CN103858299A - 故障电流限制器系统及电流分流装置 - Google Patents

Abstract

一种故障电流限制器系统包括故障电流限制器和可变分流电流分流装置(Variable Shunt Current Splitting Device)。电流分流装置包括第一和第二导电线圈，其中第一导电线圈与故障电流限制器并联用以传送电流于第一方向。第二导电线圈与故障电流限制器串联用来传送电流于相对于第一方向的第二方向，如此一来在故障电流限制器稳定状态下，第一线圈的电抗被第二线圈的电抗抵销。因此稳态电流的第一部份传递通过故障电流限制器，而稳态电流的第二部份传递通过电流分流装置。故障电流限制器的稳态电流负载因而减少。

Description

故障电流限制器系统及电流分流装置

相关申请案的交叉参考

本案为2011年4月15日申请的第61/475,976号待决美国临时专利申请案的非临时申请案，所述临时专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种故障电流控制器，尤其涉及一种具有故障电流限制器和可变分流电流分流装置的故障电流限制器系统，用来减少流经故障电流限制器的稳态电流。

背景技术

故障电流限制器(fault current limiter,FCL)是通常在电力系统中的一种限制故障电流的装置。不同类型的FCL已经发展超过好几十年，包括超导体故障电流限制器(Superconducting Fault Current Limiters，SCFCLs)、固态故障电流控制器(Solid State Fault Current Limiters)、电感故障电流控制器(Inductive Fault Current Limiters)和其他该领域的技术人员充分了解的种类。使用FCL的电力系统可包括产生、传送和分配网络，该电力系统产生和传送电源到各种工业、商业和／或住家电力的负载。

故障电流是一种在电力系统中的异常电流，会造成系统的故障，例如是短路。故障电流可能发生于系统中的任何事件，像是被天气严重破坏电源线和其他系统的组件(例如：雷击电源系统)。当故障发生时，在电路中会立刻出现巨大的负载。在这种故障的情况下，网络会响应地传送巨大的电流(例如：故障电流)至负载。这种突然大幅上升电流是不可取的，因为它会伤害网络本身或连接网络的装置。

图1A显示一现有技术于稳定状态下具有已知固定分流114的FCL的电力系统100的电路图。电力系统100包括AC电源102、正常时关闭的电路遮断器(Circtui Breaker)108及不同的负载110。在稳定状态下，AC电源102提供电源至负载110。电路遮端器108关闭且AC电源的100％电流流经导线103、FCL106及导线105至负载110，如箭头150所示。

图1B显示图1A于故障状态下电路遮断器108打开前的电路图。举例来说，故障状态发生于不慎接地的位置112。为了响应故障，AC电源102企图传送一个庞大的故障电流至故障负载，而FCL106产生远大于固定分流114的电阻。举例来说，假使FCL是一个具有于超导稳定状态下呈现几乎零阻抗的超导体的超导体FCL(Superconducting Fault CurrentLimiter，SCFCL)，故障电流造成超导体被抑制因而产生阻抗远大于固定分流114的阻抗。因为FCL阻抗变大，故障电流如箭头152所示传送至固定分流114。固定分流114在电路遮断器108打开前，藉由减少故障电流的峰对峰值以限制故障电流至可接收的电位。已知电路遮断器108打开需要已知频率60Hz的2至5个周期。在故障后的时间间隔中，电路遮断器108断开且没有电流提供至负载110甚至通过FCL或固定分流114。

虽然固定分流FCL系统像是如上述可以非常有效率限制故障电流，但此系统的一个显著缺点是FCL需承载于正常运作下电路中的全部预期稳态电流，如上述参考图1A的说明。在较大的电流应用中，一般来说需要一个具有大实体占用空间和高能量消耗的FCL。举例来说，在SCFCL方面，FCL将包含置于冷却槽(低温恒温器)(CeryogenicTank／Cryostat)的超导体。为了操作于几乎零阻抗的超导状态下，超导体必须操作于低于临界温度、临界电流密度和临界磁场，如果超过三个其中任一个标准，超导体从超导状态抑制为一般状态，而呈现远大于固定分流114的阻抗。为了维持超导体温度低于临界温度，冷却系统传送低温冷却液至低温恒温器。因此超导体材料的数量以及冷却系统的容量必须足够以维持超导体低于临界温度，而能容纳所有系统中的稳态电流。此需要显著的设备与能量耗损。此外为了特殊应用，SCFCL的实体面积很难或不可安装于应用部位，类似质疑发生于使用需要采用大量并联组件的固态故障电流限制器系统中，呈现高耗能而需要庞大且昂贵的冷却系统以掌控较大的系统负载电流。因此目前需要改善这些或其他部分。

发明内容

鉴于前述，揭示了一种为了促进由故障电流限制器所处理降低的稳态电流的电流分流装置。尤其是揭示了一种FCL系统包括具有可变分流的电流分流装置。

根据本案揭示一实施例的FCL系统中包括FCL电性耦接至可变分流。此FCL可以是各种类型的FCL，例如超导体FCL、固态FCL或电感FCL。电流分流装置包括缠绕于芯上的第一导电线圈和第二导电线圈，例如双线配置方式或其他型态，可促进于线圈之间的强磁耦合，其中此耦合的出现或消失采用一种可变阻抗(分流)以用于限制电流的应用。第一导电线圈与故障电流限制器并联地电性连接，以承载电流于第一方向。第二导电线圈与故障电流限制器串联地电性连接，以承载电流于相反于第一方向的第二方向。

在FCL系统的稳定状态操作下，电流分流装置分配电流至两支流，其中流经导电线圈于相反方向，以产生净值为零或可忽略不计的电场。因此造成于电路中可忽略不计的等值或净阻抗。第一线圈的电抗因此被第二线圈的反方向电抗抵销。因此，藉由选择具有适当匝数的第一和第二线圈，预先决定的部份稳态电流可以通过可变分流。因此相对于已知FCL系统，在FCL上的稳态电流负载可以减少。FCL的成本和实体大小也可因此减少。

当故障状态发生时，FCL驱动至故障状态，其中由FCL所呈现的阻抗增加，而经由通过第二线圈与此FCL的电流比例与第一线圈比较，比于稳定状态操作下的电流比例明显地降低。因此，第一线圈与第二线圈不再产生相同且相反的电场，而将失去他们的强磁耦合。线圈相对于稳定状态操作下，呈现更高等值或限制电流网络阻抗，因此于系统中限制了故障电流。在超导FCL方面，故障状态发生于FCL被限制时，因此通过FCL的电流比例减少。

本案揭示的实施例包含一种故障电流限制器系统，其中包括故障电流限制器与可变分流。可变分流包括缠绕于芯上的第一和第二导电线圈，其中第一导电线圈与故障电流限制器并联地电性连接，以承载电流于第一方向。第二导电线圈与故障电流限制器串联地电性连接，以承载电流于相反于第一方向的第二方向，如此于故障电流限制器的稳定状态操作下第一线圈的电抗至少部分被第二线圈的电抗抵销。因此，稳态电流的第一部份传送至故障电流限制器，稳态电流的第二部份传送至可变分流。

附图说明

本发明所揭示的特定实施将会参考附加图示以作说明，其中：

图1A显示一现有技术于稳定状态下具有FCL和固定分流的电力系统的电路图。

图1B显示一现有技术于故障状态下和图1A相同的电路图。

图2A显示一符合实施例的FCL系统的电路图。

图2B显示一于稳定状况下和图2A相同的电路图。

图2C显示一于故障状况下和图2A相同的电路图。

图2D显示一符合另一种具有电压控制分流的实施例的电路图。

图2E显示一符合另一种具有电压控制分流和调整电抗的实施例的电路图。

图3显示一与图2A和2B显示的FCL相同的SCFCL实施例的方块图。

图4显示一和现有揭示相同的可变分流配置的电路图。

图5显示一和现有具有同心线圈的揭示相同的另一种可变分流配置的电路图。

图6和图7显示一和现有具有十字交叉线圈的揭示相同的另一种可变分流配置的电路图。

具体实施方式

图2A至2C和图4显示本案发明实施例的故障电流限制器(FCL)系统200的电路图。尤其是关于FCL系统200包括耦合于FCL206的电流分流装置202。图2B显示于稳定状态操作下的FCL系统200，图2C显示故障状态下的FCL系统200于如下面所述。

FCL系统200透过导线203和导线205串联介于AC电源201和一个或多个电力负载210之间。此领域的技术人员可了解FCL系统200可执行于其他不同应用与具有故障电流限制的电力系统配置。图2A至2C所描述的特殊电力系统以范例呈现而不被其限制。

考虑到不同类型的FCL可以执行于FCL系统200中，包括但不限于超导体故障电流限制器(SCFCL)、固态故障电流限制器、电感故障电流限制器和该领域的技术人员了解的其他类型故障电流限制器。为了说明的目的，此处描述的FCL系统200配有超导体的FCL206。然而，可以了解上述任何不同的FCL以及此处没有明确命名的各种不同FCL，可以替代超导体的FCL206而不会违背本案所揭示。

电流分流装置202包括第一和第二线圈404和406以于稳定状态操作下呈现最小阻抗，如图2B所示，而于故障状态下呈现相对较大的阻抗，如图2C所示，而下面会进一步描述以有效限制故障电流。尤其是于稳定状态下如图2A所示，电流分流装置202的线圈404与406设定根据一预定的方法分配稳态电流于平行路径207和209。举例来说，假使稳态电流的x％流经路径207，而其余稳态电流的(100-x)％流经路径209。在一实施例中，电流分配50％流经路径207而50％流经路径209。在另一实施例中，比例设定为40％流经路径207而60％流经路径209；30％流经路径207而70％流经路径209等。

再参考图2B所显示于故障状态下的系统200。在故障状态下，FCL206的阻抗远大于电流分流装置202的阻抗，因此，故障电流传入电流分流装置202的第一线圈404(即路径209)。电流分流装置202仍呈现相同阻抗，而足以限制故障电流至可接受峰对峰振幅传送到负载210。

图3为用于FCL系统200的范例FCL206的方块图。FCL206为一SCFCL其中包括定义内部空间303的冷却槽(Cryogenic Tank)(低温恒温器)302、定位于此内部空间303中的超导体307、冷却系统312、控制器320、温度传感器308和电流传感器326。为了简化图示与说明，只显示一个FCL206以容纳单一相位AC电力系统。该领域的技术人员可了解三个不同的FCL同样可执行容纳三相AC的电力系统。

超导体307可为任何类型的超导体材料像是钇钡铜氧化物(YittruimBarium Copper Oxide，YBCO)，而可呈现适合的超导体特性于低于临界温度、临界电流密度和临界磁场。超导体包括多种根据特殊应用所需超导体材料数量的模块(即系统传送较大的电流则需要较大量超导体材料的FCL)。冷却系统312用来维持超导体307的温度低于临界温度，对于高温超导体大约介于77°K和93°K之间。藉由循环低温冷却液通过冷却槽302，再通过操作连接于冷却系统312和冷却槽302的供应导管316和回收导管314以达到此条件。尤其是冷却系统312包括低温冷却单元以在循环冷却液通过供应导管316返至冷却槽302前，冷却自回收导管314的低温输入液。冷却槽302可被多种不同的材料构成，包括但不限于介电材料和／或温度绝缘材料。低温冷却液可为任意合适冷却液包括但不限于液态氮、液态氦、液态氩、液态氖和不同相同的混合物。冷却系统312还包括不同阀、泵、促进液体流动的传感器和储存额外低温冷却液的储存槽。

控制器320从不同系统和组件接收输入信号，像是温度传感器308和电流传感器326以掌控冷却系统312的操作，根据输入信号进一步说明如下。控制器320也可以是或包括通用计算机或通用计算机的网络以完成需要的输入／输出功能。控制器320也可包括其他电子电路或组件，其中包括但不限于特定应用的集成电路、硬件连接线或可编程的电子装置和离散组件电路。控制器320还包括通讯装置(例如：WiFi，蓝芽等等)、数据储存装置和软件。

温度传感器308用来量测超导体307和／或于低温槽302的内部空间303的低温冷却液的温度，然后输出此温度量测至控制器320。考虑到任何类型的已知温度传感器能够量测低温，像是可利用量测冷却槽302的温度传感器。温度传感器308显示于安装于冷却槽302外部，但此并非必要。

电流传感器326可连接导线205介于电流分流装置302和负载210之间。电流传感器326用来量测实时电流消耗且输出此实时电流消耗量测至控制器320。考虑到可利用任何类型的已知电流传感器，举例来说，电流转换器位于导线205上。

在操作方面，超导体307将维持于超导状态直到三个参数中的其中一个超出范围，即临界温度、电流密度和磁场。在稳定状态操作下，冷却系统312维持超导体307的温度低于其临界温度，其对于高温超导体的温度而言大约介于77°K和93°K。电流分流装置202有利于允许一部分的稳态电流流经此路径。举例来说，在此实施例中，电流70％流经电流分流装置202而其余30％流经FCL206。因此，此FCL206，可能是SCFCL，可以调至接近所给定的预期的稳态电流位准(Levels)。举例来说，相对于使用固定分流的SCFCL，超导体307所需要的超导材料必要数量可被减少，冷却槽302的体积将因此可更小，而冷却系统312的容量，也可因为冷却液的必要体积而减少。此外，冷却系统312所需要的能源成本也因而减少。因此，显著的材料和能量成本节省效果可以实现。此外，可减少FCL206的实体大小，如此，可使FCL安装于过去很困难且无法实现的安装位置。

图4显示本案揭示的一实施例，关于具有反向平行连接关系的第一导电线圈404与第二导电线圈406的电流分流装置202实施例的关系图。输入可变分流402的电流被导向通过第一线圈404于第一方向且穿过第二线圈于相反于第一方向的第二方向。可变分流402选择性还包括串联地电性连接于第一线圈404的导电调变线圈408，以在系统明显下降时促进系统对限制电流的调整。线圈404和406缠绕于芯上(例如：芯603如图6所示)，举例来说，像是双线线圈配制(Bifilar Coil Arrangement)方式缠绕。其他线圈配置可使用且将会于后面描述。考虑到芯可能是基于特殊应用的限制电流需求决定铁芯或中空的芯尺寸大小，而该领域的技术人员可以了解。

可变分流402的第一线圈404与FCL206并联地电性连接，而可变分流402的第二线圈406与FCL206串联地电性连接。在系统200的稳定状态操作下(例如，在没有故障条件下)，超导体307会维持在超导的状态(Superconducting State)u并且将呈现几乎零阻抗。流经第一线圈404的电流因此几乎等于流经第二线圈406的电流，而因为线圈404和406以上述的反向平行方式配置，线圈将被磁耦合且呈现可忽略不计的净值或等值的阻抗。

因此，藉由选择具有合适的匝数量的第一和第二线圈404和406，系统200的稳态操作下可以设计分配稳态电流到平行路径207和209，如此可使稳态电流的x％于路径207，而其余稳态电流的(100-x)％于路径209。在一实施例中，举例来说，在FCL系统200中介于路径207和209之间，第一和第二线圈404和406选用适合匝数以平均分配电流，以50％的电流流经路径207及50％的电流的流经路径209。在另一实施例中，比例可以设定为40／60、30／70、20／80等，举例来说，个别路径207和209。在其他例子中电流分配被设定更准确，外部调变线圈408可做为一选择装置。

在故障状态发生时，如图2C所示，穿过系统200的电流突然增加而电流传感器326感测到增加的故障电流(图3所示)。在接收到从电流传感器326的输出时，指出故障电流高于预期标准，控制器320立即跳脱(“Trips”)FCL206。换句话说，控制器320使FCL206进入故障状态，其中FCL206呈现远大于第一线圈404的阻抗。在一特定的情况下，FCL206为SCFCL，这将造成FCL206被抑制(quench)，因此驱动FCL206至高阻抗，而在非超导状态下FCL206的阻抗远大于第二线圈406的阻抗。因此，故障电流传送至第一线圈404。第一和第二线圈404和406产生的磁场解耦合而不再相互抵销，而第一线圈的阻抗增加至电流限制阻抗，可有效限制故障电流，并对于FCL206作用如同分流电抗器(Shunt Reactor)。在回复时，FCL206回复且I_W2增加最后达到I_W1的值，因此电抗再次抵销。

返回图2C和图4，于故障状态下路径205(包括跳闸FCL206和第二线圈406)相对于路径207(包括第一线圈404和调变线圈408)有较高的阻抗，造成全部故障电流传送至电流分流装置202的第一线圈404。通过第二线圈的电流因此不足以抵消第一线圈404所产生的磁场，而第一线圈404的总阻抗因此大于在稳态操作时产生的阻抗。因此电流分流装置202对于FCL206如同分流电抗器(Shunt Reactor)，而产生足够大的阻抗以限制故障电流至可接受的峰对峰振幅。在回复时，当FCL206返回于稳定状态，通过第一和第二线圈404和406的电流最后返至稳态值，因此达到如上述的稳态电抗抵销。

参考上述系统200的配置，电流分流装置202处理系统200中稳态电流的重要部分，FCL206可调整尺寸以处理少于可容纳的稳态电流。FCL的材料和运作成本可因此减少。FCL的实体大小也会减少，使FCL可安装于困难且没有不切实际的位置。此外，电磁场的力量和影响也可因FCL的主动组件减少而减少。于FCL中的电量消耗也可减少。当FCL206为SCFCL时，超导材料的数量可减少50％，在50％的稳态电流传送至电流分流装置202的情况下，因此需要较少的能量来冷却超导材料低于临界温度。冷却系统容量也可减少，包括低温液的体积，因此可以了解相较于已知的故障电流限制器有较少的成本和节省较多的空间。

FCL系统200的另一实施例为固定分流214(电压控制分流)并联于FCL206以已知的方式促进电压控制，也各别耦接或不耦接额外调变电抗208如图2D和2E所示。电压控制分流可能为电抗、电阻、变阻器或任何其他电子装置可固定或设定所需的电压值。

虽然第一和第二线圈404和406如图4所示于双线线圈配置方式中，其他线圈配置也可执行于电流分流装置。举例来说，图5显示一具有以反向同心配置方式缠绕的第一线圈504和第二线圈506的可变分流502。调变线圈408串联于第一线圈504和第二线圈506耦接FCL206。在另一个例子中，图5显示具有以十字交叉配置(Crisscrossed Arrangement)方式缠绕于磁芯603的第一线圈604和第二线圈606，且各线圈具有相同匝数的可变分流602。另外，第一线圈604耦接于调变线圈408和第二线圈606耦接于FCL206。在另一例子中，图7显示具有以十字交叉配置方式缠绕于磁芯703的第一线圈704和第二线圈706且各线圈具有不相同匝数的可变分流702，以控制和限制分配于FCL706的稳态电流。第一线圈704耦接于调变线圈408和第二线圈706耦接于FCL206。

虽然此处说明了本揭示的多项实施例，但不会限制本案的揭示内容，而目的在于增广此领域技术可容许的范围，而说明书的内容也采用同样方式理解。因此，上述的描述内容不应被解释为限制，而仅为特定实施例的范例。此领域的技术人员可依据本案申请专利范围内的范围和精神内设想其他任何的修改方式。

Claims (34)

1.一种电流分流装置，包括：

第一电路；

第二电路，其中在正常操作状况下，该第一电路与该第二电路磁耦合，在故障状况下该第一电路与该第二电路解磁耦合以限制一电流量传递至一负载。

2.根据权利要求1所述的电流分流装置，其中该第一电路包含第一线圈缠绕于芯上。

3.根据权利要求2所述的电流分流装置，其中该第二电路包含第二线圈缠绕于芯上，其中一第一电流通过该第一线圈于一第一方向，第二电流通过该第二线圈于相反于该第一方向的第二方向。

4.根据权利要求3所述的电流分流装置，其中该第一线圈和该第二线圈以双线线圈配置方式缠绕。

5.根据权利要求3所述的电流分流装置，其中该第一线圈和该第二线圈以反向同心配置方式缠绕。

6.根据权利要求3所述的电流分流装置，其中该第一线圈和该第二线圈于相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

7.根据权利要求3所述的电流分流装置，其中该第一线圈和第二线圈于不相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

8.根据权利要求1所述的电流分流装置，还包括故障电流限制器电性耦接到该第一电路与该第二电路。

9.根据权利要求8所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括超导体故障电流限制器。

10.根据权利要求8所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括固态故障电流限制器。

11.根据权利要求8所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括电感故障电流限制器。

12.根据权利要求1所述的电流分流装置，其中还包括调整线圈与该第一电路串联，以促进阻抗微调与该电流分流装置的电流分流。

13.一种载流系统，包括：

电流分流装置，包括第一电路与一第二电路，其中该第一电路与该第二电路在正常操作状况下磁耦合，在故障状况下解磁耦合；及

故障电流限制器，与该第二电路串联，该故障电流限制器与该第二电路的串联与该第一电路并联，该故障电流限制器与该电流分流装置电流分流装置结合，以于该正常操作状态提供等效阻抗和于该故障状态提供一电流限制阻抗。

14.根据权利要求13所述的载流系统，其中该第一电路包含第一线圈缠绕于芯上。

15.根据权利要求14所述的载流系统，其中该第二电路包括一二线圈缠绕于该芯上，其中第一电流通过该第一线圈于第一方向，第二电流通过该第二线圈于相反于该第一方向的第二方向。

16.根据权利要求15所述的电流分流装置，其中该第一线圈和第二线圈以双线线圈配置方式缠绕。

17.根据权利要求15所述的电流分流装置，其中该第一线圈和第二线圈以反向同心配置方式缠绕。

18.根据权利要求15所述的电流分流装置，其中该第一线圈和第二线圈于相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

19.根据权利要求15所述的电流分流装置，其中该第一线圈和第二线圈于不相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

20.根据权利要求13所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括超导体故障电流限制器。

21.根据权利要求13所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括固态故障电流限制器。

22.根据权利要求13所述的电流分流装置，其中该故障电流限制器包括电感故障电流限制器。

23.根据权利要求13所述的电流分流装置，其中还包括一调整线圈与该第一线圈串联，以促进阻抗微调与该电流分流装置的电流分配。

24.一种故障电流限制器系统，包括：

故障电流限制器；及

电流分流装置，包括第一导电线圈和第二导电线圈缠绕于芯上，其中该第一导电线圈与该故障电流限制器并联地电性连接，用以传送电流于第一方向，该第二导电线圈与该故障电流限制器串联地电性连接，用以传送电流于相反于该第一方向的第二方向，如此于该故障电流限制器的稳定操作状态下，该第一线圈的第一磁场与该第二线圈的第二磁场耦合。

25.根据权利要求24所述的故障电流限制器系统，其中该电流分流装置的该第一线圈和该第二线圈用来解磁耦合且增加该电流分流装置的等效阻抗，以限制于故障状态下传递至负载的电流量。

26.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该故障电流限制器包括超导体故障电流限制器。

27.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该故障电流限制器包括固态故障电流限制器。

28.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该故障电流限制器包括电感故障电流限制器。

29.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该电流分流装置用以于该故障电流限制器系统的稳定操作下，传送低于系统总电流的稳态电流值。

30.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该电流分流装置还包括调整线圈串联连接于该第一线圈，以促进阻抗微调与该电流分流装置的电流分流。

31.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该第一线圈和第二线圈以双线线圈配置方式缠绕。

32.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该第一线圈和第二线圈以反向同心配置方式缠绕。

33.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该第一线圈和第二线圈于相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

34.根据权利要求24所述的故障电流限制器，其中该第一线圈和第二线圈于不相同匝数下以十字交叉配置方式缠绕。

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