CN105594083A - 固态故障电流限制器 - Google Patents

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Abstract

一种固态故障电流限制器，固态故障电流限制器包含电流分离电抗器，电流分离电抗器包括系统电流输入端、无源电流输出端以及控制电流输出端。电压控制电抗器包含第一端部以及第二端部，第一端部耦合到控制电流输出端上并且第二端部耦合到无源电流输出端上。故障电流触发电路与电压控制电抗器并联耦合，并且经配置以在由系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开。瞬态电压控制电路与电压控制电抗器并联耦合以接收故障电流。

Description

固态故障电流限制器
技术领域
本发明是有关于一种电流控制装置，且特别是有关于一种故障电流限制装置和系统。
背景技术
故障电流限制器(FCL)用以提供保护，防止(例如)在输电网络和配电网路中的电流浪涌。在过去几十年中已经研发了各种类型的FCL，包含超导故障电流限制器(SCFCL)、电感故障电流限制器以及在所属领域中所熟知的其它种类。实施FCL的供电系统可以包含用以为各种工业、商业和/或住宅电力负载发电并送电的发电、输电以及配电网路。
故障电流是可能由系统中的故障(例如，短路)引起的电力系统中的异常电流。由于任何数目个事件或故障，例如电源线或其它系统元件被恶劣的天气(例如，闪电)破坏，可能在系统中出现故障电流。当出现此类故障时，在电路中可能暂态呈现大的负载。作为回应，网路向负载输送大量电流(即，故障电流)。此电流的浪涌是不需要的，因为电流的浪涌可能破坏是(例如)网路自身或连接到网路上的设备的负载。FCL装置存在的问题是其成本、复杂度以及大小。正是关于这些以及其它考量，提供进行本发明的改良。
发明内容
提供此概述，以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念选择。此概述并不意图确定所主张的标的物的关键特征或基本特征，也不意图被用作辅助确定所主张的标的物的范围。
本发明提供一种固态故障电流限制器，所述固态故障电流限制器包含电流分离电抗器，所述电流分离电抗器包括系统电流输入端、无源电流输出端以及控制电流输出端。电压控制电抗器包括第一端部以及第二端部，第一端部耦合到控制电流输出端上并且第二端部耦合到无源电流输出端上。故障电流触发电路与电压控制电抗器并联耦合，并且经配置以在由系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开。瞬态电压控制电路与电压控制电抗器并联耦合以接收故障电流。
在一个实施例中，提供固态故障电流限制器，所述固态故障电流限制器具有系统电流输入端、无源电流输出端以及控制电流输出端。电压控制电抗器包括第一端部以及第二端部，第一端部耦合到控制电流输出端上并且第二端部耦合到无源电流输出端上。故障电流触发电路与电压控制电抗器并联耦合，并且经配置以在由系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开。瞬态电压控制电路与电压控制电抗器并联耦合以接收故障电流。
在一个实施例中，提供固态故障电流限制器系统，所述固态故障电流限制器系统具有电流分离装置，所述电流分离装置包括绕芯卷绕的第一导电绕组和第二导电绕组，其中第一导电绕组经配置以在故障条件期间承载通过第一绕组以及第二绕组二者的故障电流；电压控制电抗器，所述电压控制电抗器耦合到电流分离装置上；瞬态电压控制电路，所述瞬态电压控制电路与电压控制电抗器并联耦合；以及固态故障触发电路，所述固态故障触发电路与电压控制电抗器并联耦合。固态故障触发电路经配置以在行进穿过第二绕组的故障电流高于预定阈值电流时断开，并且电压控制电抗器以及瞬态过电压控制经配置以在固态故障触发电路断开时接收第二导电绕阻产生的故障电流。
在一个实施例中，提供固态故障电流限制器系统，所述固态故障电流限制器系统具有电流分离装置，所述电流分离装置包括绕芯卷绕的第一导电绕组和第二导电绕组。第一导电绕组经配置以在故障条件期间承载通过第一绕组以及第二绕组二者的故障电流。多个串联连接的电压控制电抗器和故障触发电路模组可以耦合到电流分离装置上，其中多个串联连接的电压控制电抗器和故障触发电路模组中的每一者包含与故障触发电路并联连接的电压控制电抗器。
附图说明
为了便于更全面地理解本发明，现在参考附图，其中相同的元件用相同的标号来参考。这些附图不应解释为限制本发明，而是既定仅为示例性的。
图1是根据本发明的实施例的在输电或配电系统中的故障电流限制器(FCL)的应用。
图2A是在根据本发明的实施例的输电系统中使用的FCL电路。
图2B是在根据本发明的实施例的输电系统中使用的FCL电路。
图2C图示根据本发明的实施例的具有绕芯卷绕的第一绕组和第二绕组的FCL电路。
图3A图示根据本发明的实施例的使用电磁开关或保险丝的故障电流感测开关(FCSS)。
图3B图示根据本发明的实施例的使用IGBT以及二极体的FCSS。
图3C图示根据本发明的实施例的使用IGCT以及二极体的FCSS。
图3D图示根据本发明的实施例的使用IGBT以及二极体的FCSS。
图4图示根据本发明的实施例的使用串联连接的电压控制电抗器(VCR)以及故障触发电路(FTC)模组的FCL。
图5图示根据本发明的实施例的使用串联连接的FTC模组的FCL。
图6图示根据本发明的实施例的使用串联连接的FCL模组的模组化FCL。
图7图示根据本发明的实施例的不包含电流分离电抗器的FCL电路。
图8图示根据本发明的实施例的在闪光电弧保护中使用的不包含电流分离电抗器或电压控制电抗器的FCL电路。
图9图示根据本发明的实施例的在变压器的中性点接地中使用以限制相对地(phase-to-ground)故障的具有电压控制电抗器的FCL电路。
图10图示根据本发明的实施例的在需要抑制接地故障电流的情况下在变压器的中性点接地中使用以限制相对地(phase-to-ground)故障的具有电压控制电抗器的FCL电路。
图11图示根据本发明的实施例的固态故障电流限制器系统的操作方法。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更全面地描述本发明的各实施例，附图中示出了一些实施例。本发明的标的物可以以许多不同形式体现并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例。提供这些实施例是为了使得本发明将是透彻并且完整的，并且这些实施例将把标的物的范围完整地传达给所属领域的技术人员。在图式中，相同标号始终代表相同元件。
实施例提供了使用电流分离耦合电抗器设计的固态故障电流限制器(“SSFCL”)。有利地是，与机械操作的故障电流限制器相比，SSFCL能快速跳闸并且隔离短路故障。SSFCL能够使正弦故障电流的第一周期峰值(例如，对于60Hz电源，第一峰值为约4ms到10ms)减少至少25％到75％。图1到图12图示了在任何电路(例如，输电、配电以及发电网路)中限制短路故障电流的SSFCL的基本操作原理。
图1图示了可以在输电和配电系统中实施的包含固态故障电流限制器(SSFCL)200的示例性故障电流限制器系统1000。电源101通过接口电路103以及电路断路器105供电，接口电路103具有包括有功分量Rs和无功分量Xs的复阻抗Zs。输电线106导向具有变电站的接口107，变电站具有经配置以将传输线电压步进到与负载121、123相容的电压的变压器109。变压器109的输出端可以耦合到电路断路器111和SSFCL200上。SSFCL200可以通过电路断路器115和匹配电路117、119耦合到负载121、123上。可以设置其它负载和匹配电路。短路故障125可能存在，并且若存在，将通过本文所描述的各种实施例的操作来隔离。
图2A到10图示了可用作图1中示出的SSFCL200的故障电流限制器的各种实施例。具体来说，图2A图示了包含电流分离电抗器(CSR)202以及与故障电流触发(FTC)电路210并联的电压控制电抗器(VCR)208的SSFCL200。短暂地转向图2A，CSR202包含围绕磁芯203的第一导电绕组204和第二导电绕组206。第二导电绕组206可以是反绕的或者在交错布置中卷绕的，并且每一个导电绕组，例如第一导电绕组204和第二导电绕组206，可以具有相等的匝数。优选地，根据CSR202中增大的通量级(见图2A)，在SSFCL200中的CSR202的磁芯203可以对应于具有可预测的磁特性的高磁导率材料。CSR202包含可以经配置以在稳态操作期间呈现最小阻抗并且在故障条件期间呈现相对较大阻抗以有效限制故障电流的第一导电绕组204和第二导电绕组206。
图2B图示了包含电流分离电抗器(CSR)202以及故障电流触发(FTC)电路210的SSFCL200。在图2B中，所使用的电流分离电抗器(CSR)202不具有VCR208(见图2A)。短暂地转向图2B，CSR202包含围绕磁芯203的第一导电绕组204和第二导电绕组206。第二导电绕组206可以是反绕的或者在交错布置中卷绕的，并且绕组中的每一者，例如第一导电绕组204和第二导电绕组206，可以具有相等的匝数。优选地，根据CSR202中增大的通量级，在SSFCL200中的CSR202的磁芯203可以对应于具有可预测的磁特性的高磁导率材料。CSR202包含可以经配置以在稳态操作期间呈现最小阻抗并且在故障条件期间呈现相对较大阻抗以有效限制故障电流的第一导电绕组204和第二导电绕组206。因此，在一个实施例中，CSR202耦合到FTC210上，并且FTC210经配置以在由系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开。瞬态电压控制电路可以耦合到CSR202上。
返回到图2A和2B，SSFCL200可以与约250安培或更高的系统电流IT一起使用。例如，4,000安培的电流可以由图2A的具有可用的恰当大小的元件的电路来保护。FTC210包含瞬态过电压控制电路(TOCC)以及开关，如下文结合图3A到3C进一步描述。在故障条件下，可以跨越FTC210调节约2000伏或更高的压降。
CSR202可以用来管理高系统电流，使得更小比例的标准/稳态和故障电流流过固态故障电流触发电路210。与通过输电线106供应的公用系统电流相比，大多数固态装置(例如，IGCT、IGBT以及二极体等)评估用于较低电流。由于更小部分的系统电流IT流过FTC210，因此CSR202使SSFCL200能被设计为使用固态装置。进入的系统电流IT在流过绕组204的第一分量IW1与流过第二导电绕组206的第二分量IW2之间分离。电流IW2进一步在流过VCR208的电流IVCR与流过FTC210的电流IFTC之间分离。
在一个实施例中，第一导电绕组204可以与第二导电绕组206以反向并联的关系电连接。进入CSR202的电流被引导在第一方向上通过第一导电绕组204并且在与第一方向相反的第二方向上通过第二导电绕组206。在一个实施例中，流过第一导电绕组204的电流可以因此与流过第二导电绕组206的电流相等，并且由于第一导电绕组204与第二导电绕组206在上述反向并联的配置中布置，因此导电绕组将磁性耦合并且将呈现可忽略的净阻抗和/或同等的阻抗。例如，在双绕无感线圈布置中，第一导电绕组204与第二导电绕组206可以绕芯(例如，图2C中示出的磁芯203)卷绕。有其它绕组布置可供使用并且可以取决于偏好和/或技术设定来应用。在此考虑芯可以是具有如所属领域的一般技术人员将了解的特定应用的电流限制设定所指定的尺寸的铁芯或空气芯。
通过使用具有合适匝数的第一导电绕组204和第二导电绕组206，可以调整SSFCL200的稳态操作以沿着并联路径IW1和IW2分配稳态电流，使得若x％的稳态电流沿着路径IW1流动，则剩余的(100-x)％的稳态电流沿着路径IW2流动。可替代地，若x％的稳态电流沿着路径IW2流动，则剩余的(100-x)％的稳态电流沿着路径IW1流动。因此，在稳态操作(例如，稳态条件)期间，CSR202的第一导电绕组204和第二导电绕组206可以设定成以预定的方式沿着并联路径IW1和IW2分配稳态电流。
在一个实施例中，例如，第一导电绕组204和第二导电绕组206可以经选定具有合适匝数，用于在路径IW1与IW2之间均匀分配SSFCL200中的电流，使得电流可以经分配使50％的电流沿着路径IW2流动并且50％的电流沿着路径IW1流动。在其它实施例中，比率可以设定成40％的电流沿着路径IW2流动并且60％的电流沿着路径IW1流动；30％的电流沿着路径IW2流动并且70％的电流沿着路径IW1流动。换句话说，沿着对应的路径IW2和IW1的比率可以设定成例如40/60、30/70、20/80。在精确地设定电流分配的一些情况下，可以作为可选装置实施外部调谐绕组(未示出)。
在SSFCL200的稳态操作期间，具有反绕的绕组(例如，第一导电绕组204和第二导电绕组206)的CSR202消除了电流分离电抗器的芯内部的磁场。更确切地说，电流分离装置将稳态电流(例如，系统电流IT)分开到在相反方向上流过第一导电绕组204和第二导电绕组206的两个支路(IW1和IW2)中，从而产生在电路中引起可忽略的同等阻抗或净阻抗的净零或可忽略的磁场。因此，第一导电绕组204的电抗被第二导电绕组206的经相反地引导的电抗中和。因此，通过选择具有合适匝数的第一导电绕组204和第二导电绕组206，可以通过CSR路由预定部分的稳态电流。相对于常规FCL系统降低了在SSFCL200上的稳态电流负载。因此，也可以降低FCL的成本和物理大小。
出现故障条件时，通过SSFCL200的电流突然增大，此时增大的故障电流可以通过电流传感器(例如，图1中示出的电流传感器150)测量。换句话说，在短路故障条件期间，故障电流超出标准稳态电流并且在绕组204以及绕组206二者中流动。
在从电流传感器150接收到指示故障电流超出预定阈值电流电平的信号输出时，存储在其中的具有至少一个处理器装置以及至少一个记忆体装置的控制器175(如图1中所示)立即使CSR202“跳闸(trip)”。换句话说，控制器175以及电流传感器150致使SSFCL200进入故障状态。具体来说，当绕组206中的电流超出预定触发电流(例如，预定阈值电流)时，FTC210断开并且故障电流转移到VCR208以及瞬态过电压控制电路(TOCC)(在图3A到3D中示出为312、322、332或342)上。当FTC210断开时，VCR208以及TOCC312、322、332或342的阻抗变得高到足以减少通过绕组206的电流，因此致使CSR202失去其磁场消除，并且引入高电流限制FTC210，所述FTC可操作以在FTC210接收到故障电流超出穿过故障电流限制器系统1000的预定阈值电流的信号(例如，从电流传感器检测到)时产生断路。当FTC210断开时，已经穿过FTC210的电流IFTC转移到穿过VCR208以及并联的TOCC的IVCR上。CSR202呈现同等的阻抗，所述阻抗大到足以将故障电流限制到负载121、123的可接受的峰到峰振幅。换句话说，断开FTC210会将VCR208以及TOCC312、322、332或342的高阻抗插入到电路中以减少通过第二导电绕组206的电流。(例如，高阻抗意指电路中不允许任何电流流动或不允许电流的一部分流动的点)，其中VCR208以及TOCC的阻抗比第二导电绕组206的阻抗高得多。在恢复期间，在故障清除之后，FTC210闭合并且建立具有低阻抗电路的标准操作条件。
可替代地，不具有CSR202的故障电流限制电路将迫使故障电流限制器触发并联的固态开关。由于不均衡的分流以及相关的故障，因此此类并联的触发将变得非常具有挑战性并且不太可靠。根据本发明的实施例避免了具有并联的有源故障电流触发电路的电路设计。因此，SSFCL200是极低阻抗的装置并且在稳态操作期间插入不到1％的系统阻抗。换句话说，SSFCL具有不到1％的压降。流过VCR208的电流可忽略不计。例如，若CSR202在第一导电绕组204与第二导电绕组206之间具有3∶1的电流比，则通过绕组206的FTC支路将具有总电流的25％。通过针对比率分别修改第一导电绕组204和第二导电绕组206中的匝数N1和N2，可以易于实现其它比率。
图3A到3D分别图示可以包含为图2A到2B中示出的FTC210的一部分的FCSS的故障电流感测开关(FCSS)电路310、320、330和340。FCSS电路310、320、330和340可以包含各种类型的开关，例如机电开关、快速回应可变电阻器、保险丝、集成门极换向晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型电晶体(IGBT)、真空管等等。每一个FCSS包含TOCC312、322、332或342，也称为“缓冲”电路。缓冲电路是瞬态过电压抑制电路。TOCC电路312、322、332或342经设计以作为FTC210的一部分通过执行一个或多个不同的缓冲功能来提供高效且可靠的操作。例如，作为如在切换反相器或在其输出端处具有电感滤波电路的斩波电路中电流切断的结果，缓冲电路抑制跨越开关所产生的电压尖峰。具体来说，缓冲电路防止在断开切换装置时出现跨越切换装置的过度的瞬态电压峰值并且防止最终中断流过输出滤波器的电感元件的电流。TOCC电路312、322、332或342防止了在瞬态电压峰值超出切换装置的额定电压限制时可能出现的对切换装置的损坏。TOCC电路312、322、332或342可以用来调整切换轨迹、减少切换损耗和/或控制电路中的寄生元件的影响。
一般来说，图3A中示出的FCSS电路310包含IGCT开关314(也就是机电开关)以及以下并联连接：(a)串联电阻(R)312a和电容(C)312b；(b)电阻(Rp)312c；以及(c)金属氧化物压敏电阻(MOV)312d。TOCC电路312包含相对较高的电容值和电阻值，使得＞100μs(即，R*C＞100μs)的时间常量用于电流限制器应用。应注意，一些具有低触发电流的应用可以使用(小于)＜100μs(微秒)的时间常量。例如，对于灌木丛火灾(Brush-fireprotection)保护，可以使用20μs的时间常量。一般来说，理想的时间常量是(大于)＞10μs。
大多数固态或电力电子开关，例如IGBT(图3B中示出)，用于其中电路中存在低电感的应用。使用电源频率的故障电流限制器通常在具有较高电感的电路中操作，并且当故障出现时的高乘积产生相对较高的瞬态过电压。例如电力系统的发电、输电以及配电等高电感电路使用瞬态过电压控制电路，例如TOCC312、322、332或342，使用高电容值和高电阻值以抑制瞬态过电压。
图3B中示出的FCSS电路320包含与IGBT开关324并联的TOCC322，IGBT开关324包含IGBT1和IGBT2。类似于TOCC312，TOCC322包含以下并联连接：(a)串联电阻(R)322a和电容(C)322b；(b)电阻(Rp)322c；以及(c)金属氧化物压敏电阻(MOV)322d。大多数固态或电力电子开关(例如IGBT1和IGBT2)用于其中电路中存在低电感的应用。在电源频率下使用的故障电流限制器通常在具有高电感的电路中操作，并且当故障出现时的高乘积产生相对较高的瞬态过电压。SSFCL的高电感电路应用使用具有高电容值和高电阻值的示例性TOCC以抑制瞬态过电压。
图3C图示了包含与IGCT开关314并联的TOCC332的FCSS电路330，IGCT开关314具有IGCT1和IGCT2。类似于TOCC312和322，TOCC332包含以下并联连接：(a)串联电阻(R)332a和电容(C)332b；(b)电阻(Rp)332c；以及(c)金属氧化物压敏电阻(MOV)332d。FCSS电路310、320、330和340可以与其它类型的开关(例如，真空管)一起使用。
图3D图示了包含与IGBT开关324并联的TOCC342的FCSS电路340，IGBT开关324包含IGBT1和IGBT2。类似于TOCC312、322和332，TOCC342包含以下连接：(a)串联电阻(R)342a和电容(C)342b；以及(c)金属氧化物压敏电阻(MOV)342d。IGBT开关324可以是机电开关。图3D图示了每一个IGBT开关314(IGBT1和IGBT2)或其它切换装置可以具有电容器343C以及TOCC312、322、332或342。电容器343C以及TOCC312、322、332或342可以是具有共用的或个别的金属氧化物压敏电阻(MOV)332d的电阻器缓冲电路。
图4到6示出了可用于更高电压应用的故障控制电路113的各种实施例。由于跨越FTC210的压降约为2KV，因此可以使用额外的FTC以便提供与更高电压相容的故障电流限制器电路。
具体来说，图4中图示的SSFCL200包含CSR202(如图2A中所示)以及串联连接的多个VCR和FTC模组M1…Mn。每一个模组M1…Mn包含与故障触发电路(FTC)(示出为210-1、210-2和210-n)并联的电压控制电抗器(VCR)208(示出为208-1、208-2和208-n)。例如，SSFCL模组M1包含并联连接的VCR208(图4中示出为208-1)以及故障触发电路FTC1(210-1)。SSFCL模组M2包含并联连接的电压控制电抗器VCR2(208-2)以及故障触发电路FTC2(210-2)。SSFCL模组Mn包含并联连接的电压控制电抗器VCRn(208-n)以及故障触发电路FTCn(210-n)。多个SSFCL模组M1…Mn串联连接，并且与CSR202的第二导电绕组N2串联。图4的SSFCL200还在模组M1…Mn的个别VCR或FTC在作业期间出故障的情况下提供冗余。
图5图示了包含VCR208的SSFCL200，所述VCR208具有相对较大电感值、与多个故障触发电路FTC1(210-1)、FTC2(210-2)…FTCn(210-n)并联连接，其中FTC210-1…210-n中的每一者串联连接并且如图5中所示互连。在此实施例中，FTC中的每一个界定模组M1…Mn。例如，模组M1被定义为FTC1(210-1)。同样，模组M2被定义为FTC2(210-2)并且模组Mn被定义为FTCn(210-n)。在另一实施例中(未在图5中图示)，多个VCR可以串联连接，并且每一个VCR可以与两个或更多个FTC并联连接。
图6图示了包含串联连接的多个SSFCL模组601-1…601-n的故障电流限制电路的SSFCL200。图6图示了装置级模组化，因此每一个模组601-1…601-n包含CSR602-1…602-n以及与FTC610-1…610-n并联的VCR608-1…608-n。例如，模组601-1包括具有绕组N11和绕组N21的CSR602-1，以及与FTC610-1并联连接的VCR608-1。同样，模组601-2包括具有绕组N12和绕组N22的CSR602-2，以及与FTC610-2并联连接的VCR608-2。模组601-n包括具有绕组N1n和绕组N2n的CSR602-n，以及与FTC610-n并联连接的VCR608-n。如与图4和5中示出的SSFCL200相比，图1的SSFCL200在具有SSFCL模组601-1…601-n的SSFCL200之间提供更大的电压隔离和独立，从而提高整体电压控制能力。若出现故障条件，例如短路故障125(例如，图1中示出的125)，则SSFCL模组601-1…601-n的FTC将断开，并且故障电流将降低至与稳态电流相等的量，或降低至预定的量，例如，降低50％。
图7图示了具有使用VCR208以及FTC210处理的负载电流IT的SSFCL电路的实施例700，所述SSFCL电路不将与电流分离电抗器并联的一个或多个FTC210元件互连。实施例700可以与(例如)高达约250安培的电流IT一起使用。
图8图示了具有使用FTC210处理的负载电流IT的SSFCL电路的实施例800，所述SSFCL电路不与VCR208(见图2A)或CSR202(见图2A)互连。图8中示出的配置可以结合TOCC312、322、332或342(也称为“缓冲”电路，如图3A到3C中所示)用于闪光电弧保护。实施例800可以在具有高达约250安培的电流IT的应用中使用。
图9图示了在变压器的中性点接地中使用以限制相对地(phase-to-ground)故障的具有电压控制电抗器的FCL电路的方块图900。根据本发明的实施例，本申请案适用于闪光电弧减少。图9图示了结合由VCR208以及SSFCL200组成的FCL电路在中性点接地(地面标记为“G”925并且中性点标记为“N”)中使用的变压器109(见图1)。此配置用以限制相对地(phase-to-ground)故障电流，例如短路故障125，具有来自SSFCL200的足够低的电流Iss(“Iss”是固态电流)并且不将FTC(例如，FTC210)与CSR202(见图2)互连。应注意，闪光电弧减少以及灌木丛火灾保护是使用SSFCL200的应用中的一些，并且本文中描述的所图示的实施例可以用于任何故障电流限制。
图10图示了包含闪光电弧减少的用作用于相对地(phase-to-ground)故障的一般FCL电路的故障电流限制器系统1000。具体来说，故障电流限制器系统1000包含SSFCL200电路，SSFCL200电路在一侧上连接到变压器109(见图1)的中性点接地(地面标记为“G”925并且中性点标记为“N”)上，并且在另一侧上连接到地面925上。SSFCL200用以抑制相对地(phase-to-ground)故障电流，例如短路故障125，用于灌木丛火灾保护，其中固态电流Iss低到足以使用SSFCL200处理。在需要将接地故障电流抑制到极低电流时(例如，在灌木丛火灾保护应用中)使用配置在变压器109的中性点接地中的SSFCL200。
图11图示了用于固态故障电流限制器系统的操作方法的流程图1100。在稳态操作期间，在步骤1110处，具有第一导电绕组204和第二导电绕组206(可以是反绕的绕组)的CSR202接收输入电流。第一导电绕组204和第二导电绕组206在电流分离电抗器202的芯内部具有磁场。在短路故障条件期间，在步骤1120处，通过CSR202检测到故障电流。在步骤1120处，CSR202检测到故障电流大于在第一导电绕组204以及第二导电绕组206二者中流动的标准电流(例如，稳态电流)。更确切地说，在步骤1130处，CSR202检测到第二导电绕组206超出预定阈值/触发电流。在步骤1140处，FTC210断开，并且在步骤1150处故障电流转移到VCR209以及瞬态过电压控制电路(TOCC)上。TOCC可以与CSR202或与VCR208并联连接(图3A到3C中示出的实施例)。当FTC210断开时，在步骤1160处VCR208以及TOCC的阻抗增加，以减少通过第二导电绕组206的电流，因此致使CSR202失去其磁场消除，并且引入高电流限制电抗。在CSR中的磁场消除以及高电流限制电抗的引入限制了在故障条件期间传递到负载上的电流的量。
综上所述，本发明的实施例提供一种使用机械保护装置提供故障保护的电流保护系统，机械保护装置提供优于可能更复杂并且更昂贵的其它电子保护电路的益处。例如，本发明的固态故障电流限制器系统可以为电路断路器提供减少的闪光电弧能，以及通过操作并处理较低的闪光电弧能获得的对应安全益处。这可以用作永久性安装的故障保护装置或用作可携式故障保护装置。例如，作为可携式装置，它可以用作供在开关设备区域中工作的人员使用的安全装置，在开关设备区域中使用此装置会减少潜在电流。此外，固态故障电流限制器系统可以用于低电流应用以及高电流应用中。减少电弧能还可以减少因电气短路故障引起的火灾。本申请案对易遭受因电火引起的火灾的电力设施有益。另外，使用电流分离电抗器使得能够使用固态故障电流限制器用于解决由通过固态开关的高电流引起的问题，这提供了优于可能更复杂并且更昂贵的其它电子保护电路的益处。
因此，如本文所述，各种实施例提供一种固态故障电流限制器系统。固态故障电流限制器包含电流分离电抗器，所述电流分离电抗器包括系统电流输入端、无源电流输出端以及控制电流输出端；电压控制电抗器，所述电压控制电抗器包括第一端部以及第二端部，第一端部耦合到控制电流输出端上并且第二端部耦合到无源电流输出端上；以及故障触发电路，所述故障触发电路与电压控制电抗器并联耦合。故障电流触发电路经配置以在由系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开。固态故障电流限制器还包含瞬态电压控制电路，所述瞬态电压控制电路与经配置以接收故障电流的电压控制电抗器并联耦合。
电流分离电抗器进一步包括第一电路以及第二电路，第一电路以及第二电路在稳态操作条件期间磁性耦合并且在故障条件期间磁性解耦以限制传递到负载上的电流的量，并且经配置以使电流的有限部分以及故障电流流过故障触发电路。第一电路包括绕芯卷绕的第一导电绕组并且第二电路包括绕芯卷绕的第二导电绕组，第二绕组可以相对于第一绕组反绕。第一导电绕组经配置以承载在第一方向上的电流(例如，标准工作电流)，并且第二导电绕组经配置以承载在与第一方向相反的第二方向上的电流，以使在固态故障电流限制器系统的稳态操作期间由第一导电绕组引起的第一磁场与第二导电绕组的第二磁场耦合。电流分离电抗器经配置以在故障条件期间承载通过第一导电绕组以及第二导电绕组二者的故障电流。电流分离电抗器经配置以响应于故障触发电路断开将故障电流传递到电压控制电抗器以及瞬态过电压控制电路上。
电压控制电抗器以及瞬态过电压控制电路经配置以响应于故障触发电路断开增大阻抗，并且电流分离电抗器经配置以回应于阻抗的增大提供电流限制电抗。瞬态电压控制电路进一步包括串联电阻和电容(RC)电路以及电阻的并联连接。
鉴于SSFCL200的上述配置，通过CSR202处理的电流，即在SSFCL200中相当大部分的稳态电流，SSFCL200可以经设定大小以处理少得多的稳态电流。因此可以降低材料和劳动成本。还可以降低FCL的物理大小，从而实现在并非不切实际的情况下将FCL安装在原本可能难以安装的位置中。此外，由于更少的有源SSFCL200组件还可以降低电磁力及其影响。还可以降低在SSFCL200中耗散的能量的量。
尽管已经参考某些实施例公开了本发明的标的物，但是在不脱离如所附权利要求书中所定义的全部标的物的情况下对所描述的实施例的多种修改、更改以及变化是可能的。因此，希望本发明的标的物不限于所描述的实施例，而是具有通过权利要求书以及其等效物的语言所界定的全部范围。
尽管本文中已经描述了本发明的某些实施例，但是并不意图将本发明限于这些实施例，因为希望本发明具有如本领域将允许的广泛的范围并且对说明书的理解也是如此。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为具体实施例的例证。所属领域的技术人员将在本文所附的权利要求书的范围和精神内设想其它修改。

Claims (15)

1.一种固态故障电流限制器，其特征在于包括：
电流分离电抗器，所述电流分离电抗器包括系统电流输入端、无源电流输出端以及控制电流输出端；
电压控制电抗器，所述电压控制电抗器包括第一端部以及第二端部，所述第一端部耦合到所述控制电流输出端上并且所述第二端部耦合到所述无源电流输出端上；
故障触发电路，所述故障触发电路与所述电压控制电抗器并联耦合，其中所述故障触发电路经配置以在由所述系统电流输入端接收的故障电流超出预定触发电流时断开；以及
瞬态电压控制电路，所述瞬态电压控制电路与经配置以接收所述故障电流的所述电压控制电抗器并联耦合。
2.根据权利要求1所述的固态故障电流限制器，其中所述电流分离电抗器进一步包括第一电路以及第二电路，所述第一电路以及所述第二电路在稳态操作条件期间磁性耦合并且在故障条件期间磁性解耦以限制传递到负载上的电流的量，并且经配置以使稳态电流的一部分以及故障电流流过所述故障触发电路。
3.根据权利要求2所述的固态故障电流限制器，其中所述第一电路包括绕芯卷绕的第一导电绕组并且所述第二电路包括绕所述芯卷绕的第二导电绕组，所述第二绕组相对于所述第一绕组反绕。
4.根据权利要求3所述的固态故障电流限制器，其中所述第一导电绕组经配置以承载在第一方向上的电流并且所述第二导电绕组经配置以承载在与所述第一方向相反的第二方向上的电流，以使在所述稳态操作条件期间由所述第一导电绕组引起的第一磁场与所述第二导电绕组的第二磁场耦合。
5.根据权利要求4所述的固态故障电流限制器，其中所述电流分离电抗器经配置以在所述故障条件期间承载通过所述第一导电绕组以及所述第二导电绕组二者的所述故障电流。
6.根据权利要求5所述的固态故障电流限制器，其中所述电流分离电抗器经配置以响应于所述故障触发电路的断开将所述故障电流传递到所述电压控制电抗器以及所述瞬态电压控制电路上。
7.根据权利要求6所述的固态故障电流限制器，其中所述电压控制电抗器以及所述瞬态电压控制电路经配置以响应于所述故障触发电路的断开增大阻抗，并且所述电流分离电抗器经配置以回应于阻抗的所述增大提供电流限制电抗。
8.根据权利要求7所述的固态故障电流限制器，其中所述瞬态电压控制电路进一步包括串联电阻和电容(RC)电路以及电阻的并联连接。
9.一种固态故障电流限制器系统，包括：
电流分离装置，所述电流分离装置包括绕芯卷绕的第一导电绕组和第二导电绕组，其中所述第一导电绕组经配置以在故障条件期间承载通过所述第一绕组以及所述第二绕组二者的故障电流；
电压控制电抗器，所述电压控制电抗器耦合到所述电流分离装置上；
瞬态电压控制电路，所述瞬态电压控制电路与所述电压控制电抗器并联耦合；以及
固态故障触发电路，所述固态故障触发电路与所述电压控制电抗器并联耦合，其中所述固态故障触发电路经配置以在行进穿过所述第二绕组的所述故障电流高于预定阈值电流时断开，并且所述电压控制电抗器以及所述瞬态电压控制电路经配置以在所述固态故障触发电路断开时接收所述第二导电绕阻产生的所述故障电流。
10.根据权利要求9所述的固态故障电流限制器，其中所述第一导电绕组和所述第二导电绕组在稳态操作条件期间磁性耦合并且经配置以使稳态电流的一部分以及所述故障电流流过所述故障触发电路。
11.根据权利要求9所述的固态故障电流限制器，其中所述第一导电绕组经配置以承载在第一方向上的电流并且所述第二导电绕组经配置以承载在与所述第一方向相反的第二方向上的电流，以使在所述固态故障电流限制器系统的稳态操作期间由所述第一导电绕组引起的第一磁场与所述第二导电绕组的第二磁场耦合。
12.根据权利要求9所述的固态故障电流限制器，其中所述固态故障触发电路经配置以响应于接收所述故障电流超出所述预定闽值电流的信号断开。
13.根据权利要求9所述的固态故障电流限制器，其中响应于所述固态故障触发电路被断开，所述电压控制电抗器以及所述瞬态电压控制电路经配置以增大阻抗。
14.根据权利要求9所述的固态故障电流限制器，其中所述电流分离装置的所述第一绕组和所述第二绕组经配置在所述故障条件期间磁性解耦以限制传递到负载上的电流的量。
15.根据权利要求14所述的固态故障电流限制器，其中所述电流分离装置的所述第一绕组和所述第二绕组经配置以在所述故障条件期间增大所述电流分离装置的同等阻抗以限制传递到所述负载上的电流的所述量。
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