CN101842865A

CN101842865A - 高压饱和铁芯故障限流器

Info

Publication number: CN101842865A
Application number: CN200880114370A
Authority: CN
Inventors: 弗朗西斯·安东尼·德尔曼
Original assignee: Zenergy Power GmbH
Current assignee: Zenergy Power Pty Ltd; Zenergy Power GmbH
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-09-22
Also published as: AU2008318277A1; WO2009055853A1; US20100309590A1; GB2466414A; GB201006578D0; DE112008002966T5; GB2466414B

Abstract

本发明公开了一种被设计成用于连接到中压、高压、或超高压变电站或诸如发电站的其它高压源的故障限流器，所述故障限流器包括：铁磁回路，所述铁磁回路由铁磁材料形成，并且包括至少第一管柱、第二管柱和第三管柱；第一输入相位线圈，所述第一输入相位线圈绕第一管柱缠绕；第二输出相位线圈，所述第二输出相位线圈绕第三管柱缠绕；磁饱和机构，所述磁饱和机构包围管柱，用于使铁磁材料在磁性方面饱和；和容纳容器，所述容纳容器提供包围铁磁材料、第一输入相位线圈和第二输出相位线圈和饱和机构的大致均匀的低电导率介质。

Description

高压饱和铁芯故障限流器

技术领域

本发明涉及高压故障限流器的领域，并且具体的公开了高压饱和铁芯故障限流器。

背景技术

饱和铁芯故障限流器(FCL)是公知的。可以在授予Darmann等人的美国专利7193825、授予Yuan等人的美国专利6809910、授予Boening等人的美国专利7193825、和授予walker等人的美国专利公开号2002/0018327中见到超导故障电流限制装置的例子。

已描述的故障限流器通常适合仅与干式铜线圈装置一起使用。事实上，已描述的装置可能仅适合采用空气作为主绝缘介质的DC饱和FCL。即，通过空中合适的距离提供多相FCL中AC相位线圈之间以及AC相位线圈与钢线圈、AC线圈、低温保持器、和主结构之间的主静电绝缘介质。这充分地将FCL限制为“干式”绝缘技术。干式技术通常涉及不仅采用电绝缘铜线圈而且采用将常规静电空气和隔离的固体绝缘屏障材料作为绝缘介质的平衡的那些变压器构造技术。总之，空气形成诸如钢构架和壳体的装置的高压侧和接地部件类似之间的电绝缘材料的大部分。

干式绝缘的利用对AC线路电压的低压范围达到大约39kV的设计有限制。在商业上仅可获得达到约39kV电压水平的干式变压器和电抗器。因此，用于DC饱和FCL的当前示例性技术不适合扩展到高压版本。当处理高压时，干式设计导致无法设计采用使用空气作为绝缘介质的实际尺寸紧凑的结构。FCL的主要应用市场之一是高压(33kV至166kV)和超高压范围(166kV至750kV)的介质。在这些电压范围中，DC饱和FCL的当下描述的技术和文献描述可能不能应用。主要原因是由于静态电压设计的考虑。例如，高压铜线圈与低温保持器或钢线圈或DC线圈之间的空气绝缘介质的击穿。高压(大于39kV)介质上的高压相位线圈通常需要浸没在绝缘气体(例如，SF6，氮气)、真空(高于10^-3mbar)或流体中，例如，合成硅油、植物油、或在介质、高压、和超高压变压器和电抗器技术中使用的其它通常可获得的绝缘油。当高压装置浸没在这种绝缘介质中时，所述介质通常被称作为“体积绝缘介质”、或“电介质”。典型地，除了相对介电常数等于1的真空之外，电介质的相对介电常数为约2-4。如果明智地采用通过限制固体绝缘屏障之间的最大距离并相对于特定液态或气态电介质的击穿强度优化已填充的电介质距离，这些所谓的电介质绝缘介质的静电击穿强度特性远优于大气的静电击穿强度特性。

通常可获得的大绝缘气体和液体典型地具有约10-20kV/mm的击穿强度，但通常采用所述大绝缘气体和液体以使得平均电场应力不超过约6-10kV/mm。因为即便平均电场应力是6-10kV/mm，由于各种静电场增强效应，沿任何均衡电场的峰值电场应力可以是平均值的2-3倍，因此对击穿应力值的这种安全范围是需要的。

总之，在诸如变压器和电抗器和故障限流器的封装发电装置中对于具有高压大绝缘需求的电介质流体或气体来说有五个主要期望的要求：

·电介质必须显示非常高的电阻率，

·电介质损耗必须非常低，

·流体必须能够容纳固体绝缘子而不丧失固体绝缘(例如，线圈绕组或环氧物上的线匝与线匝的绝缘)，

·电击穿强度必须高，以及

·介质必须能够去除热能损耗。

对于例如变压器、电抗器和故障限流器封装装置来说，固体绝缘技术还没有普遍可用于高压(即＞39kV)的介质。固体绝缘技术的不足之处在于在大固定绝缘之中或在不同材料的表面之间(例如，线圈绝缘材料和其它固体绝缘材料之间)出现不可避免的空隙。众所周知，由于场增强效应，具有高压的固体绝缘体中的空隙产生高电应力。由于局部放电，这导致周边材料的物理击穿，并可能最终导致漏流径的形成和整个装置失效。

应该认识的是采用用于使钢线圈饱和的单个或多个DC线圈(例如，前面提到的现有技术中公开的)的DC饱和故障限流器产生当铜AC相位线圈可能不再是“干式”结构或整个装置的主要绝缘介质是空气时的基本本问题。这种装置中的重要问题是存在着用于冷却DC HTS线圈的钢制低温保持器和DC HTS线圈本身。

作为一个与正题无关的问题，但是却是增加对所有高压发电装置和设备的绝缘要求的问题，通常的情况是基本绝缘设计必要也要满足一定的电气工程标准，该标准测试各种类型过电压和预定实践周期的电光脉冲的容许量。在澳大利亚，这种标准的一个例子如下：

·AS2374第3部分包括整个变压器的工频频率(PF)和电光脉冲(LI)测试的电介质测试和绝缘等级

·AS2374第3.1部分绝缘等级和电介质测试-空气中的外部间隙

·AS2374第5部分承受短路的能力

这些标准不能形成高压电设备必须满足的标准的详尽明细。应该认识的是每个国家都有它们自己的标准，这些标准覆盖了这些相同的设计领域并且对各个国家的标准的参考都不能必然地排除其它国家的标准。理想地是装置应该被构造成满足多个国家标准。

遵守这些标准会对装置产生“BIL”(基础绝缘等级)或通常是多个基础AC线电压的“DIL”(设计绝缘等级)。例如，66kV中压变压器或其它封装装置(例如，FCL)可以具有220kV的BIL。满足这种标准的需求导致与仅考虑AC线电压相比更加能满足实际的静电压设计。可应用标准和这种需求由以下事实产生：在复杂的网络之中，实际的电装置受到设备和装置可能经历的临时过电压(例如，电光过电压(lightning over voltage)和转换冲击(switching surge))。因此，电网上的所有设备都具有适合于预期最差情况瞬态电压的BIL或DIL。

高压DC饱和故障限流器的静电设计问题的最初考虑可能导致的结论是：通过仅将高压AC铜制线圈封装在合适的电绝缘气体或液体纵而可以容易地解决所述问题。然而，这种技术的问题在于钢线圈必须穿过保持气体或者液体的容器。设计用于长期服务的这种界面难以通过机械方式解决。然而，更重要的是以静电方式解决界面问题会更加复杂，并且任何解决方案可能易于失败或被证明是不经济的。问题在于必须在包括电介质流体的容器和高磁导芯之间产生密封。

另一种可能性是在相位之间和相位与钢芯之间使用固体高压屏障以及低温保持器或围绕铜相位线圈并与相位线圈紧密接触的高压绝缘层。然而，这具有重大的有害副作用。公知的是，空气和具有更高相对介电常数的其它材料的组合中的静电场总是导致材料或具有低介电常数的流体(即，空气)中的电场增强。例如，根据方程式1，考虑具有表示线匝绝缘的正常绝缘层的导电铜圆管柱体。

E_{x} = \frac{U_{m}}{x . {\frac{\ln [\frac{R}{r}]}{ϵ_{2} / ϵ_{1}} + \frac{\ln [\frac{d}{R}]}{1}}}

方程式1

其中：

·U_m＝相对接地的AC相位电压

·R＝包括外部绝缘体的铜圆管柱体的半径(mm)

·r＝裸铜圆管柱体的半径(mm)

·d＝从圆管柱体的中心到最近接地平面的距离(mm)

·ε₂＝覆盖圆管柱体的绝缘体的相对介电常数

·ε₁＝浸没圆管柱体的体积绝缘体的相对介电常数(空气的介电常数＝1)

·X＝从圆管柱体的中心到圆管柱体外部的点的距离(mm)

·E_x＝点x处的静电场梯度(kV/mm)

场增强效应由因子ε₂/ε₁表示，并且除了采用对介电常数等于1的真空的情况之外，对于普通日常材料来说所述场增强效应是大约为2-4。因此，通过提供额外的固体或其它绝缘材料(比空气更高的电介电常数)来增加FCL的体积空气绝缘的静电应力。高压绝缘的质量越好，场增强效应越高。

因此，对于大于39kV的高压FCL来说，在其它空气绝缘FCL中的固体电介质绝缘屏障在技术上不期望选择，事实上，也没有见到这种技术被采用以制造例如大于39kV的高压干式变压器。事实上，目前还没有发现非常适于数据库，并且这就是为什么高于39kV的高压变压器用电介质液体或气体进行绝缘。

上面讨论的是为什么封装的高压电气设备经常完全浸没在电绝缘电介质流体或气体中的原因。也就是，变压器和电抗器的绝缘铜线圈和钢线圈被封装在容器中，所述容器然后完全填充有为流体的电介质介质。这大致减少了上述讨论中详细说明的静电电压设计问题。绝缘介质(例如，油、真空、或SF6)填充高压部件和基本上接地或者中性电位的部件之间的空隙和体积距离。在这种情况下，固体绝缘屏障可以并入到体积绝缘电介质，并且对于诸如油的许多液体来说，用固体绝缘隔开体积距离由于增加了电介质流体的击穿场应力而提高了整体的静电绝缘质量。这是因为油和固体绝缘体的相对介电常数彼此非常接近，(所以与空气相比较场增强效应减少)，并且对于绝缘屏障之间的较小距离来说，提高了体积电介质介质的击穿电压(以kV/mm表示)。

然而，完全浸没技术的问题在于所述技术不适于DC饱和FCL设计或装有作为DC饱和元件的超导体线圈的其它装置。这是因为超导体线圈及其低温保持器或真空容器是FCL的部件，所述部件也必须必要地浸没在电介质流体中。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进结构的高压故障限流器。

在根据本发明的第一方面中，提供了一种被设计成用于连接到中压、高压、或超高压变电站或诸如发电站的其它高压源的故障限流器，所述故障限流器包括：铁磁回路，所述铁磁回路由铁磁材料形成，并且包括至少第一管柱、第二管柱和第三管柱；第一输入相位线圈，所述第一输入相位线圈绕第一管柱缠绕；第二输出相位线圈，所述第二输出相位线圈绕第三管柱缠绕；磁饱和机构，所述磁饱和机构包围管柱，用于使铁磁材料在磁性方面饱和；和容纳容器，容纳容器提供包围铁磁材料、第一输入相位线圈和第二输出相位线圈和饱和机构的大致均匀的低电导率介质。

介质可以包括高于10^-3毫巴的真空。可选地，介质可以包括诸如SF6、氮气、合成硅油、或植物油的电介质。介质还可以包括低温液体或气体。磁饱和机构优选地包括超导DC线圈。超导DC线圈可以支撑在低导热材料的基部上。饱和机构优选地可以包括位于低温保持器内的超导线圈。低温保持器优选地可以包括外绝热层。磁饱和机构优选地可以包括机械保持支撑件，所述机械保持支撑件由低导热材料形成。

相位线圈优选地由铜绕组形成，所述铜绕组相对于用于携载预期电流的标准相位线圈具有扩大横截面的导体。铁磁材料可以包括叠层钢芯。

直流线圈可以包括超导线圈，并且限流器可以进一步优选地包括包围超导线圈的封装式超导冷却器。相位线圈优选地是超导线圈。限流器可以包括在分开的铁磁回路上的三个相位。电源电压可以超过37kV。

超导DC线圈可以被包含低温流体或气体的线圈包围。低温流体或气体可以从外部源供应给限流器。

根据本发明的又一方面，提供了一种被设计成用于操作高压源的故障限流器，所述故障限流器包括：铁磁回路，所述铁磁回路由铁磁材料形成，并且包括至少第一管柱、第二管柱和第三管柱；第一输入相位线圈，所述第一输入相位线圈绕第一管柱缠绕；第二输出相位线圈，所述第二输出相位线圈绕第三管柱缠绕；直流线圈，所述直流线圈绕第二管柱缠绕，用于在正常使用期间使铁磁回路饱和；和真空容器，所述真空容器包围铁磁回路，并将铁磁回路保持在真空中。

直流线圈可以包括超导线圈，并且限流器可以进一步包括包围超导线圈的封装式超导冷却器。

附图说明

以下仅通过示例的方式参考附图说明本发明的优选实施例，其中：

图1显示用于3相系统的本发明的初始实施例的侧面剖视透视图；

图2显示本发明一个可选实施例的侧面剖视透视图；

图2a显示图2的DC线圈的放大剖视图；

图3显示优选实施例的另一个可选实施例的侧面剖视透视图；

图3a显示图3的DC线圈的放大剖视图；

图4显示优选实施例的另一个可选实施例的侧面剖视透视图；

图5显示优选实施例的另一个可选实施例的侧面剖视透视图；

图6显示优选实施例的另一个可选实施例的侧面剖视透视图；

图7显示优选实施例的另一个可选实施例的侧面剖视透视图；和

图8显示使用FCL的电路和不使用FCL的电路的模拟响应。

具体实施例

在优选实施例中，提供了一种高压DC饱和FCL，其没有充分地遭受上面讨论的体积绝缘问题。

设计1.具有干低温冷却DC线圈的高压DC饱和FCL

在第一实施例中，提供了一种具有于低温冷却DC线圈的高压DC饱和FCL。将讨论三种可选的实施例。

1.具有干低温冷却DC线圈的全真空绝缘设计

以下讨论第一实施例。应该认识的是这个实施例的多种特定不同的可能的构造在技术上是切实可行的。

例如，单相型可以以相似的方式构造。另外，大体上相同设计和构造的多个单相型可以并排放置以形成三相装置。

首先参见图1，显示了DC饱和故障限流器的第一实施例1。FCL1包括单个真空容器2，(与美国专利US7193825公开的相似的设计的)完全DC饱和FCL放置在所述真空容器内。理想地，真空容器必须不大，使得辉光放电现象(在0.1和1毫巴之间)发生，并且必须使得真空的电介质击穿强度比大气的电介质击穿强度好。否则，静电设计不会取得优势。因此，对于在实际静电设计中中的显著增益来说，理想地获得0.001毫巴的主容器外壳中的真空水平，由帕邢曲线(Paschen curve)[Paschen，Wied.Annalender Physik，1889 37：；pp.69-75所示。

被显示的FCL包括多相布置，且每一个相位包括叠层钢芯(例如，附图标记3)，所述叠层钢芯用于聚集如前所述的磁通。围绕每个芯体缠绕着铜AC相位线圈(例如，附图标记4)，所述铜AC相位线圈可以缠绕在线圈形成件5上。除了连接到输出电线12和HV AC电流套管和真空馈通13的输出相位线圈(例如，附图标记7)之外，每个相位都具有输入相位线圈(例如，附图标记4)，所述输入相位线圈连接到电线(例如，附图标记8)，所述电线又连接到HV AC电流套管和真空馈通(例如，附图标记10)。

传统的铜或铝AC相位线圈(例如，附图标记4、7)可以是由能够与固体绝缘材料绝缘或左不绝缘(left uninsulated)的导电材料制成的线圈。

每个叠层钢芯(例如，附图标记3)具有大体上矩形形状，并被布置成围绕DC超导线圈15，所述DC超导线圈用于在正常运行期间使FCL钢芯饱和(如美国专利7193825中的详细所述)。虽然芯体15可是有阻抗的，但是优选地芯体15是超导DC线圈。相位线圈相相互连接接，使得以形成DC饱和故障限流器。

提供低温冷却器17，并且低温冷却器17可以是脉冲管或其它类型的低温冷却器，并且包括冷却头19，按照传统集成技术，所述冷却头突出到真空容器2的真空空间内。理想地，充分厚的高导热/高电阻材料层涂覆冷却头19，用于热锚定DC线圈的目的以及电线还提供电绝缘。

高导热材料21的热接触面将低温冷却器冷却头连接到DC超导线圈。低温冷却器的冷却头和超导DC线圈之间的热接触面的优选的形式包括由细纱线铜制成的柔性织物形铜线环。

优选的实施例具有MLI(多层绝缘)例如镀铝聚脂薄膜层或缠绕在DC超导线圈周围的等效物材料的充分厚的包层绝缘层23。

采用高压电真空馈通套管(例如，附图标记25)以载送AC相位电流。六个这种AC相位线圈套管是图1的实施例1所需要，所述实施例是三相装置。这些套管可以从一些公司商业获得。采用两个低压DC电流电真空馈通套管(例如，附图标记27)采用以经导线(例如，附图标记29)供应DC饱和线圈15。这些套管也是标准型的，可以从一些公司商业获得。

提供另外的电真空馈通31，以用于对真空容器的外部的温度进行监控并感测所述真空容器的外部的信号。根据需要，压力传感器和温度传感器可以设置在线圈和钢芯上。来自压力传感器和温度传感器的反馈也可以提供给低温冷却器PID控制单元。

真空泵端口33被提供用于与真空泵(未示出)相相互连接接，用于抽空真空容器2。

装置还包括相位线圈和DC线圈形成体5形式的钢芯之间的固体绝缘。钢芯和相位线圈通过机械保持结构(未示出)保持在适当的位置。

在FCL 1的一个布置中，设计可以包括：

·六个管柱中的每个上的AC相位线圈匝数是20，

·DC线圈匝数是5600，

·DC偏流为100安培

·AC电源为138kV，线至线均方根为60Hz(line to line rms at 60Hz)，

·渗透性材料的芯体横截面面积是0.05平方米，

·在60Hz下FCL的稳态插入阻抗为1毫欧，

·期望的稳态故障电流缩减量＝70％的预期定态故障电流(30％缩减量)

装置1允许具有HTS线圈的高压DC饱和FCL被装配。

还应该认识的是所列的参数只是具体情况，并且基于质量、足印、或最小化或优化所需的成本可存在许多变化。

在图中，可以为所述装置提供各种标准的另外的设备。例如，高压静电和蠕变范围屏障(creep ectension barrier)和其它静电绝缘结构能够被提供，但为了清楚起见没有在图中显示。作为另一个例子，根据静电应力分布图、所采用的相位电压、DIL、在锐角拐角处在容器内得到的最大蠕变应力、和横过表面的最大蠕变应力，AC线圈上的静电电晕环、覆盖相位线圈导线导体的套管的电介质侧的绝缘范围、相与相静电绝缘屏障、相与超导线圈和低温保持器静电绝缘屏障、和相与地静电绝缘屏障必须被提供并集成到设计中。绝缘屏障可以由合适的绝缘材料制造，所述绝缘材料与电介质绝缘流体兼容。这些方面与现有技术是共同的，并且对于高压变压器设计者来说这些都是公知常识。例如，如果油用作主要的体积绝缘流体，那么基于纸板的速效纸可以被采用以制造从相与相以及从相到地电势处的任何其它物体的静电屏障，可利用的有围绕低温保持器和铜线圈的圆柱体形状和被采用以将高压和低压部件之间的体积电介质绝缘空间分成多个距离，该距离适合于相位电压、电压应力等高线、和考虑中的电介质。

要注意的是虽然具有优势的真空是不良热导体。然而，图1的装置允许整个FCL(包括用作饱和线圈超导DC线圈)浸没在真空中。通过低温保持器17冷却的DC超导线圈15与真空容器的周围环境的外部热绝缘，并与铜线圈电绝缘，因此可以保持超导性。对于DC超导线圈不需要真空绝缘低温保持器(正常地会是这种情况)。MLI层23被采用以减少来自真空容器外部的周围环境和来自钢芯和铜线圈的热辐射发射分量，并因而减少低温冷却器的负担。

铜AC相位线圈(例如，由附图标记4表示)可以要求冷却。在装置1中，按照质量和成本，铜的比例小于整个装置成本的约2％，并且小于整个装置质量的3％。当然，实际百分比根据具体设计细节而不同，然而，可以理解的是铜数量和成本是低经济考虑的。因此，加倍被采用以由基于单独的热考虑的常规工程要求形成铜相位线圈铜导体的横截面将通过最低成本、质量和尺寸隐含四个中的一个因素而降低热负荷。以此方式，正常辐射冷却机构对于钢芯3的热稳定性是足够的。

另一个关心的是钢芯体(例如，由附图标记3表示)的冷却。在DC饱和FCL中，稳态钢芯体损耗不是由钢芯的磁滞曲线计算，而是以偏置点处的小磁滞回线计算。饱和钢芯的稳态损耗可能小于AC磁滞损耗的2％。与钢芯的相对达表面面积结合的钢芯中的小量功率损耗导致仅由辐射部件进行充分冷却，使得芯体的稳态温度在实际钢芯结构的限制之内。因此，辐射冷却机构对于钢芯的热稳定是足够的。

应该认识的是精确的钢芯损耗取决与现有钢的质量、偏置点、以及在芯体中使用的钢的类型的细节。在真空容器中在稳态下的钢芯和铜线圈的最终温度取决与表面面积。然而，具有设计细节，对于所述设计细节来说，存在合适的已建立的等式和其它工具/方法(例如，FEA)，并且应该在设计或交付使用期间详细计算所述设计细节。

用于DC超导线圈的机械保持支撑件35由低导热性材料(例如，玻璃纤维强化塑料(GFRP))制造而成。这提供与真空壁和在大气或更高温度下的支撑结构的有效热绝缘。用于钢芯的机械保持结构37可以由具有高导热性的材料制造而成，并且可以结合到真空容器罩，以形成热短路。包括相位线圈的AC线圈形成件(例如，由附图标记5表示)的机械保持结构可以由高导热性和非常低的导电性(即，电绝缘体)的材料制成，并且机械保持结构可以结合到真空容器罩以形成热短路。AC线圈相位绕组的匝与匝和层与层的电绝缘可以通过能够耐高温的电绝缘材料绝缘。例如，Nomex^TM、玻璃纤维、玻璃纤维环氧合成物、云母、特氟纶、Kapton^TM、或可以被利用的其它类似材料。

在另一个可选实施例中，多个独立的低温冷却器可以被结合到设计中以提供关键应用(例如，变电站)的冗余冷却。

设计2.低温液体冷却高压FCL

图1的装置可能不能立即适合于用低温液体和气体冷却DC超导线圈。用低温液体和气体进行冷却比机械冷却方法提供许多操作上的优势。图1的装置的另一个变化现在将被描述，其基本上更加适合于DC超导线圈部件的低温液体和气体冷却的应用结合。以下参考图2的剖视图描述结构。

图2的装置大体上与图1的装置相似。然而，在此装置40中，DC线圈41容纳在分开的单壁封闭真空紧密室或低温保持器42中，并填充有诸如液体或氮气、液体或氖气、或液体或氦气的低温流体，用于冷却超导DC线圈。MLI热层绕超导DC线圈放置在小真空容器42的内表面上。

现在应该认识的是这种结构需要在DC线圈低温保持器上另外的馈通45以通过DC电流电线47、仪器、和来自主容纳容器的真空环境的热耦合导线进入到DC线圈低温保持器42。

在这个高压FCL设计中，可以看出设置对DC超导线圈41提供低温冷却的可选。容纳FCL结构的主容器49保持处于真空下，因此仅保持液态氮气的容器42必须是单壁，因为外界条件已经处于真空下并提供与外部大气环境条件的热绝缘，因此所述容器不需要真空绝缘壁。热层43保持以使线圈屏蔽于来自AC相位线圈、钢芯、和FCL结构容纳在其内的真空容器的辐射热。

图2a是图2的低温保持器的放大剖视图，其中显示低温保持器的更多细节。

设计3.低温液体冷却分离电介质中的AC相位/芯体和DC线圈

在图3中由附图标记50表示的另一个可选的实施例中，与图1和图2有类似结构的DC饱和FCL被提供，但DC饱和线圈容纳在分开的真空绝缘低温保持器51中，所述低温保持器可以填充有诸如液态氮的低温流体。结构浸没在其内的容器53填充有诸如SF6、氮气、合成硅油、植物油、或用于高压应用的其它合适的电介质。在装置50中，可以在相位线圈对之间和在AC相位线圈与低温保持器之间使用固体绝缘电应力屏障，以将体积电介质绝缘分成狭窄通道。

图3a是图3的低温保持器的放大的剖视图，其中显示低温保持器的更多细节。

设计4.用于高压应用的完全浸没的DC饱和FCL

在图4中由附图标记60表示的另一个可选实施例中，图1中描述的优选实施例的整个FCL被浸没在合适的低温液体中，其中低温液体也是优良的电介质，例如，液态氮、液态氖、或液态氦。在磁设计变化中，容纳整个FCL的容器被真空绝缘低温保持器62替换，并且不再需要仅容纳DC线圈的容器。

低温液体63可以处于外界压力(即，一池沸腾液体)或处于充分低的压力下，以使得低温液体被低温冷却。低温液体可以通过现有的任何标准解决方案被保持，例如，将冷却头直接放在顶部气体空隙中、将气体用管输送到再液化器、或完整的损耗/补给系统。

值得注意的是，图4的设计60中的AC相位线圈64在低温电介质中不是超导的，并且因此在电介质液体中有潜在重要的电损耗，这需要通过低温补给系统而除去。然而，如前所述，AC相位线圈绕组的成本和质量作为DC饱和FCL的经济和技术考虑的参数是次要的。另外，传统导电电磁线圈的电损耗大体上与导体的横截面面积成反比。因此，AC相位线圈绕组可以被设计成合适的导体，与在仅考虑对周围条件的损耗而选择横截面时的正常需要相比，该合适的导体具有过尺寸横截面面积。

在磁设计变化中，低温补给系统可以由整个损耗系统、具有放置在容器内部的冷却头的低温保持器、或气体再液化系统组成。

设计5.具有超导AC线圈的完全浸没的DC饱和FCL

在图5中的剖视图中所示的另一个变化实施例中，设计4中的AC相位线圈被超导线圈71替换，并且(由芯体、AC相位线圈、和DC线圈的主要部件组成)的整个FCL浸没在如设计变化4中的低温液体中。此外，在磁装置中，低温冷却器直接连接到低温保持器的顶部。

此设计的一个问题可能是由于超导的AC损耗和芯体的能量损耗并必须提供充分的冷却能量以补偿这些损耗而产生焦耳加热。然而，DC饱和芯体FCL的三个固有设计元件使得这种设计变化成为制造高压FCL的应用方法。这些包括：

1)与图1的设计中的超导变压器不同，仅有一些制造AC相位线圈所需的匝，制造六个相位线圈所需的HTS超导导体的量少于600m的事实。这是基于以下假设：即，HTS导体的本域(self field)临界电流在77K时等于240安培。超导体绕组会被设计成具有平均AC损耗少于0.01瓦特每米的超导导体，并且因此所有六个相位线圈的总损耗会是例如在77开氏温标下为6瓦特的水平。这就会拿走在室温下的大约100瓦特的壁功率，以移除哪一个在整体应用上和经济上可获得。

2)FCl芯体很好地被偏置饱和，并且因此稳态芯体损耗是由于绕小磁滞回线的偏移而不是芯体的全磁滞回线。

3)在低温温度下，涡电流在工频频率下进入钢芯的薄叠层内的渗透深度使得涡电流损耗是少于室温下的数量级。

设计6.超高压DC饱和FCL

在前面图示中显示的特定设计可能不是特别地适合超高压工作状态。具体地，在这些图中两个不同相位线圈近距离接近。当然，铁芯的布置可以被重新构造成对于每个具体应用适于足印限制或其它物理或技术限制。

现在转到图6，显示了用于超高压FCL的一个设计80的剖视图。在装置80中，每一对芯体管柱81和每一对AC相位线圈82彼此放置在最大距离处。值得注意的是，这里描述的每个设计变化(即，在图1至图5中显示的)也可以应用到图6中描述的超高压设计。每一个具有其经济和技术设计上的优势和劣势。

例如，图6中显示的装置80可以是超导的并且容纳在低温保持器中，并且所述低温保持器填充有低温液体。

在另一个改进的实施例中，FCL容器的平衡可以另外地填充有电介质气体。在另一个改进的实施例中，FCL壳体可以是填充有低温液体电介质或气体(例如，氮气、氖气、或氦气)的真空绝缘低温保持器，和浸没在低温介质的完全FCL。在另一个实施例中，AC相位线圈是可另外超导。

在可选的装置中，低温冷却器可以相对FCL远距离放置。例如，在这种装置中，氮气(或其它)输送管道可以连接到FCL的顶部，并且气体可被重新凝结成具有如图所示的类似低温冷却器的远距离箱中的低温液体。所述箱可以给低温保持器/容器连续补给液体致冷剂。

设计7再循环气体冷却高压和超高压故障限流器

增强的氦气冷却高压或超导电压FCL的设计由图7中的附图标记90表示。

保持超导线圈的容器91可以由诸如不锈钢、塑料、或玻璃纤维强化塑料的适当材料制成。绕超导线圈缠绕的管92含有冷却介质并与超导线圈进行良好的热接触，并且可以由铜或能够与超导线圈进行良好热接触的其它材料制成。在从超导线圈94到冷再循环流体92发生热传递。

再循环流体92可以是任何合适的低温液体或气体，但此设计特别地适于20开氏温度氦气、30开氏温度氖气、或者77K液态氮气。流体经真空绝缘软管95，96被供给。保持绝缘流体的整个容器97和包括超导线圈的容器填充如前所述的有电介质。

这种设计的优势在于包括FCL线圈的低温保持器只需是一个单壁真空容器，这简化了FCL的整体设计。

这种设计特别地适用于全塑料低温保持器，因为低温保持器本身会在高压AC相位线圈和低压超导线圈之间形成额外的电应力绝缘屏障，因此这简化了整个装置的静电设计。这种相较于低温保持器由不锈钢制造的情况能够得到更紧凑的高压设计。

应该认识的是先前优选实施例中的元件和特征(包括图1-6)可以应用到这个设计中。例如，AC相位线圈可以是超导的并且电介质可以是诸如前面所述的低温液体。具体地，当需要图7中设计的超高压版本时，设计6(图6)中芯体的布置是被期待的。

总之，通过采用远程液化方法，冗余和维护可能更易于实现。例如，如果采用两个低温冷却器和两个储存箱，并且如果所述低温冷却器和所述储存箱被定位成远离FCL，则可以对一个低温冷却器执行维护，而另一个继续工作。按照这种方法，在低温冷却器维护或者修理活动期间，FCL能够保持是电路通的，和能发挥作用/可操作的，并且如果这种方法被采用，不需要转换FCL。

在优选实施例中，低温保持器可以由包括不锈钢、玻璃纤维强化塑料、G10、G11或者其它聚合材料的许多材料构造而成。另外，需要时，这些材料可以被利用用于电真空馈通配件和在低温保持器顶部的真空配件。

现在转到图8，显示了用于138kV三相设计的模拟结果。模拟涉及图1的装置，并且包括如下设计参数：

·每个AC相位线圈上的匝数(n)＝130匝

·每个DC饱和线圈上的匝数(N)＝8000匝

·DC线圈中的偏电流(I)＝100安培

·在芯体管柱和轭中的钢的横截面面积(A)＝0.18m²

·芯体窗尺寸＝1.1m宽×2.2m高

使用的电路积分假设：

1)频率＝60.0Hz

2)源阻抗＝1.000+7.540J欧姆

3)负载阻抗，定态，20.00+15.08J欧姆

4)故障阻抗＝0.8欧姆(仅限电阻)

第一曲线101显示产生的故障电流，其中不存在FCL，而第二曲线102显示故障电流，其中存在FCL。可以从模拟中看出，设计作为故障限流器有效地工作。

应该认识的是此处呈现的设计包括在现有技术中所述的与DC饱和故障限流器有关的实际故障限流器的所有优势。具体地，这些包括：由于故障限流器的高渗透性芯体的饱和状态的芯体耗的低耐性、低终端阻抗[例如授予Darmann等人的美国专利7193825]，设计的简化缘于主要结构采用变压器和电抗器制造者公知的制作技术，如果采用饱和元件的超导线圈，那么此处呈现的设计展示相对于AC超导FCL的低AC损耗，原因在于线圈只携载DC电流，低温容器设计的简化缘于超导线圈处于低压下，并且不受制于AC线路的主相位电压，超导元件的机械支撑的简化缘于AC线路故障电流没有通过超导线圈携载，并且低温冷却和超导线圈的安全程序的简化缘于AC线路故障能量堆存在冷却介质中。

前面描述了本发明的优选特征。在不偏离本发明的保护范围情况下，可以对所述实施例作出对本领域技术人员来说是显而易见的修改。

Claims

1.一种被设计成用于连接到中压、高压、或超高压变电站或诸如发电站的其它高压源的故障限流器，所述故障限流器包括：

铁磁回路回路，所述铁磁回路由铁磁材料形成，并且包括至少第一管柱、第二管柱和第三管柱；

第一输入相位线圈，所述第一输入相位线圈绕所述第一管柱缠绕；

第二输出相位线圈，所述第二输出相位线圈绕所述第三管柱缠绕；

磁饱和机构，所述磁饱和机构包围管柱，用于使所述铁磁材料磁饱和；和

容纳容器，所述容纳容器提供包围所述铁磁回路、所述第一输入相位线圈和所述第二输出相位线圈和所述饱和机构的大致均匀的低电导率介质。

2.如权利要求1所述的故障限流器，其中，所述低电导率介质包括高于10-3毫巴的真空。

3.如权利要求1所述的故障限流器，其中，所述低电导率介质包括诸如SF6、氮气、合成硅油、或植物油的电介质。

4.如权利要求1所述的故障限流器，其中，所述介质包括低温液体或气体。

5.如权利要求1所述的故障限流器，其中，所述磁饱和机构包括超导DC线圈。

6.如权利要求5所述的故障限流器，其中，所述超导DC线圈支撑在低导热材料的基座上。

7.如权利要求5所述的故障限流器，其中，所述饱和机构包括位于低温保持器内的超导线圈。

8.如权利要求4所述的故障限流器，其中，所述低温保持器包括外绝热层。

9.如权利要求7所述的故障限流器，其中，所述低温保持器由塑料壁形成。

10.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，所述相位线圈由铜绕组形成，所述铜绕组相对于用于携载预期电流的标准相位线圈具有扩大的导体横截面。

11.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，所述饱和机构包括机械保持支撑件，所述机械保持支撑件由低导热性材料形成。

12.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，所述铁磁材料包括叠层钢芯。

13.如权利要求1所述的故障限流器，其中，所述直流线圈包括超导线圈，并且所述故障限流器进一步包括包围所述超导线圈的封装式超导冷却器。

14.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，所述相位线圈是超导线圈。

15.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，所述故障限流器包括在分开的铁磁回路上的三个相位。

16.如任一前述权利要求所述的故障限流器，其中，电源电压超过37kV。

17.如权利要求5所述的故障限流器，其中，所述超导DC线圈被包含低温流体或气体的线圈包围。

18.如权利要求17所述的故障限流器，其中，所述低温流体或气体从外部源供应给所述故障限流器。

19.如权利要求18所述的故障限流器，其中，具有用于所述流体或气体的冗余供应源。

20.一种被设计成用于操作高压源的故障限流器，所述故障限流器包括：

铁磁回路，所述铁磁回路由铁磁材料形成，并且包括至少第一管柱、第二管柱和第三管柱；

直流线圈，所述直流线圈绕所述第二管柱缠绕，用于在正常使用期间使所述铁磁回路饱和；和

真空容器，所述真空容器包围所述铁磁回路，并将所述铁磁回路保持在真空中。

21.如权利要求20所述的故障限流器，其中，所述直流线圈包括超导线圈，并且所述故障限流器进一步包括包围所述超导线圈的封装式超导冷却器。

22.一种大致如本文参照在附图和/或示例中所述的本发明的实施例中的任一个所述故障限流器。