CN109923749A - 具模块化耦合电抗器的故障电流限制器 - Google Patents
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Abstract
本发明内容的实施例包含一种故障电流限制器，其具有：包含缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组的第一电流分离装置，以及包含缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组的第二电流分离装置。故障电流限制器可更包含串联电连接在第一电流分离装置的次级绕组与第二电流分离装置的次级绕组之间的故障电流限制器模块(例如，切换模块)。故障电流限制器可更包含与第二电流分离装置的次级绕组串联电连接的第二故障电流限制器模块。通过将故障电流限制器分离成具有散置于绕组之间的故障电流限制器模块的部分，故障电流限制器的绕组之间可建置有较少绝缘。
Description
技术领域
本发明内容涉故障电流限制器，且更确切地说，涉及具有散置于绕组之间的故障电流限制器切换模块的故障电流限制器系统。
背景技术
故障电流限制器(fault current limiter，FCL)为用于限制(例如)电力系统中的故障电流的装置。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(superconducting fault current limiter，SCFCL)、固态故障电流限制器、电感故障电流限制器以及在本领域中已知的其它种类。FCL可实施于具有用于将电力提供到各种工业、商业和/或住宅电力负载的发电、输电和配电网络的系统。
故障电流是由系统中的故障(例如，短路)引起的电力系统中的异常电流。故障电流可由于多种事件或故障而在系统中出现，例如电力线或其它系统组件被恶劣天气(例如，闪电)损坏。当发生此类故障时，较大电流(故障电流)可快速地出现在电路中，这是因为电流不再受到负载限制。此电流浪涌是不合需要的，因为这会给包含网络自身或连接到网络的设备的负载带来潜在损害。
一些现有技术故障电流限制器包含具有交错绕组的电流分离电抗器，其中电流分离电抗器包含芯、缠绕芯的第一绕组，和缠绕芯且与第一绕组交错以减少故障电流限制器的插入阻抗的第二绕组。通过交错初级绕组与次级绕组可达成较低损耗。建置为组合电抗器的现有技术故障电流限制器可能会遭受绕组间电压增大。在电压增加时，交错点处的必要绝缘对应地增加，因此使得故障电流限制器庞大且使得更难以达成通量抵消。
关于这些和其它考虑因素来提供本发明内容。
发明内容
根据本发明内容的实施例的一种故障电流限制器包含：第一电流分离装置，其包括缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组。故障电流限制器更包含故障电流限制器模块，其串联电连接在第一电流分离装置的次级绕组与第二电流分离装置的次级绕组之间。
根据本发明内容的实施例的一种电力系统包含：电源；电连接到电源的负载；故障电流限制器，其电耦合到电源和负载以限制故障条件期间的电流量。故障电流限制器包含：第一电流分离装置，其具有缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组。故障电流限制器更包含故障电流限制器模块，其串联电连接在第一电流分离装置的次级绕组与第二电流分离装置的次级绕组之间。
根据本发明内容的实施例的一种故障电流限制器包含：第一电流分离装置，其具有缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；以及第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组。故障电流限制器可更包含：第一故障电流限制器模块，其串联电连接在第一电流分离装置的次级绕组与第二电流分离装置的次级绕组之间；以及第二故障电流限制器模块，其与第二电流分离装置的次级绕组串联电连接。
附图说明
附图说明本发明内容的示范性方法，包含本发明内容的原理的实用应用，附图如下：
图1描绘根据本发明内容的实施例的电力系统。
图2描绘根据本发明内容的实施例的示范性故障电流限制器。
图3描绘根据本发明内容的实施例的图2的故障电流限制器的示范性故障电流限制器模块。
图4描绘根据本发明内容的实施例的具有闭合末端的图2的示范性故障电流限制器。
图5描绘根据本发明内容的实施例的包含安置于绕组之间的多个故障电流限制器切换模块的示范性故障电流限制器。
附图未必按比例。附图仅为表示，并不希望描绘本发明内容的特定参数。附图希望描绘本发明内容的示范性实施例，且因此不应被视为在范围上受限制。在附图中，相同编号表示相同元件。
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实施例，附图中示出了一些实施例。本发明内容的主题可以许多不同形式体现，且不应解释为限于本文中所阐述的实施例。提供这些实施例是为了使得本发明内容将是透彻且完整的，并且这些实施例将把主题的范围完整地传达给所属领域的技术人员。在附图中，相同编号始终指代相同元件。
如本文中所使用，以单数形式列举且前面有词“一(a、an)”的元件或操作应理解为可能包含多个元件或操作，除非另外指示。此外，对本发明内容的“一个实施例”或“一些实施例”的参考可被解释为包含也并有所列举特征的额外实施例的存在。
本发明的实施例涉及用于改进故障电流保护的方法。更确切地说，各种实施例能解决相关于以下的问题：电流分离装置中的跨绕组电压降增加，和绕组之间的对应绝缘增加。举例来说，通过将故障电流限制器(FCL)分离成具有散置于电流分离装置的绕组之间的FCL切换模块的部分，故障电流限制器的绕组之间可建置有较少绝缘，因此使得抵消通量故抵消阻抗的任务更加容易。
在一些实施例中，故障电流限制器具有第一电流分离装置和第二电流分离装置，第一电流分离装置包含缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组，第二电流分离装置包含缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组。故障电流限制器可更包含串联电连接在第一电流分离装置的次级绕组与第二电流分离装置的次级绕组之间的故障电流限制器模块(例如，切换模块)。故障电流限制器可更包含与第二电流分离装置的次级绕组串联电连接的第二故障电流限制器模块。通过将故障电流限制器分离成具有散置于绕组之间的故障电流限制器模块的部分，故障电流限制器的绕组之间可有利地建置有较少绝缘。
现在转向图1，将描述根据本发明内容的实施例的示范性电力系统。如所示出，包含故障电流限制器(FCL)101的电力系统100实施为包含发电、输电和配电网络，所述网络发电并将电力输送到各种工业、商业和/或住宅电力负载。FCL 101可包含与第一故障电流限制器模块(fault current limitermodule，FCLM)104电耦合的第一电流分离装置(currentsplitting device，CSD)102，和与CSD 102电耦合的第二电流分离装置(CSD)106。在一些实施例中，FCL 101可包含第三CSD 107。如所示出，第二CSD 106进一步耦合到第一FCLM 104和第三CSD 107，并与第二FCLM 108耦合。在一些实施例中，第一CSD 102和第二CSD 106中的每一个是具有交错绕组的模块化电流分离电抗器，如下文将更详细地描述。
如进一步示出，电力系统100可经由导体115和117串联电连接在AC电源110和一或多个电力负载112之间。所属领域的一般技术人员将了解，可在故障电流限制合乎需要的多种其它应用和电力系统配置中实施FCL 101。因此借助于实例示出图1中所描绘的特定电力系统100，而不希望是限制性的。
第一CSD 102、第二CSD 106和第三CSD 107中的每一个可具有开放芯设计。包含各自具有交错绕组的电流分离装置102、106和107的FCL 101，有利地提供较低插入阻抗。作为一实例，本文中所描述的FCL 101在正常操作条件期间可具有带来跨阻抗电压降的插入阻抗，在承载满负荷电流时，可具有带来小于总系统电压的1％的电压降。
本文中所描述的FCL 101可经实施以限制任何电力系统中的故障电流，例如输电、配电和发电系统。此外，在一些情况下，具有交错绕组的CSD 102、106、107可实施于超导FCL中、固态FCL中、快速切换FCL中，或总体来说实施于配置成保护系统免于故障电流的任何故障电流限制电路中，所述系统在正常操作期间预期较低插入阻抗。在一些实例中，FCL 101可并有饱和铁芯或屏蔽芯。在一个非限制性说明性实例中，可提供如本文中所描述的FCL101以降低具有高插入阻抗的饱和铁芯FCL的插入阻抗，所述FCL 101具有具交错绕组的第一CSD 102和第二CSD 106CSD 107。此外，本文中所提供的各种实例可实施于用于高频或低频系统的FCL装置中。
现在参考图1到2，将更详细地描述FCL 101。如所示出，FCL 101的第一电流分离装置102可包含缠绕第一芯118(例如铁芯或空气芯)的初级绕组114和次级绕组116。在一个实施例中，初级绕组114和次级绕组116可同心地缠绕铁芯，所述铁芯参考输入(线)电压且浮动或绝缘于接地和/或其它CSD芯。第二CSD 106包括缠绕第二芯125的初级绕组120和次级绕组122。FCL 101更包含串联电连接在第一CSD 102的次级绕组116与第二CSD 106的次级绕组122之间的第一FCLM 104。如所示出，第一CSD 102和第二CSD 106中的每一个的绕组彼此平行地布置。此外，第一CSD 102的初级绕组114例如沿着路径124与第二CSD 106的初级绕组120串联电连接，且第一CSD 102的初级绕组114与第一FCLM 104并联电连接。在一些实施例中，缠绕第一芯118的初级绕组114和次级绕组116具有相同或不同匝数。类似地，缠绕第二芯125的初级绕组120和次级绕组122具有相同或不同匝数。
FCL 101可更包含具有缠绕第三芯140的初级绕组136和次级绕组138的第三CSD107。第二FCLM 108串联电连接在第二CSD 106的次级绕组122与第三CSD 107的次级绕组138之间。如所布置，第一FCLM 104和第二FCLM 108沿着路径126串联电连接。此外，第二CSD106的初级绕组120例如沿着路径124与第一CSD 106的初级绕组114和第三CSD 107的初级绕组136串联电连接。第二CSD 106的初级绕组120还与第一FCLM 104和第二FCLM 108并联电连接。第一CSD 102、第二CSD 106和第三CSD 107中的每一个绕组可配置成在稳态操作期间展现最小阻抗，且在次级绕组开路时(例如故障条件期间)，展现来自串联的初级绕组的相对较大阻抗，以便有效地限制故障电流。
在一些实施例中，FCL 101可包含一系列开关，例如任何快速开启技术，例如具有电压保护装置和电压控制装置的基于超导体的开关、可饱和铁芯开关、机械或固态开关。举例来说，如图3中所示出，第一FCLM 104和第二FCLM 108中的每一个可包含各自彼此平行地布置的金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor，MOV)150、阻尼器151和固态开关152。
现在参考图2和4，将更详细地描述FCL 101的操作。在示范性实施例中，在稳态条件期间，第一CSD 102的初级绕组114和次级绕组116可被设定成沿着平行路径124和126以预定义方式分布稳态电流。举例来说，如果x％的稳态电流沿着路径124流动，则稳态电流的剩余部分(100-x)％沿着路径126流动。在一个实施例中，电流可分布成使得50％沿着路径124流动且50％沿着路径126流动。在其它实施例中，所述比率可设定成40％沿着路径124流动且60％沿着路径126流动；30％沿着路径124流动且70％沿着路径126流动等。
在故障电流条件期间，高于正常电流的故障电流流到初级绕组114和次级绕组116中。当故障电流超出预定触发电流时，流过次级绕组116的电流量减少。因而，流过初级绕组114和次级绕组116的安匝量不再相等，且芯118内的磁场将不再抵消，因此增加第一CSD102的电抗。此结果是导致FCL 101的插入阻抗增加，因此限制故障电流。第二CSD 106和第三CSD 107中的每一个可达成类似结果。
如将了解，建置为组合电抗器的常规故障电流限制器的一个缺点是绕组间电压增大。举例来说，在示范性FCL包含具有75％的限制性和5:1的变压比以控制次级电流的33kV限制器(19.0kV接地)的状况下，初级绕组将显现19.0kV接地且在限制时下降14.3kV。当FCL切换模块闭合时，次级绕组也将显现19kV接地，但在切换模块开启时显现71.5kV(14.3kVx5)。在电抗器分别与接地绝缘且FCL为耦合电抗器的状况下，固态故障期间在负载侧上的最大绕组间电压将为14.3kV+71kV＝85.8kV。因此，制造抵消至少99％的通量的具有接近85.8kV的绝缘电平的交错绕组是重大的工程挑战。
一般化通量抵消问题，对于具有电压降V的初级绕组，和相对于初级绕组具有匝比1:w的次级绕组，绕组之间产生的电压最大为(1+w)V。如果次级绕组附接有两个FCLM，则可通过求解以下方程式计算出跨每一模块的电压(Vs)：
V＝-wV+2Vs.＝>(1+w)V/2＝Vs。
为解决所述工程挑战，本发明内容的实施例可将FCL 101分离成多个部分或模块，例如第一CSD 102、第二CSD 106和第三CSD 107，并提供散置于绕组之间的FCLM 104和108，如上文较详细描述。这允许每一CSD的初级绕组与次级绕组之间建置有较少绝缘，且因此使得抵消通量且因此抵消阻抗的任务更加容易。
更确切地说，如所示出，FCL 101被分离成‘n’个部分(例如，‘n’个CSD)，每一部分包含具有电压降V的初级绕组，和相对于初级绕组具有匝比1:w的次级绕组。因此，绕组之间产生的电压最大为(1+w)V/n。通过闭合电抗器布置的末端，例如如图4中所示出，可如下计算每一FCLM 104、108的电压：
V＝-wV/n+Vs-wV/n+Vs-wV/n＝>V＝-3wV/n+2Vs
因为在此实例中n＝3，可如下计算电压：
V＝-wV+2Vs＝>(1+w)V/2＝Vs。
结果，所有模块上显现的总电压为(1+w)V。在此状况下，通过将电抗器分离成27个片段，并安装26个开关(例如，各自额定为至少3.3kV)，电抗器片段中的绕组间电压将为1.65kV，从而使得更加可达到FCL 101的绝缘需求。
现在转向图5，将描述根据本发明内容的另一实施例的FCL 201。如所示出，在此实施例中，FCL 201包含串联电连接在第一CSD 202的次级绕组216与第二CSD 206的次级绕组222之间的多个FCLM 256、258。FCL 201可更包含串联连接在第二CSD 206的次级绕组222与第三CSD 207的次级绕组238之间的多个FCLM 260、262。如所布置，FCL 201分离成nx个片段，其中x＝FCLM的数量。因此，最大绕组间隔绝电压(stand-off voltage)将为(1+w)xV/n。
类似于上文所描述的实施例，FCL 201的第一CSD 202可包含缠绕第一芯218的初级绕组214和次级绕组216。第二CSD 206包括缠绕第二芯225的初级绕组220和次级绕组222。FCL 201的FCLM 256和258串联电连接在第一CSD 202的次级绕组216与第二CSD 206的次级绕组222之间。如所示出，第一CSD 202的初级绕组214例如沿着路径224与第二CSD 206的初级绕组220串联电连接，且第一CSD 202的初级绕组214与FCLM 256和258并联电连接。在一些实施例中，缠绕第一芯218的初级绕组214和次级绕组216可具有相同或不同匝数。类似地，缠绕第二芯225的初级绕组220和次级绕组222可具有相同或不同匝数。
FCL 201可更包含具有缠绕第三芯240的初级绕组236和次级绕组238的第三CSD207。FCLM 260、262串联电连接在第二CSD 206的次级绕组222与第三CSD 207的次级绕组238之间。如所布置，FCLM 256、258、260和262沿着路径226串联电连接。此外，第二CSD 206的初级绕组220例如沿着路径224与第一CSD 206的初级绕组214和第三CSD 207的初级绕组236串联电连接。第二CSD 206的初级绕组220和第三CSD 207的初级绕组236也与FCLM 256、258、260和262并联电连接。第一CSD 202、第二CSD 206和第三CSD 207中的每一个第一和第二绕组可配置成在稳态操作期间展现最小阻抗，且在所示出的故障条件期间展现相对较大阻抗以便有效地限制故障电流。
总体来说，本文中描述CSD的绕组之间的FCLM的各种实施例能提供包含减少每一CSD的并联绕组之间的绝缘量的第一优势，和包含在初级绕组和次级绕组通电时，改进CSD中的初级绕组与次级绕组之间的通量抵消的第二优势。
本发明内容在范围上应不受本文中描述的具体实施例限制。实际上，根据前文描述和附图，除本文中所描述的那些实施例和修改外，本发明内容的其它各种实施例和对本发明内容的修改对所属领域的一般技术人员来说将是显而易见的。因此，这些其它实施例和修改希望属于本发明内容的范围内。此外，已在用于特定用途的特定环境中的特定实施方案的上下文中描述本发明内容。所属领域的一般技术人员将认识到，有用性不限于此，且本发明内容可有利地实施于用于多种用途的多种环境中。因此，下文阐述的权利要求应鉴于如本文中所描述的本发明内容的完整广度和精神来解释。
Claims (15)
1.一种故障电流限制器，其包括：
第一电流分离装置，其包括缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；
第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组；以及
故障电流限制器模块，其串联电连接在所述第一电流分离装置的所述次级绕组与所述第二电流分离装置的所述次级绕组之间。
2.根据权利要求1所述的故障电流限制器，其中所述第一电流分离装置的所述初级绕组与所述第二电流分离装置的所述初级绕组串联电连接。
3.根据权利要求1所述的故障电流限制器，其更包括串联电连接在所述第一电流分离装置的所述次级绕组与所述第二电流分离装置的所述次级绕组之间的多个故障电流限制器模块。
4.根据权利要求1所述的故障电流限制器，其更包括：
第三电流分离装置，其包括缠绕第三芯的初级绕组和次级绕组；以及
第二故障电流限制器模块，其串联电连接在所述第二电流分离装置的所述次级绕组与所述第三电流分离装置的所述次级绕组之间。
5.根据权利要求1所述的故障电流限制器，其中所述第一电流分离装置的所述初级绕组和所述次级绕组具有不同匝数，且其中所述第二电流分离装置的所述初级绕组和所述次级绕组具有不同匝数。
6.一种电力系统，其包括：
电源；
负载，其电连接到所述电源；
故障电流限制器，其电耦合到所述电源和所述负载以在故障条件期间限制电流量，所述故障电流限制器包括：
第一电流分离装置，其包括缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；
第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组；以及
故障电流限制器模块，其串联电连接在所述第一电流分离装置的所述次级绕组与所述第二电流分离装置的所述次级绕组之间。
7.根据权利要求6所述的电力系统，其中所述第一电流分离装置的所述初级绕组与所述第二电流分离装置的所述初级绕组串联电连接。
8.根据权利要求6所述的电力系统，其更包括串联电连接在所述第一电流分离装置的所述次级绕组与所述第二电流分离装置的所述次级绕组之间的多个故障电流限制器模块。
9.根据权利要求6所述的电力系统，其更包括：
第三电流分离装置，其包括缠绕第三芯的初级绕组和次级绕组；以及
第二故障电流限制器模块，其串联电连接在所述第二电流分离装置的所述次级绕组与所述第三电流分离装置的所述次级绕组之间。
10.根据权利要求9所述的电力系统，其中所述故障电流限制器模块和所述第二故障电流限制器模块串联电连接。
11.根据权利要求9所述的电力系统，其中所述第二电流分离装置的所述初级绕组与所述第二故障电流限制器模块并联电连接。
12.根据权利要求6所述的电力系统，其中所述故障电流限制器模块包括电压保护装置、电压控制装置和固态开关，且其中所述电压保护装置、所述电压控制装置和所述固态开关彼此并联布置。
13.根据权利要求6所述的电力系统，其中所述第一电流分离装置的所述初级绕组和所述次级绕组具有不同匝数，且其中所述第二电流分离装置的所述初级绕组和所述次级绕组具有不同匝数。
14.一种故障电流限制器，其包括：
第一电流分离装置，其包括缠绕第一芯的初级绕组和次级绕组；
第二电流分离装置，其包括缠绕第二芯的初级绕组和次级绕组；
第一故障电流限制器模块，其串联电连接在所述第一电流分离装置的所述次级绕组与所述第二电流分离装置的所述次级绕组之间；以及
第二故障电流限制器模块，其与所述第二电流分离装置的所述次级绕组串联电连接。
15.根据权利要求14所述的故障电流限制器，其更包括第三电流分离装置，所述第三电流分离装置包括缠绕第三芯的初级绕组和次级绕组，其中所述第二故障电流限制器模块串联电连接在所述第二电流分离装置的所述次级绕组与所述第三电流分离装置的所述次级绕组之间。
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