CN105594084A - 快速开关故障电流限制器 - Google Patents

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Abstract

一种包含快速开关故障电流限制器(FSFCL)以及电压控制电抗器(VCR)的故障电流限制器电路，所述故障电流限制器电路可操作以在稳态操作期间传导负载电流并且在负载电流超出故障电流限制时限制负载电流。快速开关故障电流限制器可以包含具有电触点的断路器、电耦合到断路器电触点的线圈、机械耦合到断路器电触点的柱塞、并联电压控制(VCR)、瞬态过电压控制电路(TOCC)，其中当高于阈值电平的电流流过线圈时，产生具有能移动柱塞的强度的磁场，柱塞的移动起作用以断开断路器中的触点，并且将故障电流传递到并联电压控制和电压控制电路并且限制总体系统故障电流。

Description

快速开关故障电流限制器
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器装置和系统。
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)、固态故障电流限制器(SSFCL)、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。由于任何数的事件或故障，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。作为响应，网路向故障负载输送大量电流(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可以是(例如)网路自身或连接到网路上的设备的负载。正是关于这些以及其它考量，需要进行本发明的改良。
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或基本特征，也并不意图被用作辅助确定所主张的标的物的范围。
本发明提供一种使用机械保护构件促进故障电流保护的快速开关故障电流限制器。作为一实例，根据本发明的快速开关故障电流限制器(FSFCL)可以包含具有断路器电触点的断路器、电耦合到断路器电触点上的线圈、以及机械耦合到断路器电触点上的柱塞，其中当高于阈值电平的电流流过线圈时，产生具有能移动柱塞的强度的磁场，柱塞的移动起作用以断开断路器中的触点。
本发明提供一种电流限制器系统，所述电流限制器系统包括：快速开关故障电流限制器，所述快速开关故障电流限制器具有断路器电触点、电耦合到断路器电触点上的线圈、以及机械耦合到断路器电触点上的柱塞，其中当高于阈值电平的电流流过线圈时，产生具有能移动柱塞的强度的磁场，柱塞的移动起作用以断开断路器电触点；电压控制电抗器，所述电压控制电抗器并联连接到快速开关故障电流限制器上；以及瞬态过电压控制电路，所述瞬态过电压控制电路并联连接到快速开关故障电流限制器和电压控制电抗器上，其中当高于阈值电平的电流流过线圈时，电流转移到电压控制电抗器和瞬态过电压控制电路上以限制整个系统的故障电流。
本发明提供一种快速开关故障电流限制系统，所述快速开关故障电流限制系统包括：快速开关，所述快速开关具有含电触点的断路器以及电耦合到断路器电触点上的线圈，其中快速开关产生磁场；柱塞，所述柱塞机械耦合到快速开关上；以及其中当高于阈值电平的电流流过快速开关时，产生通过快速开关产生的具有能移动柱塞的强度的磁场，柱塞的移动起作用以断开断路器中的触点并且切断流过快速开关的电流。
附图说明
图1描绘根据一实施例的快速开关故障电流限制(FSFCL)系统。
图2描绘用于根据一实施例描述的FSFCL电路的电流限制性能图。
图3描绘用于根据一实施例描述的具有用作快速断流器的快速开关的FSFCL电路的电流限制性能图。
图4描绘根据一实施例的具有快速开关以及电压控制电抗器(VCR)的FSFCL电路。
图5描绘根据一实施例的具有快速开关但不具有电压控制电抗器(VCR)的FSFCL电路。
图6描绘根据一实施例的具有快速开关以及电压控制电抗器(VCR)的另一FSFCL电路。
图7描绘根据一实施例的具有快速开关、电压控制电抗器(VCR)以及瞬态过电压控制电路的另一FSFCL电路。
图8A到图8B描绘根据一实施例的快速开关。
图8C描绘实例故障电流保护图。
图9描绘根据一实施例的另一快速开关。
图10描绘故障的能量限制特征对比预期能量的图。
图11描绘故障的能量限制特征对比预期能量的另一图。
图12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。
图13描绘根据本发明的实施例的具有绕芯卷绕的第一导电绕组和第二导电绕组的FCL电路。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更充分地描述各种实施例。本文所描述的实施例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。相反，提供实施例是为了使得本发明将是透彻并且完整的，并且实施例将把本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。在以下描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在不具有特定细节的情况下实践新颖的实施例。在其他情况下，熟知的结构和装置以方块图形式示出以便于描述熟知的结构和装置。目的是为了涵盖符合所主张的标的物的所有修改、等效物以及替代方案。在图式中，相同编号始终指代相同元件。
图1绘示了在输电和配电系统1000中实施的快速开关故障电流限制器(FSFCL)电路100。一般来说，FSFCL电路100可以经配置以保护在各种供电系统(例如，输电、配电以及发电网路)中的各种电路和/或负载以免遭受短路故障电流。
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电力负载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断路器111(例如，也可以是传导装置203和/或205的电路断路器)以及FSFCL电路100。FSFCL电路100可以通过断路器115(例如，电路断路器)和匹配电路117、119耦合到电力负载121/123上。可以设置其它负载和匹配电路。可能存在短路故障125，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所述短路故障。
FSFCL电路100可以通过传导装置203和205串联电连接到电源101以及一个或多个电力负载121、123上。在一个实施例中，电流传感器150可以耦合到具有记忆体以及至少一个处理器装置的控制器175上和/或与控制器175结合。控制器175或电流传感器150任一者可以耦合到FSFCL电路100上。所属领域的一般技术人员应了解，FSFCL电路100可以在各种其它应用以及电源系统组态中实施。因此，在图1中描绘的特定电源系统借助于实例示出并且并不意图为限制性的。
FSFCL电路100可以于其中并非极其需要对故障的第一峰值进行故障保护的应用中实现。例如，FSFCL电路100可以经配置以在故障条件出现时迅速(例如，在半个周期内)限制故障电流。在一些实例中，FSFCL电路100可以经配置以在不到一个周期内感测并且限制故障电流(例如，对于60Hz系统，＜17ms，对于50HZ系统，＜20ms或类似者)。将了解，电路断路器可能需要花费3个以上周期来感测并且限制故障。因此，可以耐受第一峰值故障电流的系统可以尤其适合于使用FSFCL电路100的保护。
图2绘示用于FSFCL电路100的示例性电流限制性能图200。具体来说，图2描绘了预期故障电流310对比受限制的故障电流曲线320(例如，如受FSFCL电路100限制的电流)。电流限制性能图200图示了介于-0.4pu直到1pu范围内的每单位(pu)电流对比以毫秒(ms)测量的介于0ms到100ms范围内的时间。在大约16ms与19ms之间的预期故障电流的第一峰值325不受限制，然而，预期故障电流的其余部分降低了大约50％。
图3绘示了用于具有用作快速断流器的快速开关的FSFCL电路100的示例性电流限制性能图300。具体来说，图3描绘了预期故障电流曲线310对比受限制的故障电流曲线320(例如，如受FSFCL电路100限制的电流)。电流限制性能图300图示了介于-0.4pu直到1pu范围内的每单位(pu)电流对比以毫秒(ms)测量的介于0ms到100ms范围内的时间。在大约16ms到19ms之间的预期故障电流的第一峰值325不受限制，然而，预期故障电流的其余部分被中断并且降至零。当FSFCL电路100与用作快速断流器的快速开关一起使用时，受限制的故障电流曲线320被FSFCL电路100中断。
图4到图7描绘了根据本发明的至少一些实施例布置的各种示例性FSFCL电路100。在图4到图7中描绘的FSFCL电路100中的每一者包含快速开关110(将参考图8A到图8B以及图9更详细地描述)。一般来说，快速开关110是电磁开关机构，包含反绕的绕组204和206线圈以产生能移动柱塞从而断开开关并且限制电流的磁场。一旦快速开关110断开，电流即被转移到并联连接的分流装置(例如，电压控制电抗器或类似者)上并且故障电流不被电力负载121/123接收(见图1)。
图4描绘了具有快速开关110以及电压控制电抗器(VCR)120的FSFCL电路100。快速开关110与VCR120并联电连接。在FSFCL电路100的稳态操作期间(例如，未检测到故障电流)，电流(“IT”)将从传导装置203流到FSFCL电路100中并且通过快速开关110。进入的系统电流IT在流过VCR120的第一分量IVCR与流过快速开关110的电流IFS之间分离。更确切地说，在稳态操作期间，快速开关110中的开关触点将闭合。因此，快速开关110将电流从传导装置203传导到传导装置205上，从而有效地从源输电到电力负载121/123上。当检测到电流故障时，快速开关110将断开，迫使电流通过并联连接的VCR120。VCR120用以分流和/或限制从源流到电力负载121/123上的电流。换句话说，在故障电流条件期间，快速开关将断开并且电流IT将被迫使流过VCR120。
与图4不同，图5描绘了具有快速开关110但不具有VCR120的FSFCL电路100。在图5中，FSFCL电路100包含快速开关110但并不包含VCR120的使用。此处，快速开关110用作快速断流器。在FSFCL电路100的稳态操作期间(例如，未检测到故障电流)，电流(“IT”)将从传导装置203流到FSFCL电路100中并且通过快速开关110。更确切地说，在稳态操作期间，快速开关110中的开关触点将闭合。因此，快速开关110将电流从传导装置203传导到传导装置205上，从而有效地从源输电到电力负载121/123上。当检测到电流故障时，快速开关110将断开，从而限制或“快速中断”从源流到电力负载121/123上的电流。换句话说，在故障电流条件期间，快速开关将断开并且电流IT将受限制(产生开路)。
现在转向图6，描绘了FSFCL电路100的另一示例性实施例。FSFCL电路100包含快速开关110以及电压控制电抗器(VCR)120。在一些实例中，例如，对于高负载电流应用，FSFCL电路100还可以包含电流分离电抗器(CSR)130。CSR130可以经配置以减少稳态电流处理需要，使得可以使用较不复杂的和/或更低成本的和/或更低额定电流的快速开关110。在一些实例中，图6中所描绘的FSFCL电路100可以用于承载1kAmps或更大(例如，输电和/或配电)的电路。FSFCL电路100还可以包含电流分离电抗器(CSR)130。CSR130可以经配置以减少稳态电流处理需要，使得可以使用较不复杂的和/或更低成本的和/或更低额定电流的快速开关110。
CSR130包含第一导电绕组204以及第二导电绕组206。第二导电绕组206可以是相对于第一导电绕组204反绕的。CSR130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以及第二导电绕组206。CSR130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FSFCL电路100。进入的系统电流IT在流过第一导电绕组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VCR120的电流IVCR与通过快速开关110的电流IFS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CSR130的电流被引导在第一方向上通过第一导电绕组204并且在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可以绕磁芯(例如，图13中示出的磁芯1303)卷绕。有其它绕组布置可供使用并且可以取决于偏好和/或技术需求来应用。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要求所指示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FSFCL电路100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，CSR103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的匝数，用于在路径IW1与IW2之间均匀分配FSFCL电路100中的电流，使得电流可以经分配使得50％的电流沿着路径IW2流动并且50％沿着路径IW1流动。在其它实施例中，比率可以设定成40％沿着路径IW2流动并且60％沿着路径IW1流动；30％沿着路径IW2流动并且70％沿着路径IW1流动。换句话说，沿着对应的路径IW1和IW2比率可以设定成例如40/60、30/70、20/80。在其中必须更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FSFCL电路100的稳态操作期间，具有反绕的第一导电绕组204和第二导电绕组206的电流分离电抗器装置130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的电抗实质上被第二导电绕组206的经相反地引导的电抗中和。如此，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FSFCL电路100上的稳态电流负载。因此，也可以降低FCL的成本和物理大小。
在FSFCL系统100的稳态操作期间，电流分离装置130将电流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的电抗实质上被第二导电绕组206的经相反地引导的电抗中和。如此，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FSFCL电路110路由预定部分的稳态电流。相对于系统总负载电流降低了在FSFCL100上的稳态电流负载。因此，也可以降低FSFCL100的成本和物理大小。
出现故障条件时，FSFCL100驱动到故障状态中，其中FS110断开且FSFCL100呈现的阻抗增大，并且与在稳态操作期间电流的比例相比，通过第二导电绕组206和与VCR120并联的FS110的电流的比例相对于第一导电绕组204明显降低。因此，第一导电绕组204和第二导电绕组206将不再产生相等的且相反的磁场，并且将会失去强磁性耦合。因此，相对于限制系统中的故障电流的稳态操作，绕组将呈现更高的同等的电流限制阻抗或净电流限制阻抗。
在一些实例中，CSR130中的第一导电绕组204和第二导电绕组206可以是3∶1。更具体地说，第二导电绕组206可以具有的匝数是第一导电绕组204的匝数的3倍。因此，在正常操作期间，大约25％的电流将流过快速开关110。
图7图示了所描绘的FSFCL电路100的示例性实施例。FSFCL电路100包含快速开关110、控制电抗器VCR120，并且在一些实例中FSFCL电路100还可以包含TOCC140。一般来说，TOCC140是瞬态过电压抑制电路，包含并联连接的串联电阻和电容(RC)电路(电阻标记为R且电容标记为C)、电阻(标记为Rp)以及缓冲电路(例如，金属氧化物压敏电阻(标记为MOV)或类似者)。在一些实例中，TOCC140可以使用较高的电容值和电阻值，例如，可以使用＞100μs(R*C＞100μs)的时间常数。故障电流限制器的应用是在具有较高电感的电路中的电源频率下操作。其结果是，L.di/dt可以产生非常高的瞬态过电压。具有较高电容值和电阻值的TOCC140可以便于抑制较高电感电路中的瞬态过电压。
图8A和图8B图示了闭合位置(图8A)和断开位置(图8B)中的快速开关110的示例性实施方案。换言之，图8A中示出的是稳态操作条件(例如，未检测到故障)下的快速开关110，而图8B中示出的是故障电流条件下的快速开关110。图8C图示了示出快速开关110的断开力(Y轴)对比电流(X轴)的图。断路器111可以是任何类型的开关，包含电介质材料例如SF6、油、空气、真空或其它，使得快速开关110可以通过来自线圈112的电磁力来断开/闭合，并且能够处理在断开和闭合周期期间电流产生的电弧。
首先如图8A，在稳态操作期间，断路器111(例如，真空断路器瓶)中的断路器电触点111a闭合。因此，电流(即，IFS)通过快速开关110从源流到负载上。更确切地说，电流通过断路器111、通过线圈112流到快速开关中，并且流出快速开关，如通过与IFS相关联的箭头所指示。当经历电流故障时，电流将增大，并且由流过线圈112的增大的电流产生的电磁力也将增大(参考图8C)。当电磁力达到取决于FSFCL电路100的应用的一定预定电平时，电磁柱塞113被移位，致使杠杆臂113a断开断路器电触点111a。线圈112的大小将取决于基于用以使电磁柱塞113移位并且因此使杠杆臂113a移位所需的力“F”的特定应用，力“F”满足方程式F＝kI2，其中“k”是与电磁柱塞113和杠杆臂113a相关联的机械常数。如图8C中所示，随着电流“I”增大，使电磁柱塞113移位所需的力F也增大，如曲线812所示，而保持断路器电触点111a闭合所需的力F仍然是常数。相应地，在稳态操作中，快速开关110的设计使得由流过线圈112的电流形成的电磁力足够低，从而不会迫使断路器111触点断开。当高于稳态工作电流的故障电流流过线圈112时，产生高于稳态的电磁力，其程度使得电磁力移动电磁柱塞113，致使断路器电触点111a断开。
请参考图8B，断路器111的断路器电触点111a为断开。一旦断开，通过快速开关110的电流路径被破坏，并且电流转移到并联的分流电路(例如，VCR120、TOCC140或类似者)上，若分流电流有设置的话。在一些实例中，快速开关110经设计以在电流零交叉点处断开(参考图2)。断路器111可以是真空式断路器，具有与电流零交叉点断开相关联的充分的操作特征。因此，可以通过零电流切断或最小电流切断来实现在电流零交叉点处断开。此外，如上文与图7相关的描述，一些实例可以使用TOCC140提供瞬态过电压保护。TOCC140可以包含电阻、电容以及MOV。
在快速开关110的稳态操作期间，线圈112引入到系统上的阻抗可忽略。因此，在整个快速开关上的压降将是可忽略的，从而导致最小的功率损耗。在故障期间，VCR120(VCR120可以与快速开关110并联连接)、TOCC140电路以及CSR130可以处理电流限制。快速开关110可以配置有定时电路114。定时电路114可以包含气缸114a以及弹簧机构114b(例如，电磁力控制机构)，所述弹簧机构114b经配置以提供可以在从即刻闭合到一定预定时间延迟的范围内变化的时间延迟机构，用于在故障清除之后闭合断路器111中的断路器电触点111a。
图9图示了快速开关110的示例性实施例。如从此图式中可见，快速开关110包含断路器111、线圈112、柱塞113、定时电路114以及其它元件，例如，预行程调节装置182、弹簧机构114b以及杠杆臂113a。示出的快速开关110可以配置有一个以上线圈112(112a、112b和112c)，可以取决于源的电压和电流以及用于负载的保护等级来使用所述线圈112。多个线圈可以并联连接或串联连接从而实现电流限制特征并且将引入到系统中的阻抗降至最低。图9中示出的快速开关110的操作类似于上文关于图8A到8B所述的操作。例如，在稳态操作期间，断路器111中的触点将闭合并且电流将通过线圈112流到负载上。当在系统中经历故障电流位准时，由流过线圈112的电流产生的电磁力将提升对电磁柱塞113的移动并且将依序(通过杠杆臂113a)断开断路器中的触点。定时电路114可以经配置以在已经经过预定时间量之后致使断路器闭合。另外，快速开关110可以配置有锁定机构180，所述锁定机构180可以用以人工地或自动地在故障条件之后重置快速开关110。
图10图示了描绘∫I2.dt如何受快速开关110的应用影响的图1050。具体来说，图1050图示了介于-0.4pu直到1pu范围内的每单位(pu)电流对比以毫秒(ms)测量的介于0ms到100ms范围内的时间。在此实例中，图示∫I2.dt曲线降到其预期值的40％，如通过预期故障电流曲线310与受限制的故障电流曲线320之间的比较。这意味着在例如变压器、电抗器、汇流条、接地结构以及断路器元件等系统元件上的电磁力(F＝kF∫I2.dt)降到40％。在故障电流的减少＞50％的情况下电磁力的降低会很明显。此外，热能(Q＝kT.∫I2.dt)也降低了大约预期故障值的40％。热能与系统和系统元件相关联的总热值和电弧能有关。通过减少热能，在例如变压器、电抗器、汇流条、接地结构以及断路器元件等系统元件上的热相关应力也会减少，并且延长了此类组件的可用寿命。
图11图示了∫I2.dt如何受不具有电流分离电抗器并且不具有VCR120的快速开关110的应用影响的图1100。图1100图示了介于-0.4pu直到1pu范围内的每单位(pu)电流对比以毫秒(ms)测量的介于0ms到100ms范围内的时间。在此实例中，∫I2.dt曲线降到其预期值的20％，如通过预期故障电流曲线310与受限制的故障电流曲线320之间的比较所图示。这意味着在例如变压器、电抗器、汇流条、接地结构以及断路器元件等系统元件上的电磁力(F＝kF∫I2.dt)降到20％。在故障电流的减少＞50％的情况下电磁力的降低会很明显。此外，热能(Q＝kT.∫I2.dt)也降低了大约预期故障值的20％。热能与系统和系统元件相关联的总热值和电弧能有关。通过减少热能，在例如变压器、电抗器、汇流条、接地结构以及断路器元件等系统元件上的热相关应力也会减少，并且延长了此类组件的可用寿命。
图12图示用于操作具有断路器触点系统的快速开关故障电流限制器的方法的流程图1200。在稳态操作期间，在步骤1210处，电流通过FSFCL电路100(例如，快速开关110)从源流到负载上。更确切地说，电流流到快速开关110中，通过断路器111、线圈112，并且流出快速开关110。在步骤1220处，FSFCL电路100检测故障电流。当在步骤1220处经历电流故障时，电流将增大，并且当电磁力达到取决于FSFCL电路100的应用的一定预定阈值电流位准时，由流过线圈112的增大的电流产生的电磁力也将增大。在步骤1230处，流过线圈112的增大的电流被检测到超出预定阈值电流。在步骤1240处，电磁柱塞113被移位，致使电磁柱塞113的杠杆臂113a断开断路器电触点111a。线圈112的大小将取决于基于用以使电磁柱塞113移位并且因此使杠杆臂113a移位所需的力“F”的特定应用，力“F”满足方程式F＝kI2，其中“k”是与电磁柱塞113和杠杆臂113a相关联的机械常数。随着电流“I”增大，使电磁柱塞113移位所需的力F也增大，如曲线所示，而保持断路器电触点111a闭合所需的力F保持恒定。相应地，在稳态操作中，快速开关110的设计使得由流过线圈112的电流形成的电磁力足够低，从而不会迫使断路器111的触点断开。当高于稳态工作电流的故障电流流过线圈112时，会生成并产生电磁力，其程度使得电磁力致使电磁柱塞113移动。由于电磁柱塞113移动，断路器电触点111a断开。
在步骤1250处，一旦断开，流过快速开关110的电流路径被破坏，并且电流转移到并联的分流电路(例如，VCR120、TOCC140或类似者)上，若有设置并联的分流电路的情况下。在一些实例中，快速开关110经设计以在电流零交叉点处断开(参考图2)。断路器111可以是真空式断路器，具有与电流零交叉点断开相关联的适当操作特征。因此，可以通过零电流切断或最小电流切断来实现在电流零交叉点处断开。此外，如上文关于图7所描述，一些实例可以使用TOCC140提供瞬态过电压保护。TOCC140可以包含电阻、电容以及MOV。
如图13，CSR130的示例性实施例被示出具有绕磁芯1303卷绕的第一导电绕组204和第二导电绕组206。第一导电绕组204和第二导电绕组206可以是反绕的或是双线布置并且具有相等的匝数。有其它绕组布置可供使用并且可以取决于偏好和/或技术设置来应用。在此考虑磁芯1303可以是铁芯或空气芯，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需求所指示的尺寸。第一导电绕组204以及第二导电绕组206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。
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CSR130的电流被引导在第一方向上通过第一导电绕组204并且在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。
综上所述，本发明的实施例提供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FSFCL可以为电路断路器提供减少的闪光电弧能，并且通过操作并处理较低的闪光电弧能带来安全方面相关的益处。这可以有益于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，FSFCL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。
本发明的范围不应受本文所描述的具体实施例限制。实际上，所属领域的一般技术人员根据以上描述和附图将了解(除本文所描述的那些实施例和修改外)本发明的其它各种实施例和对本发明的修改。因此，此类其它实施例和修改既定属于本发明的范围内。此外，尽管本文已出于特定目的而在特定实施方案情况下以特定环境描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将认识到，本发明的效用不限于此，并且本发明可有利地在许多环境中实施用于许多目的。因此，权利要求书应考虑如本文所述的本发明的全部范围和精神来解释。

Claims (15)

1.一种快速开关故障电流限制器，其特征在于包括：
断路器，所述断路器具有断路器电触点；
线圈，所述线圈电耦合到所述断路器电触点上；以及
柱塞，所述柱塞机械耦合到所述断路器电触点，所述柱塞经配置以断开所述断路器电触点，其中当高于阈值电平的电流流过所述线圈时，产生具有能移动所述柱塞的强度的磁场，所述柱塞的所述移动起作用以断开所述断路器中的所述触点。
2.根据权利要求1所述的快速开关故障电流限制器，其中所述断路器电触点经配置以通过所述柱塞的所述移动切断流过所述线圈的所述电流。
3.根据权利要求1所述的快速开关故障电流限制器，进一步包括并联连接到所述线圈的电压控制电抗器(VCR)，其中所述VCR经配置以回应于流过所述线圈的所述电流的切断而接收所述电流。
4.根据权利要求3所述的快速开关故障电流限制器，进一步包括电连接到所述线圈的电流分离电抗器(CSR)，所述CSR用于电流限制，并且所述CSR以及所述VCR用以限制或控制电压。
5.根据权利要求1所述的快速开关故障电流限制器，所述柱塞进一步包括杠杆臂，所述杠杆臂起作用以断开所述断路器电触点。
6.根据权利要求1所述的快速开关故障电流限制器，进一步包括具有电磁力控制机构的定时电路，所述定时电路电耦合到所述断路器电触点用于闭合所述断路器电触点。
7.根据权利要求6所述的快速开关故障电流限制器，其中所述电磁力控制机构包含气缸以及弹簧机构，其中所述定时电路在故障电流清除之后即刻闭合所述断路器中的所述触点，或在预定时间延迟后检测到所述故障电流之后闭合所述断路器电触点。
8.根据权利要求1所述的快速开关故障电流限制器，进一步包含连接到所述线圈的瞬态过电压控制电路，所述瞬态过电压控制电路用以限制过电压。
9.一种电流限制器系统，其特征在于包括：
快速开关故障电流限制器，所述快速开关故障电流限制器具有断路器电触点、电耦合到所述断路器电触点上的线圈、以及机械耦合到所述断路器电触点上的柱塞，其中当高于阈值电平的电流流过所述线圈时，产生具有能移动所述柱塞的强度的磁场，所述柱塞的所述移动起作用以断开所述断路器电触点；
电压控制电抗器，所述电压控制电抗器并联连接到所述快速开关故障电流限制器上；以及
瞬态过电压控制电路，所述瞬态过电压控制电路并联连接到所述快速开关故障电流限制器和所述电压控制电抗器上，其中当流过所述线圈的所述电流高于所述阈值电平时，所述电流转移到所述电压控制电抗器和所述瞬态过电压控制电路上以限制故障电流。
10.根据权利要求9所述的电流限制器系统，所述柱塞的所述移动起作用以切断流过所述线圈的所述电流。
11.根据权利要求9所述的电流限制器系统，其中所述断路器电触点经配置以通过所述柱塞的所述移动切断流过所述线圈的所述电流。
12.根据权利要求9所述的电流限制器系统，进一步包括电连接到所述快速开关故障电流限制器上的电流分离电抗器，所述电流分离电抗器用以限制或控制所述电流。
13.根据权利要求9所述的电流限制器系统，所述柱塞进一步包括杠杆臂，所述杠杆臂起作用以断开所述断路器电触点。
14.根据权利要求9所述的电流限制器系统，进一步包括具有电磁力控制机构的定时电路，所述定时电路电耦合到所述断路器电触点上用于闭合所述断路器电触点。
15.根据权利要求14所述的电流限制器系统，其中所述电磁力控制机构包含气缸以及弹簧机构，其中所述定时电路在故障电流清除之后即刻闭合所述断路器中的所述触点，或在预定时间延迟后检测到所述故障电流之后闭合所述断路器电触点。
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