CN102891468B

CN102891468B - 故障电流限制器

Info

Publication number: CN102891468B
Application number: CN201210251388.3A
Authority: CN
Inventors: 沈政煜; 崔源寯; 李京昊; 房承炫; 金敃志; 朴海容
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: EP2549611A3; CN102891468A; KR20130011817A; US8760834B2; EP2549611A2; JP2013027308A; KR101233048B1; US20130021705A1; JP5592443B2

Abstract

本发明提供了一种故障电流限制器，所述故障电流限制器包括：检测器，其检测故障电流的流入并向功率半导体元件传送关断信号，所述功率半导体元件通过所述关断信号变为关闭状态；及电阻元件，其并联连接至所述功率半导体元件上以阻断所述故障电流。

Description

故障电流限制器

技术领域

本公开涉及一种故障电流限制器，尤其涉及一种在电力分配或者传输网络中使用的故障电流限制器。

背景技术

故障电流限制器是使用超导体作为电流限制装置来检测故障电流并在数秒内将电流限制至正常水平的工具，在达到预定电流值以前超导体基本没有电阻，但是在超过预定电流值以后超导体迅速地呈现高电阻以限制传导电流。

由于超导体产生的电阻，故障电流限制器会聚集大量的能量，所以超导体的能量损耗随着施加于超导体的电压增加而增加。

也就是说，在正常操作状态期间超导体在系统中呈现零电阻，然而，当故障电流在系统中流动时，超导体失超以产生限制故障电流的电阻。此时，电阻可能会产生施加于电流限制器的相当大的能量。当施加于运行超导体的系统上的电压高时，由于在超导体上产生的阻抗，在超导体中流动的能量相应地增加。因此需要大量超导体来分配能量。

这样，为了使超导体的能量损耗减至最小，需要很多超导体，这导致增加了制造成本，并且总体积伴随大量超导体的使用而增加，从而增加了安装和冷却成本。

也就是说，超导体价格昂贵，并且大量超导体意味着大体积，这可能会增加用于安装和冷却超导体的成本。为了克服上述问题，已经公开了包含现有的断路工具和少量超导体的混合式超导故障电流限制器（SFCL）。但是，这种建议未能解决价格问题。随着电阻型超导故障电流限制器的容量变大，不得不增加线性线圈的尺寸和绕组的数量，从而在成本和操作方面具有劣势。

图1为图示出根据在先技术的混合式超导故障电流限制器的构造的电路图，图2A为图1的混合式超导故障电流限制器的电流曲线图，图2B为图示出图1的混合式超导故障电流限制器的起始点的曲线图，图2C为图示出图1的混合式超导故障电流限制器中的弧电流的曲线图，图2D为混合式超导故障电流限制器的电流曲线图，其中，电弧未被故障电流限制器的主电路阻断。

参照图1和图2，在没有任何故障的正常操作状态期间电流I_tot经过闭合的断路器210和超导体100(I_main)，所以由电阻的出现产生的损失基本为零。然而，在故障电流I_fuse流入故障电流限制器的情况下，超导体100开始以很快的速度失超（A），并且由于在超导体100上出现的阻抗，故障电流I_fuse分流到驱动线圈220。

此时，流入驱动线圈220的电流产生磁场，并且在位于驱动线圈220上方的电磁反射极230上感应出具有反磁成分的涡电流。

因此，反射极230快速移动并且断开与反射极230机械连结的断路器210，从而切断流入超导体100（B）的故障电流。

然而，在如此配置的故障电流限制器中，在断路器210断开时，在断路器210中出现弧电流，这导致故障电流继续流入超导体100。为了消除弧电流，故障电流限制器被设计为闭合与电磁反射极230机械地连结的短触点240（C）。短触点240用来除去在与超导体100串联连接的断路器210中出现的弧电流，并且防止故障电流流入驱动线圈220。也就是说，整个故障电流通过短触点240被转移至辅助电路，并且因此，消除了断路器210中的弧电流（D），并且故障电流被转移至辅助电路并被电流限制单元300削减（E）。

然而，在上面说明的限制故障电流的期间，在电流限制单元300开始操作之前，由于在包含超导体100和快速开关的主电路与包含起限制电流作用的电流限制单元300的辅助电路之间的阻抗存在差异，可能无法充分地除去在与超导体100串联连接的断路器210中出现的电弧（F）。

因此，由于主电路与辅助电路之间的阻抗存在差异，弧电流在断路器210中再生（G），这能减少电弧阻抗，以便故障电流能够穿过变成正常传导状态的超导体100和由于电弧而变得导电的断路器210。此时，大部分电压被施加至处于正常传导状态的超导体100，所以故障能量流入超导体100，从而损坏超导体100。

图3为图示出根据在先技术的混合式超导故障电流限制器的电路图，为了解决上述问题，在其中增加了功率半导体元件400。功率半导体元件400被增加至主电路以阻断在超导体100失超之后产生的弧电流。

然而，根据图3的故障电流限制器也未能解决这些问题，这是因为使用了超导体并且必须调整超导体的数量以调节操作电流，从而增加了安装和冷却超导体的成本并降低了操作方便性。

发明内容

提出本公开以解决现有技术的前述问题，并且因此本发明的特定实施例的目的是提供一种配置为轻松除去其中存在的故障电流的故障电流限制器。

本公开的一个整体方案在于，提供一种切断故障电流的故障电流限制器，所述电流限制器包括：检测器，其检测故障电流的流入并向功率半导体元件传送关断信号，所述功率半导体元件通过所述关断信号变为关闭状态；以及电阻元件，其并联连接至所述功率半导体元件上以阻断所述故障电流。

优选的，但不是必需的，所述故障电流限制器进一步包括开关元件，其串联连接至所述功率半导体元件上以在引入所述故障电流的情况下断开触点，并且保护所述功率半导体元件免遭所述故障电流破坏。

优选的，但不是必需的，所述开关元件和所述功率半导体元件之间的串联连接与所述电阻元件并联连接。

优选的，但不是必需的，在引入所述故障电流的情况下，所述检测器向所述开关元件传送断开信号，并且通过所述断开信号断开所述开关元件。

优选的，但不是必需的，所述故障电流限制器进一步包括测量单元，其测量流入电流，并且所述检测器根据所述测量单元测量到的电流检测故障电流的流入。

优选的，但不是必须的，所述测量单元包括变流器和茹科夫斯基线圈。

优选的，但不是必须的，所述故障电流限制器进一步包括第一电力熔断器，其并联连接至所述电阻元件上以暂时切断在故障电流出现期间被引入的所述故障电流。

优选的，但不是必须的，所述故障电流限制器进一步包括第二电力熔断器，其串联连接至所述电阻元件上以切断通过所述电阻元件的故障电流。

优选的，但不是必须的，在引入故障电流被的情况下，所述检测器在传送所述关断信号之前传送断开信号。

优选的，但不是必须的，所述功率半导体元件是选自绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）和集成门极换流晶闸管（IGCT）中的任何一个。

根据本公开的故障电流限制器具有的有益效果在于，所述故障电流限制器被配置为除去超导体而使用功率半导体开关元件，由此故障电流限制器易于控制，并且能够使用高速故障检测器进行可靠的故障电流检测。

根据本公开的故障电流限制器具有的另一个有益效果在于，起初使用电力熔断器来限制故障电流，其次使用电阻限制故障电流，由此能够更好地限制故障电流。

附图说明

为了解释本公开的原理，尽管并非旨在详尽的阐述，一些以图解例证以及说明为目的的涉及优选实施例的相关附图被呈献在下文中。附图描述了一个或多个依据本发明的构思的示例性实施方案，其仅作为举例而非限定。在附图中，相似的附图标记用于相同的或类似的部件。

因此，通过下述对特定示例性实施例的详细描述，结合附图，可以容易地理解多种潜在实用且有用的示例性实施例，在附图中：

图1为图示出根据在先技术的混合式超导故障电流限制器的构造的电路图；

图2A为图1的混合式超导故障电流限制器的电流曲线图；

图2B为图示出图1的混合式超导故障电流限制器的起始点的曲线图；

图2C为图示出图1的混合式超导故障电流限制器中的弧电流的曲线图；

图2D为混合式超导故障电流限制器的电流曲线图，其中，电弧未被故障电流限制器的主电路阻断；

图3为图示出根据在先技术的混合式超导故障电流限制器的电路图；

图4为图示出根据本公开的故障电流限制器的框图；

图5为图示出在图4的故障电流限制器中流动的电流的示意图。

具体实施方式

通过参照附图的图1至图5，可以很好地理解所公开的实施例及其优点，在各个附图中使用相似的附图标记标示相似的和相应的部件。对于本领域的普通技术人员来说，在查阅以下附图和详细描述时，将会理解公开的实施例的其他特征和优点。其旨在所有这种附加的特征和优点均包含在所公开的实施例的范围内，并通过附图受到保护。此外，示出的附图仅为示例性的并且不旨在主张和暗示对于可实施不同的实施例的环境、结构或过程的任何限制。因此，所描述的方案旨在包含落在本发明的精神和新颖构思内的所有这种替代、改进以及变化。

与此同时，在此使用的术语，仅仅用于描述特定实施方式而不旨在作为对本公开的限定。术语“第一”、“第二”等等在此处不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件区分于另一个元件。例如，第二组成元件可被表示为第一组成元件而不会脱离本公开的精神和范围，并且类似地，第一组成元件也可被表示为第二组成元件。

如在此所使用的，术语“一（a）”和“一（an）”在此不表示对于数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的项目。也就是说，如在此所使用的，单数形式“一（a）”，“一（an）”和“这个（the）”均意图包含复数形式，除非上下文另外清楚地指出。

可以理解的是，当元件涉及“连接”或“联接”到另一元件时，其可直接地连接或联接到另一元件或者可存在中间元件。相反地，当元件涉及“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。

还将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括了（comprises）”和/或“包括有（comprising）”或者“包含了（includes）”和/或“包含有（including）”时，其指定了已述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件、和/或其集合的存在或附加。

而且，“示例性”仅意味着体现示例，而不是最佳的。还应当了解的是，为了简洁且易于理解的目的，在此所描述的特征、层和/或元件均图示有相对于彼此的特定尺寸和/或定向，并且实际的尺寸和/或定向可大体上不同于所示出的。

也就是说，在附图中，为了清晰起见可以扩大或缩小层、区域和/或其他元件的大小和相对大小。在全文中相似的附图标记指代相似的元件并且将省略相同的说明。如可在此处使用的，术语“大体上”和“大致的”提供一种用于相应的术语和/或术语之间的关联性的工业中接受的容许的偏差。

在下文中，将结合相关附图具体描述依据本公开的故障电流限制器。

图4为图示出根据本公开的故障电流限制器的方块图。

参照图4，根据本公开的故障电流限制器包括测量单元10、FFD（快速故障检测器）20、功率半导体元件30、快速开关40、第一电力熔断器50、第二电力熔断器60和电流限制电阻元件70。

功率半导体元件30和快速开关40串联连接以形成主电路。功率半导体元件30和快速开关40之间的串联连接与第一电力熔断器50并联连接，电流限制电阻元件70和第二电力熔断器60之间的串联连接与第一电力熔断器50并联连接。这两个并联连接形成了电流限制电路。

测量单元10测量电流和电流增长。测量单元10优选地包含CT（变流器）和茹科夫斯基线圈（Rogowski coil）。CT和茹科夫斯基线圈在本领域中是众所周知的，所以在这里不再提供并省略更多对其的解释。

在测量单元10测量电流增长以检测故障的情况下，也就是说，在产生故障电流的情况下，FFD 20向快速开关40传送断开快速开关40的断开信号，并且向功率半导体元件30传送关断功率半导体元件30的关断信号，详情将在下文中描述。

在正常时期，功率半导体元件30维持接通（ON）状态，但是在故障电流被引入的情况下，功率半导体元件30从FFD 20接收关断信号以切换至关断状态。功率半导体元件30可以选自绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）和集成门极换流晶闸管（IGCT）中的任何一个，但是不限于此。

快速开关40被形成为以很快的速度维持隔离，并且保护功率半导体元件30。在故障电流被引入的情况下，快速开关40从FFD 20接收断开信号来以很快的速度断开电路。

与电流限制电阻元件70并联连接的第一电力熔断器50形成为起初切断引入到电流限制电路中的故障电流，并且将故障电流分流至电流限制电阻元件70。

第一电力熔断器50可以设计为切断较大的故障电流。第一电力熔断器50起初切断被引入到电流限制电路中的故障电流，在第一电力熔断器50熔断的瞬间，故障电流绕道至电流限制电阻元件70。

与电流限制电阻元件70串联连接的第二电力熔断器60也切断被引入到电流限制电路中的故障电流，并且切断通过电流限制电阻元件70的故障电流。第二电力熔断器60可以设计为切断比第一电力熔断器50小的故障电流。被引入到第二电力熔断器60中的故障电流是在第一电力熔断器50熔断并且电流限制电阻元件70被加热后的剩余电流。

尽管第一电力熔断器50和第二电力熔断器60是具有相同功能的元件，但是第一电力熔断器50起到将故障电流分流到电流限制电阻元件70的作用，而第二电力熔断器60起到完全切断故障电流的作用。电力熔断器的物理结构在本领域中是众所周知的，所以不再提供进一步地解释。

电流限制电阻元件70是限制被引入的故障电流以切断与第二电力熔断器60有关的故障电流的电阻。电流限制电阻元件70的阻抗是考虑到与第二电力熔断器60的联合操作而确定的。

现在，将参考附图描述根据本公开的故障电流限制器的具体操作。图5为图示出在图4的故障电流限制器中流动的电流的示意图。

首先，在正常时期，所有电流通过包含功率半导体元件30和快速开关40的主电路，但是一些电流可能会流动到故障电流限制器。测量单元10用于持续地测量电流。

在测量单元10检测到出现故障电流的情况下，FFD 20基于此以很快的速度检测故障，传送用于起初断开快速开关40的触点的断开信号，然后断开快速开关。图5中的“I”表明快速开关40断开的瞬间。在快速开关40的触点断开的瞬间，弧电流响应电弧电阻而流经触点以增加流向电流限制单元的故障电流，由此主电路的故障电流的上升趋势被减缓或削弱。

此外，在断开快速开关40以加宽快速开关40的触点之间的间隙的期间，FFD 20传送用于关断功率半导体元件30的关断信号，由此关断功率半导体元件30。

图5的‘J’表明关断功率半导体元件30的瞬间。此时，主电路被切断以熄灭快速开关的弧电流（‘M’）。关断功率半导体元件30的瞬间，在功率半导体元件30中产生电压，这通过图5中的‘K’表示，并且关断功率半导体元件30的瞬间，故障电流被完全转移至故障电流限制器，这通过‘L’表示。

随后，故障电流流动至电流限制电路，并且在经过预定时间之后，第一电力熔断器50熔断（‘N’）。在第一电力熔断器50熔断的同时，故障电流流动至电流限制电阻元件70，由此能够注意到故障电流响应于电流限制电阻元件70的阻抗而被限制。

从上文所述明显看出，故障电流限制器在限制故障电流的影响方面是极好的，并且通过仅采用功率半导体元件30代替超导体而易于控制。

尽管已经参考多个阐释性的实施例描述了本公开，但应当理解的是本领域技术人员能够想出许多其他修改和实施例，这些修改和实施例也落入本公开的精神和原理范围之内。

更特别地，在本公开、附图和附加的权利要求的范围内，可以对主题组合布置的组成部件和/或布置进行各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置的变化和修改以外，对于本领域的技术人员而言替代用途也是显而易见的。

Claims

1.一种切断故障电流的故障电流限制器，所述故障电流限制器包括：

检测器，其配置为检测故障电流的流入，并向功率半导体元件传送关断信号，并且所述检测器配置为当引入故障电流时在传送所述关断信号之前向开关传送断开信号；

所述功率半导体元件，其通过所述关断信号变为关闭状态；

所述开关，其串联连接至所述功率半导体元件上，并配置为通过所述断开信号来断开触点并且保护所述功率半导体元件免遭所述故障电流破坏；

第一电力熔断器，其与串联连接的所述功率半导体元件和所述开关并联连接，并且配置为暂时切断在故障电流出现期间被引入的故障电流；

电阻元件，其阻断故障电流；以及

第二电力熔断器，其串联连接至所述电阻元件上以切断通过所述电阻元件的故障电流，

其中串联连接的所述电阻元件和所述第二电力熔断器与所述第一电力熔断器并联连接。

2.根据权利要求1所述的故障电流限制器，进一步包括：

测量单元，其配置为测量流入电流，

其中所述检测器配置为根据所述测量单元测量到的电流来检测故障电流的流入。

3.根据权利要求2所述的故障电流限制器，其中，所述测量单元包括变流器和茹科夫斯基线圈。

4.根据权利要求1所述的故障电流限制器，其中，所述功率半导体元件是选自绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO和集成门极换流晶闸管IGCT中的任何一个。