CN104659770A - 故障电流限制器 - Google Patents

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CN104659770A CN201410647582.2A CN201410647582A CN104659770A CN 104659770 A CN104659770 A CN 104659770A CN 201410647582 A CN201410647582 A CN 201410647582A CN 104659770 A CN104659770 A CN 104659770A
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Abstract

提供了一种故障电流限制器。根据本公开的实施例，该故障电流限制器包括：开关，当故障电流发生时所述开关的触点被断开；电流限制元件，其配置为当故障电流发生时限制故障电流；二极管，其与所述电流限制元件串联，其中，所述二极管的击穿电压高于当正常电流流通时通过开关的阻抗造成的电压降。

Description

故障电流限制器
技术领域
本公开涉及故障电流限制器。更具体地，本公开涉及用于诸如电力设备的系统中的故障电流限制器。
背景技术
通常，故障电流限制器是在电力系统中通过将故障电流(其可能发生于诸如雷击、接地和短路的意外)转换为正常电流来保护设备的装置。近来，相关技术领域使用多种故障电流限制器。故障电流限制器的种类可以通过其中使用的元件而分类，所述元件的非限制性示例为超导体、功率半导体和饱和铁心等。
通常，故障电流形成有主路径和电路限制路径。当正常电流导通时，主路径感测故障电流，随后限制或阻挡处在初期的故障电流。与主路径并联的电流限制路径通过对主路径的故障电流和负载电压进行处理来限制或阻挡故障电流。
当正常电流流通时，所有的电流流向主路径，然而，由于并联的主路径和电流限制路径之间的阻抗差，电流将流向电流限制路径。
图1是示出通常的故障电流限制器的框图。
如图1所示，通常的故障电流限制器包括主路径M和电流限制路径L。当正常电流流通时，电流Itot通过主路径和电流限制路径之间的阻抗差而分流为主路径电流I1和电流限制路径电流I2。
此时，电流限制元件100被电流限制路径电流I2加热。当更大的电流Itot流过，则会有更大的电流流向电流限制路径L。
因此，因为在电流限制路径L中流通的电流限制路径电流I2作为了损耗并且可能对电流限制操作施加约束，所以经常在电流限制路径L上安装开关以当正常电流流通时阻挡电流流向电流限制路径L。
然而，在此情况下存在这样的问题：需要一独立的附加控制电路以在合适的时间断开电流限制路径L上的开关，使得当故障电流发生时故障电流可以绕过主路径M而流向电流限制路径L。
发明内容
本公开旨在实现的技术挑战是，通过使用功率二极管并将在电流限制路径上的二极管的击穿电压设计为高于主电路的电压降，从而提供一种故障电流限制器，其能当故障电流发生时，将故障电流从主路径切换至电流限制路径。相反地，在处于正常状态时电流不流向电流限制路径。
本公开的一个总的方案中，提供了一种故障电流限制器，其包括开关，当故障电流发生时所述开关的触点被断开；电流限制元件，其配置为当故障电流发生时限制故障电流；二极管，其与所述电流限制元件串联，其中，所述二极管的击穿电压高于当正常电流流通时通过开关的阻抗造成的电压降。
在本公开的一些示例性实施例中，当开关由于故障电流高于所述二极管的击穿电压而断开之后产生电压时，所述二极管可以导通。
本公开的另一个总的方案中，可以提供一种故障电流限制器，其包括：测量单元，其配置为测量电流；检测单元，其配置为当通过所述测量单元判定故障电流发生时，发送用于断开开关的断开信号和用于关断功率半导体的关断信号；开关，其配置为通过所述断开信号而断开触点；功率半导体，其与所述开关串联以形成主路径并配置为通过所述关断信号而关断；电流限制元件，其配置为限制故障电流；以及二极管，其与所述电流限制元件串联以形成限制路径并且配置为阻挡正常电流流入限制路径。
在本公开的一些示例性实施例中，所述二极管可以包括：第一二极管，其正向连接；以及第二二极管，其反向连接并与所述第一二极管并联。
在本公开的一些示例性实施例中，所述二极管的击穿电压可以高于当正常电流流通时通过主路径的阻抗造成的电压降。
在本公开的一些示例性实施例中，所述二极管的击穿电压可以高于当正常电流流通时通过功率半导体的阻抗造成的电压降。
在本公开的一些示例性实施例中，所述电流限制元件可以包括：第一电力熔断器，其配置为阻挡故障电流流入限制路径；第一电阻器单元，其与所述第一电力熔断器并联并配置为在所述第一电力熔断器熔断之后阻挡故障电流；以及第二电力熔断器，其与第一电阻器单元串联并配置为在故障电流通过所述第一电阻器单元后阻挡故障电流。
在本公开的一些示例性实施例中，所述限制器可以进一步包括：第二电阻器单元，其布置在所述二极管和所述电流限制元件之间并配置为限制故障电流的第一个尖峰电流。
在本公开的一些示例性实施例中，相互连接的所述二极管和所述第二电阻器单元可以并联至所述功率半导体，并且所述电流限制单元可以与所述开关并联。
在本公开的一些示例性实施例中，通过所述第二电阻器单元造成的电压降可以低于通过所述功率半导体造成的电压降。
在本公开的一些示例性实施例中，所述检测单元可以进一步配置为在发送关断信号前发送断开信号。
根据如上所述的本公开的实施例，通过在限制路径布置具有比主路径正常状态下的电压降高的击穿电压的二极管，能够容易地阻挡不必要流向故障电流限制路径的电流而没有任何额外的控制负担。
另外，根据本公开的实施例，当故障电流发生时，通过由于主路径的电压升高而接通限制路径上的二极管，能够将故障电流切换至限制路径而没有额外的控制负担。
附图说明
图1是示出通常的故障电流限制器的框图；
图2是示出根据本公开的实施例的故障电流限制器的框图；
图3是示出二极管的基本工作示例图；
图4是示出根据本公开的另一实施例的故障电流限制器的框图；
图5是示出根据本公开的又一实施例的故障电流限制器的框图。
具体实施方式
下文将参照图示一些示例性实施例的附图来更具体地描述多种示例性实施例。本发明的概念可以多种不同的形式体现，但并不被示出的示例性实施例所限制。更确切地，所描述的方案旨在涵盖所有落在本公开的范围和新颖概念的替代例、改进例、变型例和等同例。
根据本公开的实施例的故障电流限制器设计为通过使功率二极管使限制路径上的二极管的击穿电压高于主路径的电压降。也就是，通过设计使限制路径上的二极管的击穿电压高于主路径的电压降，则在正常状态没有电流流向限制路径，当故障电流发生时，可以切换使故障电流绕过主路径而流向限制路径。
也就是，根据本公开的实施例，当主路径的电压降高于限制路径上的二极管的击穿电压时，限制路径上的二极管可以导通，从而使得流向主路径的故障电流易于转向限制路径。
下文将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。
图2是示出根据本公开的实施例的故障电流限制器的框图。
如图2所示，根据本公开的实施例的故障电流限制器由主路径M和限制路径L组成。限制路径L包括二极管1和电流限制元件2，并且主路径M包括开关3。
图3是示出二极管的基本工作示例图。如图所示，即使当电流方向为正向，但直到二极管上的电压至少达到击穿电压VF，二极管才会导通。
因此，本公开在故障电流限制器上应用该二极管的特性。也就是，二极管1额外布置在如图1的传统的故障电流限制器的限制路径L上。并且通过将二极管设计为具有比当正常电流流通时主电路的阻抗引起的电压降高的击穿电压，在当意外发生的瞬间通过开关3的操作而产生的在主路径M上的电压达到高于与主路径M并联的二极管的击穿电压，则可以无需任何额外的控制负担而使二极管导通。
同时，因为通常向故障电流限制器输入交流电(AC)，二极管1包括正向连接的第一二极管1A和反向连接的与第一二极管1A并联的第二二极管1B。通过本公开的这样的结构，当电流方向为正向时只有正向连接的第一二极管1A导通，相反，当电流方向为反向时只有反向连接的第二二极管1B导通。
图4是示出根据本公开的另一实施例的故障电流限制器的框图。
如图所示，根据本公开的另一实施例的故障电流限制器包括：测量单元10、快速故障探测器(FFD)20、功率半导体30、开关3、电流限制元件2和二极管1。电流限制元件2包括：第一电力熔断器21、第二电力熔断器22和电阻器单元23。本公开中的电流限制元件的结构是示例性的，并且不排除其他各种类型的电流限制元件。
功率半导体30和开关3通过互相串联而形成主路径M。二极管1和电流限制元件2通过彼此串联而形成限制路径L。另外，在电流限制元件2中串联有电阻器单元23和第二电力熔断器22，并且相互串联的电阻器单元23和第二电力熔断器22并联至第一电力熔断器21。
测量单元10测量电流和电流的增量。例如，测量单元10可以是电流互感器(CT)或罗戈夫斯基(Rogowski)线圈，由于这是本领域的技术人员所熟知的，因此不作更详细的说明。然而，测量单元10既不被列出的示例的实施例所限制，也不排除其他各种执行类似功能的电流限制元件。
当测量单元通过测量电流的增量而检测到故障时(也就是，当故障电流发生时)，FFD 20向开关3发送用于断开开关3的断开信号，并且向功率半导体30发送用于关断功率半导体30的关断信号。
在正常状态，功率半导体30保持导通。而后，当故障电流发生时，功率半导体30通过从FFD20接收关断信号而关断。这里，例如，功率半导体30可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但不限于此。因此，可以使用其他适合种类的诸如栅极关断晶闸管(GTO)或集成栅极换流晶闸管(IGCT)的半导体。同时，虽然描述的本公开的实施例中设置一单独的功率半导体，但也可以设置多个串联的功率半导体。串联的功率半导体的数量可以通过故障电流发生时需要功率半导体能够有的电压降的量来判定。
开关3通过以高速维持隔离来保护功率半导体30。
再次参照图2，二极管1设计为具有的击穿电压高于在正常状态通过在主路径M上的功率半导体30和开关3产生的电压降，并组织电流流向限制路径L。
并联于电流限制电阻器单元23的第一电力熔断器21阻挡故障电流输入至限制路径L，并且而后将故障电流分流至电流限制电阻器单元23。第一电力熔断器21可以设计为能够阻挡大故障电流。
通常，电力熔断器是用于高电压或超高电压设备的短路保护的熔断器，并且其根据其灭弧类型而分为电流限制型和非电流限制型两类。电流限制电力熔断器通过产生高弧阻来强制限制和阻挡故障电流。电力熔断器较小并且便宜，还具有当过载电流超过一定值时完全阻挡目标而不发生故障的特征。
第一电力熔断器21具有这样的特征：首先阻挡故障电流向限制路径L输入，而后在第一电力熔断器21熔断的瞬间将故障电流分流至电流限制电阻器单元23。
与电流限制电阻器单元23串联的第二电力熔断器22也阻挡向限制路径L输入并通过电流限制电阻器单元23的故障电流。第二电力熔断器22可以设计为阻挡比第一电力熔断器21阻挡的故障电流更小的故障电流。输入至第二电力熔断器22的故障电流为从首先通过第一电力熔断器21阻挡的故障电流中剩余的故障电流，并随后在第一电力熔断器21熔断后被迫通过电流限制电阻器单元23而发热。
第一和第二电力熔断器21和22均为具有相同作用功能的电力装置。然而，特殊地，第一电力熔断器21将故障电流分流至电流限制电阻器单元23，而第二电力熔断器22完全阻挡电流。
电流限制电阻器单元23是用于限制故障电流输入的电阻器，并与第二电力熔断器22协作阻挡故障电流。电流限制电阻器单元23的阻抗可以考虑其与第二电力熔断器22的协作来判定。
下文将描述图4所示的故障电流限制器的工作。
在正常状态，假定所有的电流均从连接功率半导体30和开关3的主路径M流过。而在限制路径L上，通过设计为具有比主路径M的电压降高的击穿电压的二极管来阻挡电流。
当故障电流发生时，FFD 20向开关3发送断开信号。开关3的触点通过断开信号而断开。在当开关3的触点断开的瞬间，电弧电流通过开关3的触点。在当通过弧阻产生的电压降高于限制路径L上的二极管1的击穿电压的瞬间，故障电流从限制电路L上流过。
当主电路M上的开关3断开之后，此时开关3的触点之间的间隔变宽，则FFD 20发送用于关断功率半导体的关断信号，功率半导体通过该关断信号而关断。以此方式阻挡了主路径M上的电流，并且相应地消除了开关3的触点上的电弧。
因此，强制故障电流从限制路径L上流过，而后在一定的一段时间之后，第一电力熔断器21熔断。与此同时，而后强制故障电流流向电流限制电阻器单元23。根据电流限制电阻器单元23的阻抗的大小来限制故障电流。故障电流通过电流限制电阻器单元23之后，被强制流向第二电力熔断器22，第二电力熔断器22也在一定的一段时间之后熔断。
如上所述，根据上述的本公开的实施例，通过在限制路径布置具有比当电流正常导通时主路径的电压降高的击穿电压的二极管，能够容易地阻挡不必流向限制路径的电流而没有任何额外的控制负担。并且当故障电流发生时，通过由于主路径的电压升高而使限制路径上的二极管导通，能够将故障电流切换至限制路径而没有额外的控制负担。
图5是示出根据本公开的又一实施例的故障电流限制器的框图。
如图所示，根据本公开的实施例的故障电流限制器包括：测量单元10、快速故障探测器(FFD)20、功率半导体30、开关3、二极管1、尖峰电流限制电阻器(PCR)40和电流限制元件2。本文示出并描述了作为独立元件的电流限制元件2，但电流限制元件2也可以包括形成电路的多个元件。除了额外使用PCR 40并且前例中功率半导体30和开关3是独立的，图5所示的故障电流限制器具有与图4所示的故障电流限制器相同的结构。因此，下文将主要描述与前例(图4所示的故障电流限制器)的差别。
根据本公开的实施例的故障电流限制器中，开关3和电流限制元件2可以并联，并且二极管1和PCR可以串联。串联的二极管1和PCR 40可以并联至功率半导体30。
PCR 40用于当故障电流发生时限制功率半导体30的电压降。PCR 40限制由于二极管1的导通而输入的第一个尖峰电流，并而后强制使之后输入的电流流向电流限制元件2。由于这用于减小功率半导体30的负载电压，因此由于PCR 40的电阻导致的电压降应设计为比功率半导体30的电压降低。
下文将描述图5示出的故障电流限制器的工作。
在正常状态，所有的电流均从连接功率半导体30和开关3的主路径M上流过。而在限制路径L上，通过设计为具有比主路径M的电压降高的击穿电压的二极管来阻挡电流。
当故障电流发生时，FFD20向开关3发送断开信号。开关3的触点通过断开信号而断开。在当开关3的触点断开的瞬间，电弧电流通过开关3的触点。在当通过弧阻产生的电压降高于限制路径L上的二极管1的击穿电压的瞬间，故障电流从限制电路L上流过。
当主电路M上的开关断开之后，此时开关3的触点之间的间隔变宽，则FFD 20发送用于关断功率半导体的关断信号，功率半导体通过该关断信号而关断。以此方式阻挡了主路径M上的电流，并且相应地消除了开关3的触点上的电弧。
因此，强制故障电流从限制路径L上流过，而后PCR 40限制第一个尖峰电流输入，并而后强制使之后输入的电流流向电流限制元件2。电流限制元件2可以与图4所示的相同或不同。如果电流限制元件2可以与图4所示的相同，其工作也相同。
如上所述，当故障电流发生时PCR 40限制了功率半导体30的电压降。
根据本公开的实施例，功率半导体30和开关3均可以为独立电路。如果功率半导体30和开关3之间的电路不是独立的，则功率半导体30应设计为同时耐受电流限制元件的电压降。因此，需要大量功率半导体30。
然而，如果功率半导体30和开关3之间的电路是独立的，可以使用PCR40来限制功率半导体30的电压降，从而可以减少串联的功率半导体30的数量。
然而，如果减少了串联的功率半导体30的数量，PCR 40的阻抗也相应地减小。在此情况下，因为系统电压越高PCR 40的电阻值越低，从而约束了对第一个尖峰电流的限制。然而，在第一个尖峰电流之后，通过电流限制元件2限制了故障电流，并且开关3处理电流限制元件2的电压降。因此，功率半导体30可以布置在电流限制元件2内部的电路中。
上述提到的实施例旨在用作说明，而非限制权利要求书的范围。对于本领域的技术人员来说，许多替代例、修改例、变型例和等同例将是显而易见的。本文描述的示例性实施例的特征、结构、方法和其他特性可以以多种方式组合以获得附加的和/或替代的示例性实施例。因此，应通过权利要求书来决定本公开的权利的技术范围。

Claims (11)

1.一种故障电流限制器，其包括
开关，当故障电流发生时所述开关的触点被断开；
电流限制元件，其配置为当故障电流发生时限制故障电流；
二极管，其与所述电流限制元件串联，
其中，所述二极管的击穿电压高于当正常电流流通时通过开关的阻抗造成的电压降。
2.根据权利要求1所述的限制器，其中，当开关由于故障电流高于所述二极管的击穿电压而断开之后产生电压时，使所述二极管导通。
3.一种故障电流限制器，其包括：
测量单元，其配置为测量电流；
检测单元，其配置为当通过所述测量单元判定故障电流发生时，发送用于断开开关的断开信号和用于关断功率半导体的关断信号；
开关，其配置为通过所述断开信号而断开触点；
功率半导体，其与所述开关串联以形成主路径并配置为通过所述关断信号而关断；
电流限制元件，其配置为限制故障电流；以及
二极管，其与所述电流限制元件串联以形成限制路径并且配置为阻挡正常电流流入限制路径。
4.根据权利要求3所述的限制器，其中，所述二极管包括：
第一二极管，其正向连接；以及
第二二极管，其反向连接并与所述第一二极管并联。
5.根据权利要求3所述的限制器，其中，所述二极管的击穿电压高于当正常电流流通时通过主路径的阻抗造成的电压降。
6.根据权利要求3所述的限制器，其中，所述二极管的击穿电压高于当正常电流流通时通过功率半导体的阻抗造成的电压降。
7.根据权利要求3所述的限制器，其中，所述电流限制元件包括：
第一电力熔断器，其配置为阻挡故障电流流入限制路径；
第一电阻器单元，其与所述第一电力熔断器并联并配置为在所述第一电力熔断器熔断之后阻挡故障电流；以及
第二电力熔断器，其与第一电阻器单元串联并配置为在故障电流通过所述第一电阻器单元后阻挡故障电流。
8.根据权利要求3所述的限制器，进一步包括：
第二电阻器单元，其布置在所述二极管和所述电流限制元件之间并配置为限制故障电流的第一个尖峰电流。
9.根据权利要求8所述的限制器，其中，相互连接的所述二极管和所述第二电阻器单元并联至所述功率半导体，并且所述电流限制单元与所述开关并联。
10.根据权利要求8所述的限制器，其中，通过所述第二电阻器单元造成的电压降低于通过所述功率半导体造成的电压降。
11.根据权利要求3所述的限制器，其中，所述检测单元进一步配置为在发送关断信号前发送断开信号。
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