CN102741953B - 具有饱和芯的改善故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种用于交流系统的三相限流器（30），包括：AC磁路，针对三相AC电源的每一相具有至少一个AC线圈（35R1，35S1，35T1），缠绕在可饱和铁磁芯上并且被配置为使用于每一相的相应AC线圈经受共同磁通量；以及DC磁路（34a，34b），用于在正常状态下将所述AC磁路偏置至饱和。所述AC线圈被配置为在使用时与负载串联连接，并且在所述AC电源的交替半周期期间，至少一个所述AC线圈产生与所述DC磁路的磁场相反的磁场。针对每一相的所述AC线圈（35R，35S，35T）被配置为使得至少一个所述AC线圈相对于针对每一相的所述AC线圈中的其它AC线圈表现出不平衡磁阻抗。

Description

具有饱和芯的改善故障限流器

技术领域

本发明涉及单相和三相故障限流器(FCL)。

参考文献

下面列出了被认为是与本发明背景技术相关的现有技术参考文献，并且通过引用的方式将它们的内容并入本文。对此处参考文献的致谢并不认为是意味着它们与此处公开的本发明的专利性以任何方式相关。每个参考文献以在方括号中包括的数字所识别，因此将通过在方括号中包括的数字在整个说明书中参考现有技术。

[1]CIGRE工作组A3.10，技术报告“Fault Current Limiters in ElectricalMedium and High Voltage Systems”，2003年8月

[2]http://www.trenchgroup.com/Trench％20Group/Trench_Home/Trench_Start.html

[3]M.Shah等，美国专利第7,330,096号“Fault Current Limiter”，2008年2月12日

[4]V.Rozenshtein，A.Friedman，Y.Wolfus，F.Kopansky，E.Perel，Y.Yeshuran，Z.Bar-Haim，Z.Ron，E.Harel和N.Pundak，“Saturated cores FCL-a new approach”，IEEETransactions on Applied Superconductivity，Vol.17，Issue 2，2007年6月，第1756-1759页。

[5]美国专利3,219,918“Current Limiting Apparatus”，A.Trench，1965年11月23日

[6]美国专利4,045,823“Current Limiting Devices for Alternating CurrentSystems”，K.C.Parton，1977年8月30；

[7]B.P.Raju，K.C.Parton，T.C.Bartram，“A Current Limiting Device UsingSuperconducting D.C.Bias：Applications and Prospects”，IEEE Transactions onPower Apparatus&Systems，Vol 101，pp3173-3177，1982

[8]V.Keilin，I.Kovalev，S.Kruglov，V.Stepanov，I.Shugaev，V.Shcherbakov，I.Akimov，D.Rakov和A.Shikov，“Model of HTS three-phase saturated core faultcurrent limiter”，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，Vol 10，No.1，2000年3月，pp836-839。

[9]美国专利2006/0044105，“Superconducting fault current limiter”，F.Darmann等，2006年3月2日

[10]WO2007/029224“Fault current limiters(FCL)with the cores saturatedby superconducting coils”，Bar Ilan University and RICOR Cryogenic &VacuumSystem，2007年3月15日公开

[11]日本专利2002118956“Current Limiter”，Mitsubishi Electric Corp.，2002年4月19日

[12]WO2010/056122“Current Limiter”，LIANDON B.V.，2010年5月20日

背景技术

电力系统中的故障是不可避免的。从电源流到故障位置的故障电流导致施加在设备(如架空线、电缆、变压器以及开关装置)上的高动态和热应力。现在的断路器技术没有提供选择性中断与这种故障相关的电流的完整方案[1]。

发电和消耗的增长以及网络之间的互连增加导致故障电流的水平增加。具体而言，发电的持续增长使得网络达到或甚至超过它们相对于短路电流耐受能力的限制。因此，对能够限制故障电流的装置有相当大的兴趣。使用故障限流器(FCL)允许设备保持运行，即使预期故障电流超过其额定峰值和短路耐受电流。因而，设备(包括断路器)的替代能够被避免或推迟到以后。此外，使用已经处于设计阶段的FCL具有使用较低成本设备的优点：例如，具有较低阻抗的变压器、具有减小的截面的电缆、具有较低电流中断能力的断路器等[1]。

有时候，通过插入具有恒定电感的限流电抗器(CLR)，能够解决限制故障电流的问题，如同例如在用于高压的[2]中和用于低压的美国专利7,330,096[3]中所看到的。然而，附加电感可能导致不期望的电压降和系统稳定性与可靠性的降低。因此，从标称电流处的小的可忽略的阻抗变化到故障状况下的高阻抗的可变阻抗装置是最期望的限制故障电流问题的解决方案。

利用可变阻抗实现FCL的最具吸引性的原理之一是饱和芯FCL[4]。图1示意性示出其工作原理。FCL 10包括两个铁磁芯11a、11b，其通过从DC电源24馈送的两个偏置线圈13a、13b所生成的磁场25a、25b在正常(即无故障)操作期间保持为饱和。两个AC线圈12a、12b缠绕在这两个芯周围并且以针对AC电流的每半个周期它们的场方向26a、26b相对于偏置场25a、25b处于相反方向(即，在第一个半周期中，场方向26b与芯11b中的方向25b相反，并且在第二个半周期期间26a与芯11a中的方向25a相反)的方式进行设置。因而，与AC电源21和负载22串联连接的AC线圈12a、12b在正常(即，无故障)状态下表现出低阻抗。在过电流的情况下，AC线圈中的增大的AC电流驱动芯(根据AC电流11a或11b的符号)不再饱和并且FCL的阻抗增加。在短路状况下，受限故障电流触发断路器23打开并且保持AC系统20的正确操作。

公知FCL的主要缺陷在于它们的大质量和体积[1]以及在大约40年之前就提出了降低质量的早期尝试[5]。然而，对于DC安培-匝数非常高的要求限制了将这些装置用于大功率应用。

随着超导应用的发展，这种限制在很大程度上被去除。发明人为K.C.Parton等人的美国专利No.4,045,823[6]公开了一种用于功率交流系统的限流器。对于每一相，限流器具有一对可饱和电抗器，所述电抗器的线圈相对于超导偏置线圈在相反方向上进行缠绕。

在[7]中描述了用于中压的单相FCL的一个实例。从这一工作中披露的数据中，可以得到在饱和芯中的平均增量磁导率约为1.6并且DC偏置线圈所引起的磁场强度大于1000奥斯特。在[6]和[7]中，注意到限流水平与供应到偏置线圈的特定电流匹配。因而，在故障电流水平低于设计水平的情况下，FCL很有可能起作用，从而提供不足的阻抗。

高温超导(HTS)应用(例如[1，4])的发展刺激了对饱和芯FCL的兴趣。在[8]中，描述了具有六个芯和一个DC超导偏置线圈的三相装置。AC线圈与DC偏置线圈之间的变压器耦合(其导致对三相对称故障电流的低限制能力以及在不平衡负载/故障状况下和在单相和两相故障电流中对DC电源的影响)为公知饱和芯FCL的另一主要缺点。专利[5，6]通过增加与DC偏置线圈串联的附加电感克服了这一问题，但是这样做质量大的第一缺点甚至更严重。

图2示意性示出具有如[10]中所公开的饱和芯的FCL 30的不同公知方案。这里描述的FCL 30包括具有两个第一(“长”)柱33a、33b以及两个第二(“短”)柱32a、32b的铁磁芯31。AC线圈35缠绕在两个第一柱33a、33b周围，使得每半个周期中AC电流在两个柱中、在一个方向上引起通量。两个超导DC偏置线圈34a、34b环绕柱32a、32b，从而在相反方向上在第一柱33a、33b中提供通量并且在正常(即，无故障)状态下导致芯31的饱和。通过这种方式，提供了一种用于偏置场的闭合磁路以及用于AC场的开放磁路。偏置线圈和它们的DC电源以在正常条件下提供深度可控饱和并且在故障状况下降低或甚至消除DC电流的可能性的方式进行设置。因而，在正常状态下并且在可接受超载状态的宽范围中，可以通过DC电流改变来提供期望的低阻抗。在每半个周期期间的故障电流条件下，柱33a或33b之一被强制不再饱和。因而，增加AC线圈35的阻抗导致电压降的瞬时增加和故障电流限制。同时，通过增加电压降，可以提供控制信号以降低或消除DC电流。应注意，用于AC磁场的开放磁路提供了故障限制水平的宽范围而不需要改变DC偏置场水平。

图3示出了如同在JP 2002118956[11]中所述的类似原理，其公开了一种限流器，其包括彼此相对的一对第一和第二磁芯2a、2b和缠绕在芯2a、2b周围的AC线圈3。然而，在这种情况下，芯2a、2b通过两个永磁体1a、1b在正常状态下保持在饱和状态。这种构造的含铁部分表现为用于AC电流所引起的通量的开放磁路并且表现为用于永磁体所引起的通量的闭合磁路。在这方面，图3示出的FCL在原理上与图2描绘的FCL相同，但是与之不同的是，不具有在正常状态下改变阻抗的可能性并且具有永磁体的FCL的额外缺点是至少在故障状况下有热应力，这能够增加需要的恢复时间，与抗性超导FCL装置[1，4]类似。

在[5，10，11]中所描述的FCL的饱和芯仅适合单相或三相电源。因而，实际三相AC系统需要三个这种铁磁结构，因而导致厚重的结构。

在本申请的优先权日之后公开的WO 2010/056122[12]公开了一种三相限流器，其中用于每一相应相的三相AC线圈缠绕在同一芯上。AC线圈(称为“通量生成器”)相对于彼此在相同方向(例如相对于线圈轴为顺时针或逆时针方向)上均为三重缠绕。据称这在使用三相电流时产生了非常大的优点：在(三相)完全平衡的电流的情况下，三个AC线圈生成的磁通量可以彼此全部抵消。

尽管这是真实的，然而这防止了芯在平衡的故障电流事件中去饱和，而这是限制故障电流所需要的，从而[12]所教导的限流器表现为不能针对平衡的故障电流事件进行操作。

发明内容

因此，本发明的目的是为了实现：

1.饱和芯FCL的降低的质量和尺寸；

2.AC线圈和一个或多个DC之间降低的变压器耦合；

3.DC偏置场的磁场强度中的降低(用于在正常状态条件下提供低阻抗所需要的安培-匝数)。

根据第一方面，本发明通过如下内容实现这些目的：

■仅使用用于单相和三相FCL的单个饱和芯，因而降低FCL的质量和体积；

■使用用于一个或多个DC偏置线圈的闭合磁路，以允许芯在宽范围的负载(以及可接受的超负)电流下保持在深度可控饱和的状态的能力；

■使用用于一个或多个AC线圈的开放磁路，以在遍及宽范围的故障电流下提供适当限制能力，而不需要改变装置中所需要的偏置电流的能力，例如在美国专利US 4,045,823中所述；

■采用铁磁芯和三相AC线圈的改善和新型配置，以在正常和故障电流限制状态下利用DC偏置场的非常低的磁场强度(200-300奥斯特)提供可用水平的FCL阻抗，并且还显著降低了AC和一个或多个DC线圈之间的变压器耦合。生成的FCL的成本降低，而与是否使用了超导偏置线圈或传统非超导布线偏置线圈无关。

通过在相同芯上缠绕所有三相AC线圈，同时采取措施在线圈的磁特性中引入不对称来实现这些目的。这是必须的，因为磁对称AC线圈两端的三相电压的矢量和在平衡的故障电流事件中为零，并且这防止芯去饱和，如同限制故障电流所需要的。

应注意，在说明书和所附权利要求书的上下文内，术语“不对称”和“不平衡”等同。针对每一相的AC线圈这样配置，使得针对每一相至少一个AC线圈相对于针对每一相的其它AC线圈表现出不平衡磁阻抗。换言之，在每个三联体中，两个AC线圈可以具有相同磁阻抗，而第三个不同或可选地，每个三联体中的所有三个AC线圈可以具有不同磁阻抗。还应注意，不平衡可能由于三个AC线圈的不同的自身阻抗或由于其不同相互阻抗引起的。

因而，根据本发明的第一方面，提供了一种用于交流系统的三相限流装置，所述三相限流装置包括：

AC磁路，对三相AC电源的每一相具有至少一个AC线圈，缠绕在可饱和铁磁芯上并且配置为使针对每一相的相应AC线圈经历共同的磁通量，以及

DC磁路，用于在正常状态下将所述AC磁路偏置至饱和；

所述AC线圈被配置为使得在使用中它们与负载串联连接，并且在所述AC电源的交替半个周期期间，至少一个所述AC线圈产生与所述DC磁路的磁场相反的磁场；以及

用于每一相所述AC线圈被配置为使得至少一个所述AC线圈相对于用于每一相的其它AC线圈表现出不平衡磁阻抗。

根据不同实施例，AC磁路可以是开放的或闭合的，并且DC磁路可以同样是开放的或闭合的，从而表现出四个实际不同的布置，每个布置经历如在下文中详细描述的变化。

根据一些实施例，通过优选围绕其上缠绕了AC线圈的磁路的不同柱缠绕的至少一个DC偏置线圈来实现DC磁路，以避免或降低AC线圈与DC偏置线圈之间的磁耦合。

根据一些实施例，AC磁路包括相对柱，在每个相对柱上布置了用于三相的三个AC线圈，从而用于三相的每一相的第一线圈位于一个柱上，并且用于三相的每一相的第二线圈位于相对的柱上。用于三相的每一相的相应线圈串联连接。在本实施例的进一步变型中，DC偏置柱在其相对柱的中间耦合至闭合磁路，并且至少一个DC偏置线圈围绕DC偏置柱缠绕。

为了简化如下描述，将其上缠绕有AC线圈的AC磁路的柱称为“第一”柱，并且将其它柱称为“第二”柱。然而，应注意，不期望此术语作为限制并且第一和第二柱可部分交叠或可以由在数学上连续的线所形成。因而，在图2所示的这种布置中，磁路的长柱为“第一”柱，而其上缠绕有DC线圈的短柱为“第二”柱。然而，在这种布置下，DC线圈可以被缠绕在与AC线圈相邻或甚至与AC线圈交叠的长柱上。类似地，尽管在具有闭合芯(其中AC线圈围绕AC磁路的单个柱缠绕)的那些实施例中，例如如同图6、图7、图8、图9、图12以及图14所示，每对的所有三个AC相位线圈示出在AC磁路的同一“第一”柱上，然而应理解如果外部AC线圈的一个或两个转移到临近的“第二”柱，则磁路不改变。此外，尽管芯的形状示出为矩形，然而在第一和第二柱之间的分界线较不清晰的情况下其可为椭圆的。

出于所有这些理由，在构建术语“第一”和“第二”柱时需要谨慎和弹性的尺度，由于它们不是必须通过在几何形状上唯一限定的结构所实现的。因此，其为更一般性的校正，以在无论其特定几何形状如何这一点上解释AC磁路的第一柱，AC磁路适合使得用于三相AC电源的每一相的AC线圈经历共同的磁通量。为了避免不清楚，如果需要我们将其上安装有AC线圈的柱称为“AC电路柱”。

根据一些实施例，至少一个DC偏置线圈为超导线圈。

根据一些实施例，AC线圈缠绕有不同匝数以实现不对称磁阻抗。

根据一些实施例，AC线圈布置在AC电路柱的不同部分上以实现不对称磁阻抗。

根据一些实施例，AC线圈具有不同的线圈几何形状以实现不对称磁阻抗。

根据一些实施例，相应去耦合回路缠绕在每个AC电路柱上，从而至少部分抑制AC线圈之间的通量传输。

根据一些实施例，三相FCL具有至少一个DC偏置线圈或永磁体以及单个饱和永磁芯，形成用于AC线圈的开放磁路和用于偏置场的闭合磁路。DC偏置线圈提供可控的铁磁芯饱和水平，并且在DC线圈两端的净AC通量为最小的芯片段上沿着AC通量方向正交安装。这种设计允许构建具有饱和芯(比可比较的公知FCL具有较小质量和尺寸)的三相FCL，并且还降低或消除了AC线圈与一个或多个DC线圈之间的变压器耦合，从而降低了在一个或多个DC偏置线圈中感应的AC电压。

根据一些实施例，芯为矩形，AC线圈缠绕在长柱上，以环绕铁磁芯的两个长柱。根据另一实施例，每一相包括两个AC线圈：围绕一个“长”柱缠绕的第一线圈和围绕另一“长”柱缠绕的第二线圈。AC线圈以这些线圈中的AC电流所引起的通量方向在每半个周期为相同方向的方式串联连接。

根据一些实施例，通过用作具有较大截面和/或较大饱和感应的芯轭(core yoke)的第二柱，实现FCL的饱和铁磁芯的第一柱的改善饱和。通过这种方式，利用较少安培-匝数的DC偏置线圈可以实现“第一”柱中的较少数量的增加磁导率。

根据本发明的另一方面，提供了具有“二维”磁芯的FCL，其中对于三相AC电源的每一相，一对AC线圈缠绕在相对的第一柱上并且一对DC偏置线圈缠绕在相对的第二柱上。提供装置以在每个柱上的AC线圈的磁特性中引入不对称性。

在这种布置中，限流和正常状态下的FCL的阻抗的比率比用于传统装置的比率低。为了增加这个比率，需要增加装置长度。

可以通过“分裂”(或三维)芯实现这个目的，其也提供了用于AC场的闭合磁路但是是在与偏置场的主方向垂直的平面上。通过这种装置，除了上述优点之外，用AC与一个或多个DC偏置线圈之间的低水平变压器耦合实现在故障限流和正常状态下的阻抗的高比率。本发明的这个第二方案对于单相装置以及对于三相装置可以是有用的。

在这个实施例的变型中，DC偏置电路包括至少一个DC偏置线圈，其轴与其上缠绕有AC线圈的柱所形成的平行平面正交。每个柱上的AC线圈被配置为表现出非对称磁阻抗。

在一些实施例中，DC偏置场可以对三相FCL的所有三相共用。

参考文献[4]讨论了用于给定FCL特性(即，其正常和故障状态的阻抗和电压)的铁磁芯的理论最小体积。在这里将参数k限定为FCL的实际铁磁体积与最小理论体积的比率。因此，紧凑FCL设计可以以低k值作为特征。参考文献[6，9]的k值的评估产生约10的结果。以相同方式，在参考文献[10，11]中提供4-6的k值。根据本发明的至少一些实施例更紧凑并且表现出3-3.5的k值。

此外，用于三相FCL的AC线圈的布置显著影响了上述比率k。因而，当设置具有部分交叠的线圈时，可以实现用于三相FCL的3-3.5的比率k。同时，可以提供用于各种故障电流的可接受的限流能力。为此，可以提供附加的一个或多个去耦合线圈，以控制和降低AC线圈之间的互感并且降低在正常状态下FCL两端的电压降。

根据其它实施例，提供具有用于DC偏置线圈(或永磁体)的两个闭合磁路的分裂铁磁芯，而对于每一相，两对AC线圈安装在分裂芯上并且这种配置使得对于每对线圈中的AC电流所引起的通量，磁路表现为开路。另一方面，对于每对中的互补线圈中的AC电流所引起的通量，磁路表现为闭合。通过这种方式，在正常状态下可以实现较低阻抗并且在故障限流状态下可以实现较高阻抗。

根据一些实施例，FCL包括用于在故障状况下降低或消除DC偏置场的装置，从而可以增加故障限制能力。

分裂芯相比于传统整个芯具有一半的截面，从而根据本发明的三相FCL的质量和体积与传统单相装置的质量和体积的大小为相同级别。具有分裂芯的FCL可以被用作单相装置，并且可以提供有代替DC偏置线圈的永磁体或提供有组合的永磁体和偏置线圈。

附图说明

为了理解本发明并且获悉本发明在实际中如何执行，现在将仅通过非限制性实例的方式并且参考附图来描述某些优选实施例，其中：

图1示意性示出具有美国专利No.4,045,823中描述的饱和芯的现有技术故障限流器(FCL)的原理；

图2示出了WO 2007/029224中描述的现有技术饱和芯FCL；

图3示出JP 2002118956中描述的现有技术饱和芯FCL；

图4a示意性示出根据本发明第一实施例的三相FCL的简化设计，其具有图4b和图4c所示的方形截面的磁芯；

图5a示意性示出根据本发明一个方案的变型FCL，其利用具有图5b和图5c所示的矩形截面的磁芯的DC偏置线圈的较少安培-匝数来实现极度饱和；

图6示意性示出图5所描绘的FCL的饱和磁芯上的三相AC线圈的不同布置；

图7示出具有AC线圈在R-S和S-T相中部分交叠位置的AC线圈的布置的实施例；

图8示意性示出根据本发明实施例的FCL，其用于通过附加去耦合线圈降低在R-S、R-T以及S-T相中的AC线圈之间的互感；

图9示意性示出利用用于在故障状况下将DC放电的装置，DC电源单元与AC电源的连接以及与偏置线圈的连接；

图10为具有用于DC偏置线圈的两个“短”柱的分裂芯的图示表示，其也能够为用于AC线圈的永磁体和四个“长”柱；

图11示意性示出四个AC线圈与图10示出的分裂芯的一相的连接；以及

图12到图14示意性示出根据本发明各替代实施例的三相FCL的简化设计。

具体实施方式

在一些实施例的以下描述中，将由相同的附图标记指代在多于一幅图中出现或共享类似功能的相同部件。

图4a示意性示出了具有铁磁芯31的三相FCL 30，所述铁磁芯31包括“短”柱32a、32b(构成“第一”柱)和“长”柱33a、33b(构成“第二”柱)。相应偏置线圈34a、34b缠绕在短柱32a、32b上以将芯31保持为可控饱和。DC偏置线圈34a、34b构成磁偏置装置，以用于在正常状态下将DC磁路偏置至饱和。在此和所有之后的实施例中，这也能够通过使用永磁体或DC偏置线圈和永磁体的组合来实现。

相应AC线圈35R、35S、35T(一个用于三相电源的每一相)以与在WO2007/029224中所描述以及图2中所示出的类似方式相互空间邻近地围绕两个长柱33a、33b缠绕。铁磁芯31可以是缠绕(C-芯)或堆叠芯并且可为恒定截面，然而如上所述，这不是强制性地。偏置线圈34a、34b中的DC电流沿相反方向在柱33a、33b中产生通量，并且每一相中的每半周期中的AC电流沿相同方向在柱33a、33b中产生通量。因此，用于DC偏置电流所产生的通量的闭合磁路引起柱33a、33b的饱和，从而在正常(无故障)状态下实现AC线圈35R、35S、35T的低阻抗。同时，用于AC电流所引起的通量的开放磁路产生对宽范围故障电流的限流能力。在附图中，符号“.”用于表示线圈启动。

应注意，长柱的中部总比末端饱和度低，因而，即使在所有三个线圈具有相同匝数和尺寸的情况下，中间AC线圈35S(LS)的自感将高于外部AC线圈35R(LR)、35T(LT)的自感。此外，由MRT表示的两个外部线圈35R、35T之间的互感低于中间线圈35S与外部线圈35R或35T中任一个之间的互感，中间线圈35S与外部线圈35R或35T中任一个之间的互感由MSR或MST表示的互感。结果，在两相(例如R-S)之间发生短路时，可由两个相应AC线圈35R、35S的电感(等于LR+LS-2*MSR)来限定限流能力，这是因为这些线圈中的短路电流在相反方向上流动。这种不对称还确保了在三相短路的情况下，AC线圈35R、35S、35T的磁路不对称，从而三个AC线圈中故障电流引起的电压降的矢量和不为零并且磁强度的和确保了相应磁路的去饱和，因而保持了FCL的限流能力。

因而，AC线圈35R、35S、35T的特征(例如匝数、几何形状、交叠部分以及在芯上的位置或其任意组合)应被设计为使得三相FCL满足如下要求：

■在正常状态下通过所有相AC线圈的可接受阻抗和电压降；

■正常状态下通过所有相的所有AC线圈的电压降中可接受的不平衡；

■用于所有种类的短路电流(单相、两相以及三相)的可接受限制能力。

与例如[10]所示的三个传统单相FCL相比，根据本实施例的这种三相FCL可以被设计为具有提供主要节省铁磁体积和偏置线圈中的匝数的比率k＝3-5。

在图4a所示的磁路中，磁芯为图4b和图4c所示的方形截面，其中图4b和图4c为分别沿图4a中的线B-B和C-C截取的截面图。然而，在本实施例以及所有其它实施例中，芯的截面不需要为方形并且例如可为图5a所示的矩形，同样地，图5b和图5c为分别沿图5a中的线B-B和C-C截取的截面图。此外，尽管图4a和图5a中的截面示出为平行四边形，这也不是本发明的要求并且可以采用其它形状。例如，也可以使用具有圆形和椭圆截面的芯。应注意，截面不需要沿芯的全部长度是相同的。

如上所述，为了柱33a、33b的中心部分的饱和，需要DC偏置线圈的更大的安培-匝数，这是由于高通量密度状态下的通量分布。短柱32a、32b中的通量密度可以通过将这些柱建构为相对于长柱33a、33b的截面具有较大截面的“轭”来降低，如图5b和图5c所示。这些“轭”可由具有较大饱和电感(通量密度)的磁材料和/或由不同层压或非层压的铁磁材料制成。应注意，可以使用附加装置(例如附加DC线圈、电磁体或永磁体)、适当增加截面以及改变轭的几何形状，来实现在长柱中的所需饱和。

图6示出另一实施例，其中代替两个长柱33a、33b，形成开放芯，所有AC线圈围绕所述开放芯缠绕以形成开放磁路，每个AC线圈由单独围绕每个长柱缠绕的串联连接的偶联体(couplet)形成。因而，R相的AC线圈包括分别缠绕在柱33a、33b上的一对线圈35R1、35R2。S相的线圈偶联体35S1、35S2以及T相的线圈偶联体35T1、35T2以类似方式缠绕。AC线圈以在每半周期期间，每一相中由AC电流引起的磁通量将通过两个柱33a、33b在相同方向上起作用的方式进行连接。因而，用于由AC电流引起的通量的磁路表现为开路并且根据本实施例的FCL以如同上所述类似的方式操作。

图7示出本实施例的变型，其中以如下方式实施三相中的每一项的相应AC线圈偶联体：柱33a上的R和T相线圈35R1、35T1以及柱33b上的R和T相线圈35R2、35T2被间隔开约等于线圈长度20％的距离。相应S-相线圈35S1、35S2与R和T相线圈以交叠关系进行缠绕，使得它们的自感LS约等于1.5*LR(或LT)，并且使得它们的互感MSR＝MST，约等于R或T相的自感的40％(即，MSR＝0.4*LR)。其通过线圈的适当放置和几何形状来实现。线圈的自感为它们截面和匝数的函数。

结果，针对两相短路的故障限流能力大致与单相或三相短路的故障限流能力相等，因为1.5*LR+LR-0.8*LR≈1.7*LR。在本实施例中，针对三相的AC线圈的组合长度约为单相线圈所需长度的2.2倍，因而允许接近等于3-3.5的比率K。应注意，R和T相线圈之间的互感(MRT)降低了在R-T短路情况下的限流能力。同时，这种互感导致正常状态条件下电压降的更加不平衡。

图8示出图7中所示的实施例的变型，并示出了控制三相AC线圈之间的互感，尤其是R和T相线圈之间(即，35R1和35T1之间、35R2和35T2之间)的互感的一个可能性。相应去耦合线圈35D1和35D2围绕柱33a和33b缠绕并且位于相应R和T相线圈35R1和35T1、35R2和35T2之间。去耦合线圈35D1和35D2可以用各种匝数和布线截面来实施，并且可被用作短路线圈或可以连接到可变外部负载，以提供用于在设计阶段中调节三相FCL参数的附加装置。同样地，去耦合线圈可被构建为允许在使用期间改变它们的匝数和/或截面。去耦合线圈充分降低了所有三相AC线圈的阻抗，尤其是35S1-35S2线圈的阻抗，使得可以利用DC偏置线圈的较少安培-匝数实现正常状态下所需的低阻抗。

本发明的上述所有实施例可以包括DC电源的输出和DC偏置线圈之间的、并且由WO2007/029224所述的AC线圈上的电压降所控制的DC电路中的电流降低/切换单元，以在故障状况期间降低或中断DC电流。能量吸收电路同样与DC偏置线圈并联连接，以使DC偏置线圈快速放电。故障状况期间DC偏置线圈中的电流的快速中断增加了FCL的限流能力。

图9是示出用于高压(HV)应用时的三相FCL 30的一个实施例的示意电路图。AC线圈35R1、35S1、35T1环绕柱33a并且AC线圈35R2、35S2、35T2环绕柱33b。柱33a、33b在正常(即，无故障)状态下通过两个DC偏置线圈34a、34b保持在饱和状态，其通过具有全控桥的DC电源单元39供电。针对每一相的两个AC线圈(例如35R1、35R2)在HV网和HV负载42之间串联连接，并且这些串联连接的相线圈与三相变压器36的相应初级绕组并联连接，所述三相变压器36的次级绕组连接到将控制信号馈送到快速保护装置38以及馈送到DC电源单元39的控制器37的输入端。限压电路41连接在DC电源单元39的输出端。在操作中，三相高压变压器36测量通过FCL的所有AC线圈的电压降。控制器37响应于与短路故障相应的电压的突然增加，以将中断信号馈送到快速保护装置38，以用于将DC电源单元39与AC电源断开连接。DC偏置线圈的能量被限压电路41放电。在中断故障电流之后，通过三相变压器36的各相所测量的异常电压降被消除并且控制器37用于恢复DC电源。

图10为具有由环形芯51a、51b所形成的两个间隔开的闭合磁路的分裂芯50的图示表示，每个环形芯具有通过相应“中间”柱54a、55a以及54b、55b结合的相应对长柱52a、53a和52b、53b，所述相应“中间”柱的相对的柱通过柱56a、56b进行互连。长柱52a、53a和52b、53b如同前文所述支撑AC线圈。柱56a、56b构成DC偏置柱，所述DC偏置柱在相应第二柱的中间被耦合到由环形芯形成的闭合磁路，并且用于通过环形芯传导磁通量。两个环形芯51a、51b形成用于DC偏置线圈引起的通量的两个平行闭合磁路。因而，同样地，用于环绕线圈52a、53a以及52b、53b的AC线圈引起的通量的磁路也表现为闭合磁路，使得这些柱中的增加磁导率所限定的正常状态中的阻抗将会非常小，而在故障限流条件下，阻抗将比在开放磁路的情况下增加的更多。

尽管本实施例采用两个间隔开的环形芯，然而也可通过单个环形芯实现类似效果，其相应第二(短)柱通过布置在第二柱中间的DC偏置柱进行互连。

在任一个实施例中，当满足第二柱和DC偏置柱的结合时，从DC偏置柱流入环形芯的DC通量分裂，以在相同方向上流经磁芯的两个长柱。这允许AC线圈在相反方向上进行缠绕，因而形成闭合AC磁路。这提供了更好的磁通量守恒。

图11示意性示出四个R相AC线圈与图10示出的分裂芯50的连接，应理解类似连接也用于S和T相。AC线圈35R1、35R2分别缠绕在柱52b和52a上，并且AC线圈35R3、35R4分别缠绕在柱53a和53b上。DC偏置线圈34a和34b分别缠绕在柱56a和56b上。在线圈35R1和35R3中在半周期期间由AC电流引起的通量与DC偏置线圈34a和34b引起的通量处于相反方向，而线圈35R2、35R4所引起的通量与在相同半周期中由DC偏置线圈34a和34b引起的通量处于相同方向。AC线圈35R1和35R4所引起的(以及由AC线圈35R2和35R3引起的)通量的磁路表现为闭合磁路，从而在正常状态下表现出低阻抗并且在故障限流状态下表现出高阻抗。同时，AC线圈35R1和35R2(以及35R3和35R4)所引起的通量对DC磁路的影响将可以忽略，这是由于它们相应EMF在相反方向上，使得AC和DC电路之间的变压器耦合非常小。

本发明目前已经描述了对具有用于DC偏置线圈的闭合磁路和用于AC偏置线圈的开放磁路的三相FCL的特定参考。将其称为闭合DC、开放AC配置。然而，应理解，本发明的原理可等同地应用于如同现在将参考图12到图14描述的其它配置。

图12示意性示出具有闭合DC、闭合AC配置的三相FCL的简化设计。在这种配置中，DC偏置和AC相线圈都形成闭合磁路。在附图中，DC偏置位于生成在一个窗框架中顺时针旋转并在另一个框架中逆时针旋转的单向DC磁通量的“双窗”磁芯型的中心柱上。框架还可以包括使得其成为部分闭合的回路的气隙。针对每一相的相应线圈以一个线圈所生成的AC磁通量与在一个柱中的DC通量的方向平行并且与另一个柱中的DC通量的方向反向平行的方式进行缠绕。AC通量的方向在AC场的任意半周期中反向，由此交替柱在整个周期期间与DC通量相对。AC线圈在任意给定时间存在不平衡阻抗，以驱动芯在发生三相对称故障情况下不再饱和。

图13示意性示出具有开放DC、开放AC配置的三相FCL的简化设计。DC偏置电路示出了截面以清楚其实际上采用可能为永磁体的柱形磁体或具有一个或多个DC偏置线圈或其组合的电磁体。在这种配置中，DC偏置电源在安装于DC场空间中的AC磁路的两个磁芯柱中生成单向磁通量。针对每一相的相应线圈以在一个线圈生成的AC磁通量与在一个柱中的DC通量的方向平行并且与另一个柱中的DC通量的方向反向平行的方式进行缠绕。AC通量的方向在AC场的任意半周期中反向，由此交替柱在整个周期期间与DC通量相对。AC线圈在任意给定时间存在不平衡阻抗，以驱动芯在发生三相对称故障情况下不再饱和。

图14示意性示出具有开放DC、闭合AC配置的三相FCL的简化设计。DC偏置电路示出了截面以清楚其实际上采用可能为永磁体的柱形磁体或具有一个或多个DC偏置线圈或其组合的电磁体。在这种配置中，DC偏置形成开放磁路，同时AC相线圈安装在形成闭合磁回路的磁芯框架上。磁框架还可以包括使得其成为部分闭合的回路的一个或多个气隙。在本示例中，DC偏置电源在其上安装了AC线圈的AC磁路的两个磁芯柱中生成单向磁通量。针对每一相的相应线圈以在一个线圈生成的AC磁通量与在一个柱中的DC通量的方向平行并且与另一个柱中的DC通量的方向反向平行的方式进行缠绕。AC通量的方向在AC场的任意半周期中反向，因而交替柱在整个周期期间与DC通量相对。AC线圈在任意给定时间存在不平衡阻抗，以驱动芯在发生三相对称故障情况下不再饱和。

应注意，在具有两个DC偏置线圈的所有实施例中，可以选择偏置线圈和DC电源的参数使得在一个偏置线圈(或其冷却系统)发生故障的情况下，第二偏置线圈可以提供FCL可接受的参数。因而，实现FCL的高可靠性。同样地，在所有实施例中，可以或者单独地使用永磁体，或结合DC偏置线圈与永磁体实现DC。

以上所述描述了本发明的一些实施例。但是对本领域普通技术人员显而易见的是，可以对其做出修改而不偏离所附权利要求限定的本发明的范围。所附权利要求也形成本发明的公开的一部分，并且期望强调其显著特征。

Claims (36)

1.一种用于交流系统的三相限流装置(30)，所述三相限流装置包括：

AC磁路，对三相AC电源的每一相具有至少一个AC线圈，缠绕在可饱和铁磁芯上并且被配置为使用于每一相的相应AC线圈经受共同磁通量，以及

DC磁路，用于在正常状态下将所述AC磁路偏置至饱和；

所述AC线圈被配置为在使用时与负载串联连接，并且在所述AC电源的交替半个周期期间，至少一个所述AC线圈产生与所述DC磁路的磁场相反的磁场；并且

用于每一相的所述AC线圈被配置为使得至少一个所述AC线圈相对于用于每一相的所述AC线圈中的其它AC线圈表现出不平衡磁阻抗,

其中所述AC线圈缠绕不同匝数，以实现不对称磁阻抗，和/或所述AC线圈具有不同的线圈几何形状，以实现不对称磁阻抗。

2.根据权利要求1所述的三相限流装置，其中所述AC磁路是开放的并且所述DC磁路是闭合的。

3.根据权利要求1所述的三相限流装置，其中所述AC磁路是开放的并且所述DC磁路是开放的。

4.根据权利要求1所述的三相限流装置，其中所述AC磁路是闭合的并且所述DC磁路是开放的。

5.根据权利要求1所述的三相限流装置，其中所述AC磁路是闭合的并且所述DC磁路是闭合的。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的三相限流装置，其中所述DC磁路包括围绕所述DC磁路的一个柱缠绕的至少一个DC偏置线圈。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的三相限流装置，其中：

DC偏置柱在两个环形芯的相应中间柱的相对柱的中间耦合至由所述环形芯形成的闭合磁路；并且

至少一个DC偏置线圈围绕所述DC偏置柱缠绕。

8.根据权利要求6所述的三相限流装置，其中所述至少一个DC偏置线圈为超导线圈。

9.根据权利要求6所述的三相限流装置，其中所述DC偏置线圈构成磁偏置装置，所述磁偏置装置包括永磁芯。

10.根据权利要求1到5中任一项所述的三相限流装置，其中所述AC线圈布置在所述AC磁路的柱的不同部分上，以实现不对称磁阻抗。

11.根据权利要求1到5中任一项所述的三相限流装置，其中与不同相相关的至少两个所述AC线圈至少部分交叠。

12.根据权利要求1到5中任一项所述的三相限流装置，其中至少一个相应去耦合回路缠绕在每个AC电路柱上，以便至少部分抑制所述AC线圈之间的通量传输，并且从而控制AC线圈之间的交互磁阻抗，其中所述AC电路柱指的是安装有AC线圈的柱。

13.根据权利要求12所述的三相限流装置，其中所述去耦合回路用作短路线圈。

14.根据权利要求12所述的三相限流装置，其中所述去耦合回路连接至可变外部负载。

15.根据权利要求12所述的三相限流装置，其中去耦合线圈被构建为允许在使用期间改变它们的匝数和/或截面。

16.根据权利要求1或2所述的三相限流装置(30)，包括：

单个磁芯(31)，形成用于至少一个DC偏置电路生成的通量的闭合磁路，所述DC偏置电路适合在正常和适当超载状态下将两个相对柱(33a，33b)保持为饱和状态，以及

三个AC线圈，每个所述AC线圈用于相应相(R，S，T)并且围绕所述单个磁芯(31)的所述两个相对柱(33a，33b)缠绕，使得所述单个磁芯表现为用于AC电流引起的通量的开放磁路，并且在正常和适当超载状态下提供低阻抗；

所述AC线圈设置在所述单个磁芯(31)上，使得对于在三相的任意组合中同时短路至地的情况，AC电流引起的磁场使得所述两个相对柱(33a，33b)或所述两个相对柱一部分不再饱和，从而所述相应AC线圈的阻抗自动增加以提供所需的限流能力。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述DC偏置电路包括缠绕在所述单个磁芯(31)的不同于所述两个相对柱的一个或多个柱(32a，32b)上的至少一个DC偏置线圈。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述至少一个DC偏置线圈为超导线圈。

19.根据权利要求17所述的装置，其中所述AC线圈沿与所述至少一个DC偏置线圈的相应轴垂直的轴设置，从而降低或消除AC线圈与所述至少一个DC偏置线圈之间的变压器耦合。

20.根据权利要求17所述的装置，其中所述DC偏置线圈构成磁偏置装置，所述磁偏置装置包括永磁芯。

21.根据权利要求16所述的三相限流装置，其中与不同相相关的至少两个所述AC线圈缠绕不同匝数，以实现不平衡磁阻抗。

22.根据权利要求16所述的三相限流装置，其中与不同相相关的所述AC线圈布置在所述AC磁路的柱的不同部分上，以实现不平衡磁阻抗。

23.根据权利要求16所述的三相限流装置，其中与不同相相关的所述AC线圈具有不同的线圈几何形状，以实现不平衡磁阻抗。

24.根据权利要求16所述的三相限流装置，其中与不同相相关的至少两个AC线圈至少部分交叠。

25.根据权利要求16所述的三相限流装置，其中至少一个相应去耦合回路缠绕在所述相对柱的每一个上，以便至少部分抑制与不同相相关的所述AC线圈之间的通量传输，并且从而控制所述AC线圈之间的交互磁阻抗。

26.一种用于交流系统的单相或三相限流装置(50)，包括：

分裂磁芯，具有由环形芯(51a,51b)形成的两个间隔开的磁路，每个环形芯包括由两个第二柱结合的两个第一柱，相对的柱形成用于环绕一个或多个相应偏置柱的至少一个DC偏置线圈所引起的通量的两个环形平行闭合DC磁路，每个所述DC偏置线圈适合在正常和适当超载状态下将四个相对的第一柱(52a、52b、53a、53b)保持为饱和状态；

所述分裂磁芯在与一个或多个DC偏置线圈轴垂直的平面上也形成用于由AC线圈所引起的通量的两个环形闭合磁路；

用于每一相(R，S，T)的四个AC线圈围绕所述四个相对的第一柱(52a，52b，53a，53b)缠绕并且串联连接，使得所述分裂磁芯表现为用于所述四个相对的第一柱(52a，52b，53a，53b)中的AC电流所引起的通量的两个开放磁路，并且表现为用于所述四个相对的第一柱(52a，53a，52b，53b)中的AC电流所引起的通量的两个闭合磁路；

所述AC线圈以通量改变并且相应电压降在正常状态下处于特定范围内的方式布置在所述四个相对的第一柱上；

所述AC线圈以如下方式依次设置在所述四个相对的第一柱上：在单相装置的情况下，在整个可能短路电流的范围内，所述AC线圈的阻抗自动增加，从而提供所需的限流能力，并且在三相装置的情况下，对单相、两相或三相短路提供所需限流。

27.根据权利要求26所述的三相限流装置，其中所述至少一个DC偏置线圈为超导线圈。

28.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中所述DC偏置线圈构成磁偏置装置，所述磁偏置装置包括永磁芯。

29.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中与不同相相关的至少两个所述AC线圈缠绕不同匝数，以实现不平衡磁阻抗。

30.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中与不同相相关的所述AC线圈布置在所述四个相对的第一柱的不同部分上，以实现不平衡磁阻抗。

31.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中与不同相相关的所述AC线圈具有不同的线圈几何形状，以实现不平衡磁阻抗。

32.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中与不同相相关的至少两个所述AC线圈至少部分交叠。

33.根据权利要求26或27所述的三相限流装置，其中至少一个相应去耦合回路缠绕在每个所述相对柱上，以至少部分抑制所述AC线圈之间的通量传输，并且从而控制AC线圈之间的交互磁阻抗。

34.根据权利要求33所述的三相限流装置，其中所述去耦合回路用作短路线圈。

35.根据权利要求33所述的三相限流装置，其中所述去耦合回路连接至可变外部负载。

36.根据权利要求33所述的三相限流装置，其中所述去耦合线圈被构建为允许在使用期间改变它们的匝数和/或截面。