CN104769690B - 磁热限流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种限流装置(10)，其由变压器形成，包括磁热材料(20)制成的元件、初级导体(12)和次级导体(16)。热量由流过初级导体(12)的电流产生，并且当所述电流超过特定阈值时，它改变变压器(10)的耦合系数，这使得限制初级导体(12)内的电流成为可能。

Description

磁热限流装置
技术领域
本发明涉及电气线路的保护。尤其是，本发明涉及限制电气设备中的电流的装置，尤其是针对低压情形。
背景技术
在配电网络中，故障的存在会产生高电流的流动，这会损坏线路上的设备。为了保护这些设备，其中一个方案是安装断路器类型的开关。当设备的容许阈值被超过时，通过将断路器的触头打开以切断线路来使得该设备离线。另一个方案是安装静态装置，在不打开触头的情况下，例如，插入高阻抗，但是该方案显示出改变线路特性的缺点，包括在正常操作模式下也是如此。
为了避免这个缺点，已经研发了限流器装置，该装置的特性根据电流是否超过阈值而有所不同。从而，文件WO 2006/003111或WO 2012/013237提供了围绕磁铁盘绕的绕组，该绕组的磁性特性被选择以便磁化作用与线圈中的电流相关，以便允许在其中流动的电流被改变，并且进一步限制其所连接的线路中流动的电流。
限流器装置的一条发展线路是使用超导材料，该超导材料的阻抗随着温度变化。由此，如WO 2005/006455中所描述的，其中一个选项涉及到将超导元件直接插入到电气线路中。在额定电流下，超导体呈现出零阻抗并且并不影响线路。当电流超过阈值时，阻抗急剧增加，并且限制电流。但是，考虑到要被实施的低温基础设施的复杂性和成本，这种类型的解决方案似乎主要适于高压的传输。
另一种方法涉及电感性限流装置的使用，该限流装置的次级配备有超导元件，如图1所示。这样一种限流装置1是基于变压器的原理，其中磁路2耦接初级绕组4，该初级绕组4连接到要被保护的线路5，次级绕组6连接到由于超导元件8的存在而电阻可变的回路。在额定电流下，那么次级绕组6是无电阻的，对线路5没有任何影响。在故障电流下，由于材料8的临界特性被穿过，取决于它的温度、所施加的磁场以及取决于电流，次级绕组6变得电阻性的，并且它的电阻8被反映在初级绕组4中，该初级绕组4的电流被限制。
但是，具有超导体8的这种类型的装置1呈现出需要低温环境9的主要缺点，该低温环境传统上为液氦或氮，由此使得它的使用存在问题。此外，所起作用的温度对焊料或者其他连接带来约束。用于这种类型的装置1的显著的大体积、操作成本以及必不可少的维护意味着它的使用可以被认为是用于中压和高压用途，但是不太可能用于低压用途。
发明内容
在其他优点中，本发明旨在克服现有的限流器的缺点。尤其是，本发明提出了一种安装在电气线路上的限流装置，不需要低温装置且在额定电流下不改变回路的阻抗，尤其是适于低压用途。
在其一个方面中，由此，本发明涉及一种电感型限流装置，包括耦接到初级的磁路，所述初级意在连接到要被保护的线路上并且有利地在其端部处包括两个连接端子，以及与限流电阻(limiting resistance)相关联的次级，参照初级，该次级的值等于网络的电压被用于被限流电流的理想值除。初级和次级中的每一个可以包括线圈，尤其是铜线，该线圈围绕磁路，优选地为环面的形状。
根据本发明，所述磁路包括热磁(或者磁热)材料，即，这样的材料，该材料的磁化在温度在第一温度之上时增大，该第一温度大于或等于330K，并且显著地呈现峰值，其最大值大于40emu/g，并且随着施加的磁场而增大，在0.2到2T的磁场下，在350K和小于或等于420K的温度之间磁化快速增加。磁热材料尤其是镍和锰的合金，优选地为NiCoMnX类型，其中X是从铝、铟、锑或锡中选择的。
该磁路其整体可以由所述磁热材料构成。有利地是，为了最佳地调节限制装置的操作参数，磁路可以由磁热材料的第一部分和中性材料的第二部分构成，所述中性材料的磁化与温度无关，优选地为磁性材料。所述第一和第二部分例如可以是磁路的交替扇区，如环面的两个四分之一的两次，或者随机混合在形成它的材料中。
附图说明
从本发明的特定实施方式的如下描述中，其他优点和特征将变得更清楚，所述特定实施方式借助于说明给出而绝不意在限制，并且在所附的附图中示出。
图1已经被描述，示出了具有超导体的电感限流器；
图2参照图1的电感限流器示出根据本发明的装置；
图3示出能够用在根据本发明的限流器的磁路中的材料的特性；
图4A和4B示出根据本发明的两个实施方式的限流装置。
具体实施方式
根据本发明的装置接受先前参照图1所描述的超导电感限制器的原理。但是，次级回路的电阻值并非由电流来变化。当电流超过阈值时，通过改变磁路的磁化，它改变磁耦合，如图2中所指示的。
尤其是，磁路的材料针对其热磁或磁热特性加以选择。更具体地说，如图3所示，材料为使得它的磁化程度M呈现出与温度相关的峰值。明显地，在低温下，材料并非很大或甚至根本没有磁性。当温度升高时，超过第一温度T0，材料的磁化M迅速增加，在第二温度T1达到最大值，在第二温度之上，磁化减小，直到在材料的居里温度Tc下磁化消除。这些各种温度T0、T1、Tc本身与施加的磁场H相关(参见图3中对于0.2T的磁场以及7T的磁场获得的变化)。
为了根据本发明使用，第一温度T0被选择为大于330K，优选地接近350K。这个选择通过使用NiCoMnX族的材料而变得可能，其中，X∈{Al,In,Sb,Sn}，优选地铝或锡。对于这些材料，在温度T1接近T0(10至30K的差)以及在70emu/g量值的高磁化的情况下，转变非常明显。尤其是，对于Ni40Co10Mn33Al17:T0＝347K,Mmax＝90emu/g。
尤其是，根据图4A中所示的优选实施方式，根据本发明的限流装置10包括初级导体12，该初级导体在其端部处配备有耦接到要被保护的电气线路5的装置14，尤其是连接端子。初级12磁耦合到次级16，所述次级包括限流电阻18，该限流电阻的特征被构造成根据结果，参照初级12的次级16的限流电阻18等于网络的电压被限制电流的理想值除。该耦合借助于磁环面20来产生，两个导体，即，初级和次级12、16穿过该磁环面20。在所示的实施方式中，初级12为线导体的形式，该线导体仅穿过环面一次，而次级16围绕环面20盘绕多次。
在初级12中存在额定电流的情况下，限流装置10以正常方式操作，具有导体12、16的横截面、电阻18的值以及磁路20的预先限定的特性限定的标准磁耦合，在使用的环境温度下，即在-30℃至+50℃之间，它的磁化恒定。
当线路5内的电流增大时，尤其是，当它超过故障值时，初级12被焦耳效应加热，由此产生的热效应导致磁路20内的温度升高，该温度超过其相变温度T0。磁路被磁化，并且这种非磁性/磁性转变导致变压器10的耦合系数中的变化。由于耦合的变化，参照初级的次级回路电阻18增大，并因此使得初级回路12内的电流降低。
有利地是，在磁路20和导体12之间提供直接热接触。实际上，磁热材料主要根据温度显现它的磁性状态。但是要指出的是，磁路20也根据它所经受的磁场而显现它的磁性状态，即，明显根据初级12所感应的场：初级电流的增加导致场H升高，并且磁化曲线的变化明显具有磁化作用的增强(见图3)。由此，初级电流越高，非磁性/磁性过渡越明显，由于初级/次级耦合的加强，其限流效果增强。
由此，系统10的尺寸大小允许设定初级12中的过载电流的相对应值，以便作为感应场的函数，将环面20内产生的温度定位在材料的非磁性/磁性相转变的范围[T0，T1]。特别是，有可能在初级和次级电路12、16的横截面和匝数、在次级的电阻18的值以及在磁路20的长度和横截面上产生作用。
此外，如图4A中也示出的，有可能改变磁路20中活性材料的比例，以优化耦合系数并改进限流器10的操作参数。尤其是，根据所示的实施方式，磁路20包括磁热材料的扇区22的交替布置，并且材料的扇区24相对于温度成惰性。优选地是，磁稳定扇区由与温度无关的铁磁材料形成，以确保良好耦合并因此确保在温度升高时的最佳限流。
可替代的是，磁路20可以通过磁热材料的第一部分22形成，该第一部分分散在铁磁材料的基质24中。用于分布第一磁热部分22和第二热稳定磁化部分的任何其他替代方式都是有可能的。尤其是，对于磁耦合回路而言，可以使用铁磁片(FeSi、FeNi、FeCo)和磁热片(NiMnCoX)的交替部分的层状叠片。然后，或是通过两种片的相对厚度，或是通过每种片的数量来调节特性。初级和次级回路对它们而言能够由任何导电材料，尤其是铜或铝形成。
由此，根据本发明的装置10允许通过改变磁路20的状态来限制电流，该磁路20的状态的改变通过在故障电路的作用下触发的相转变期间材料特性的快速变化而直接获得，由此这在环境温度下发生，因此不需要低温设备。
这些状态变化特性也能够用在将电感直接插入到要被保护的线路中的情况，以便通过磁热材料替代超导体。根据线路本身内流动的电流，所述电感也从非磁性状态变化到磁性状态，反过来改变所述电流的值。由此，这个实施方式具有也限制DC电流的优点，但是它需要盘绕的初级，由此增加了正常操作中的耗散。
虽然已经参照具有环面磁路的限流装置10描述了本发明，但是本发明不局限于此。尤其是，如图4B所示，根据本发明的限流器10’能够包括两个对齐端子14’。初级12穿过磁路20’多于一次，且磁路20’例如可以是八字形的，以便套在形成初级回路12’的U形的分支上。尤其是，磁路20’能够是具有两个孔26’的磁性平行六面体24’，在这些孔26’中，在一侧上的壁由磁热材料22’形成。次级优选地在每个孔26’处盘绕相同次数。任何其他的替代实施方式都是有可能的。

Claims (10)

1.一种限流装置(10)，包括能够连接到电气线路(5)的初级(12)、包括限流电阻(18)的次级(16)以及用于耦合初级和次级(12、16)的磁路(20)，其特征在于，所述磁路(20)包括磁热材料(22)，所述磁热材料的磁化在温度超过第一温度(T0)的情况下增加，所述第一温度大于或等于330K。
2.如权利要求1所述的限流装置，其中，所述磁热材料(22)是镍和锰的合金。
3.如权利要求2所述的限流装置，其中，所述磁热材料(22)是NiCoMnX类型的，其中，X∈{Al,In,Sb,Sn}。
4.如权利要求1所述的限流装置，其中，所述磁热材料的磁化在第二温度(T1)下达到最大值，所述第二温度小于420K，所述磁化最大值大于40emu/g。
5.如权利要求4所述的限流装置，其中，所述磁热材料被选择成使得它的磁化最大值随着施加到所述磁热材料(22)上的磁场(H)增加。
6.如权利要求1所述的限流装置，其中，所述磁路形成环面(20)，具有由磁热材料制成的第一部分(22)和其磁化在第一温度(T0)之上并不改变的材料制成的第二部分(24)。
7.如权利要求6所述的限流装置，其中，所述第一和第二部分(22、24)交替形成环面(20)的扇区。
8.如权利要求1至7中任一项所述的限流装置，其中，所述次级(16)包括围绕磁路(20)的导电线的绕组。
9.如权利要求1至7中任一项所述的限流装置，其中，参照所述初级(12)，所述次级(16)的限流电阻(18)等于网络的电压被限制的电流的理想值除。
10.如权利要求1至7中任一项所述的限流装置，其中，所述初级(12)包括穿过磁路(20)的导体，并且在其端部处配备有两个连接端子(14)。
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