專利名稱：故障電流限制器的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種故障電流限制器，尤其涉及一種在電力分配或者傳輸網絡中使用的故障電流限制器。
背景技術：
故障電流限制器是使用超導體作為電流限制裝置來檢測故障電流并在數秒內將電流限制至正常水平的工具，在達到預定電流值以前超導體基本沒有電阻，但是在超過預定電流值以后超導體迅速地呈現高電阻以限制傳導電流。由于超導體產生的電阻，故障電流限制器會聚集大量的能量，所以超導體的能量 損耗隨著施加于超導體的電壓增加而增加。也就是說，在正常操作狀態期間超導體在系統中呈現零電阻，然而，當故障電流在系統中流動時，超導體失超以產生限制故障電流的電阻。此時，電阻可能會產生施加于電流限制器的相當大的能量。當施加于運行超導體的系統上的電壓高時，由于在超導體上產生的阻抗，在超導體中流動的能量相應地增加。因此需要大量超導體來分配能量。這樣，為了使超導體的能量損耗減至最小，需要很多超導體，這導致增加了制造成本，并且總體積伴隨大量超導體的使用而增加，從而增加了安裝和冷卻成本。也就是說，超導體價格昂貴，并且大量超導體意味著大體積，這可能會增加用于安裝和冷卻超導體的成本。為了克服上述問題，已經公開了包含現有的斷路工具和少量超導體的混合式超導故障電流限制器(SFCL)。但是，這種建議未能解決價格問題。隨著電阻型超導故障電流限制器的容量變大，不得不增加線性線圈的尺寸和繞組的數量，從而在成本和操作方面具有劣勢。圖I為圖示出根據在先技術的混合式超導故障電流限制器的構造的電路圖，圖2A為圖I的混合式超導故障電流限制器的電流曲線圖，圖2B為圖示出圖I的混合式超導故障電流限制器的起始點的曲線圖，圖2C為圖示出圖I的混合式超導故障電流限制器中的弧電流的曲線圖，圖2D為混合式超導故障電流限制器的電流曲線圖，其中，電弧未被故障電流限制器的主電路阻斷。參照圖I和圖2，在沒有任何故障的正常操作狀態期間電流Itot經過閉合的斷路器210和超導體IOO(Imain),所以由電阻的出現產生的損失基本為零。然而，在故障電流Ifuse流入故障電流限制器的情況下，超導體100開始以很快的速度失超(A)，并且由于在超導體100上出現的阻抗，故障電流Ifuse分流到驅動線圈220。此時，流入驅動線圈220的電流產生磁場，并且在位于驅動線圈220上方的電磁反射極230上感應出具有反磁成分的渦電流。因此，反射極230快速移動并且斷開與反射極230機械連結的斷路器210，從而切斷流入超導體100 (B)的故障電流。然而，在如此配置的故障電流限制器中，在斷路器210斷開時，在斷路器210中出現弧電流，這導致故障電流繼續流入超導體100。為了消除弧電流，故障電流限制器被設計為閉合與電磁反射極230機械地連結的短觸點240 (C)。短觸點240用來除去在與超導體100串聯連接的斷路器210中出現的弧電流，并且防止故障電流流入驅動線圈220。也就是說，整個故障電流通過短觸點240被轉移至輔助電路，并且因此，消除了斷路器210中的弧電流(D)，并且故障電流被轉移至輔助電路并被電流限制單元300削減(E)。然而，在上面說明的限制故障電流的期間，在電流限制單元300開始操作之前，由于在包含超導體100和快速開關的主電路與包含起限制電流作用的電流限制單元300的輔助電路之間的阻抗存在差異，可能無法充分地除去在與超導體100串聯連接的斷路器210中出現的電弧(F)。因此，由于主電路與輔助電路之間的阻抗存在差異，弧電流在斷路器210中再生(G)，這能減少電弧阻抗，以便故障電流能夠穿過變成正常傳導狀態的超導體100和由于電弧而變得導電的斷路器210。此時，大部分電壓被施加至處于正常傳導狀態的超導體100，所以故障能量流入超導體100，從而損壞超導體100。
圖3為圖示出根據在先技術的混合式超導故障電流限制器的電路圖，為了解決上述問題，在其中增加了功率半導體元件400。功率半導體元件400被增加至主電路以阻斷在超導體100失超之后產生的弧電流。然而，根據圖3的故障電流限制器也未能解決這些問題，這是因為使用了超導體并且必須調整超導體的數量以調節操作電流，從而增加了安裝和冷卻超導體的成本并降低了操作方便性。
發明內容
提出本公開以解決現有技術的前述問題，并且因此本發明的特定實施例的目的是提供一種配置為輕松除去其中存在的故障電流的故障電流限制器。本公開的一個整體方案在于，提供一種切斷故障電流的故障電流限制器，所述電流限制器包括檢測器，其檢測故障電流的流入并向功率半導體元件傳送關斷信號，所述功率半導體元件通過所述關斷信號變為關閉狀態；以及電阻元件，其并聯連接至所述功率半導體元件上以阻斷所述故障電流。優選的，但不是必需的，所述故障電流限制器進一步包括開關元件，其串聯連接至所述功率半導體元件上以在引入所述故障電流的情況下斷開觸點，并且保護所述功率半導體元件免遭所述故障電流破壞。優選的，但不是必需的，所述開關元件和所述功率半導體元件之間的串聯連接與所述電阻元件并聯連接。優選的，但不是必需的，在引入所述故障電流的情況下，所述檢測器向所述開關元件傳送斷開信號，并且通過所述斷開信號斷開所述開關元件。優選的，但不是必需的，所述故障電流限制器進一步包括測量單元，其測量流入電流，并且所述檢測器根據所述測量單元測量到的電流檢測故障電流的流入。優選的，但不是必須的，所述測量單元包括變流器和茹科夫斯基線圈。優選的，但不是必須的，所述故障電流限制器進一步包括第一電力熔斷器，其并聯連接至所述電阻元件上以暫時切斷在故障電流出現期間被引入的所述故障電流。優選的，但不是必須的，所述故障電流限制器進一步包括第二電力熔斷器，其串聯連接至所述電阻元件上以切斷通過所述電阻元件的故障電流。優選的，但不是必須的，在引入故障電流被的情況下，所述檢測器在傳送所述關斷信號之前傳送斷開信號。優選的，但不是必須的，所述功率半導體元件是選自絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)和集成門極換流晶閘管(IGCT)中的任何一個。根據本公開的故障電流限制器具有的有益效果在于，所述故障電流限制器被配置為除去超導體而使用功率半導體開關元件，由此故障電流限制器易于控制，并且能夠使用高速故障檢測器進行可靠的故障電流檢測。根據本公開的故障電流限制器具有的另一個有益效果在于，起初使用電力熔斷器來限制故障電流，其次使用電阻限制故障電流，由此能夠更好地限制故障電流。
為了解釋本公開的原理，盡管并非旨在詳盡的闡述，一些以圖解例證以及說明為目的的涉及優選實施例的相關附圖被呈獻在下文中。附圖描述了一個或多個依據本發明的構思的示例性實施方案，其僅作為舉例而非限定。在附圖中，相似的附圖標記用于相同的或類似的部件。因此，通過下述對特定示例性實施例的詳細描述，結合附圖，可以容易地理解多種潛在實用且有用的示例性實施例，在附圖中圖I為圖示出根據在先技術的混合式超導故障電流限制器的構造的電路圖；圖2A為圖I的混合式超導故障電流限制器的電流曲線圖；圖2B為圖示出圖I的混合式超導故障電流限制器的起始點的曲線圖；圖2C為圖示出圖I的混合式超導故障電流限制器中的弧電流的曲線圖；圖2D為混合式超導故障電流限制器的電流曲線圖，其中，電弧未被故障電流限制器的主電路阻斷；圖3為圖示出根據在先技術的混合式超導故障電流限制器的電路圖；圖4為圖示出根據本公開的故障電流限制器的框圖；圖5為圖示出在圖4的故障電流限制器中流動的電流的示意圖。
具體實施例方式通過參照附圖的圖I至圖5，可以很好地理解所公開的實施例及其優點，在各個附圖中使用相似的附圖標記標示相似的和相應的部件。對于本領域的普通技術人員來說，在查閱以下附圖和詳細描述時，將會理解公開的實施例的其他特征和優點。其旨在所有這種附加的特征和優點均包含在所公開的實施例的范圍內，并通過附圖受到保護。此外，示出的附圖僅為示例性的并且不旨在主張和暗示對于可實施不同的實施例的環境、結構或過程的任何限制。因此，所描述的方案旨在包含落在本發明的精神和新穎構思內的所有這種替代、改進以及變化。與此同時，在此使用的術語，僅僅用于描述特定實施方式而不旨在作為對本公開的限定。術語“第一”、“第二”等等在此處不表示任何順序、數量或重要性，而是用于將一個元件區分于另一個元件。例如，第二組成元件可被表示為第一組成元件而不會脫離本公開的精神和范圍，并且類似地，第一組成元件也可被表示為第二組成元件。 如在此所使用的，術語“一(a) ”和“一(an ) ”在此不表示對于數量的限制，而是表示存在至少一個所提及的項目。也就是說，如在此所使用的，單數形式“一(a)”，“一(an)”和“這個(the)”均意圖包含復數形式，除非上下文另外清楚地指出。可以理解的是，當元件涉及“連接”或“聯接”到另一元件時，其可直接地連接或聯接到另一元件或者可存在中間元件。相反地，當元件涉及“直接地連接”或“直接地聯接”到另一元件時，則不存在中間元件。還將進一步理解的是，當在本說明書中使用術語“包括了(comprises)”和/或“包括有(comprising)”或者“包含了(includes)”和/或“包含有(including)”時,其指定了已述的特征、區域、整體、步驟、操作、元件、和/或部件的存在，但是也不排除一個以上其他特征、區域、整體、步驟、操作、元件、部件、和/或其集合的存在或附加。而且，“示例性”僅意味著體現示例，而不是最佳的。還應當了解的是，為了簡潔且 易于理解的目的，在此所描述的特征、層和/或元件均圖示有相對于彼此的特定尺寸和/或定向，并且實際的尺寸和/或定向可大體上不同于所示出的。也就是說，在附圖中，為了清晰起見可以擴大或縮小層、區域和/或其他元件的大小和相對大小。在全文中相似的附圖標記指代相似的元件并且將省略相同的說明。如可在此處使用的，術語“大體上”和“大致的”提供一種用于相應的術語和/或術語之間的關聯性的工業中接受的容許的偏差。在下文中，將結合相關附圖具體描述依據本公開的故障電流限制器。圖4為圖示出根據本公開的故障電流限制器的方塊圖。參照圖4，根據本公開的故障電流限制器包括測量單元10、FFD (快速故障檢測器)20、功率半導體元件30、快速開關40、第一電力熔斷器50、第二電力熔斷器60和電流限制電阻元件70。功率半導體元件30和快速開關40串聯連接以形成主電路。功率半導體元件30和快速開關40之間的串聯連接與第一電力熔斷器50并聯連接，電流限制電阻元件70和第二電力熔斷器60之間的串聯連接與第一電力熔斷器50并聯連接。這兩個并聯連接形成了電流限制電路。測量單元10測量電流和電流增長。測量單元10優選地包含CT (變流器)和茹科夫斯基線圈(Rogowski coil)。CT和苑科夫斯基線圈在本領域中是眾所周知的,所以在這里不再提供并省略更多對其的解釋。在測量單元10測量電流增長以檢測故障的情況下，也就是說，在產生故障電流的情況下，FFD 20向快速開關40傳送斷開快速開關40的斷開信號，并且向功率半導體元件30傳送關斷功率半導體元件30的關斷信號，詳情將在下文中描述。在正常時期，功率半導體元件30維持接通(ON)狀態，但是在故障電流被引入的情況下，功率半導體元件30從FFD 20接收關斷信號以切換至關斷狀態。功率半導體元件30可以選自絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)和集成門極換流晶閘管(IGCT)中的任何一個，但是不限于此。快速開關40被形成為以很快的速度維持隔離，并且保護功率半導體元件30。在故障電流被引入的情況下，快速開關40從FFD 20接收斷開信號來以很快的速度斷開電路。
與電流限制電阻元件70并聯連接的第一電力熔斷器50形成為起初切斷引入到電流限制電路中的故障電流，并且將故障電流分流至電流限制電阻元件70。第一電力熔斷器50可以設計為切斷較大的故障電流。第一電力熔斷器50起初切斷被引入到電流限制電路中的故障電流，在第一電力熔斷器50熔斷的瞬間，故障電流繞道至電流限制電阻元件70。與電流限制電阻元件70串聯連接的第二電力熔斷器60也切斷被引入到電流限制電路中的故障電流，并且切斷通過電流限制電阻元件70的故障電流。第二電力熔斷器60可以設計為切斷比第一電力熔斷器50小的故障電流。被引入到第二電力熔斷器60中的故障電流是在第一電力熔斷器50熔斷并且電流限制電阻元件70被加熱后的剩余電流。盡管第一電力熔斷器50和第二電力熔斷器60是具有相同功能的元件，但是第一電力熔斷器50起到將故障電流分流到電流限制電阻元件70的作用，而第二電力熔斷器60起到完全切斷故障電流的作用。電力熔斷器的物理結構在本領域中是眾所周知的，所以不再提供進一步地解釋。·電流限制電阻元件70是限制被引入的故障電流以切斷與第二電力熔斷器60有關的故障電流的電阻。電流限制電阻元件70的阻抗是考慮到與第二電力熔斷器60的聯合操作而確定的。現在，將參考附圖描述根據本公開的故障電流限制器的具體操作。圖5為圖示出在圖4的故障電流限制器中流動的電流的示意圖。首先，在正常時期，所有電流通過包含功率半導體元件30和快速開關40的主電路，但是一些電流可能會流動到故障電流限制器。測量單元10用于持續地測量電流。在測量單元10檢測到出現故障電流的情況下，FFD 20基于此以很快的速度檢測故障，傳送用于起初斷開快速開關40的觸點的斷開信號，然后斷開快速開關。圖5中的“I”表明快速開關40斷開的瞬間。在快速開關40的觸點斷開的瞬間，弧電流響應電弧電阻而流經觸點以增加流向電流限制單元的故障電流，由此主電路的故障電流的上升趨勢被減緩或削弱。此外，在斷開快速開關40以加寬快速開關40的觸點之間的間隙的期間，FFD 20傳送用于關斷功率半導體元件30的關斷信號，由此關斷功率半導體元件30。圖5的‘J’表明關斷功率半導體元件30的瞬間。此時，主電路被切斷以熄滅快速開關的弧電流(‘M’)。關斷功率半導體元件30的瞬間，在功率半導體元件30中產生電壓，這通過圖5中的‘K’表示，并且關斷功率半導體元件30的瞬間，故障電流被完全轉移至故障電流限制器，這通過‘L’表示。隨后，故障電流流動至電流限制電路，并且在經過預定時間之后，第一電力熔斷器50熔斷(‘N’)。在第一電力熔斷器50熔斷的同時，故障電流流動至電流限制電阻元件70，由此能夠注意到故障電流響應于電流限制電阻元件70的阻抗而被限制。從上文所述明顯看出，故障電流限制器在限制故障電流的影響方面是極好的，并且通過僅采用功率半導體元件30代替超導體而易于控制。盡管已經參考多個闡釋性的實施例描述了本公開，但應當理解的是本領域技術人員能夠想出許多其他修改和實施例，這些修改和實施例也落入本公開的精神和原理范圍之內。
更特別地，在本公開、附圖和附加的權利要求的范圍內，可以對主題組合布置的組成部件和/或布置進行各種變化和修改。除了對組成部件和/或布置的變化和修改以外，對于本領域的技術人員而言替代用途也是顯 而易見的。
權利要求
1.一種切斷故障電流的故障電流限制器，所述故障電流限制器包括 檢測器，其檢測故障電流的流入并向功率半導體元件傳送關斷信號，所述功率半導體元件通過所述關斷信號變為關閉狀態；及 電阻元件，其并聯連接至所述功率半導體元件上以阻斷故障電流。
2.根據權利要求I所述的故障電流限制器，進一步包括開關元件，其串聯連接至所述功率半導體元件上以在引入故障電流的情況下斷開觸點，并且保護所述功率半導體元件免遭所述故障電流破壞。
3.根據權利要求2所述的故障電流限制器，其中，所述開關元件和所述功率半導體元件之間的串聯連接與所述電阻元件并聯連接。
4.根據權利要求2所述的故障電流限制器，其中，在引入故障電流的情況下，所述檢測器向所述開關元件傳送斷開信號，并且通過所述斷開信號來斷開所述開關元件。
5.根據權利要求I所述的故障電流限制器，進一步包括測量單元，其測量流入電流，并且所述檢測器根據所述測量單元測量到的電流來檢測故障電流的流入。
6.根據權利要求5所述的故障電流限制器，其中，所述測量單元包括變流器和茹科夫斯基線圈。
7.根據權利要求I所述的故障電流限制器，進一步包括第一電力熔斷器，其并聯連接至所述電阻元件上以暫時切斷在故障電流出現期間被引入的故障電流。
8.根據權利要求I所述的故障電流限制器，進一步包括第二電力熔斷器，其串聯連接至所述電阻元件上以切斷通過所述電阻元件的故障電流。
9.根據權利要求4所述的故障電流限制器，其中，在引入故障電流的情況下，所述檢測器在傳送所述關斷信號之前傳送所述斷開信號。
10.根據權利要求I所述的故障電流限制器，其中，所述功率半導體元件是選自絕緣柵雙極型晶體管IGBT、門極可關斷晶閘管GTO和集成門極換流晶閘管IGCT中的任何一個。
全文摘要
本發明提供了一種故障電流限制器，所述故障電流限制器包括檢測器，其檢測故障電流的流入并向功率半導體元件傳送關斷信號，所述功率半導體元件通過所述關斷信號變為關閉狀態；及電阻元件，其并聯連接至所述功率半導體元件上以阻斷所述故障電流。
文檔編號H02H9/02GK102891468SQ201210251388
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月19日 優先權日2011年7月22日
發明者沈政煜, 崔源寯, 李京昊, 房承炫, 金敃志, 樸海容 申請人:Ls產電株式會社