/击穿故障是灾难性的。在电路中存在的能量无阻抗地减少，因此在无阻抗的能量变换的情况下瀑布般地流出并随之在最短时间内毁坏电路，至少直到最后可能激活上级的保护体系并且跳闸为止。
发明内容
由此提出本发明所基于的任务。用于在故障情况下限制设备电流的已知限流器本身备有无源的、自发反应的保护装置，其在一个或两个整流管毁坏/击穿的情况下从一开始一直限制短路电流，直到在还没有发生毁坏的情况下通过现有的设备保护有效地完全断开该设备/相关网络。
该任务通过根据本发明特征的、在上述限流器中用于限流的附加装置解决。其中限流器包括：第一电感和第二电感，该第一电感和第二电感彼此串联而且是同类的，第一受控整流管和第二受控整流管，该第一受控整流管和第二受控整流管是同类的并且以彼此相反的导通方向串联，其特征在于，所述附加装置包括：第一附加整流管和第二附加整流管，该第一附加整流管与所述第一受控整流管、即第一主整流管以相同的导通方向串联，并且第二附加整流管与所述第二受控整流管、即第二主整流管以相同的导通方向串联，其中该第一附加整流管和第一受控整流管跨接所述第一电感，该第二附加整流管和第二受控整流管跨接所述第二电感，其中第一主整流管和第二主整流管的公共电位点与第一电感和第二电感的公共电位点连接，第一缓冲器和第二缓冲器，该第一缓冲器和第二缓冲器是相同的，其中通过用于在故障情况下限流的并且用于确定所属的第一附加整流管上电压U7的第一缓冲器来跨接第一附加整流管，并且通过用于在故障情况下限流的并且用于确定所属的第二附加整流管上电压U8的第二缓冲器来跨接第二附加整流管，分别这样设计该第一缓冲器和第二缓冲器，即在限流器无故障运行的情况下第一附加整流管上的最大电压U7MAX低于第一主整流管上的最大电压U3MAX或者可预先确定的电压UV1，并且在限流器无故障运行的情况下第二附加整流管上的最大电压U8MAX低于第二主整流管上的最大电压U4MAX或者可预先确定的电压UV1，以及，在第一主整流管或第二主整流管中或在第一主整流管和第二主整流管中短路的故障情况下，电压U7MAX高于要比较的电压0.5U3MAX或高于可预先确定的电压UV2，或者电压U8MAX高于要比较的电压0.5U4MAX或高于可预先确定的电压UV2。
附加保护装置具有如下结构：
两个整流管3和4、即主整流管分别与一个另外的电整流管7或者8、即附加整流管以相同的导通方向串联，整流管3或4例如是半受控的可控硅或受全控的晶体管。这两个整流管支路，其一是主整流管3和附加整流管7的串联支路，其二是主整流管4和附加整流管8的串联支路，在其公共电位点上直接或间接(参见DE 100 03 556)与两个电感的公共电位点电连接。从两个整流管支路的公共电位点上可以看出，附加整流管7或者8跟随主整流管3或4，或者反过来。
两个附加整流管7和8分别通过一个相同的、无源复杂线路布置5或6跨接，在额定工作状态之前从电阻“看不到”该无源复杂线路布置，并且在故障情况下、即在所连接的设备中短路的情况下在正常的整流管上同样“看不到”该无源复杂线路布置。仅仅在非常罕见的、在设备和/或一个或两个毁坏/击穿的主整流管中短路的故障情况下，无源复杂线路布置立即对所属附加整流管或两个附加整流管根据其参数发挥作用，限制短路电流，使一个附加整流管或两个附加整流管过渡到截止状态，该截止状态在对应于相关主整流管的附加整流管上随着第一次过零点在超过故障电流极限之后自动并因此自发无源地实现。随着后面的过零点在另外的整流管支路中产生截止。
一般以无源的复杂线路布置5或6测量对应的附加整流管7或8上的电压U7或U8。在无源的复杂线路布置中，在故障情况下在对应的附加整流管7或8上产生电压U7MAX或U8MAX。分别如此设计无源的复杂线路布置5和6，即在限流器无故障运行的情况下附加整流管7和8上的最大电压U7MAX和U8MAX分别低于主整流管3和4上的电压U3MAX和U4MAX或可预先确定的电压UV1，假如在主整流管3或4中或者在这两个整流管中发生短路故障，电压U7MAX或U8MAX或者二者高于在主整流管3或4上要比较的电压0.5U3MAX或0.5U4MAX或高于可预先确定的电压UV2。在此该附加装置的保护功能是明显的，利用该装置在两个主整流管突然发生故障这种非常罕见的故障情况下在该故障开始出现时就自发限制该故障。由于可信的不相关原因，将附加整流管7或者8上的匹配电压kU7或者kU8-k是小于1的系数(分压)-优选与参考电压Uref比较，以便在电逻辑连接的情况下产生可调整的固定关系用以形成识别限流器中故障的信号。可是主要通过施加的电压排除对整流管7和8的损害。在正常/额定工作状态下例如如下进行复杂网络的设计和调整/参数选择：
只要
kU7MAX＜k0.5U3MAX(kUV1)＝Uref和
kU8MAX＜k0.5U8MAX(kUV1)＝Uref
则没有故障；
如果
kU7MAX、kU8MAX＞kUV2＝Uref，
则在限流器中识别出故障。
由于技术上的安全原因保持电压间隔并因此不应用电压平衡。
两个附加整流管7和8按照一个实施方式是未加控制的，也就是二极管，按照另一个实施方式是半控制的、也就是可控硅，或全控制的、也就是晶体管。
经过附加整流管的相应线路布置一般是复杂的。按照一个实施方式其是一个特殊情况，因为其仅仅具有一个实部。这在仅仅具有欧姆电阻结构的情况下就振荡来说是没有问题的。电抗补偿-在最简单的情况下jωL+1/jωC＝0-受频率束缚，并因此由于冲击过程的频率合成而应当被避免，因为在此过程中不可避免要激励起振荡。按照权利要求5无源复杂线路布置是一个RC网络，也就是包括至少一个电容C和至少一个欧姆电阻R。在权利要求6中是一个R-L网络。
另一个实施方式考虑了具有附加限流装置和保护装置的限流器的耐压强度和载流能力。其表明，两个主整流管以及两个附加整流管与所要求的耐压强度匹配地分别包括一个串联电路，以及与载流能力匹配地包括一个由至少一个特定于组的基本整流管形成的并联电路。在这种情况下，即在附加整流管包括至少两个串联的基本整流管情况下，每个基本整流管或在并联电路情况下每个基本附加整流管组备有一个同样的、无源复杂的基本线路布置。该无源复杂线路布置由有关的基本线路布置组成，这在选择参数的情况下必须针对不同的设备情况加以注意。
在额定运行之前从电阻上看不到附加线路布置。在罕见的设备短路情况下正常的整流管引起电阻接通并因此引起限流。在非常罕见的设备短路和至少一个主整流管不起作用/击穿的情况下，对应的附加整流管承担启动有效限流的任务。利用用于限流的附加装置实现：
在电流供应系统短路时和在整流管击穿时自发并且高效地限制电流；
电流供应系统的部件的参数较低；
在电流供应系统短路时和在整流管击穿时保证保护装置响应的选择性；
识别整流管中的故障。
因此在真正的限流器(按照DE 100 03 556)中在整流管击穿时使连续故障最小化。
附图说明
借助附图以在其中列举的、用于限制电流的附加装置的示范结构详细阐述本发明：
图1示出在附加整流管上具有电阻线路布置的限流器；
图2示出在附加整流管上具有R-C线路布置的限流器；
图3示出在附加整流管上具有R-L线路布置的限流器。
具体实施方式
在此限流器的整流管作为主整流管3和4是可控硅，作为附加整流管同样是可控硅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设计适合于在电流供应系统短路时可能出现的最大电流和最大电压。
在设备开始运行时触发可控硅3、7和4、8，并使流过扼流圈1和2的电流升高到(恒定或直流)电流I0，其值超过在正常工作状态下流经限制器的交流电流IMAX的幅度并且小于短路电流。只要在通过限流器保护的电路中不出现故障，则在附加的保护线路布置中流经整流管7的电流等于流经整流管3的电流，并且相应地流经整流管8的电流等于流经整流管4的电流。
当在扼流圈1和2中的电流升高到I0之后，在正常工作状态下流经可控硅3、7和4、8的电流在交流电流的一个周期内按照如下公式(1)变化：
Figure GA20176133200580041670701D00071
Figure GA20176133200580041670701D00072
在此过程中流经扼流圈的电流保持I0不变。在出现短路时两对可控硅、例如可控硅3和7之一首先截止(不导通)，因为在可控硅3和7上出现一个相反的电压。如果在可控硅3、7上存在相反的电压的时间间隔等于或大于可控硅的耐压强度的恢复时间，则可控硅3和7保持在该状态不变。否则可控硅4、8出现类似情况。在此期间扼流圈2中的电流增加并且超过值I0。在如此短路的情况下，在串联的整流管3和7或4和8上产生与导通方向相反极性的电压U3+U7或U4+U8。在此，该电压在附加的保护线路布置中分配在提到的可控硅3、4和相应的整流管7、8之间。如此选择无源的复杂线路布置5和6-专业用语称为缓冲器，即在这种情况下整流管7、8上的电压(U7、U8)明显小于整流管3、4上的电压(U3、U4)，例如U7＜0.3U3并且U8＜0.3U4。由此通过施加的电压消除了对整流管7、8的损害。此外电压U3、U4并且特别是U7、U8在相应公知的预处理之后经过模拟并且也许数字的变换，可以用于监控和初始化现有的不同保护体系。
在整流管3或4损坏的情况下，在对应的附加装置的整流管7或8上施加全电压，并且限制流经扼流圈1、2以及两个无源复杂线路布置的短路电流。流经缓冲器5、6的电流只是短路电流的一小部分，大约为1至3％。在两个缓冲器5和6中存储的或释放的能量也仅仅是在电感1和2中存储的能量的很小一部分，小于2％。
通过扼流圈1、2和整流管7、8的参数确定限流器的功能。在半受控的整流管7或8、也就是可控硅的情况下，在整流管3、4击穿情况下的短路电流与在限流器正常功能下的电流没有显著偏差。
参考符号表：
1电感
2电感
3主整流管
4主整流管
5无源复杂线路布置
6无源复杂线路布置
7附加整流管
8附加整流管

Claims (7)

1.一种在限流器中用于在故障情况下限制电流的附加装置，其中限流器包括：
第一电感(1)和第二电感(2)，该第一电感和第二电感彼此串联而且是同类的，
第一受控整流管(3)和第二受控整流管(4)，该第一受控整流管和第二受控整流管是同类的并且以彼此相反的导通方向串联，
其特征在于，所述附加装置包括：
第一附加整流管(7)和第二附加整流管(8)，该第一附加整流管(7)与所述第一受控整流管(3)、即第一主整流管以相同的导通方向串联，并且第二附加整流管(8)与所述第二受控整流管(4)、即第二主整流管以相同的导通方向串联，
其中该第一附加整流管(7)和第一受控整流管(3)跨接所述第一电感(1)，该第二附加整流管(8)和第二受控整流管(4)跨接所述第二电感(2)，
其中第一主整流管和第二主整流管的公共电位点与第一电感(1)和第二电感(2)的公共电位点连接，
第一缓冲器(5)和第二缓冲器(6)，该第一缓冲器和第二缓冲器是相同的，其中通过用于在故障情况下限流的并且用于确定所属的第一附加整流管(7)上电压U7的第一缓冲器(5)来跨接第一附加整流管(7)，并且通过用于在故障情况下限流的并且用于确定所属的第二附加整流管(8)上电压U8的第二缓冲器(6)来跨接第二附加整流管(8)，
分别这样设计该第一缓冲器(5)和第二缓冲器(6)，即在限流器无故障运行的情况下第一附加整流管(7)上的最大电压U7MAX低于第一主整流管(3)上的最大电压U3MAX或者可预先确定的电压UV1，并且在限流器无故障运行的情况下第二附加整流管(8)上的最大电压U8MAX低于第二主整流管(4)上的最大电压U4MAX或者可预先确定的电压UV1，以及，
在第一主整流管(3)或第二主整流管(4)中或在第一主整流管(3)和第二主整流管(4)中短路的故障情况下，电压U7MAX高于要 比较的电压0.5U3MAX或高于可预先确定的电压UV2，或者电压U8MAX高于要比较的电压0.5U4MAX或高于可预先确定的电压UV2。
2.按照权利要求1的附加装置，其特征在于，所述两个附加整流管(7，8)是非受控的整流管，即二极管。
3.按照权利要求1的附加装置，其特征在于，所述第一附加整流管(7)和第二附加整流管(8)是受控的整流管。
4.按照权利要求2至3之一的附加装置，其特征在于，所述第一缓冲器(5)和第二缓冲器(6)分别由电阻部件构成。
5.按照权利要求2至3之一的附加装置，其特征在于，所述第一缓冲器(5)和第二缓冲器(6)分别是R-C网络。
6.按照权利要求2至3之一的附加装置，其特征在于，所述第一缓冲器(5)和第二缓冲器(6)分别是R-L网络。
7.按照权利要求1的附加装置，其特征在于，所述第一附加整流管(7)和第二附加整流管(8)分别是作为半受控整流管的可控硅或作为全受控整流管的晶体管。 
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