CN104603902A - 故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种这样的类型的故障限流器，其具有借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个伸长核心，以及围绕核心的交流线圈，故障限流器包括：伸长核心，具有在交流线圈的邻近区域中沿着核心的轴的可变截面，从而提供核心的增加的饱和并且增强对于低直流偏置的故障限流。

Description

故障限流器

技术领域

本发明涉及限流，并且更具体地涉及饱和磁芯类型的故障限流器(FCL)。

背景技术

贯穿本说明书对背景技术的任何讨论绝不应被视为对此现有技术是广泛已知或形成本领域中常见的一般知识的部分的认可。

磁饱和核心故障限流器通常是已知的。例如，参考美国专利7,551,410和7,193,825。例如，从PCT公开WO2009/121,143中开口核心FCL是已知的。虽然这些FCL提供有效的功能，但已发现可基本上改进它们的运行特性。

理想地，以简单和紧密结合形式制成任何FCL装置。

发明内容

本发明的目标是提供具有许多有利特征的有用的替代FCL。

根据本发明第一方面，提供这种类型的故障限流器，其具有借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个伸长核心，以及围绕核心的交流线圈，故障限流器包括：伸长核心，具有在交流线圈的邻近区域中沿着核心的轴可变的截面，从而辅助核心饱和。

在一些实施方式中，在交流线圈的邻近区域中放大截面积。在其他实施例中，截面积经历朝向核心的端部的逐渐缩减。优选地，在磁场强度沿着伸长核心轴向变化的地方，在磁场的较大强度的邻近区域中的轴向可变截面可更大。可通过围绕核心的至少一个直流线圈，或者通过包括磁芯端盖，永久或相反，或邻近核心的直流线圈的其他方式产生磁场。

在一些实施方式中，两个间隔直流线圈围绕核心并且核心优选地包括两个间隔直流线圈之间区域中的减小的截面积。

在其他实施例中，直流线圈的数目可以是一并且伸长核心优选地可包括与直流线圈相邻的第一区域中的放大的截面积，与直流线圈间隔的第二区域中减小的截面积。

在一些实施方式中，伸长核心可进一步优选地包括伸长核心的端部第三区域中放大的截面积。第三区域的放大截面可由放置在伸长核心的端部的单独核心块形成。

在一些实施方式中，限流器每功率相位具有两个伸长核心，其中每个核心彼此间隔开并具有围绕每个相位的两个核心的直流线圈。

在一些实施方式中，核心具有基本D形截面。

在一些实施方式中，相位的数目可以是三并且核心的数目可以是六，且以圆形或其他紧凑的方式布置核心。

核心优选地由层压状高导磁材料形成。

在一些实施方式中，磁屏蔽可布置在核心和交流绕组周围。这可由诸如铜或不锈钢的导电材料制成。

根据本发明另一方面，提供一种改善故障限流器的操作的方法，故障限流器为这样一种类型，即，具有借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个伸长核心，以及围绕核心的交流线圈，该方法包括以下步骤：(a)确定沿着伸长核心的轴的潜在磁场；(b)改动沿着核心的轴的截面积以增强故障限流器的运行特性。

根据本发明的另一方面，提供一种改善以上故障限流器的操作的方法，其中步骤(b)可优选地包括，无论通过锥形、梯形或其他几何图形，增大高磁场强度的区域中的截面积，减小低磁场强度的截面积并增大伸长核心的端部的截面积。

根据本发明另一方面，提供该种类型的故障限流器，具有在正常操作过程中朝向饱和磁性地偏置的至少一个核心以及核心周围的交流载流线圈，故障限流器包括：围绕其缠绕交流线圈的至少一个伸长核心，伸长核心在交流线圈邻近区域中包括沿其长度的可变截面，且优化可变截面以降低诱导核心饱和所需的围绕核心的周围磁场力度。

根据本发明另一方面，提供该种类型的故障限流器，具有借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个核心的伸长部分，以及围绕核心部分的交流线圈，核心的伸长部分进一步包括沿着伸长轴的可变截面积从而辅助故障限流器的运行特性。

附图说明

现在将参照附图仅以实例的方式描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1示出通过第一单相故障限流器的示意性截面图；

图2示出通过第二故障限流器的示意性截面图；

图3是与图2描述的相似的多相故障限流器的侧透视图；

图4示出单相故障限流器的替代核心的侧透视图；

图5示出了图4的核心的，示出各种核心测量的侧平面图；

图6示出具有‘D’形核心的另一替代单相故障限流器的侧透视图；布置；

图7是图6的布置的俯视平面图；

图8是另一替代单相FCL布置的侧透视图；

图9示出图8的核心的外形视图；

图10是图8的布置的核心和缠绕交流线圈的侧透视图；

图11是另一替代单相FCL布置的侧透视图；

图12是与图11相似但具有额外屏蔽的布置的侧透视图；

图13是具有两个直流饱和线圈的另一交错布置的侧透视图；

图14示出另一替代FCL布置的侧透视图；

图15示出另一替代FCL布置的侧透视图；

图16示出与图15相似的另一替代FCL布置的侧透视图；

图17示出通过图14的布置的截面图；

图18是相对于两个FCL装置的安培匝数的比较阻抗的曲线图；

图19示出了未故障稳态条件中图18的装置两端间的电压；

图20示出故障电流检测结果的曲线图；

图21是示出在故障电流环境期间检测的FCL装置两端间的电压的曲线图；

图22示出第二组的两个检测FCL装置两端的故障电流；

图23示出故障电流状态期间第二组的两个检测FCL装置两端产生的反电动势；

图24示出未故障稳态条件中第三组检测FCL装置两端的稳定状态电压；

图25示出预期故障电流和受限故障电流作为第三组检测FCL装置的时间函数；以及

图26示出故障期间第三组检测FCL产生的反电动势。

具体实施方式

在优选的实施方式中，优化沿着故障限流器的长度的钢核心的截面以提供改善的故障电流限制效果。通过实验发现所需磁场强度基本上较低。这对于三相装置或单相装置两者均适用。已进一步发现通过优化核心截面积，核心比通过使用具有恒定的截面积的核心的传统设计方法所需要的更短。

以限定方式改变沿着核心长度的钢核心的截面积允许钢核心利用较少的安培匝数偏置(例如，对于一个设计，与710kAT相比，为500kAT)并可用较少用的故障安培匝数去偏置。这对磁场规格具有极少的预期故障电流的设计特别有用。

先看图1，示出通过单相故障限流器10的操作部分的截面图。故障限流器包括由层叠钢形成的两个核心11、12。核心11、12形成为使周围直流线圈13提供的核心的磁饱和最大化。核心11、12也支撑互相连接(未示出)并在反指向电连接的周围交流线圈15、16以便提供故障的交替半循环的故障覆盖率。

单直流线圈13的使用建议相应对称的核心结构。在这种情况下，核心结构由顶部渐变部分18、19，部分20、21，其他部分22、23，中间部分24、25和与上部分对称的下部分26-31构成。图1也示出各种测量尺寸。

图2示出通过可替代锥形核心布置的截面图。在该实例中，提供用于偏置核心47、48的两个直流线圈41、42和43、44。直流线圈的定位导致核心与末端相比具有较薄的腰部。每个核心47、48周围缠绕相应的交流线圈45、46。线圈形成在装满变压器油49的槽50内并在没有故障的情况下能够处理高压。

图3示出图2的布置的截面的侧透视图，更清晰地示出对称三相布置40的一半。两半的截面是对称的。三芯52、53各自是关于较薄腰部(例如，54)和较厚端部(例如，52、56)对称的锥形形状。两个直流线圈42、44围绕槽50的外表面以使核心饱和。而且，每个核心具有交流线圈缠绕围绕在其周围(如阴影部分所示)。在填充变压器流体49的槽中形成布置40。核心可由根据需要切割并粘结到一起的层叠钢片形成。

图4示出双芯布置的另一分布更复杂的异形核心。在该核心中，截面一般是具有两个减薄部61、62的‘D’形状。具有完整D形截面的中央部63较厚。核心由层叠的特殊切割的带钢形成。图5示出核心60的侧平面图，其示出核心测量。

图5示出将图4的核心结合到具有两个‘D’形状的核心71、72的单相布置70。核心具有缠绕它们的交流线圈(例如，73)并且设置两个直流线圈74、75以使核心饱和。核心包括扇形部77、76，其打断了根据本发明教导的核心的轴向对称。

图7示出图5的布置70的俯视平面图，其中两个‘D’形状的核心形成在圆形78外围上。在每个核心周围形成交流线圈(例如，73)且直流线圈74、75提供饱和。

其他核心布置是可行的并且将是规格设计驱动的。例如，图8示出仅提供一个直流线圈的原型机布置80。在该布置80中，核心81、82具有绕其设置直流线圈83以提供增强的饱和的放大腰部。核心81、82也包括较厚顶端和底端。图9示出核心81、82的整体外观图，且图10示出核心周围的交流绕组。

已构造和检测了具有不规则横断面的原型设计。图11示出另一单相双核心设计90。双核心设计包括使核心92、93饱和的一个直流线圈91。交流线圈100、101缠绕在钢核心周围并相互连接(未示出)。每个核心在每个端部包括层叠钢95-98的明显端块。层叠钢块的布置被设计成接近图1的设计。

图12示出另一替代布置110。在该单相布置中，再次提供两个异形核心111、112。直流线圈113用来使核心饱和。以通常方式将交流线圈114、115缠绕在核心周围。另外，由导电材料在交流线圈和核心周围形成磁屏蔽116。磁屏蔽116也可以是不锈钢或电气级铜，并有利地用来修改故障电流性能并且减少进入所采用的任何直流偏置电路的反电动势和电流波纹。在一些情况下，屏蔽可包括狭槽117以消除屏蔽中任何变压器感应电流。在其他实施方式中，不提供切口并且屏蔽形成完整的电路。

图13示出另一替代布置120。在该布置中，提供具有两个异形核心，在每个核心周围缠绕着交流线圈。也提供两个直流线圈123、124使核心饱和。

在图14中，提供另一布置130。该布置与图12所示相似，具有由直流饱和线圈135缠绕的两个核心131、132。此外，设置一组由导电材料133、134制成的展开磁屏蔽并有利地用来修改故障电流性能，并且减小在故障电流环境期间进入采用的任何直流偏置电路的反电动势和电流波纹。

图15示出了另一替代布置140。在该单相布置中，由交流线圈144、145和直流线圈143围绕两个核心141、142。在该布置中，提供由具有高磁导率的材料构造的一系列放大伸长层叠块146-149。块146-149比图11中的更独立，并用来有利地修改直流偏置特性和故障电流性能，并且减小在故障电流环境期间进入采用的任何直流偏置电路的反电动势和电流波纹。

图16示出另一可替代实施方式150，具有围绕其缠绕线圈153、154的核心151、152。提供直流线圈155以使核心饱和。此外，也提供具有高磁导率的层压材料的端块156-159以优化饱和特性。

图17示出通过图14的布置130的截面图。核心131包括两个部分，一个部分定位于中央并且一个部分定位为接近核心的端部并且由替代材料构造，优选地由具有高磁导率或气隙的材料构造。

实验结果

通过测试异形核心提高的效率，检查三组不同的FCL对。在每对中，使用异形核心构造一个FCL并且使用均匀横断面的核心构造另一FCL。

在第一实验中，为了一起测试它们建立两个FCL并将故障限流功能和直流偏置特性进行比较。建立具有相同钢核心材料叠层、材料类型和钢核心高度的两个FCL。用锥形及图1所示的类型的展开钢核心建立一个FCL，并用均匀横断面的直核心沿着高度建立另一个FCL。在下面的表中列出这两个FCL的细节：

图18示出了比较每个检测的FCL所需的直流偏置的测量结果。发现具有均匀横断面面积钢核心170的FCL所需的直流偏置为110kAT，而发现锥形核心装置171所需的直流偏置为70kAT。这相当于大量节省用于锥形核心装置的直流偏置导体。

图19示出了在稳定未故障状态中锥形及展开核心装置两端的电压180。该电压波形的均方根值为2.2V均方根，这符合该设计完全饱和装置的预期电压。

图20示出了故障电流检测结果。发现1350安培数均方根的预期故障电流190通过直核心标准FCL减小至652安培数均方根191并通过锥形及展开核心FCL减小至457安培数均方根192。

图21示出了在故障电流事件期间在两个FCL两端显现的反电动势与时间的函数。与具有均匀横断面面积的标准直核心FCL 201显现的波形相比，在锥形展开核心200两端显现的电压波形在研究的间隔中具有较大量值。本领域技术人员应理解，通过增强在故障事件期间FCL两端显现的反电动势，钢核心的锥形及展开更有效地使用了钢核心，这转而导致在低直流偏置处限制更大程度的故障电流。

在第二对装置中，分析如图4、5、以及6所示的层压锥形及展开钢核心类型的FCL，并且没有展开及锥形核心并采用均匀横断面面积的钢核心的FCL也设计有相同的故障限流性能。下面的表列出这两个故障限流器的尺寸。

将两个故障限流器设计成使得它们将各自产生相同故障限流性能。通过该设计发现运用新技术的锥形及展开钢核心允许用明显减少的钢及明显短的核心设计FCL。例如，发现装置的高度可从4000mm减小至3000mm而不会牺牲任何故障限流属性。此外，每个钢核心支干上的交流匝数可从122匝减少至94匝，可明显节约成本、质量以及由于装置的该部分的电能损耗。当采用在此公开的新核心锥形展开技术时，发现额外收益是达到该性能所需的直流偏置可从传统装置的850kAT减少至710kAT。

图22示出标准直的、均匀的钢核心设计211以及具有锥形及展开核心设计212的在此公开的新技术的预期故障电流210和受限故障电流。图23详细描述锥形及展开核心装置220和标准均匀核心装置221两端产生的反电动势。通过该调查发现锥形及展开核心装置更有效地产生故障电流限制所需的反电动势，由此更有效地减少故障电流。该设计需要较少的钢和较少的交流匝数来实现与用均匀横断面面积的钢核心设计的FCL的相同程度的故障限流。

在第三对FCL装置中，用明显大于中央钢核心部分的横断面面积的展开部分的横断面区分析具有如图4、图5、以及图6所示的层叠的锥形及展开钢核心类型的FCL，并且也用与展开及锥形FCL相同的性能设计没有展开锥形核心但采用均匀横断面面积的钢核心的FCL。下面的表公开这两个故障限流器的尺寸。

将两个FCL设计成使得它们会产生15kA稳态预期故障电流的相同故障电流限制。通过该设计实践发现锥形及展开钢核心允许用明显减少的钢及明显短的核心设计FCL。例如，发现装置的钢核心高度可从1800mm减小至1400mm而不会牺牲任何故障限流属性。此外，每个钢核心支干上的交流匝数可从23匝减少至20匝，并且直流偏置可从250kAT减少至195kAT。与用均匀钢核心横断面面积设计的FCL相比这三个主要益处表现在明显节约成本、质量、电能损耗。

图24示出了在具有锥形及展开核心230的装置上没有故障电流并且总安培匝数偏置为195kAT，以及在标准装置231上总安培匝数偏置为250kAT的情况下，第三对中两个FCL两端所测的稳态电压与时间的函数。这示出了锥形及展开钢核心可偏置到55kAT的相同阻抗，更少的直流安培匝数。

图25详细描述了预期故障电流与时间的函数240以及标准直的、均匀钢核心设计的限制稳态故障电流241以及锥形及展开核心设计的限制稳态故障电流242。该数据示出可以在设计中实现具有锥形及展开核心及较低直流偏置值的相同程度的故障限流。

图26详细示出在标准均匀核心装置250和具有锥形及展开核心251的装置两端的故障期间在FCL两端产生的反电动势。如本领域技术人员所理解，利用锥形及展开核心装置产生接近相同的反电动势，即使其比直核心等同物具有较少交流匝数并更短。

因此，能够看出通过最优化伸长核心横断面结构，但能够实现明显的好处。折衷可包括饱和电流减少、尺寸减小以及所需交流匝数减少。

解释

以下说明书和附图利用参考数字来辅助收件人理解实施方式的结构和功能。不同实施方式所用的相同参考数字表示具有相同的或类似的功能和/或结构的不同的实施方式。

需要将附图与本说明中关联文本一起看成整体。具体地，一些附图选择性地省去包括所有情况下的所有特征从而更清楚地提供关于被描述的具体特征。虽然如此做以辅助阅读，但不应当认为那些特征未被公开或对于相关实施方式的操作不需要那些特征。

在整个说明书中，“一种实施方式”或“一个实施方式”是指，结合该实施方式所描述的具体的特征、结构或特性包含在本发明的至少一种实施方式中。因此，在本说明书中，在不同位置出现的短语“在一种实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指代(但可以指代)相同的实施方式。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员显而易见的是可以任何合适方式合并特定特征、结构或特性。

类似地，应当理解，在本发明的示例性实施方式的上述说明书中，为了使本公开合理化并且辅助理解本发明各个方面的一个或多个方面，本发明的各种特征、附图及其说明可以被一起组合到单个实施方式中。然而，本公开的该方法不应该被解释为反映所提出的发明要求需要比每个权利要求中明确陈述的更多的特征。相反，如以上权利要求所反映，本发明的方面在于少于单个前述公开实施方式中的所有特征。因此，具体实施方式以上的权利要求在本文中被明确地结合到该实施方式中，且每项权利要求自己作为本发明的单独的实施方式。

此外，如本领域技术人员应当理解，虽然在本文中所描述的一些实施方式包括其他实施方式中包括的一些但并非其他特征，不同实施方式的特征组合意指在本发明的范围内，并形成不同的实施方式。例如，在以上权利要求中，任何权利要求记载的实施方式可被用于任何组合。

在本文提供的说明书中阐述了许多细节。然而，应理解的是，在没有这些详细说明的情况下可以实施本发明的实施方式。在其他事例中，为了不混淆对该描述的理解，未详细地示出众所周知的方法、结构和技术。

除非另有说明，如在本文中使用的相对于元件的术语“缠绕”不应当解释为要求绕对象的元件缠绕的行为。例如，当描述线圈绕核心“缠绕”时，不必按字面意思绕核心形成线圈。即，字面上术语“缠绕”可解释为在制造过程中线圈物理地绕核心缠绕，或者分别缠绕成形成的状态并且然后放置在核心周围。对于线圈来说更常见的是在成型机上缠绕从而产生缠绕线圈，并且然后具有放置于核心周围的缠绕线圈。因此，如在本文中使用的术语“缠绕”应当解释为类似于术语“围绕”或“绕...延伸”。

因此，虽然已经描述了被认为是本发明优选实施方式，本领域技术人员将认识到在不偏离本发明精神的情况下可进行其它和进一步的修改，并且旨在声明所有这样的修改和变形落入本发明的范围内。例如，以上提供任何公式仅仅表示可使用的流程。

Claims (19)

1.一种故障限流器，包括借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的核心的至少一个伸长部分，以及围绕所述核心的所述部分的交流线圈，所述故障限流器进一步包括：

核心的伸长部分，在所述交流线圈的邻近区域中具有沿着所述核心的所述部分的轴可变的截面，截面的所述变化辅助所述故障限流器的运行特性。

2.根据权利要求1所述的故障限流器，其中，所述可变截面提供所述核心的增加的饱和或减少使所述核心饱和或降低饱和所需的磁通量。

3.根据权利要求1所述的故障限流器，其中，所述磁场的强度沿着所述伸长核心轴向变化，并且轴向的所述可变截面在所述磁场的较大强度的邻近区域中更大。

4.根据权利要求3所述的故障限流器，其中，通过围绕所述核心的至少一个直流线圈产生所述磁场。

5.根据权利要求3所述的故障限流器，其中，通过永磁体产生所述磁场的一部分。

6.根据权利要求4所述的故障限流器，其中，两个间隔直流线圈围绕所述核心，并且所述核心包括在所述两个间隔直流线圈之间的区域中的减小的截面积。

7.根据权利要求4所述的故障限流器，其中，直流线圈的数目是一，并且所述伸长核心包括与所述直流线圈相邻的第一区域中的放大的截面积、与所述直流线圈间隔开的第二区域中的减小的截面积。

8.根据权利要求7所述的故障限流器，其中，所述伸长核心进一步包括在所述伸长核心的端部的第三区域中的放大的截面积。

9.根据权利要求1所述的故障限流器，其中，所述限流器每功率相位具有两个伸长核心，并且每个核心彼此间隔开并且具有围绕每个相位的两个核心的直流线圈。

10.根据权利要求9所述的故障限流器，其中，所述核心具有基本D形截面。

11.根据权利要求9所述的故障限流器，其中，相位的数目为三，并且核心的数目为六，且所述核心以基本圆形方式布置。

12.根据权利要求8所述的故障限流器，其中，所述第三区域的所述放大截面由放置在所述伸长核心的所述端部的单独核心块形成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的故障限流器，其中，所述核心是由具有高导磁率的层压材料形成。

14.根据权利要求13所述的故障限流器，其中，所述高导磁率材料包括基本变压器钢。

15.根据权利要求9所述的故障限流器，其中，导电屏蔽被放置在所述核心和所述交流线圈周围。

16.一种改善故障限流器的操作的方法，所述故障限流器包括借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个伸长核心，以及围绕所述核心的交流线圈，所述方法包括以下步骤：

a)确定沿着所述伸长核心的轴的潜在磁场；以及

b)沿着所述核心的所述轴改动截面积以增强所述故障限流器的运行特性。

17.根据权利要求16所述的改善故障限流器的操作的方法，其中，所述步骤(b)包括增大高磁场强度的区域中的所述截面积，减小低磁场强度的区域中的所述截面积并且增大所述伸长核心的端部的所述截面积。

18.一种故障限流器，包括在正常操作过程中朝向饱和磁性地偏置的至少一个核心以及围绕所述核心的交流载流线圈，所述故障限流器进一步包括：

围绕其缠绕所述交流线圈的至少一个伸长核心，所述伸长核心包括在所述交流线圈的邻近区域中沿着所述伸长核心长度可变的截面，且优化所述可变截面以降低诱导所述核心饱和所需的围绕所述核心的周围磁场力度。

19.一种故障限流器，包括借助于周围磁场朝向饱和磁性地偏置的至少一个核心的伸长部分，以及围绕所述核心的所述部分的交流线圈，所述核心的所述伸长部分进一步包括沿着伸长轴的可变截面积以辅助所述故障限流器的运行特性。