CN101816109A - 用于故障限流器的功率衰减器 - Google Patents

Abstract

一种使故障限流器中DC偏置线圈的瞬变衰减的方法，该方法包括如下步骤：将瞬变抑制电路互连在DC偏置线圈的两端，当该DC偏置线圈两端的瞬变电压超过预定的最大值时，所述瞬变抑制电路工作。

Description

用于故障限流器的功率衰减器

技术领域

本发明涉及超导故障限流器设备。

背景技术

已知超导故障限流器的应用在保护电气电路免受相间故障和单相接地故障方面具有巨大潜力。

超导故障限流器设备的例子可在下面这些专利中看到：Darmann等的美国专利7193825；Yuan等的美国专利6809910；Boenig的美国专利5726848；以及Walker等的公开号为2002/0018327的美国专利申请。以Darmann的专利为例，这些设备可以利用DC偏置线圈来进行操作，围绕磁芯布置DC偏置线圈以将该磁芯偏置到磁饱和。一旦发生故障，该磁芯失去饱和，这将相对于故障产生相当大的磁阻。其它的限流器设备通常利用对磁芯的磁特性的操作。

在大多数故障限流器设备的操作中，当故障发生时，会有相当大的故障电流流过该设备的AC电路。这会在该设备的DC电路中产生相应的瞬变电压和电流。超导线圈自身、互连、过渡馈线、DC电源、和电源滤波(如电容器)、和保护器件(例如二极管、晶体管)必须被选择或设计为承受瞬变电压、电流和瞬变期间传输的净功率的量值的最差情况。

本说明书上下文中的故障事件被描述为一种FCL所保护的AC电路上的短路的形式，即，FCL被设计用来限制的AC电路上的短路或其它瞬变现象。假定该故障不描述在FCL、绕组、或其组件内发生的内部故障。

图1和图2中示出了这个问题的一个例子，示出了基于前面提到的Darmann的设备的故障事件仿真。在图1中，示出了在t＝4.000秒时发生的所仿真的故障的时间电压曲线图。在图2中，示出了在DC超导偏置线圈中流动的相应的感应电流。可以看出，在t＝4.000秒及以后，存在巨大潜在破坏性的感应电流。该仿真结果表明，可感应出500V的瞬变电压，并且伴有超过1.1kA的峰值电流。这样的瞬变可能损坏线圈的DC电源和DC线圈自身。

很难减小该瞬变感应电流，因为该瞬变感应电流被AC和DC线圈之间的变压器效应有效驱动，并从而依赖于与系统有关的故障电流。如果减小AC侧电压的话，该感应电流可被减小，但是该AC侧电压是固定的并且与环境有关(如11kV、22kV等)。

也可通过降低DC和AC侧之间的匝数比来减小该瞬变感应电流，这要求增加DC线圈的匝数，这对于所考虑的应用中要求的故障限制百分比来说是不现实的，或者过于昂贵。备选地，可以减少AC侧的匝数，然而，这将会减小设备用于限制故障电流的有效阻抗。设备的瞬变阻抗与AC匝数的平方成正比。通过减少AC匝数来减小有效阻抗是不利的，因为为了补偿匝数的减少，钢铁的横截面积必须要增加，从而使得设计更大、更重且成本更高。

另外，必须注意的是，在设备的稳态操作过程中，由于AC侧感应，使得在DC电路中也会出现感应电流和电压。这些感应电流和电压在幅值上要比在故障电流限制事件中感应的电流和电压的幅值低得多，尽管如此，在DC线圈电源接口电路的设计中必须得允许这种效应。例如，通过提供充分的对地电容来从DC电源中吸收电流。

在超导应用中通常包括失超检测电路和保护。该失超检测电路通常包括用于隔离电源的快速断开固态开关和用于闭合以将存储的能量转储到电阻器的另一固态开关。这些所谓的“失超保护机制”被设计位保护超导线圈免受内部产生的故障或不稳定热瞬变的影响，所述内部产生的故障或不稳定热瞬变将线圈驱动到正常导通状态。失超检测电路通常依赖于对超导线圈内形成的两个或更多个线圈段之间的电压比的检测。

不幸的是，失超检测电路和保护机制电路不适于在DC饱和故障限流器的AC电路上的故障事件期间转储能量。这是因为电压比检测电路将不能正确地工作。在AC侧故障期间感应到DC电路中的电压瞬变现象不是由于内部产生的故障引起的。

此外，由于上述现象，感应的电压瞬变均匀地分布在线圈上，这并不参与常规的失超检测和保护。

在说明书全文中对现有技术的任何描述都不应被理解为承认这样的现有技术被广泛地熟知或构成本领域公知常识的一部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种对故障限流器中的瞬变进行功率衰减的有效方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种使故障限流器的DC偏置线圈中的瞬变衰减的方法，该方法包括如下步骤：将瞬态抑制电路互连在DC偏置线圈两端，瞬变抑制电路当DC偏置线圈两端的瞬变电压超过预定的最大值时工作。

瞬变抑制电路可以包括第一组串联的二极管和第二组串联的二极管，第一组和第二组以彼此相反的方向并联。备选地，瞬变抑制电路可以包括一组级联的齐纳二极管。备选地，瞬变抑制电路可以优选地包括一组非线性电阻器。DC偏置线圈可以缠绕多相系统中的单相磁芯或多相磁芯。DC偏置线圈可包括超导线圈。

根据本发明进一步的方面，提供了一种用于与故障限流器中的DC偏置线圈并联地互连的功率衰减电路，该功率衰减电路具有非线性响应，在DC偏置线圈两端为低电压时具有高阻抗，以及在DC偏置线圈两端为高电压时具有低阻抗。

该电路可由无源器件构成，包括一组串联的齐纳二极管或至少一个非线性电阻器，并且所述齐纳二极管当DC线圈两端的电压超过预定电压时被激活。

附图说明

现在将参考相应的附图仅以示例的方式来描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了故障状况发生时计算出的现有技术的DC线圈内的感应EMF的曲线图；

图2示出了当受到模拟故障状况时计算出的在故障限流器的DC线圈内的感应电流的曲线图；

图3示出了根据美国专利7193825构造的故障限流器的一个臂(arm)；

图4示出了用于仿真在不防止反射功率的情况下的DC饱和FCL的电路；

图5示出了图4电路的仿真响应的图示；

图6示出了由于图4中FCL的操作而导致的故障电流减小的图示；

图7示意性地示出了功率衰减电路与DC线圈的并联；

图8示意性地示出了一种形式的衰减电路；

图9示出了第二种形式的衰减电路；

图10示出了包括图8的衰减电路的仿真电路；

图11示出了针对图10电路的相应的DC瞬变；

图12示出了表示通过使用功率衰减器而实现的故障电流减小的曲线图；

图13示出了表示DC电路瞬变的操作的曲线图；

图14示出了针对两个连续瞬变的DC电路电流；以及

图15示出了针对两个紧密布置的连续瞬变的DC电路电流。

具体实施方式

在优选实施例中，围绕铁芯的DC饱和超导线圈内的能量实质上等于磁场和磁化强度的乘积，这是因为磁芯处于高度的饱和状态。希望高度饱和的磁芯使设备的插入阻抗(即，在非故障、稳态条件下从AC端看到的该设备阻抗)最小化。在DC饱和FCL中，如在美国专利7193825中公开的(其内容通过交叉引用结合于此)，AC和DC线圈都存在。在故障电流事件期间(即，受保护的AC电路上的短路)，必须要被转储的能量不仅包括DC线圈的储存能量，还包括由于AC和DC线圈之间的互相耦合而从AC电路反射到DC线圈中的能量。能量可以如下表示：

其中，能量是在DC电路中消耗的总能量，B(t₀)是故障时间之前铁芯内的DC磁场；H(t₀)是故障时间之前铁芯的DC磁化强度；v(t)是通过AC耦合而感应到DC线圈中的电压瞬变；i(t)是通过AC耦合而感应到DC线圈中的电流瞬变；且t₁是AC电路的故障周期的结束时间。

DC线圈内的瞬变电压和电流将取决于保护电路和DC线圈的特征。在优选实施例中，希望减小v(t)和i(t)两者的幅值以及控制总的线圈能量，从而使得在FCL的操作期间(即，在AC电路的故障期间)将该能量安全地转储在外部电阻器中。

能量方程(等式1)的第一部分是取决于DC饱和FCL的具体设计的量。通常根据技术和经济考虑来最优化B和H的值。能量方程的第二部分是通过适当设计AC与DC电路之间的匝数比以及它们之间耦合度而可增大的部分。(例如通过在铁芯内引入气隙而实现的)较低磁耦合将会减小感应瞬变电流和电压，然而，这增加了使磁芯饱和所需的超导安匝数量，这将是不经济的。

另外，增大磁化强度H，从而增大系统中的DC存储能量。本领域技术人员将会认识到，额外的能量实质上储存在气隙部分的磁场中。

减小总能量的更好方法是：通过DC电路上的保护电路控制瞬变感应电流和电压的波形v(t)和i(t)，从而直接减小由AC电路耦合到DC电路中的能量。将合适大小的电阻器并联在DC线圈的两端可以实现这一目的，然而，当采用永久连接的电阻器时，将会产生大量的能量损耗并且DC电源必须具有相当大的尺寸以提供恒定的DC分路电流。

图4示出了用于在优选实施例上进行仿真测试的仿真AC电路。如在之前提到的专利申请中形成的，电路41互连到一个三分支FCL 42。饱和磁场是2.00T(特斯拉)，磁化强度是10000A/m。储存在DC磁场内的能量大约为20kJ。在仿真中，有多种不同的方法来表示DC电源。不论是使用恒流源模型、或恒压源模型、线性调节电源模型、或开关型电源，发现得到的结果实质上是一致的。在每种情况下感应的瞬变电压和电流波形的细节虽然有所变化，但是这并不损害这里公开的保护机制的操作。为了简单起见，优选实施例的仿真采用恒压源。

图5示出了DC电路中对AC侧故障的预期感应瞬变电流和电压波形响应的曲线图。通过对0.08欧姆电阻器引入短路来仿真AC电路故障。曲线50示出了AC电路故障，曲线51示出了DC电路中相应的感应瞬变电压。缺少任何的电阻都会使感应瞬变很大，并且感应瞬变取决于DC电源的情况。通常，感应到DC电路51中的瞬变感应电压对超导线圈有害，并且将会导致增加绝缘损坏和超导线圈完全失效的可能性。

图6示出了FCL的基本功能特性。这就是说，这里所描述的技术不会影响FCL的性能，而是能增强了该DC电路的正确和重复操作所需的保护和可靠性。曲线图示出了在第一种情况60和第二种情况61下的AC侧电流，其中在第一种情况60中不存在FCL，在第二种情况61中存在FCL。这两个曲线图示出了与在AC电路中不使用DC饱和故障限流器的情况相比，在AC电路中使用DC饱和故障限流器时故障电流减小。

在优选实施例中，除了FCL之外，还包括与DC线圈并联的无源开关功率衰减电路，其电路结构如图7所示，其中，围绕磁芯74形成DC线圈71，功率衰减电路72与DC功率源73并联地互连。

图8示出了无源开关功率衰减电路80的第一种形式，并且图9示出了电路90的第二种形式。它们两者都包括在DC线圈电路中的无源开关转储电阻器。如前述的，这些电路与超导线圈并联。

图8和9的电路两者都使用非线性组件，它们在AC电路的瞬变事件期间作为开关。在稳态、非故障条件期间，保护电路80、90具有总的高阻抗并且不传导电流。因此，这些保护电路不会在DC电源上强加任何额外的电流负担，并且具有零热负载。这减小了本来需要的热吸收和冷却的量。

在AC电路上的故障事件期间，通过AC和DC电路之间的互耦，DC线圈71(图7)两端的瞬变电压幅值将会增加到高于正常值。该电压将会触发无源开关元件(即，可变电阻器81或二极管82)导通，并且如果大小合适的话，这些组件将会在AC电路的故障时间段内具有低电阻。

将认识到，可以通过调整在每个串联组中二极管81的数量来设计图8所示电路的“导通”电压。在备选实施例中，可以将二极管81替换成在已知的前向偏置电压下导通的合适大小的火花隙器件或其它无源器件。备选地，可以在合适情况下将二极管链替换成适当标定的齐纳二极管。

如图8所示的保护电路的一个优点是，器件在它们下一次应用于电压限制功能之前，没有瞬变热冷却时间的要求。例如一些非线性电阻器在热效应中会表现出它们的非线性特性。这些效应将需要冷却时间，这对于整个设备的可靠性来说是不实际的。例如，在特定子站的断路器逻辑会要求断路器在1秒的时间段之后闭合，从而“重试(re-try)”电路。通常在使用架空线的地方(即，非地下)使用这种方案，掉落的支线可能是引起短路的原因。

在图8中二极管81的前向偏置电压可以被设置为比DC电源73(图7)上的过电压保护设置低的值。通过这种方式，电源在AC侧故障事件期间保持有效，并为下一个AC故障事件做好准备，而无需任何的时间延迟来重新偏置磁芯。

转储电阻器R(82、92)的选择将取决于在DC电源和滤波器中使用的器件、储存在DC线圈内的能量、和承受DC线圈电平的电压绝缘。

在优选实施例中，采用电路来保护超导线圈，并且采用这些电路来转储来自线圈的从电路的AC侧反射的能量。

本领域技术人员将认识到，可以通过使用过电压检测电路、隔离电源的一个IGBT开关、以及将DC线圈能量和反射的瞬变能量转移到转储电阻器的另一个IGBT开关，来代替上述电路。然而，这种类型的保护机制依赖于有源检测技术和有效电子器件。优选实施例提供无源电路，并且因此可能会更鲁棒，并且与DC饱和故障限流器的无源特性一致。

现在将说明无源衰减电路如何作用以减小瞬变感应电流和电压波形。

图10示出的电路与图4所示电路不同之处仅在于还包括无源反射功率衰减电路100。通过在每个并联的二极管组中串联十个二极管，将每个二极管组100的正向偏置电压设置为6.0伏。这是保护电路的“导通”电压。该电路的其它有关参数如下：在6个分支中每个分支上的AC匝数为40(n＝40)；DC匝数为800(N＝800)；DC偏置电流为90安培，I(Power_Supply)＝90安培；采用的AC电压源为线与线之间11kV ACRMS；AC电路负载为10欧姆(非故障稳态负载)；采用的短路负载(即故障负载)为0.08欧姆；预期短路电流为10,000安培；穿透性材料的磁芯面积为0.02平方米；使用的磁芯窗口尺寸为0.8m宽×2.2m高，并且故障发生时间被设定为t＝12.000秒。

图11示出了在AC侧故障事件之后，计算的DC电路中的瞬变电流111和电压110。在DC电路中的感应电压被有效地减小到大约200伏的峰值，并且DC电流被有效地减小到大约300安培的峰值。

图12示出了在具有FCL的情况下122和在不具有FCL的情况下121，图10电路中所计算的AC电路瞬变电流波形。可以看出，在包括保护电路的情况下，FCL不会改变其主要的性能要求。显然，可以改变导通电压和电阻值以适应具体的电源或DC线圈设计。例如，如果由于较高的DC线圈绝缘使得可以承受较高的感应电压电平，那么可通过增加在每个二极管组中串联布置的二极管的数量来增大导通电压。电阻R的选择还需要综合考虑用于超导线圈的冷却类型。例如，在真空中干冷却(即，通过冷头(cold head)来冷却)的超导线圈，不太能够承受长时间的瞬变加热时间段。在这种情况下，可使用超导线圈的更好绝缘和更高的转储电阻值，从而使得在缩短的时间周期内转储能量。

作为针对冷头冷却的超导线圈的合适保护技术的具体示例，图13示出了：通过以DC电路中感应的最大线圈电压更高为代价增大转储电阻值，可以在更短的时间段内转储总能量。在这个计算中，转储电阻的值增大到10欧姆，保护二极管的导通电压保持在6伏。结果是，在DC电路中感应的最大电压增大到2.5kV，然而，由于较高的转储电阻值，增大的电流流动的时间段显著地减小因子10。

可以增大R的值，直到达到DC线圈的脉冲绝缘强度为止。然而，R的选择必须要综合考虑保护电路组件的热额定值、超导线圈，并且必须针对具体电路来适当地设置热吸收器的尺寸。

图14和15示出，将提出的保护电路包括在内并不会阻止FCL限制在时间上相隔紧密地发生的故障，例如关于AC电路上的持续故障的断路器重新闭合事件。

还可以认识到，这里给出的方案提供了一种用于包括备份或冗余保护的方式。通过在DC线圈两端增加并联的一个或多个无源功率衰减电路，可以建立冗余系统，其中以热或电的方式将每个无源功率衰减电路设计并定尺寸为接受预期的感应电压和电流。这将在任意一种衰减电路中防止烧毁组件或其他电故障。

对本领域技术人员来说很清楚的是，这里示出的布置可用在单相和多相系统中。尽管参考具体的例子对本发明进行了描述，本领域技术人员应当理解的是，本发明还可以包括多种其它的形式。

Claims (17)

1.一种使故障限流器的DC偏置线圈中的瞬变衰减的方法，该方法包括如下步骤：

将瞬变抑制电路互连在DC偏置线圈的两端，所述瞬变抑制电路在DC偏置线圈两端的瞬变电压超过预定最大值时工作。

2.如权利要求1的方法，其中所述瞬变抑制电路包括一组级联的二极管。

3.如权利要求2的方法，其中所述瞬变抑制电路包括第一组串联的二极管和第二组串联的二极管，第一组和第二组以彼此相反的方向并联。

4.如权利要求2或3的方法，其中所述瞬变抑制电路包括与二极管串联地互连的电阻器。

5.如权利要求1的方法，其中所述瞬变抑制电路包括一组非线性电阻器。

6.如权利要求1的方法，其中所述瞬变抑制电路包括与合适大小的线性电阻器串联的一组级联齐纳二极管。

7.如权利要求1的方法，其中所述瞬变抑制电路包括与合适大小的线性电阻器串联的一组背靠背并联的二极管。

8.如之前任一项权利要求的方法，其中DC偏置线圈缠绕多相系统中的单相磁芯。

9.如之前任一项权利要求的方法，其中DC偏置线圈缠绕多相系统中保护多相的磁芯。

10.如之前任一项权利要求的方法，其中所述DC偏置线圈包括超导线圈。

11.一种用于与故障限流器中的DC偏置线圈并联地互连的功率衰减电路，功率衰减电路具有非线性响应，在DC偏置线圈两端为低电压时具有高阻抗，并在DC偏置线圈两端为高电压时具有低阻抗。

12.如权利要求11的功率衰减电路，其中所述电路由无源组件构成。

13.如权利要求11的功率衰减电路，其中所述电路包括第一组串联的二极管和第二组串联的二极管，第一组和第二组以彼此相反的方向并联。

14.如权利要求13的功率衰减电路，其中所述电路包括与二极管串联地互连的电阻器。

15.如权利要求12的功率衰减电路，包括至少一个非线性电阻器。

16.一种实质上如本文参考附图和/或示例所示的本发明任意一个实施例而描述的使故障限流器的DC偏置线圈中的瞬变衰减的方法。

17.一种实质上如本文参考附图和/或示例所示的本发明任意一个实施例而描述的功率衰减电路。

Images