TWI606665B - 快速開關故障電流限制器及電流限制器系統 - Google Patents

快速開關故障電流限制器及電流限制器系統 Download PDF

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TWI606665B TW103128776A TW103128776A TWI606665B TW I606665 B TWI606665 B TW I606665B TW 103128776 A TW103128776 A TW 103128776A TW 103128776 A TW103128776 A TW 103128776A TW I606665 B TWI606665 B TW I606665B
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Description

快速開關故障電流限制器及電流限制器系統
本發明是有關於一種電流控制裝置，且特別是有關於一種故障電流限制器裝置和系統。
故障電流限制器(FCL)用以提供保護，防止(例如)在輸電網絡和配電網路中的電流浪湧。在過去幾十年中已經研發了各種類型的FCL，包含超導故障電流限制器(SCFCL)、固態故障電流限制器(SSFCL)、電感故障電流限制器以及在所屬領域中所熟知的其它種類。實施FCL的供電系統可以包含用以為各種工業、商業和/或住宅電力負載發電並送電的發電、輸電以及配電網路。
故障電流是可能由系統中的故障(例如，短路)引起的電力系統中的異常電流。由於任何數的事件或故障，例如電源線或其它系統元件被惡劣的天氣(例如，閃電)破壞，可能在系統中出現故障電流。當出現此類故障時，在電路中可能暫態呈現大的負載。作為響應，網路向故障負載輸送大量電流(即，故障電 流)。此電流的浪湧是不需要的，因為電流的浪湧可能破壞可以是(例如)網路自身或連接到網路上的設備的負載。正是關於這些以及其它考量，需要進行本發明的改良。
提供此概述，以簡化形式引入下文在具體實施方式中進一步描述的概念選擇。此概述並不意圖確定所主張的標的物的關鍵或基本特徵，也並不意圖被用作輔助確定所主張的標的物的範圍。
本發明提供一種使用機械保護構件促進故障電流保護的快速開關故障電流限制器。作為一實例，根據本發明的快速開關故障電流限制器(FSFCL)可以包含具有斷路器電觸點的斷路器、電耦合到斷路器電觸點上的線圈、以及機械耦合到斷路器電觸點上的柱塞，其中當高於閾值電平的電流流過線圈時，產生具有能移動柱塞的強度的磁場，柱塞的移動起作用以斷開斷路器中的觸點。
本發明提供一種電流限制器系統，所述電流限制器系統包括：快速開關故障電流限制器，所述快速開關故障電流限制器具有斷路器電觸點、電耦合到斷路器電觸點上的線圈、以及機械耦合到斷路器電觸點上的柱塞，其中當高於閾值電平的電流流過線圈時，產生具有能移動柱塞的強度的磁場，柱塞的移動起作用以斷開斷路器電觸點；電壓控制電抗器，所述電壓控制電抗器並 聯連接到快速開關故障電流限制器上；以及瞬態過電壓控制電路，所述瞬態過電壓控制電路並聯連接到快速開關故障電流限制器和電壓控制電抗器上，其中當高於閾值電平的電流流過線圈時，電流轉移到電壓控制電抗器和瞬態過電壓控制電路上以限制整個系統的故障電流。
本發明提供一種快速開關故障電流限制系統，所述快速開關故障電流限制系統包括：快速開關，所述快速開關具有含電觸點的斷路器以及電耦合到斷路器電觸點上的線圈，其中快速開關產生磁場；柱塞，所述柱塞機械耦合到快速開關上；以及其中當高於閾值電平的電流流過快速開關時，產生通過快速開關產生的具有能移動柱塞的強度的磁場，柱塞的移動起作用以斷開斷路器中的觸點並且切斷流過快速開關的電流。
100‧‧‧快速開關故障電流限制器(FSFCL)電路
101‧‧‧電源
103‧‧‧介面電路
105‧‧‧電路斷路器
106‧‧‧輸電線
107‧‧‧變電站的介面
109‧‧‧變壓器
110‧‧‧快速開關
111‧‧‧斷路器
111a‧‧‧斷路器電觸點
112‧‧‧線圈
112a‧‧‧線圈
112b‧‧‧線圈
112c‧‧‧線圈
113‧‧‧柱塞
113a‧‧‧槓桿臂
114‧‧‧定時電路
114a‧‧‧氣缸
114b‧‧‧彈簧機構
115‧‧‧斷路器
117‧‧‧匹配電路
119‧‧‧匹配電路
120‧‧‧VCR
121‧‧‧電力負載
123‧‧‧電力負載
125‧‧‧短路故
130‧‧‧CSR
140‧‧‧TOCC
150‧‧‧電流感測器
175‧‧‧控制器
180‧‧‧鎖定機構
182‧‧‧預行程調節裝置
200‧‧‧電流限制性能圖
203‧‧‧傳導裝置
204‧‧‧繞組\第一導電繞組
205‧‧‧傳導裝置
206‧‧‧繞組\第二導電繞組
300‧‧‧電流限制性能圖
310‧‧‧預期故障電流
320‧‧‧受限制的故障電流曲線
325‧‧‧第一峰值
800‧‧‧圖
812‧‧‧曲線
1050‧‧‧圖
1100‧‧‧圖
1200‧‧‧圖
1303‧‧‧磁芯
1200~1250‧‧‧步驟
圖1描繪根據一實施例的快速開關故障電流限制(FSFCL)系統。
圖2描繪用於根據一實施例描述的FSFCL電路的電流限制性能圖。
圖3描繪用於根據一實施例描述的具有用作快速斷流器的快速開關的FSFCL電路的電流限制性能圖。
圖4描繪根據一實施例的具有快速開關以及電壓控制電抗器(VCR)的FSFCL電路。
圖5描繪根據一實施例的具有快速開關但不具有電壓控制電抗器(VCR)的FSFCL電路。
圖6描繪根據一實施例的具有快速開關以及電壓控制電抗器(VCR)的另一FSFCL電路。
圖7描繪根據一實施例的具有快速開關、電壓控制電抗器(VCR)以及瞬態過電壓控制電路的另一FSFCL電路。
圖8A到8B描繪根據一實施例的快速開關。
圖8C描繪實例故障電流保護圖。
圖9描繪根據一實施例的另一快速開關。
圖10描繪故障的能量限制特徵對比預期能量的圖。
圖11描繪故障的能量限制特徵對比預期能量的另一圖。
圖12圖示根據本發明的實施例的固態故障電流限制器系統的操作方法。
圖13描繪根據本發明的實施例的具有繞芯捲繞的第一導電繞組和第二導電繞組的FCL電路。
現將在下文中參考附圖更充分地描述各種實施例。本文所描述的實施例可以以許多不同形式體現並且不應被解釋為限於本文所闡述的實施例。相反，提供實施例是為了使得本發明將是透徹並且完整的，並且實施例將把本發明的範圍完整地傳達給所屬領域的技術人員。在以下描述中，出於解釋的目的，闡述許多 特定細節以便提供對實施例的透徹理解。然而，顯而易見的是，可以在不具有特定細節的情況下實踐新穎的實施例。在其他情況下，熟知的結構和裝置以方塊圖形式示出以便於描述熟知的結構和裝置。目的是為了涵蓋符合所主張的標的物的所有修改、等效物以及替代方案。在圖式中，相同編號始終指代相同元件。
圖1繪示了在輸電和配電系統1000中實施的快速開關故障電流限制器(FSFCL)電路100。一般來說，FSFCL電路100可以經配置以保護在各種供電系統(例如，輸電、配電以及發電網路)中的各種電路和/或負載以免遭受短路故障電流。
電源101通過介面電路103以及電路斷路器105供電，介面電路103具有包括有功分量Rs和無功分量Xs的複阻抗Zs。輸電線106導向具有變電站的介面107，變電站具有經配置以將傳輸線電壓步進到與電力負載121/123相容的電壓的變壓器109。變壓器109的輸出端可以耦合到斷路器111(例如，也可以是傳導裝置203和/或205的電路斷路器)以及FSFCL電路100。FSFCL電路100可以通過斷路器115(例如，電路斷路器)和匹配電路117、119耦合到電力負載121/123上。可以設置其它負載和匹配電路。可能存在短路故障125，並且若存在，將通過本文所描述的各種實施例的操作來隔離所述短路故障。
FSFCL電路100可以經由傳導裝置203和205串聯電連接到電源101以及一個或多個電力負載121、123上。在一個實施例中，電流感測器150可以耦合到具有記憶體以及至少一個處理 器裝置的控制器175上和/或與控制器175結合。控制器175或電流感測器150任一者可以耦合到FSFCL電路100上。所屬領域的一般技術人員應瞭解，FSFCL電路100可以在各種其它應用以及電源系統組態中實施。因此，在圖1中描繪的特定電源系統借助於實例示出並且並不意圖為限制性的。
FSFCL電路100可以於其中並非極其需要對故障的第一峰值進行故障保護的應用中實現。例如，FSFCL電路100可以經配置以在故障條件出現時迅速(例如，在半個週期內)限制故障電流。在一些實例中，FSFCL電路100可以經配置以在不到一個週期內感測並且限制故障電流(例如，對於60Hz系統，<17ms，對於50HZ系統，<20ms或類似者)。將瞭解，電路斷路器可能需要花費3個以上週期來感測並且限制故障。因此，可以耐受第一峰值故障電流的系統可以尤其適合於使用FSFCL電路100的保護。
圖2繪示用於FSFCL電路100的示例性電流限制性能圖200。具體來說，圖2描繪了預期故障電流310對比受限制的故障電流曲線320(例如，如受FSFCL電路100限制的電流)。電流限制性能圖200圖示了介於-0.4pu直到1pu範圍內的每單位(pu)電流對比以毫秒(ms)測量的介於0ms到100ms範圍內的時間。在大約16ms與19ms之間的預期故障電流的第一峰值325不受限制，然而，預期故障電流的其餘部分降低了大約50%。
圖3繪示了用於具有用作快速斷流器的快速開關的 FSFCL電路100的示例性電流限制性能圖300。具體來說，圖3描繪了預期故障電流曲線310對比受限制的故障電流曲線320(例如，如受FSFCL電路100限制的電流)。電流限制性能圖300圖示了介於-0.4pu直到1pu範圍內的每單位(pu)電流對比以毫秒(ms)測量的介於0ms到100ms範圍內的時間。在大約16ms到19ms之間的預期故障電流的第一峰值325不受限制，然而，預期故障電流的其餘部分被中斷並且降至零。當FSFCL電路100與用作快速斷流器的快速開關一起使用時，受限制的故障電流曲線320被FSFCL電路100中斷。
圖4到7描繪了根據本發明的至少一些實施例佈置的各種示例性FSFCL電路100。在圖4到7中描繪的FSFCL電路100中的每一者包含快速開關110(將參考圖8A到8B以及圖9更詳細地描述)。一般來說，快速開關110是電磁開關機構，包含反繞的繞組204和206線圈以產生能移動柱塞從而斷開開關並且限制電流的磁場。一旦快速開關110斷開，電流即被轉移到並聯連接的分流裝置(例如，電壓控制電抗器或類似者)上並且故障電流不被電力負載121/123接收(見圖1)。
圖4描繪了具有快速開關110以及電壓控制電抗器(VCR)120的FSFCL電路100。快速開關110與VCR 120並聯電連接。在FSFCL電路100的穩態操作期間(例如，未檢測到故障電流)，電流(“IT”)將從傳導裝置203流到FSFCL電路100中並且通過快速開關110。進入的系統電流IT在流過VCR 120的 第一分量IVCR與流過快速開關110的電流IFS之間分離。更確切地說，在穩態操作期間，快速開關110中的開關觸點將閉合。因此，快速開關110將電流從傳導裝置203傳導到傳導裝置205上，從而有效地從源輸電到電力負載121/123上。當檢測到電流故障時，快速開關110將斷開，迫使電流通過並聯連接的VCR 120。VCR 120用以分流和/或限制從源流到電力負載121/123上的電流。換句話說，在故障電流條件期間，快速開關將斷開並且電流IT將被迫使流過VCR 120。
與圖4不同，圖5描繪了具有快速開關110但不具有VCR 120的FSFCL電路100。在圖5中，FSFCL電路100包含快速開關110但並不包含VCR 120的使用。此處，快速開關110用作快速斷流器。在FSFCL電路100的穩態操作期間(例如，未檢測到故障電流)，電流(“IT”)將從傳導裝置203流到FSFCL電路100中並且通過快速開關110。更確切地說，在穩態操作期間，快速開關110中的開關觸點將閉合。因此，快速開關110將電流從傳導裝置203傳導到傳導裝置205上，從而有效地從源輸電到電力負載121/123上。當檢測到電流故障時，快速開關110將斷開，從而限制或“快速中斷”從源流到電力負載121/123上的電流。換句話說，在故障電流條件期間，快速開關將斷開並且電流IT將受限制(產生開路)。
現在轉向圖6，描繪了FSFCL電路100的另一示例性實施例。FSFCL電路100包含快速開關110以及電壓控制電抗器 (VCR)120。在一些實例中，例如，對於高負載電流應用，FSFCL電路100還可以包含電流分離電抗器(CSR)130。CSR 130可以經配置以減少穩態電流處理需要，使得可以使用較不複雜的和/或更低成本的和/或更低額定電流的快速開關110。在一些實例中，圖6中所描繪的FSFCL電路100可以用於承載1kAmps或更大(例如，輸電和/或配電)的電路。FSFCL電路100還可以包含電流分離電抗器(CSR)130。CSR 130可以經配置以減少穩態電流處理需要，使得可以使用較不複雜的和/或更低成本的和/或更低額定電流的快速開關110。
CSR 130包含第一導電繞組204以及第二導電繞組206。第二導電繞組206可以是相對於第一導電繞組204反繞的。CSR 130包含可以經配置以在穩態操作期間呈現最小阻抗並且在故障條件期間呈現相對較大阻抗以有效限制故障電流的第一導電繞組204以及第二導電繞組206。CSR 130可以用來管理高系統電流，使得更小比例的標準/穩態和故障電流流過FSFCL電路100。進入的系統電流IT在流過第一導電繞組204的第一分量IW1與流過第二導電繞組206的第二分量IW2之間分離。電流IW2進一步在流過VCR 120的電流IVCR與通過快速開關110的電流IFS之間分離。
在一個實施例中，第一導電繞組204可以與第二導電繞組206以反向並聯的關係電連接。進入CSR 130的電流被引導在第一方向上通過第一導電繞組204並且在相反的第二方向上通過第二導電繞組206。在一個實施例中，流過第一導電繞組204的電 流可以因此與流過第二導電繞組206的電流相等，並且由於第一導電繞組204與第二導電繞組206在上述反向並聯的配置中佈置，因此導電繞組將磁性耦合並且將呈現可忽略的淨阻抗和/或同等的阻抗。例如，在雙繞無感線圈佈置中，第一導電繞組204與第二導電繞組206可以繞磁芯(例如，圖13中示出的磁芯1303)捲繞。有其它繞組佈置可供使用並且可以取決於偏好和/或技術需求來應用。在此考慮芯可以是具有如所屬領域的一般技術人員將瞭解的特定應用的電流限制要求所指示的尺寸的鐵芯或空氣芯。
通過使用具有合適匝數的第一導電繞組204和第二導電繞組206，可以調整FSFCL電路100的穩態操作以沿著並聯路徑IW1和IW2分配穩態電流，使得若x%的穩態電流沿著路徑IW1流動，則剩餘的(100-x)%的穩態電流沿著路徑IW2流動。可替代地，若x%的穩態電流沿著路徑IW2流動，則剩餘的(100-x)%的穩態電流沿著路徑IW1流動。因此，在穩態操作(例如，穩態條件)期間，CSR 103的第一導電繞組204和第二導電繞組206可以設定成以預定的方式沿著並聯路徑IW1和IW2分配穩態電流。
在一個實施例中，例如，第一導電繞組204和第二導電繞組206可以經選定具有合適的匝數，用於在路徑IW1與IW2之間均勻分配FSFCL電路100中的電流，使得電流可以經分配使得50%的電流沿著路徑IW2流動並且50%沿著路徑IW1流動。在其它實施例中，比率可以設定成40%沿著路徑IW2流動並且60%沿著路徑IW1流動；30%沿著路徑IW2流動並且70%沿著路徑IW1流動。換句 話說，沿著對應的路徑IW1和IW2比率可以設定成例如40/60、30/70、20/80。在其中必須更精確地設定電流分配的一些情況下，可以作為可選裝置實施外部調諧繞組(未示出)。在FSFCL電路100的穩態操作期間，具有反繞的第一導電繞組204和第二導電繞組206的電流分離電抗器裝置130消除了電流分離電抗器的芯內部的磁場。更確切地說，電流分離裝置將穩態電流(例如，系統電流IT)分開到在相反方向上流過第一導電繞組204和第二導電繞組206的兩個支路(IW1和IW2)中，從而產生在電路中引起可忽略的同等阻抗或淨阻抗的淨零或可忽略的磁場。因此，第一導電繞組204的電抗實質上被第二導電繞組206的經相反地引導的電抗中和。如此，通過選擇具有合適匝數的第一導電繞組204和第二導電繞組206，可以通過CSR路由預定部分的穩態電流。相對於常規FCL系統降低了在FSFCL電路100上的穩態電流負載。因此，也可以降低FCL的成本和物理大小。
在FSFCL系統100的穩態操作期間，電流分離裝置130將電流分開到在相反方向上流過第一導電繞組204和第二導電繞組206的兩個支路中，從而產生在電路中引起可忽略的同等阻抗或淨阻抗的淨零或可忽略的磁場。因此，第一導電繞組204的電抗實質上被第二導電繞組206的經相反地引導的電抗中和。如此，通過選擇具有合適匝數的第一導電繞組204和第二導電繞組206，可以通過FSFCL電路110路由預定部分的穩態電流。相對於系統總負載電流降低了在FSFCL 100上的穩態電流負載。因 此，也可以降低FSFCL 100的成本和物理大小。
出現故障條件時，FSFCL 100驅動到故障狀態中，其中FS 110斷開且FSFCL 100呈現的阻抗增大，並且與在穩態操作期間電流的比例相比，通過第二導電繞組206和與VCR 120並聯的FS 110的電流的比例相對於第一導電繞組204明顯降低。因此，第一導電繞組204和第二導電繞組206將不再產生相等的且相反的磁場，並且將會失去強磁性耦合。因此，相對於限制系統中的故障電流的穩態操作，繞組將呈現更高的同等的電流限制阻抗或淨電流限制阻抗。
在一些實例中，CSR 130中的第一導電繞組204和第二導電繞組206可以是3：1。更具體地說，第二導電繞組206可以具有的匝數是第一導電繞組204的匝數的3倍。因此，在正常操作期間，大約25%的電流將流過快速開關110。
圖7圖示了所描繪的FSFCL電路100的示例性實施例。FSFCL電路100包含快速開關110、控制電抗器VCR 120，並且在一些實例中FSFCL電路100還可以包含TOCC 140。一般來說，TOCC 140是瞬態過電壓抑制電路，包含並聯連接的串聯電阻和電容(RC)電路(電阻標記為R且電容標記為C)、電阻(標記為Rp)以及緩衝電路(例如，金屬氧化物壓敏電阻(標記為MOV)或類似者)。在一些實例中，TOCC 140可以使用較高的電容值和電阻值，例如，可以使用>100μs(R*C>100μs)的時間常數。故障電流限制器的應用是在具有較高電感的電路中的電源頻率下操 作。其結果是，L.di/dt可以產生非常高的瞬態過電壓。具有較高電容值和電阻值的TOCC 140可以便於抑制較高電感電路中的瞬態過電壓。
圖8A和8B圖示了閉合位置(圖8A)和斷開位置(圖8B)中的快速開關110的示例性實施方案。換言之，圖8A中示出的是穩態操作條件(例如，未檢測到故障)下的快速開關110，而圖8B中示出的是故障電流條件下的快速開關110。圖8C圖示了示出快速開關110的斷開力(Y軸)對比電流(X軸)的圖800。斷路器111可以是任何類型的開關，包含電介質材料例如SF6、油、空氣、真空或其它，使得快速開關110可以通過來自線圈112的電磁力來斷開/閉合，並且能夠處理在斷開和閉合週期期間電流產生的電弧。
首先如圖8A，在穩態操作期間，斷路器111(例如，真空斷路器瓶)中的斷路器電觸點111a閉合。因此，電流(即，IFS)通過快速開關110從源流到負載上。更確切地說，電流通過斷路器111、通過線圈112流到快速開關中，並且流出快速開關，如通過與IFS相關聯的箭頭所指示。當經歷電流故障時，電流將增大，並且由流過線圈112的增大的電流產生的電磁力也將增大(參考圖8C)。當電磁力達到取決於FSFCL電路100的應用的一定預定電平時，電磁柱塞113被移位，致使槓桿臂113a斷開斷路器電觸點111a。線圈112的大小將取決於基於用以使電磁柱塞113移位並且因此使槓桿臂113a移位所需的力“F”的特定應用，力“F” 滿足方程式F=kI2，其中“k”是與電磁柱塞113和槓桿臂113a相關聯的機械常數。如圖8C中所示，隨著電流“I”增大，使電磁柱塞113移位所需的力F也增大，如曲線812所示，而保持斷路器電觸點111a閉合所需的力F仍然是常數。相應地，在穩態操作中，快速開關110的設計使得由流過線圈112的電流形成的電磁力足夠低，從而不會迫使斷路器111觸點斷開。當高於穩態工作電流的故障電流流過線圈112時，產生高於穩態的電磁力，其程度使得電磁力移動電磁柱塞113，致使斷路器電觸點111a斷開。
請參考圖8B，斷路器111的斷路器電觸點111a為斷開。一旦斷開，通過快速開關110的電流路徑被破壞，並且電流轉移到並聯的分流電路(例如，VCR 120、TOCC 140或類似者)上，若分流電流有設置的話。在一些實例中，快速開關110經設計以在電流零交叉點處斷開(參考圖2)。斷路器111可以是真空式斷路器，具有與電流零交叉點斷開相關聯的充分的操作特徵。因此，可以通過零電流切斷或最小電流切斷來實現在電流零交叉點處斷開。此外，如上文與圖7相關的描述，一些實例可以使用TOCC 140提供瞬態過電壓保護。TOCC 140可以包含電阻、電容以及MOV。
在快速開關110的穩態操作期間，線圈112引入到系統上的阻抗可忽略。因此，在整個快速開關上的壓降將是可忽略的，從而導致最小的功率損耗。在故障期間，VCR 120(VCR 120可以與快速開關110並聯連接)、TOCC 140電路以及CSR 130可以處理電流限制。快速開關110可以配置有定時電路114。定時電路 114可以包含氣缸114a以及彈簧機構114b(例如，電磁力控制機構)，所述彈簧機構114b經配置以提供可以在從即刻閉合到一定預定時間延遲的範圍內變化的時間延遲機構，用於在故障清除之後閉合斷路器111中的斷路器電觸點111a。
圖9圖示了快速開關110的示例性實施例。如從此圖式中可見，快速開關110包含斷路器111、線圈112、柱塞113、定時電路114以及其它元件，例如，預行程調節裝置182、彈簧機構114b以及槓桿臂113a。示出的快速開關110可以配置有一個以上線圈112(112a、112b和112c)，可以取決於源的電壓和電流以及用於負載的保護等級來使用所述線圈112。多個線圈可以並聯連接或串聯連接從而實現電流限制特徵並且將引入到系統中的阻抗降至最低。圖9中示出的快速開關110的操作類似於上文關於圖8A到8B所述的操作。例如，在穩態操作期間，斷路器111中的觸點將閉合並且電流將通過線圈112流到負載上。當在系統中經歷故障電流位準時，由流過線圈112的電流產生的電磁力將提升對電磁柱塞113的移動並且將依序(經由槓桿臂113a)斷開斷路器中的觸點。定時電路114可以經配置以在已經經過預定時間量之後致使斷路器閉合。另外，快速開關110可以配置有鎖定機構180，所述鎖定機構180可以用以人工地或自動地在故障條件之後重置快速開關110。
圖10圖示了描繪∫ I2.dt如何受快速開關110的應用影響的圖1050。具體來說，圖1050圖示了介於-0.4pu直到1pu範圍 內的每單位(pu)電流對比以毫秒(ms)測量的介於0ms到100ms範圍內的時間。在此實例中，圖示∫ I2.dt曲線降到其預期值的40%，如通過預期故障電流曲線310與受限制的故障電流曲線320之間的比較。這意味著在例如變壓器、電抗器、匯流條、接地結構以及斷路器元件等系統元件上的電磁力(F=kF ∫ I2.dt)降到40%。在故障電流的減少>50%的情況下電磁力的降低會很明顯。此外，熱能(Q=kT. ∫ I2.dt)也降低了大約預期故障值的40%。熱能與系統和系統元件相關聯的總熱值和電弧能有關。通過減少熱能，在例如變壓器、電抗器、匯流條、接地結構以及斷路器元件等系統元件上的熱相關應力也會減少，並且延長了此類組件的可用壽命。
圖11圖示了∫ I2.dt如何受不具有電流分離電抗器並且不具有VCR 120的快速開關110的應用影響的圖1100。圖1100圖示了介於-0.4pu直到1pu範圍內的每單位(pu)電流對比以毫秒(ms)測量的介於0ms到100ms範圍內的時間。在此實例中，∫ I2.dt曲線降到其預期值的20%，如通過預期故障電流曲線310與受限制的故障電流曲線320之間的比較所圖示。這意味著在例如變壓器、電抗器、匯流條、接地結構以及斷路器元件等系統元件上的電磁力(F=kF ∫ I2.dt)降到20%。在故障電流的減少>50%的情況下電磁力的降低會很明顯。此外，熱能(Q=kT. ∫ I2.dt)也降低了大約預期故障值的20%。熱能與系統和系統元件相關聯的總熱值和電弧能有關。通過減少熱能，在例如變壓器、電抗器、 匯流條、接地結構以及斷路器元件等系統元件上的熱相關應力也會減少，並且延長了此類組件的可用壽命。
圖12圖示用於操作具有斷路器觸點系統的快速開關故障電流限制器的方法的流程圖1200。在穩態操作期間，在步驟1210處，電流通過FSFCL電路100(例如，快速開關110)從源流到負載上。更確切地說，電流流到快速開關110中，通過斷路器111、線圈112，並且流出快速開關110。在步驟1220處，FSFCL電路100檢測故障電流。當在步驟1220處經歷電流故障時，電流將增大，並且當電磁力達到取決於FSFCL電路100的應用的一定預定閾值電流位準時，由流過線圈112的增大的電流產生的電磁力也將增大。在步驟1230處，流過線圈112的增大的電流被檢測到超出預定閾值電流。在步驟1240處，電磁柱塞113被移位，致使電磁柱塞113的槓桿臂113a斷開斷路器電觸點111a。線圈112的大小將取決於基於用以使電磁柱塞113移位並且因此使槓桿臂113a移位所需的力“F”的特定應用，力“F”滿足方程式F=kI2，其中“k”是與電磁柱塞113和槓桿臂113a相關聯的機械常數。隨著電流“I”增大，使電磁柱塞113移位所需的力F也增大，如曲線所示，而保持斷路器電觸點111a閉合所需的力F保持恒定。相應地，在穩態操作中，快速開關110的設計使得由流過線圈112的電流形成的電磁力足夠低，從而不會迫使斷路器111的觸點斷開。當高於穩態工作電流的故障電流流過線圈112時，會生成並產生電磁力，其程度使得電磁力致使電磁柱塞113移動。由於電磁柱 塞113移動，斷路器電觸點111a斷開。
在步驟1250處，一旦斷開，流過快速開關110的電流路徑被破壞，並且電流轉移到並聯的分流電路(例如，VCR 120、TOCC 140或類似者)上，若有設置並聯的分流電路的情況下。在一些實例中，快速開關110經設計以在電流零交叉點處斷開(參考圖2)。斷路器111可以是真空式斷路器，具有與電流零交叉點斷開相關聯的適當操作特徵。因此，可以通過零電流切斷或最小電流切斷來實現在電流零交叉點處斷開。此外，如上文關於圖7所描述，一些實例可以使用TOCC 140提供瞬態過電壓保護。TOCC 140可以包含電阻、電容以及MOV。
如圖13，CSR 130的示例性實施例被示出具有繞磁芯1303捲繞的第一導電繞組204和第二導電繞組206。第一導電繞組204和第二導電繞組206可以是反繞的或是雙線佈置並且具有相等的匝數。有其它繞組佈置可供使用並且可以取決於偏好和/或技術設置來應用。在此考慮磁芯1303可以是鐵芯或空氣芯，具有如所屬領域的一般技術人員將瞭解的特定應用的電流限制需求所指示的尺寸。第一導電繞組204以及第二導電繞組206可以經配置以在穩態操作期間呈現最小阻抗並且在故障條件期間呈現相對較大阻抗以有效限制故障電流。
在一個實施例中，第一導電繞組204可以與第二導電繞組206以反向並聯的關係電連接。進入CSR 130的電流被引導在第一方向上通過第一導電繞組204並且在相反的第二方向上通過 第二導電繞組206。在一個實施例中，流過第一導電繞組204的電流可以與流過第二導電繞組206的電流相等，並且由於第一導電繞組204與第二導電繞組206在上述反向並聯的配置中佈置，因此導電繞組將磁性耦合並且將呈現可忽略的淨阻抗和/或同等的阻抗。
綜上所述，本發明的實施例提供使用機械保護裝置提供故障保護的電流保護系統，機械保護裝置提供優於可能更複雜並且更昂貴的其它電子保護電路的益處。例如，本發明的FSFCL可以為電路斷路器提供減少的閃光電弧能，並且通過操作並處理較低的閃光電弧能帶來安全方面相關的益處。這可以有益於用作永久性安裝的故障保護裝置或用作可擕式故障保護裝置。例如，作為可擕式裝置，它可以用作供在開關設備區域中工作的人員使用的安全裝置，在開關設備區域中使用此裝置會減少潛在電流。此外，FSFCL可以用於低電流應用以及高電流應用中。減少電弧能還可以減少因電氣短路故障引起的火災。本申請案對易遭受因電火引起的火災的電力設施有益。
本發明的範圍不應受本文所描述的具體實施例限制。實際上，所屬領域的一般技術人員根據以上描述和附圖將瞭解(除本文所描述的那些實施例和修改外)本發明的其它各種實施例和對本發明的修改。因此，此類其它實施例和修改既定屬於本發明的範圍內。此外，儘管本文已出於特定目的而在特定實施方案情況下以特定環境描述了本發明，但所屬領域的一般技術人員將認 識到，本發明的效用不限於此，並且本發明可有利地在許多環境中實施用於許多目的。因此，權利要求書應考慮如本文所述的本發明的全部範圍和精神來解釋。
110‧‧‧快速開關
111‧‧‧斷路器
112‧‧‧線圈
112a‧‧‧線圈
112b‧‧‧線圈
112c‧‧‧線圈
113‧‧‧柱塞
113a‧‧‧槓桿臂
114‧‧‧定時電路
114a‧‧‧氣缸
114b‧‧‧彈簧機構
180‧‧‧鎖定機構
182‧‧‧預行程調節裝置

Claims (18)

  1. 一種快速開關故障電流限制器，包括：斷路器，所述斷路器具有斷路器電觸點；線圈，所述線圈電耦合到所述斷路器電觸點上；柱塞，所述柱塞機械耦合到所述斷路器電觸點，所述柱塞經配置以斷開所述斷路器電觸點，其中當高於閾值電平的電流流過所述線圈時，產生具有能移動所述柱塞的強度的磁場，所述柱塞的所述移動起作用以斷開所述斷路器中的所述觸點；以及電壓控制電抗器，並聯連接到所述線圈，其中所述電壓控制電抗器經配置以回應於流過所述線圈的所述電流的切斷而接收所述電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的快速開關故障電流限制器，其中所述斷路器電觸點經配置以通過所述柱塞的所述移動切斷流過所述線圈的所述電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的快速開關故障電流限制器，進一步包括電連接到所述線圈的電流分離電抗器，所述電流分離電抗器用於電流限制，並且所述電流分離電抗器以及所述電壓控制電抗器用以限制或控制電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的快速開關故障電流限制器，所述柱塞進一步包括槓桿臂，所述槓桿臂起作用以斷開所述斷路器電觸點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的快速開關故障電流限制 器，進一步包括具有電磁力控制機構的定時電路，所述定時電路電耦合到所述斷路器電觸點用於閉合所述斷路器電觸點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的快速開關故障電流限制器，其中所述電磁力控制機構包含氣缸以及彈簧機構，其中所述定時電路在故障電流清除之後即刻閉合所述斷路器中的所述觸點，或在預定時間延遲後檢測到所述故障電流之後閉合所述斷路器電觸點。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的快速開關故障電流限制器，進一步包含連接到所述線圈的瞬態過電壓控制電路，所述瞬態過電壓控制電路用以限制過電壓。
  8. 一種電流限制器系統，包括：快速開關故障電流限制器，所述快速開關故障電流限制器具有斷路器電觸點、電耦合到所述斷路器電觸點上的線圈、以及機械耦合到所述斷路器電觸點上的柱塞，其中當高於閾值電平的電流流過所述線圈時，產生具有能移動所述柱塞的強度的磁場，所述柱塞的所述移動起作用以斷開所述斷路器電觸點；電壓控制電抗器，所述電壓控制電抗器並聯連接到所述快速開關故障電流限制器上；以及瞬態過電壓控制電路，所述瞬態過電壓控制電路並聯連接到所述快速開關故障電流限制器和所述電壓控制電抗器上，其中當流過所述線圈的所述電流高於所述閾值電平時，所述電流轉移到所述電壓控制電抗器和所述瞬態過電壓控制電路上以限制故障電 流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電流限制器系統，所述柱塞的所述移動起作用以切斷流過所述線圈的所述電流。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的電流限制器系統，其中所述斷路器電觸點經配置以通過所述柱塞的所述移動切斷流過所述線圈的所述電流。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的電流限制器系統，進一步包括電連接到所述快速開關故障電流限制器上的電流分離電抗器，所述電流分離電抗器用以限制或控制所述電流。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的電流限制器系統，所述柱塞進一步包括槓桿臂，所述槓桿臂起作用以斷開所述斷路器電觸點。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的電流限制器系統，進一步包括具有電磁力控制機構的定時電路，所述定時電路電耦合到所述斷路器電觸點上用於閉合所述斷路器電觸點。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電流限制器系統，其中所述電磁力控制機構包含氣缸以及彈簧機構，其中所述定時電路在故障電流清除之後即刻閉合所述斷路器中的所述觸點，或在預定時間延遲後檢測到所述故障電流之後閉合所述斷路器電觸點。
  15. 一種快速開關故障電流限制系統，包括：快速開關，所述快速開關具有含斷路器電觸點的斷路器以及電耦合到所述斷路器電觸點上的線圈，其中所述快速開關產生磁 場；柱塞，所述柱塞機械耦合到所述快速開關上，所述柱塞設置以使所述斷路器電觸點斷開，其中當高於閾值電平的電流流過所述快速開關時，產生通過所述快速開關產生的具有能移動所述柱塞的強度的磁場，所述柱塞的移動起作用以斷開所述斷路器中的觸點並且切斷流過所述快速開關的所述電流；以及電壓控制電抗器，並聯連接到所述快速開關，其中所述電流被迫使流經所述電壓控制電抗器以回應於流過所述快速開關的所述電流的切斷。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的快速開關故障電流限制系統，進一步包括：電流分離電抗器，電連接到所述線圈，所述電流分離電抗器用於電流限制，並且所述電流分離電抗器以及所述電壓控制電抗器用以限制或控制電壓；以及定時電路，電耦合到所述快速開關用於閉合所述斷路器電觸點。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的快速開關故障電流限制系統，進一步包括瞬態過電壓控制電路，所述瞬態過電壓控制電路包含並聯連接的串聯電阻和電容電路以及並聯連接到所述快速開關以及所述電壓控制電抗器的電阻以限制故障電流。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的快速開關故障電流限制系統，其中所述快速開關被設置以用作故障電流的快速斷流器。
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