KR20120093186A

KR20120093186A - 비-초전도성 코일에 의해 포화된 코어들을 갖는 고장 전류 제한기

Info

Publication number: KR20120093186A
Application number: KR1020127008345A
Authority: KR
Inventors: 슈키 울퍼스; 요세프 예슈룬; 알렉산더 프리드먼; 블라디미르 로젠슈타인; 즈비 바-하임
Original assignee: 리코 크라이어제닉 앤 바큠 시스템즈 리미티드 파트너쉽; 바 일란 리서치 앤 디벨롭먼트 컴퍼니 엘티디.
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-08-22
Also published as: CN102687216B; CN102687216A; CA2772559A1; US20120154966A1; EP2474011A1; JP2013503600A; WO2011024180A1; AU2010288087B2; AU2010288087A1

Abstract

AC 공급원의 각 상에 대해, 제 1 및 제 2 쌍의 대향하는 림(32a, 32b; 33a, 33b)들을 구비하는 감소된 부피 및 질량을 갖는 폐쇄된 자기 코어(31), 그리고 상기 자기 코어(31)의 대향하는 림(33a, 33b)들을 둘러싸고 부하와 직렬로 연결되도록 구성되는 적어도 하나의 AC 코일(35a, 35b)을 포함하는 전류 제한 장치(30, 40, 50, 60). 일반적으로 구리로 형성되는 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34)은 상기 바이어스 코일(34)에 의해 반대 방향에서 상기 대향하는 림(33a, 33b)들 각각을 포화시키기위해 상기 자기 코어(31)의 림(32a, 32b)들을 둘러싼다. 고장 상태에서, 적어도 하나의 림 내의 AC 플럭스는 DC 바이어스 플럭스를 방해하고, 상기 림을 포화로부터 벗어나게 한다. 바람직하게는, DC 바이어스 코일들의 전류는 감소되고 따라서 상기 코어의 대향하는 림들 모두를 포화로부터 벗어나게 한다.

Description

비-초전도성 코일에 의해 포화된 코어들을 갖는 고장 전류 제한기{FAULT CURRENT LIMITERS(FCL) WITH THE CORES SATURATED BY NON-SUPERCONDUCTING COILS}

본 발명은 AC 전기 그리드(electric grid)를 위한 전류 제한 장치에 관한 것이다.

가변 임피던스를 가지며 포화된 코어에 기초한 고장 전류 제한기(Fault Current Limiters, FCL)는 단락 회로 전류 제한을 위한 가장 비용 효율이 높은 해법으로 기대되고 있다. 포화된 코어 FCL들은 신속한 응답과 빠른 회복, 비교적 적은 에너지 소비, 큰 고장 전류(fault current)에 대한 내구성 그리고 거의 무제한의 동작 수에 대한 가능성을 제공한다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 포화된 코어를 갖는 구리 코일에 기초한 전류 제한 장치에 관한 것이다. 포화된 코어들을 갖는 FCL들에 관한 종래 기술의 검토는 이전의 우리의 출원인 WO 2004/068670 및 WO 2007/029224에 나타나있고 여기서 반복되지 않는다.

WO 2007/029224 출원에서 우리는 포화된 코어들을 갖는 FCL의 잘 알려진 설계들이 이러한 형태의 FCL의 개발 및 실현을 막는 본질적인 결점들을 갖는다는 것을 발견했다. 그러한 결점들은 큰 무게와 면적이다. 또한, 폐쇄된 DC-폐쇄된 AC 자기 회로를 사용하는 FCL 설계들은 코어가 깊이 포화 되지 않는 경우 DC 및 AC 코일들 사이의 내재된 “발전기 같은(tranformer-like)” 자기 커플링을 보인다. 결과적으로, 바이어스 코일들은 특히, 커플링 레벨이 최고인 고장 상태(fault state) 동안 항상 DC 코일 아래에서 높은 포화 레벨을 유지해야 한다. 이는 DC 바이어스에 높은 암페어-턴(Ampere-turns)을 가하고 따라서 유일한 선택으로써 초전도성 코일들의 사용 필요성에 기여함으로써 가능할 수 있다.

알려진 설계들에서, 바이어스 코일들을 갖는 크라이오스탯(cryostat)은 코어의 윈도우(window)에 위치하고 따라서 코어의 사이즈를 증가시킨다. 자기 코어의 사이즈는 결국 고장 동안 FCL에 요구되는 전압 강하에 의해 결정되는 그것의 횡단면에 의해 주로 정의된다. 이 전압은 AC 코일에서 감은 수를 갖는 코어의 횡단면의 결과에 비례한다. 감은 수는 정상적인 동작에서 FCL의 허용 가능한 전압 강하에 의해 제한된다.

WO 2007/029224에서 우리는 AC 공급원의 각 상(phase)에 대해 제 1 및 제 2 쌍의 반대되는 림(limbs)들을 구비하며 감소된 부피 및 질량을 갖는 폐쇄된 자기 코어, 그리고 자기 코어의 대향하는 림들을 둘러싸고 부하와 직렬 연결됨에 따라 개방된 AC 자기 회로를 형성하기에 알맞은 적어도 하나의 AC 코일을 포함하는 FCL을 설명한다. 초전도성 DC 바이어스 코일은 대향하는 각각의 림들을 바이어스 코일에 의해 반대되는 방향으로 포화시키기 위해 자기 코어의 림을 둘러싼다. 고장 상태 하에서, 하나의 림의 AC 플럭스(flux)는 DC 바이어스 플럭스에 대항하고, 해당 림을 포화되도록 한다.

WO 2007/029224에 의해 초전도성 DC 바이어스 코일들에 요구되는 크라이오스탯들에 의해 부과되는 오버헤드(overhead)에 기인하는 FCL의 큰 사이즈가 알려졌지만, 초전도성 DC 바이어스 코일들에 대한 필요성을 회피하기 위한 어떠한 시도도 이루어지지 않았다. FCL들의 긴 역사와 거의 지배적인 초전도성 DC 바이어스 코일의 사용을 고려해볼 때 이것은 놀랍지 않다.

따라서 폐쇄된 자기 회로 및 초전도성 DC 바이어스 코일들을 이용하는 한류기들은 예를 들어, 미국 특허 출원 No. 3,219,918 및 No. 4,045,823에서 잘 알려져 있고 잘 설명되어 있다. 유사한 장치의 초전도성 코일의 물리적 특성들이 페이지 3174-5에 설명되고, 코일은 401 감은 수를 가지며, 예시된 DC 전류는 3.5 T에서 1150 A라고 3175 페이지에 알려져 있는 Raju B.P. et. al[1]에 의해 유사한 장치가 개시되어 있다. 이는 코어 윈도우 크기에 의해 정의되는 부피 내에서 구리와 같은 비-초전도성 코일에서는 실현되기 매우 어려운 461,150 암페어-턴을 의미하고, 설명된 FCL에 대한 적용은 매우 높은 저항성(Ohmic) 손실들과 매우 큰 코일들을 의미할 수 있다.

이는 또한 상술된 문헌 [1]의 공동 저자인 Parton의 미국 특허 No. 4,405,823으로부터 나타나며, 해당 특허는 폐쇄된 DC 자기 회로를 사용하고, 여전히 초전도성 DC 바이어스 코일을 채용한다. 즉, 상술된 문헌이 출판된 지 15년 이상이 지난 후에도, 저자들 중 하나는 폐쇄된 DC 자기 회로를 채용하는 전류 제한 장치에 초전도성 DC 바이어스 코일을 이용하는 것을 당연하게 여긴다.

요약하면, 폐쇄된 자기 회로들 및 초전도성 DC 바이어스 코일들을 채용하는 FCL들이 잘 알려져 있다는 것이 나타난다. 폐쇄된 DC 자기 회로 사용 시 초전도성 DC 바이어스 코일들의 사용은 몇 가지 이유에서 당연하다. 첫 번째로, 폐쇄된 DC 바이어스 회로 및 폐쇄된 AC 회로를 채용하는 종래의 코어 설계들에서, 총 DC 자기 길이는 높은 암페어-턴 레벨을 요구하며, 비-초전도성 코일들은 초전도성 코일들과 경제적으로 또는 성능에서 경쟁성이 없다. 이는 크라이오스탯에 의해 부과된 비용 및 공간 오버헤드가 비-초전도성 코일의 구리선의 비용보다 적고 결과적으로 방대한 구조가 만들어지기 때문이다.

WO 2007/029224는 자기 회로의 질량을 감소시키기 위해 개방 AC 자기 회로 및 폐쇄된 DC 바이어스 회로를 채용한다. 하지만, 여기에 또한 초전도성 DC 바이어스 코일들이 채용된다. 해당 기술에서, 개방 AC 자기 회로와 함께 폐쇄된 DC 바이어스 회로를 채용하고 구리와 같은 비-초전도성 DC 바이어스 코일들을 사용하기 위한 제안은 없다. 상술한 바에 기초하면, 개방 AC 자기 회로를 사용하기 위한 동기는 DC 바이어스 코일에 매우 많은 수의 암페어-턴이 필요하고, 구리와 같은 비-초전도성 코일의 사용에 반하는 작용을 하고, 그리고 매우 높은 저항성 손실과 매우 큰 코일들을 발생시킬 수 있는 반면, 정확히 AC 자기 회로의 질량을 감소시키기 위한 것이기 때문에 그렇게 하는 것은 직관에 반대된다.

따라서 구리와 같은 비-초전도성 구리 바이어스 코일을 갖는 개선된 FCL의 설계를 제공하는 것이 요구될 수 있으며 이러한 결점은 WO 2004/068670 및 WO 2007/029224에서 제안된 구성들에 의해 지지되는 장점들과의 타협 없이 해결된다.

[6] WO 2004/068670(Yosef Yeshurun et al.) published 12/08/2004 "Fault current limiters(FCL) with the cores saturated by superconducting coils." [7] WO 2007/029224(Yosef Yeshurun et al.) published 15/03/2007 "Fault current limiters(FCL) with the cores saturated by superconducting coils."

[1] B.P. Raju, K.C. Parton, T.C. Bartram, "A current limiting device using superconducting d.c. bias: applications and prospects," IEEE Transcations on Power Apparatus & Systems, vol.101, pp. 3173-3177, 1982. [2] J.X. Jin, S.X. Dou., C.Grantham, and D.Sutanto "Operating principle of a high T-c superconducting saturable magnetic core fault current limiter". Physica C, 282, Part 4: p.2643-2644, 1997. [3] J.X. Jin, S.X. Dou., C.Cook, C.Grantham, M.Apperley, and T.Beals, "Magnetic saturable reactor type HTS fault current limiter for electrical application". Physica C, 2000. 341-348: p.2629-2630. [4] V.Keilin, I.Kovalev, S.Kruglov, V.Stepanov, I.Shugaev, V.Shcherbakov, I.Akimov, D.Rakov, and A.Shikov, "Model of HTS three-phase saturated core fault current limiter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.10, pp.836-839, 2000. [5] R.F. Giese, "Fault-current limiters - A second look," Argonne Nat. Lab., Argonne, USA March 16, 1995.

본 발명의 목적은 하나의 폐쇄된 강자성 코어 위에 배치되는 적어도 하나의 구리 DC 바이어스 코어를 포함하는 포화된 코어를 갖는 FCL을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전력 공급원으로부터 바이어스 코일들이 분리되는 것과 코일들의 최대 전압을 제어하는 에너지 흡수 소자들을 갖는 전압 제한 회로에서 바이어스 코일들을 연결하는 것에 의해 고장 시에 바이어스 장(field)이 감소되거나 제거된 포화된 코어를 갖는 개선된 전류 제한기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고장 시에 가능한 변성기 결합 효과를 막기 위한 초기 연결에 관하여 2 개의 바이어스 코일 부분(segment)들을 반대 방향으로 연결하는 DC 회로의 스위칭을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적들: DC 바이어스 코일들의 교번 자계(alternating magnetic field)를 감소시키고 따라서 임계 전류의 저하를 막는다; 코어 크기의 증가 없이 바이어스 코일들의 암페어-턴의 수를 감소시킨다.

이러한 목적들은 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치에 의한 본 발명의 제 1 측면에 따라 실현되고, 상기 AC 공급원의 각 상(phase)을 구성하는 상기 전류 제한 장치는: 적어도 하나의 AC 코일에 대해 개방 자기 코어를 형성하고 대향하는 각각의 림이 바이어스 코일에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일에 대해 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 자기 회로를 포함한다.

전류 제한기의 그러한 설계는 작은 질량 및 크기를 갖는 포화된 코어를 구비하는 FCL의 제조를 가능하게 하고 또한 AC 코일 및 DC 바이어스 코일 사이의 변성기 결합을 감소시키거나 제거한다.

자기 회로는, 바람직하게는 제 1 쌍의 대향하는 림들 및 제 2 쌍의 대향하는 림들을 갖는 폐쇄된 자기 코어, 자기 코어의 대향하는 림들을 둘러싸고 부하와 직렬로 연결되도록 구성되는 적어도 하나의 AC 코일, 그리고 자기 코어의 적어도 하나의 림을 둘러싸고, 대향하는 림들 각각이 바이어스 코일에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일을 포함한다:

AC 코일은 일반적으로 코어의 림들의 외부에서 감기기 때문에, AC 코일은 개방 코어를 형성하며, 대향하는 림들은 동일한 방향에서 AC 전류의 교번 반-주기(alternate half-cycles) 동안 교대로 발생하는 AC 플럭스를 받는다. 이와 반대로, DC 바이어스 코일은 DC 플럭스에 대해 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 방법으로 코어의 내부에서 감기고, 완성된 코어의 자기 투과성에 영향을 준다. 특히, DC 바이어스 코일은 비-고장 상태에서 자기 투과성이 낮은 것에 의하여 코어가 자화되도록 한다. 또한, DC 바이어스 코일에 의해 생성된 플럭스는 DC 전류의 방향에 의해 결정되는 고정된 각 방향(시계방향 또는 반시계방향)에서 자기 코어의 4 개의 림들을 둘러싸기 때문에, 하나의 림에서의 AC 플럭스 및 반대 방향의 림에서의 반대 방향의 AC 플럭스처럼 DC 바이어스 코일에 의해 생성된 플럭스는 항상 같은 방향에서 작용한다. 자기 코어의 크기 및 AC 코일의 권선수는 최대 고장 상태에서 AC 코일내의 전류가 코어를 포화시키지 않도록 설계된다. 따라서, 최대 고장 상태에서, 하나의 림의 DC 바이어스 코일에 의해 생성된 포화에 AC 플럭스가 더해지고; 반대 방향의 림에서, AC 플럭스는 DC 바이어스 코일에 의해 생성된 포화로부터 림을 벗어나게 한다. 포화상태로 남아있는 림은 낮은 자기 투과성을 나타내며, 더 이상 포화상태가 아닌 림은 높은 자기 투과성을 나타낸다. 이는, 고장 상태에서 자기 코어의 어떤 횡단면 부분이 항상 높은 코일 임피던스의 원인이 되고, 따라서 고장 전류를 제한하기 위해 동작한다.

DC 바이어스 코일은 비-고장 상태에서 자기 코어의 대향하는 림들을 반대 방향에서 포화되게 바이어싱 하도록 구성되고, AC 코일은 개방 자기 코어 위에 감겨지는 그러한 배치는, 이전에 제안되지 않았으며, 자기 코어의 유효 단면적(effective cross-sectional area) 및/또는 DC 바이어스 코일의 암페어-턴이 감소되도록 한다.

장치의 효율성을 개선하고 고장 상태 하에서 모든 자기 코어를 포화 상태로부터 벗어나게 하기 위해, 바이어스 코일들의 DC 전기 회로는 바람직하게는 고장 상태 동안 DC 바이어스 전류를 감소시키는 전류 감소부(current reduction unit)를 가진다. 전류 감소부가, 고장 시에 DC 전력 공급원으로부터 바이어스 코일들을 분리시키는 스위칭부로 구성되고, 바이어스 코일들 및 바이어스 코일들의 전압을 제한하는 에너지 흡수 소자를 포함하는 경우 효율성이 보다 향상된다.

스위칭 동작은 스위칭이 없는 FCL과 비교할 때 증가되어야 하는 전류 제한기에서의 최대의 전압 강하를 가능하게 한다. 코어의 양 다리는 포화를 벗어나고 코어의 유효 단면적이 증가하기 때문이다. 스위칭부의 사용에 따른 부가적인 효과(유효 코어 투과성의 증가에 따른 결과)는 누설 AC의 상당한 감소이다. DC 바이어스 코일들에 전압이 걸리면, DC 플럭스는 항상 림들 중 하나의 AC 플럭스에 양의 오프셋(positive offset)을, 반대 방향의 림의 AC 플럭스에 음의 오프셋(negative offset)을 제공한다. DC 스위치가 오프(off)되면, 자기도(magnetic picture)는 대칭적이 되고 자기 코어의 모든 림들은 비포화되며, 그에 따라 높은 자기 임피던스의 원인이 된다.

스위칭부는 피드백 코일과 관련하여 상술한 바와 같은 방법으로 채용되는 코어의 형태에 관계없이 장치의 질량이 감소되도록 한다.

본 발명의 다른 면과 관련하여, AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법이 제공되며, AC 공급원의 각 상을 구성하는 전류 제한 장치는 비-고장 상태에서 낮은 임피던스를 제공하고 고장 상태에서 높은 임피던스를 제공하는 자기 회로를 포함하고, 상기 방법은:

적어도 하나의 AC 코일에 대해 개방 자기 코어를 형성하고, 대향하는 림들 각각이 바이어스 코일에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 비-초전도성 바이어스 코일에 대해 폐쇄된 DC 자기 회로를 형성하도록 자기 회로를 구성하고,

고장 상태에서 자기 코어의 어떤 횡단면들은 항상 높은 투과성을 나타내고, 그에 따라, 고장에 견디도록 동작하고 적어도 하나의 AC 코일과 자기 코어의 단면적이 감소되도록 만든다.

바람직하게는, 상기 방법은: 고장 상태 동안 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일의 전류를 감소시키고 그에 따라 코어를 포화상태로부터 벗어나게 한다.

폐쇄된 강자성 코어는 하나의 AC 코일에 대해 개방 코어로 동작하고, 놀랍게도 초전도성 DC 바이어스 코일을 필요로 하지 않는다.

분리는 스위칭 장치에 의해 실행되고, AC 코일의 전압 강하에 의해 제어되고, 또한 고장을 분리한 후에 DC 코일 회로를 회복시킨다.

본 발명을 이해하고 실제로 본 발명이 어떻게 수행되는지 보기 위해, 예들에 제한되지 않고, 수반하는 도면들을 참조하여 몇몇의 바람직한 실시예들이 설명될 것이다:
도 1은 포화된 코어 단일 상 FCL의 종래 기술에 따른 폐쇄된 코어 구성을 그림으로 보여준다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 단일 상 FCL의 사용을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 상 FCL을 위한 폐쇄된 코어를 갖는 자기 회로를 보여준다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단일 상 FCL을 위한 코어의 형태를 보여준다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 포화된 코어 FCL을 보여준다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 포화된 코어 FCL을 보여준다.
도 7은 고장 상태 동안 바이어스 코일들로부터 전력을 끊기 위한 스위칭 시스템을 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 상 FCL을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 8은 고장 상태 동안 바이어스 코일들로부터 전력을 끊고 서로 대향되는 관계로 그것들을 다시 연결하는 스위칭 시스템을 구비한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 상 FCL을 보여주는 개략적인 회로도이다.

아래의 설명에서 다양한 실시예들이 설명된다. 많은 특징들이 다른 실시예들에 공통되는 점에서, 하나 이상의 도면에 공통되는 구성 요소들을 언급하기 위해 동일한 참조 번호들이 채용될 것이다.

본 발명의 장점들을 더욱 완벽하게 인식하기 위해, 전형적인 종래 기술 단일 상 FCL이 먼저 설명될 것이다. 이에 따라, 도 1은 AC 코일(12a 및 12b)을 각각 지지하는 한 쌍의 폐쇄된 자기 코어들(11a 및 11b)을 포함하는 자기 회로를 갖는 종래 기술의 포화된 코어 단일 상 FCL(10)을 그림으로 보여준다. 코어들은 한 쌍의 DC 초전도성 바이어스 코일들(13a 및 13b)을 더 지지한다.

도 2는 단일 상 FCL(10)이 사용되는 시스템(20)의 개략적인 회로도를 보여준다. 일반적으로 전기적 전력 그리드로부터, AC 공급원(21)은 차단기(23)를 통해 부하(22)와 연결된다. 부하(22)는 FCL(10)의 2개의 AC 코일들(12a 및 12b)과 직렬로 연결된다. 각각의 초전도성 바이어스 코일들(13a 및 13b)은 DC 전력 공급원(24)에 연결된다. 모든 동작에서 하나의 코어에서의 바이어스 자기 플럭스(25b)의 방향은 AC 코일(12b)의 자기 플럭스(26b)의 방향과 반대되는 반면에 하나의 코어에서의 바이어스 자기 플럭스(25a)의 방향은 AC 코일(12a)의 자기 플럭스(26a)의 방향과 일치한다. 정상적인 동작 상태에서, 바이어스 코일들(25a 및 25b)은 각각의 코어들(11a 및 11b)을 포화시킨다. 고장 상태에서, AC 코일들(12a 및 12b)은 AC 주기의 상반되는 반 주기 동안 각각의 코어들(11a 및 11b)을 포화로부터 벗어나게 하며, 그에 따라 평균 인덕턴스를 증가시키고, 따라서 전류 증가를 제한한다.

참조 [1]은 폐쇄된 DC-폐쇄된 AC 자기 회로들을 사용하는 도 2에 도시된 것과 같은 FCL의 구현을 설명한다. 약 1000 Oe(즉, 80000 A/m)의 자기장이 코어를 포화시키기 위해 사용되었고 요구되는 정상 상태 임피던스에 도달한다. 즉, 약 400,000 암페어-턴이 대략 4 m 자기 길이(magnetic length)의 코어 윈도우를 포화시키기 위해 사용되었다. 자기 길이 및 암페어 턴은 도 3의 풀 더블 윈도우 코어(full double window core)에서 2배가 되고 각각 길이로 대략 8 m, 암페어-턴은 800,000이 된다. 구리 코일을 사용하는 그러한 FCL을 구현하기 위해서는, 50 mm^2의 단면적으로 100 A의 전류를 전달하는 대략 8000 턴(turns)의 구리선의 사용이 필요했다. 그러한 코일은 약 5.8 Ohm의 저항을 나타내는 16 km 길이의 전선이 요구되었다. 그러한 전류 및 저항과 관련된 계속적인 저항성(ohmic) 손실들은 따라서 약 58 kW이고, 이는 동일한 암페어-턴을 공급하는 초전도성 코일들에 요구되었던 일반적인 5-20 kW 크라이오-쿨러(cryo-cooler)보다 높다. 따라서 그러한 FCL 구성을 위해 요구되는 자기 길이 및 자기장은 바이어스 코일로써의 사용을 위한 선택으로써 구리 코일들을 배제한다.

도 3은 도 2에 도시된 바와 같이 잘 알려진 설계의 2 개의 폐쇄된 코어들과 비교하여 대향하는 짧은 변 쌍(32a 및 32b) 및 긴 변 쌍(33a 및 33b)을 갖는 하나의 폐쇄된 코어(31)를 포함하는 자기 회로를 구비하는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단일 상 FCL(30)을 보여준다. 하나의 비-초전도성 바이어스 코일(34)은 폐쇄된 코어(31)의 짧은 변(32a)들 중 어느 하나에 배치된다. 본 실시예에서 오직 하나의 AC 코일(35)이 사용되고 AC 코일이 개방 자기 코어 위에 배치되는 방법으로 코어의 2 개의 긴 변들(33a 및 33b)을 둘러싼다. 가로 놓인 AC 및 DC 바이어스 코일들의 배치의 장점은 DC가 오프(off)되며 대향하는 림들의 AC 플럭스들이 동일하고 가로 놓인 림들의 중간에서 서로 상쇄시키는 경우 코일들 사이의 상호 인덕턴스가 이상적으로 0이기 때문에 코일들의 변성기 결합이 감소되는 것이다.

도 3에 도시된 구성은 도 2에 도시된 폐쇄된 DC-폐쇄된 AC 구성에 요구되는 1000 Oe보다 훨씬 감소된 300 Oe의 자기장은 폐쇄된 DC-개방 AC를 포화시키는 데 충분하기 때문에 경제적으로 실용적이다. 또한, 폐쇄된 하나의 코어의 둘레에 주어지는 도 3의 DC 회로의 자기 길이는 도 2의 폐쇄된 DC-폐쇄된 AC 구성과 비교하여 2배 내지 3배 감소된다. 이는 6배 내지 10배의 암페어-턴 전체 감소로 이어지고, 구리 바이어스 코일의 비용이 초전도성 코일을 유지하는 비용과 비교하여 경제적으로 실용적이 되게 한다.

도 3에 도시된 구조와 유사한 구조는 WO 2007/029224에서 설명되지만 초전도성 바이어스 코일을 채용한다. 하지만, 초전도성 코일들이 비-초전도성 코일들보다 높은 전류 밀도를 제공하고 보다 적은 저항성 손실로 비-초전도성 코일들보다 더 간단한 해법을 제공하는 코어를 포화시킬 수 있는 반면, 도 3의 설계로부터 제공되는 감소된 DC 자기 길이는 비-초전도성 코일에 의한 포화를 달성하기 위한 선택을 가능하게 한다. 많은 경우에서 이것은 비용을 절약하고 고전압 장치들에 근접하는 극저온 기술사용의 복잡도를 낮추기 때문에 보다 바람직하고, 비용 효율적인 해법이 될 것이다.

도 4는 제 1 실시예와 유사한 제 2 실시예에 따른 FCL(40)을 보여준다. 제 2 실시예는 하나의 바이어스 코일(34) 대신에 2 개의 바이어스 코일들(34a 및 34b)이 코어의 반대 방향의 짧은 변들(32a 및 32b)에 배치되고 따라서 동일한 총 수의 암페어-턴으로 코어의 보다 좋은 포화를 가능하게 한다. 코일로부터 떨어져있는 코어 내의 영역들은 코일에 가까운 영역들보다 덜 포화되기 때문에 이것이 가능하다.

도 5는 동일한 폐쇄된 코어(31)를 가지며 공통 AC 코일(35)이 코어의 긴 변들(33a 및 33b)에 감기는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 FCL(50)을 보여준다. 2개의 DC 바이어스 코일들(34a 및 34b)은 AC 코일(35)에 의해 둘러싸이는 코어의 2개의 긴 변들(33a 및 33b) 위에 배치되고 따라서 바이어스 코일의 보다 작은 수의 암페어-턴으로 코어의 더 좋은 포화를 가능하게 한다.

도 6a 및 6b는 도 6a에 도시된 코어(31)를 접음으로써 형성되는 폐쇄된 자기 코어(31)를 가지고 도 6b에 도시된 것처럼 한 쌍의 분리된 C 형태의 코어들(42a, 42b)을 형성하도록 한 쌍의 라인들(40a-40b 및 41a-41b)과 관련하여 도 2, 3 또는 4에 도시된 것에 대응하는 또 다른 실시예에 따른 FCL(60)을 보여준다. C 형태의 코어들(42a, 42b)은 서로 마주보고 각 코어의 각각의 림들의 개방 단부들(open ends)은 폐쇄된 자기 회로를 형성하도록 변(43a 및 43b)에 의해 자기적으로 연결된다. 2개의 바이어스 코일들(34a 및 34b)은 코어의 변들(43a 및 43b) 위에 감긴다. 제 1 AC 코일(35a)은 C 형태의 코어(42a)의 반대 방향의 림들을 둘러싸고 제 2 AC 코일(35b)은 C 형태의 코어(42b)의 반대 방향의 림들을 둘러싼다. 이러한 구성은 도 3에 도시된 제 1 실시예보다 코어의 더 나은 포화를 가능하게 한다.

상술된 모든 실시예들은 DC 코일들에 의해 반대 방향에서 포화되도록 자화되는 코어의 2개의 림들을 둘러싸는 AC 코일(35)에 의해 특징지어진다. 코어는 AC 코일 만에 의해 의해서는 절대 포화되지 않고 AC 공급원의 상반되는 반주기 동안 반대 방향에서 “AC 림”들을 자화시키는 DC 바이어스 코일들에 의해 포화된다. 결과적으로 지금까지 제안된 FCL들에서 일반적으로 행해졌던 것처럼 DC 바이어스 코일들이 코어를 계속 자화시킨다면 고장 상태 동안 다른 림이 더욱 깊은 포화로 빠져드는 동안 오직 하나의 림이 포화상태로부터 벗어난다. 하지만, 고장 시에, DC 바이어스 코일 또는 코일들(34)의 전류는 본 발명에서 행해진 것처럼 감소되고, AC 코일의 최대 자기 플럭스는 코어의 포화 없이 증가될 수 있고, 따라서 FCL의 최대 허용 전압 강하를 증가시킨다. 이러한 효과는 코어의 크기를 줄이는 것과 동일하며 이는 고장 동안 양 림들은 모두 포화로부터 벗어나기 때문이다. 결과적으로, AC 코일 및 코어의 단면적은 감소될 수 있다.

도 7은 고속 트랜지스터 스위치(72) 및 전기 회로의 최대 전압을 제한하는 에너지 흡수 소자(73)를 포함하는 스위칭부(71)를 경유하여 DC 공급원(24)에 의해 바이어스 코일(34)에 전압이 공급되는 도 3에 도시된 FCL(30)을 포함하는 시스템(70)을 보여주는 개략적인 회로도이다. 스위칭부(71)는 따라서 DC 바이어스 코일의 전류를 감소시키도록 동작한다. 다른 소자들은 도 2에 도시된 시스템(20)과 유사하고 동일한 번호를 갖는다. 시스템(70)은 다음과 같이 동작한다. AC 코일(35)은 일반적으로 양 림들 모두에 감겨지기 때문에, 모든 동작에서 양 림들 내의 자기 플럭스는 도면에서 왼쪽 또는 오른쪽으로 향할 것이다. 정상 상태에서, DC 바이어스 코일(34)은 림들(33a 및 33b)이 반대 방향에서 포화되도록 코어를 포화시키고, 따라서 AC 코일(35)은 낮은 임피던스를 나타낸다. 고장 상태에서, DC 바이어스 코일(34)이 효과있는 동안 AC 코일을 통과하여 흐르는 전류는 증가하고, 교번 반 주기 동안, AC 코일(35)은 림들(33a 및 33b) 중 어느 하나 각각의 포화도를 감소시킨다. 따라서, AC 코일(35) 내부의 자기 플럭스 및 그것과 관련된 인덕턴스는 림들(33a 및 33b) 중 오직 하나에 의해 즉, 전체 코어 단면적의 절반에 의해 정의된다. 하지만, 고장 상태에서 스위칭부(71)가 DC 바이어스 코일(34)로부터 DC 전력원(24)의 연결을 차단하면, DC 바이어스 코일의 전류가 낮아지고, 그에 따라 림들(33a 및 33b)을 포함하는 전체 코어의 포화도가 감소하고, AC 코일(35) 내부의 코어의 유효 단면적이 2배로 증가하고 코어의 임피던스가 증가한다. 이는 종래에 제안된 토폴로지(topology)와 비교하여 상당히 감소된 단면적을 갖는 AC 코일 및 자기 코어를 구비하는 토폴로지(topology)로 동일한 전류 제한 효과가 달성될 수 있다는 것을 의미한다.

에너지 흡수 소자(72)는 스위칭 시간 동안 코일(34) 전체에 걸친 전압을 제한하기 위해 필요하다. 이러한 과도 시간(transient time) 상황 동안 림들(33a 및 33b) 내의 자기 플럭스들은 동일하지 않고, 림들(32a 및 32b) 내의 자기 플럭스의 빠른 변화는 DC 바이어스 코일들에 해로울 수 있는 바이어스 코일의 교번 전압/전류를 유발할 수 있다. 스위칭부(71)는 DC 바이어스 코일(34)로부터 DC 전력원(24)의 연결을 차단할 뿐만 아니라 2개의 DC 바이어스 코일들(34a, 34b) 또는 하나의 DC 바이어스 코일(34)의 2개의 부분들을 반대 방향에서 연결하고, 따라서 DC 바이어스 코일 회로에서 전체 AC 전압을 최소화하고 그로부터 흐르는 AC 전류를 방지한다. 2개의 에너지 흡수 소자들(83a, 83b)은 각각의 DC 바이어스 코일 또는 반 코일(half coil)의 전압을 제한하기 위해 필요하다. FCL의 전압 강하는 스위칭부(71)를 트리거(trigger)시킨다. 고장이 발생하면, 이러한 전압은 일반적으로 정확하고 신뢰할 수 있는 고장 검출을 가능하게 하는 10배의 범위에서 갑작스럽게 변화한다.

도 8은 스위칭부(81)를 경유하여 DC 공급원(24)에 의해 전압이 공급되는 2개의 DC 코일들(34a 및 34b)을 각각 갖는, 도 4 및 도 5에 도시된 FCL(40) 또는 FCL(50)를 포함하는 시스템(80)을 보여주는 개략적인 회로도이다. 스위칭부(81)는 제 1 및 제 2 고속 트랜지스터 스위치들을 포함하고, 제 1 및 제 2 고속 트랜지스터 스위치들은 보통은 폐쇄된 컨택(82a, 83b)들과 보통은 개방된 컨택(82c, 82d)들을 가지며, 전기 회로에서 최대 전압을 제한하는 제 1 및 제 2 에너지 흡수 소자(83a, 83b)들에 대응한다. 고장 상태에서, 컨택(82a 및 82b)들은 개방되고 그에 따라 DC 바이어스 코일(34a 및 34b)들로부터 DC 공급원(24)의 연결을 차단한다; 반면, 동시에, DC 바이어스 코일(34a 및 34b)들이 DC 코일들의 가능한 유도 전압 및 그 전류가 최소화되는 방법으로 서로에 대해 반대로 감겨지도록 컨택(82c 및 82d)들은 닫히고 그에 따라 각각의 DC 바이어스 코일(34a 및 34b)들을 역 위상(anti-phase)으로 연결한다. 에너지 흡수 소자(83a, 83b)들은 바이어스 코일들 각각의 전압을 제한한다.

주장된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 예시적인 실시예들에 대한 수정들이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 예시적인 실시예들에서, 스위칭부는 DC 바이어스 코일들로부터 DC 공급원의 연결을 차단하기 위해 사용될 수 있고 그에 따라 DC 바이어스 전류를 0으로 감소시킨다. 이러한 상태들 하에서, 자기 코어의 대향하는 림들 내의 AC 플럭스들은 서로 동일하다. 하지만, 본 발명은 또한 DC 바이어스 전류를 0보다 작게 감소시키는 것을 고려한다. 코어의 단면적의 적어도 절반이 항상 AC 코일 전류에 의해 포화로부터 벗어나는 것처럼 이것은 여전히 작용할 것이다. DC 바이어스 전류의 모든 감소는 제한 효과에 관여하는 유효 단면적을 증가시킨다. 전류 감소는 피드백, 예를 들어, WO 2007/029224 및 WO 2004/068670에서 알려진 또는 다른 적절한 방법을 사용함으로써 달성될 수 있다.

본 발명은 적어도 하나의 AC 코일을 위한 개방 자기 코어를 형성하고, 대향하는 림들 각각이 바이어스 코일에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 구리 바이어스 코일을 위한 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 모든 자기 회로를 포괄한다. 그러한 자기 회로는 비록 DC 바이어스 전류의 감소 없이 효율성이 더 낮을지라도 스위칭부에 독립적으로 전류 제한 장치를 위한 활용성을 갖는다. 설명 및 청구항에서 사용된 전류 감소부라는 용어는 DC 바이어스 전류가 0이 아닌 값으로 유지되거나 완전히 단절 되든지에 관계없이 DC 바이어스 전류를 감소시키기 위한 모든 회로를 포괄한다.

최종적으로, 설명된 실시예들에서, 비-초전도성은 구리로 형성되는 것으로 인식될 수 있으며, 본 발명은 거기에 제한되는 것으로 해석되어서는 안되고, 알루미늄, 은, 금, 금속 합금, 기타 등등과 같은 모든 다른 적절한 금속이 이용될 수 있다.

Claims

AC 공급원의 각 상(phase)에 대해, 자기 코어(31)의 대향하는 림(limbs, 33a, 33b)들을 둘러싸는 적어도 하나의 AC 코일(35a, 35b)에 대해 개방 자기 코어(31)를 형성하고, 상기 대향하는 림(33a, 33b)들 각각이 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 상기 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 상기 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)에 대해 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 자기 회로를 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치(30, 40, 50, 60).
제 1 항에 있어서,
상기 개방 자기 코어(31)는 암페어-턴-관련 전력 손실들이 초전도성 DC 바이어스 코일이 대신 사용되는 경우에 상기 초전도성 DC 바이어스 코일을 냉각시키기 위해 요구될 수 있는 전력과 비슷하거나 보다 적도록 치수가 결정되는 전류 제한 장치(30).
제 1 항에 있어서,
상기 자기 회로는 제 1 쌍의 대향하는 림(32a, 32b)들 및 제 2 쌍의 대향하는 림(33a, 33b)들을 갖는 폐쇄된 자기 코어(31),
상기 자기 코어(31)의 대향하는 림(33a, 33b)들을 둘러싸고 부하와 직렬로 연결되도록 구성되는 적어도 하나의 AC 코일(35a, 35b),
상기 자기 코어(31)의 적어도 하나의 림(32a, 32b)을 둘러싸고 상기 대향하는 림(33a, 33b)들 각각이 상기 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 상기 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)을 포함하는 전류 제한 장치(30).
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 쌍의 대향하는 림(32a, 32b)들 중 하나의 림(32a)을 둘러싸는 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b), 그리고
상기 제 2 쌍의 대향하는 림(33a. 33b)들을 둘러싸는 하나의 AC 코일(35)을 포함하는 전류 제한 장치(30).
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 쌍의 대향하는 림(32a, 32b)들의 각각의 림을 각각 둘러싸는 한 쌍의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b), 그리고
상기 제 2 쌍의 대향하는 림(33a, 33b)들을 둘러싸는 하나의 AC 코일(35)을 포함하는 전류 제한 장치(40).
제 3 항에 있어서,
상기 제 2 쌍의 대향하는 림(33a, 33b)들의 각각의 림을 각각 둘러싸는 한 쌍의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b), 그리고
상기 제 2 쌍의 대향하는 림(33a, 33b)들을 둘러싸는 하나의 AC 코일(35)을 포함하는 전류 제한 장치(50).
제 3 항에 있어서,
상기 자기 코어는 각각의 개방 단부들이 각각의 변(43a, 43b)에 의해 자기적으로 연결되는 림들을 갖는 제 1 및 제 2 분리된 C 형태의 코어(42a, 42b)들,
상기 코어의 상기 변(43a, 43b)들 각각을 각각 둘러싸는 한 쌍의 DC 바이어스 코일(34a, 34b)들,
상기 제 1 분리된 C 형태의 코어(42a)의 반대되는 림들을 둘러싸는 제 1 AC 코일(35a), 그리고
상기 제 2 분리된 C 형태의 코어(42b)의 반대되는 림들을 둘러싸는 제 2 AC 코일(35b)을 포함하는 전류 제한 장치(60).
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
고장 상태 동안 상기 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)의 전류를 감소시키는 전류 감소부(71)를 더 포함하는 전류 제한 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 전류 감소부(71)는 고장 상태 동안 전력 공급원으로부터 상기 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)의 연결을 차단하도록 구성되는 전류 제한 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
각각의 에너지 흡수 소자(73, 83a, 83b)는 상기 적어도 하나의 DC 바이어스 코일(34a, 34b)을 가로질러 연결되는 전류 제한 장치.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 감소부(71)는 고장 상태 동안 상기 바이어스 코일의 전류를 감소시키고 연결 차단 또는 고장 종료 후에 상기 바이어스 코일의 전류를 회복시키도록 상기 적어도 하나의 AC 코일(35a, 35b) 전압 강하에 의해 제어되는 전류 제한 장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 DC 바이어스 코일(34a, 34b)은 구리로 형성되는 전류 제한 장치.
적어도 하나의 AC 코일에 대해 개방 자기 코어를 형성하고, 대향하는 림들 각각이 비-초전도성 DC 바이어스 코일에 의해 반대 방향에서 포화되도록 비-고장 상태에서 상기 자기 코어를 포화시키기 위해 바이어싱하는 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일에 대해 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 자기 회로를 구성하는 것을 포함하고,
고장 상태에서 상기 자기 코어의 몇몇 횡단면들은 항상 높은 투과성을 나타내고, 그에 따라, 고장에 저항하도록 동작하고 상기 적어도 하나의 AC 코일과 상기 자기 코어의 단면적이 감소되도록 하는 것을 가능하게 하고,
AC 공급원의 각 상에 대해 비-고장 상태에서 낮은 임피던스를 제공하고 고장 상태에서 높은 임피던스를 제공하는 자기 회로를 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법.
제 13 항에 있어서,
고장 상태 동안 상기 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)의 전류를 감소시킴으로써 상기 적어도 하나의 AC 코일(35a, 35b)을 포화로부터 벗어나게 하고 상기 AC 코일들 및 자기 코어의 횡단면 영역을 감소시키는 것을 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법.
제 13 항에 있어서,
고장 상태 동안 전원 공급원으로부터 상기 적어도 하나의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)의 연결을 차단하는 것을 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 자기 회로는 한 쌍의 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)을 포함하고,
상기 비-초전도성 DC 바이어스 코일에 걸친 유도 전압 및 상기 비-초전도성 DC 바이어스 코일을 통과하는 유도 전류를 최소화하도록 상기 비-초전도성 DC 바이어스 코일(34a, 34b)들을 역 위상으로 연결하는 것을 더 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법.
제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 DC 비-초전도성 바이어스 코일(34a, 34b)을 각각의 에너지 흡수 소자(73, 83a, 83b)로 연결하는 것을 더 포함하는 AC 공급원을 위한 전류 제한 장치의 질량을 감소시키는 방법.