ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02H9/02 H01F21/08 H01F6/06 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к ограничителю тока замыкания.

Изобретение было разработано прежде всего для высоковольтных ограничителей тока замыкания с насыщенным сердечником и будет описано в отношении этого применения. Однако изобретение не ограничено этой конкретной областью использования и также подходит для ограничителей тока замыкания низкого напряжения, среднего напряжения, сверхвысокого напряжения и ультравысокого напряжения.

Предпосылки изобретения

Известны ограничители тока замыкания с насыщенным сердечником (FCL). Примеры сверхпроводящих устройств ограничения тока замыкания включают:

патент США №7193825, выданный на имя Дармэнна и др.;

патент США №6809910, выданный на имя Юаня и др.;

патент США №7193825, выданный на имя Бениг;

заявку на патент США №2002/0018327, заявитель Уолкер и др.

Описанные ограничители тока замыкания обычно подходят для использования с конструкциями медных катушек сухого типа и, с точки зрения практики, подходят только для насыщенных по постоянному току FCL, которые используют воздух как основную изолирующую среду. Таким образом, основная статическая изолирующая среда между фазовыми катушками по переменному току в полифазном FCL и между фазовыми катушками по переменному току и стальным сердечником, катушкой по постоянному току, криостатом и основной конструкцией обеспечена подходящим расстоянием в воздухе. Это по существу ограничивает FCL "сухим типом" технологии изоляции. Технологии сухого типа обычно применяются в тех технологиях конструкции трансформатора, которые используют электрически изолированные медные катушки, а в качестве баланса изолирующей среды - только обычный статический воздух и изолированные твердые материалы изоляционного слоя. В целом, воздух формирует большую часть материала электрической изоляции между стороной высокого напряжения и заземленными элементами устройства, такими как стальная рама и корпус.

Использование изоляции сухого типа ограничивает FCL более низкими диапазонами линейного напряжения переменного тока приблизительно до 39 кВ. Трансформаторы сухого типа и реакторы коммерчески доступны только до уровней напряжения приблизительно 39 кВ. В результате существующая технология для насыщенного по постоянному току FCL не годится для экстраполяции в варианты с высоким напряжением. Сухой тип конструкций приводит к неспособности создавать практическую компактную конструкцию, используя воздух как изолирующую среду, когда имеют дело с более высокими напряжениями.

Один из основных практических рынков для FCL - от среднего до высокого напряжения (33 кВ до 166 кВ) и диапазон сверхвысокого напряжения (от 166 кВ до 750 кВ). При работе в этих диапазонах напряжения существующий в настоящее время уровень техники и описания в технической литературе насыщенных по постоянному току FCL's не являются практичными. Основная причина состоит в конструктивных соображениях, связанных со статическим напряжением, например пробоем воздушной изолирующей среды между медными катушками высокого напряжения и криостатом, или стальным сердечником, или катушкой по постоянному току. Фазовые катушки высокого напряжения при средних - высоких напряжениях (больше чем 39 кВ) часто должны быть погружены в одну из следующих сред:

изолирующий газ (такой как SF₆, азот или тому подобное),

вакуум (лучше чем 10^-3 мбар),

жидкость, такую как синтетическое силиконовое масло, растительное масло или другие обычно доступные изолирующие масла, используемые в трансформаторной и реакторной технологии при средних, высоких и сверхвысоких напряжениях.

Когда устройство высокого напряжения погружено в такую изолирующую среду, эта среда часто упоминается как "объемная изолирующая среда" или "диэлектрик".

Как правило, относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика приблизительно равна от 2 до 4, за исключением вакуума, относительная диэлектрическая проницаемость которого равна 1. Эти так называемые диэлектрические изолирующие среды имеют электростатические свойства электрической прочности диэлектрика, которые намного превышают аналогичные свойства атмосферного воздуха, если используются благоразумно, путем ограничения максимального расстояния между твердыми изоляционными слоями и оптимизации заполненного диэлектриком расстояния относительно электрической прочности конкретного жидкого или газообразного диэлектрика.

Традиционно доступные объемно изолирующие газы и жидкости обычно имеют электрическую прочность изоляции порядка 10-20 кВ/мм, но обычно используются таким образом, чтобы среднее напряжение электрического поля не превышало приблизительно 6-10 кВ/мм. Этот запас прочности к значению пробойного напряжения требуется потому, что даже если среднее напряжение электростатического поля составляет 6-10 кВ/мм, то напряжение электростатического поля в пике вдоль любой изостатической линии электрического поля может быть в 2-3 раза больше среднего значения из-за различных эффектов усиления электростатического поля.

В целом есть пять основных необходимых требований к диэлектрической жидкости или газу с точки зрения требований объемной изоляции при высоких напряжениях на смонтированном в корпусе энергоблоке, таком как трансформаторы, и реакторы, и ограничители тока замыкания:

- диэлектрик должен иметь очень высокое удельное сопротивление,

- диэлектрические потери должны быть очень низкими,

- жидкость должна быть согласована с твердыми изоляторами, не ухудшая эту твердую изоляцию (например, изоляцию от витка к витку на обмотках катушки или эпоксидную смолу),

- электрическая прочность изоляции должна быть высокой, и

- среда должна быть в состоянии удалять потери тепловой энергии.

Технологии твердой изоляции еще не являются традиционными для средних и высоких напряжений (то есть при рабочих напряжениях больших чем 39 кВ) для смонтированных в корпусе устройств, таких как трансформаторы, реакторы и ограничители тока замыкания. Недостаток технологий твердой изоляции заключается в неизбежном наличии пустот внутри объема твердой изоляции или между поверхностями несходных материалов, таких как между изоляцией катушек и другими твердыми изоляционными материалами. Известно, что пустоты в твердой изоляции с высокими напряжениями создают высокое электрическое напряжение внутри пустоты из-за эффекта усиления поля. Это вызывает физический пробой окружающего материала из-за частичных разрядов и может в конечном счете привести к трекингу и к полному выходу устройства из строя.

Известно, что насыщенный по постоянному току ограничитель тока замыкания, который использует одну или несколько катушек по постоянному току для насыщения стального сердечника, как раскрыто в вышеупомянутых документах предшествующего уровня техники, сталкивается с главной проблемой, когда медные фазовые катушки по переменному току больше не могут иметь конструкцию "сухого типа" или когда основная изолирующая среда всего устройства представляет собой воздух. Существенная проблема в таких конструкциях - это наличие стального криостата, предназначенного для охлаждения ВТСП катушки по постоянному току, а также и сама ВТСП катушка по постоянному току. Криостат, и катушка, и стальные сердечники находятся по существу при потенциале земли относительно фазовых катушек по переменному току.

Второстепенный вопрос, но тот, который усиливает требования к изоляции для всего энергоблока и оборудования высокого напряжения, обычно заключается в том, что основная конструкция изоляции также должна отвечать определенным электротехническим стандартам, которые тестируют на допуск к различным типам сверхнапряжения и грозовых импульсов в течение заранее заданных периодов времени. К примеру, в Австралии такие стандарты следующие:

- AS2374 Часть 3. Уровни изоляции и диэлектрические тесты, которые включают тесты частоты питающей сети (PF) и грозовых импульсов (LI) всего трансформатора.

- AS2374 Часть 3.1. Уровни изоляции и диэлектрические тесты - Внешние изоляционные расстояния в воздухе.

- AS2374 Часть 5. Способность противостоять короткому замыканию.

Эти стандарты не формируют исчерпывающий список стандартов, которым должно удовлетворять высоковольтное электрическое оборудование. Признано, что у каждой страны есть свои собственные стандарты, которые покрывают те же самые области конструкции, при этом ссылка на стандарт отдельной страны не обязательно исключает стандарты любой другой страны. В идеале устройство выполняют удовлетворяющим стандартам многих стран.

Строгое соблюдение этих стандартов приводит к BIL (Основной Уровень Изоляции) для устройства или "DIL" (Конструкционный Уровень Изоляции), который обычно является кратным числом напряжения линии переменного тока. Например, средний трансформатор напряжением на 66 кВ или другое смонтированное в корпусе устройство, такое как FCL, может иметь BIL равным 220 кВ. Требование удовлетворять этому стандарту приводит к конструкции статического напряжения, которая более напряжена, чтобы практически удовлетворять этому стандарту, нежели с точки зрения только напряжения линии переменного тока. Применимые стандарты и это требование вытекают из того факта, что практическая электрическая установка испытывает временные перенапряжения, которые энергоблок и устройства могут испытывать внутри сложной сети, например грозовые перенапряжения и коммутационные перенапряжения. Следовательно, все оборудование в электрической сети имеет BIL или DIL, соответствующие для ожидаемых худших случаев напряжений переходных процессов.

Начальное рассмотрение статической проблемы конструкции для насыщенных ограничителей тока замыкания постоянного высокого напряжения может привести к заключению, что проблема легко решается размещением только медных катушек переменного высокого напряжения в подходящем электрически изолирующем газе или жидкости. Однако проблема с этим способом состоит в том, что стальной сердечник должен проходить через контейнер, который содержит газ или жидкость. Конструирование этого интерфейса для долговременного обслуживания является трудным с точки зрения механического решения. Однако более важным является электростатическое решение проблемы интерфейса, которое является намного более сложным, поскольку любое решение может постигнуть неудача или оно может оказаться неэкономным. Проблема состоит в том, что между контейнером, содержащим диэлектрическую жидкость, и сердечником с высокой магнитной проницаемостью должна быть предусмотрена изоляция или, в качестве альтернативы, должен быть предусмотрен способ изоляции ВТСП криостата от текучей среды.

Другая возможность состоит в использовании высоковольтных твердых изолирующих слоев между фазами, а также между фазой и стальным сердечником и криостатом или высоковольтного слоя изоляции вокруг медных фазовых катушек и в близком контакте с фазовыми катушками. Однако это имеет существенный вредный побочный эффект. Известно, что статическое электрическое поле в комбинации воздуха и других материалов с более высокой относительной диэлектрической постоянной всегда приводит к усиленному электрическому полю в материале или жидкости с более низкой диэлектрической постоянной (который является воздухом). Например, рассмотрим проводящий медный цилиндр со слоем обычной изоляции, представляющей собой межвитковую изоляцию, в соответствии с уравнением 1:

где

U_m - переменное фазовое напряжение относительно земли;

R - радиус медного цилиндра, включая внешнюю изоляцию, мм;

r - радиус голого медного цилиндра [мм];

d - расстояние от центра цилиндра до самой близкой плоскости земли, мм;

ε₂ - относительная диэлектрическая константа изоляции, покрывающей цилиндр;

ε₁ - относительная диэлектрическая константа объемной изоляции, в которую погружен цилиндр (= 1 для воздуха)

х - расстояние от центра цилиндра до точки вне цилиндра, мм;

Е_х - градиент электростатического поля в точке х, кВ/мм.

Эффект усиления поля представлен фактором ε₂/ε₁ и имеет значение порядка 2-4 для традиционных каждодневно используемых материалов, за исключением случая использования вакуума, который имеет относительную диэлектрическую постоянную, равную 1. Обеспечивая дополнительный твердый материал или другой материал изоляции (с более высокой диэлектрической постоянной, чем воздух), можно увеличить электростатическое напряжение в объемной воздушной изоляции FCL. Чем лучше качество высоковольтной изоляции, тем выше эффект усиления поля.

Следовательно, твердые изолирующие слои диэлектрической изоляции, в противном случае изолированные воздухом FCL, не представляют собой технически желательный выбор для высоковольтных FCL's при напряжениях больше чем 39 кВ, и действительно не видно, чтобы этот способ мог быть использован для изготовления высоковольтных сухих трансформаторов с напряжением больше чем, например, 39 кВ. Фактически, до настоящего времени не было найдено подходящей технологии, и именно поэтому высоковольтные трансформаторы выше 39 кВ изолируют с помощью диэлектрической жидкости или газа.

Все сказанное выше является причиной, почему смонтированное в корпусе высоковольтное электрооборудование часто полностью погружено в электрически изолирующую диэлектрическую жидкость или газ. Таким образом, изолированные медные катушки и стальные сердечники трансформаторов и реакторов размещают внутри контейнера, который затем полностью заполняют диэлектрической средой, которая является жидкостью. Это существенно уменьшает проблемы конструирования, связанные с электростатическим напряжением, подробно описанные в вышеупомянутом обсуждении. Изолирующая среда (например, масло, вакуум или SF₆) заполняет все пустоты и объемные расстояния между высоковольтными элементами, и элементами, которые по существу находятся при потенциале земли или нейтральном потенциале. В этом случае твердые изолирующие слои могут быть включены в объемный изолирующий диэлектрик, и для многих жидкостей, таких как масло, разделение больших расстояний твердой изоляцией улучшает качество всей электростатической изоляции, увеличивая величину поля пробоя диэлектрической жидкости. Это имеет место потому, что относительная диэлектрическая постоянная масла и твердой изоляции очень близки друг к другу (таким образом, эффекты усиления поля снижены по сравнению с воздухом), и напряжение пробоя объемной диэлектрической среды (выраженное в кВ/мм) улучшается для меньших расстояний между изолирующими слоями.

Большая проблема с полной иммерсионной технологией состоит в том, что она не может быть с готовностью приспособлена к насыщенным по постоянному току конструкциям FCL или другим устройствам, которые содержат сверхпроводящую катушку как насыщенный по постоянному току элемент. Это потому, что сверхпроводящая катушка и ее криостат или вакуумный контейнер является элементом FCL, который должен также обязательно быть погружен в диэлектрическую жидкость.

Авторитетные источники информации ясно указывают на четыре главных критерия для рентабельного, практически осуществимого и технологичного FCL:

- Он должен иметь низкий полный импеданс при включении так, чтобы этот импеданс был невидим для сети, когда нет никаких замыканий, и при обеспечении пикового потока мощности.

- Он не должно производить больше чем 0,5% THD (полный коэффициент гармонических искажений) или как это требуется конечным пользователем.

- Он должно обеспечивать подходящую отсечку тока замыкания между 20% и 80%.

- Конструкция должна быть выполнена с возможностью расширения до высоких переменных напряжений (больших чем 6 кВ) и больших переменных токов (больше чем 0,6 кA).

Классические конструкции FCL с насыщаемым сердечником, подробно описанные в предшествующем уровне техники, испытывают основные недостатки, заключающиеся в том, что они не подходят для высокого напряжения и больших переменных токов. Оба из этих недостатков происходят из-за нехватки хладагента (отличного от воздуха) и/или жидкого или газообразного диэлектрика.

Даже если в классической конструкции FCL с насыщаемым сердечником используется жидкий или газообразный диэлектрик, в ней все еще требуется существенная доработка, чтобы обеспечить доступ к криоохладителю, криостату и деталям криостата. Кроме того, должны быть сделаны и протестированы специальные уплотнения для изоляции проходных каналов криостата (электроэнергии, электрических сигналов) от диэлектрика.

В конструкциях с большими переменными токами площадь поперечного сечения меди, необходимая для проведения необходимого количества электрического тока, намного выше, когда используется охлаждающая конструкция только посредством воздуха. Нет ничего необычного в том, что эта область поперечного сечения может быть до пяти раз больше. Это может привести к слишком большим размерам катушки переменного тока, чтобы та могла быть вмещена в минимальный размер ярма рамы сердечника, с требованием большего ярма, чтобы поддерживать электростатический зазор. Это увеличивает габариты и массу классической изолированной воздухом конструкции FCL с насыщаемым сердечником, охлаждаемым воздухом.

Любое обсуждение предшествующего уровня техники повсюду в этой спецификации никоим образом нельзя рассматривать как допущение, что такой предшествующий уровень техники широко известен или является частью общего знания в данной области.

Сущность изобретения

Целью предпочтительных вариантов выполнения этого изобретения является преодоление одного или большего количества вышеупомянутых недостатков или предоставление полезной альтернативы.

Другой целью предпочтительных вариантов выполнения изобретения является преодоление одного или большего количества указанных выше недостатков, инвертируя обычные относительные местоположения катушек по переменному току и катушек по постоянному току в FCL. Эти варианты выполнения обеспечивают возможность всей конструкции быть погруженной в диэлектрик.

В соответствии с первым аспектом изобретения предложен ограничитель тока замыкания высокого напряжения, который содержит магнитно насыщаемый сердечник и по меньшей мере одну фазовую катушку по переменному току, намотанную вокруг части указанного насыщаемого сердечника, причем указанный магнитно насыщаемый сердечник и указанная по меньшей мере одна фазовая катушка по переменному току размещены внутри замкнутого пространства, снаружи которого расположена подмагничивающая катушка по постоянному току, которая окружает это пространство и которая во время рабочих режимов без замыкания указанного ограничителя тока смещает указанный сердечник в состояние магнитного насыщения для низкого полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состоянии, а во время условий замыкания выводит указанный сердечник из состояния магнитного насыщения, чтобы, таким образом, обеспечить увеличенный импеданс ограничения тока в указанной электрической цепи.

В одном варианте выполнения сердечник с высокой проницаемостью выбран из одного или большего количества следующих материалов: слоистый стальной материал для трансформатора; мягкая сталь; или другие формы магнитной стали, ферритовых материалов или ферромагнитного материала.

В одном варианте выполнения сердечник выполнен в форме прямоугольного набора стоек, из которых на каждую соответствующую стойку сердечника намотана фазовая катушка по переменному току, при этом указанные фазовые катушки электрически соединены друг с другом таким образом, что направления магнитных полей, произведенных катушками по переменному току, являются противоположными.

В одном варианте выполнения ограничитель тока замыкания содержит контейнер, окружающий катушки по переменному току для содержания диэлектрической изолирующей среды и охлаждающую среду для указанных катушек по переменному току.

В одном варианте выполнения катушка по постоянному току представляет собой сверхпроводник, а более предпочтительно высокотемпературный сверхпроводник, размещенный в криостате и охлаждаемый криоохладителем.

В одном варианте выполнения подмагничивающая катушка по постоянному току совпадает с коаксиальным направлением фазовой катушки по переменному току так, чтобы указанная часть насыщаемого сердечника была полностью насыщенной.

В одном варианте выполнения магнитно насыщаемый сердечник и катушки по переменному току погружены в диэлектрик, который имеет форму твердого тела, жидкости или газа и содержит воздух при любом давлении, включая вакуум.

В одном варианте выполнения стойки сердечника являются прямоугольными в поперечном сечении и имеют постоянное поперечное сечение вдоль всей длины.

В одном варианте выполнения магнитно насыщаемый сердечник выполнен из слоистого стального материала трансформатора, мягкой стали или другой магнитной стали, ферритового материала, изолированного прессованного порошкообразного материала с высокой проницаемостью или из ферромагнитного материала.

В одном варианте выполнения стойки сердечника сужаются к своим концам, в результате чего во время работы без замыкания ограничителя тока по существу весь указанный сердечник насыщен.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предложен ограничитель тока замыкания, содержащий:

входную клемму для электрического присоединения к источнику питания, который обеспечивает ток нагрузки;

выходную клемму для электрического присоединения к цепи нагрузки, которая отбирает ток нагрузки;

магнитно насыщаемый сердечник;

катушку по переменному току, намотанную вокруг продольной части сердечника с обеспечением переноса тока нагрузки между входной клеммой и выходной клеммой; и

по меньшей мере одну катушку по постоянному току, индуцирующую магнитное поле в по меньшей мере части сердечника и проходящую вокруг продольной промежуточной области, которая имеет сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В одном варианте выполнения, в состоянии с низким импедансом, указанная часть магнитно насыщена.

В одном варианте выполнения, в состоянии с низким импедансом, сердечник магнитно насыщен в длину вне указанной части.

В одном варианте выполнения, в состоянии с высоким импедансом, указанная часть не является магнитно насыщенной.

В одном варианте выполнения, в состоянии с низким импедансом, импеданс катушки по переменному току по существу равен теоретическому импедансу воздушного сердечника катушки по переменному току.

В одном варианте выполнения, одна из указанной одной или большего количества характеристик представляет собой увеличение тока нагрузки выше заранее заданной величины тока.

В одном варианте выполнения:

сердечник содержит группу стоек;

продольная часть является сегментированной между стойками; и

катушка по переменному току содержит группу сегментов катушки, которые намотаны вокруг соответствующих стоек.

В одном варианте выполнения стойки параллельны.

В одном варианте выполнения стойки проходят в длину.

В одном варианте выполнения каждая стойка имеет по существу однородное поперечное сечение.

В одном варианте выполнения стойки имеют по существу схожие поперечные сечения.

В одном варианте выполнения поперечное сечение стоек имеет по меньшей мере одну ось симметрии.

В одном варианте выполнения поперечные сечения стоек симметричны.

В одном варианте выполнения стойки по существу проходят в промежуточную область.

В одном варианте выполнения стойки отстоят друг от друга на некоторое расстояние.

В одном варианте выполнения стойки проходят в длину за катушки по постоянному току.

В одном варианте выполнения сегменты катушки по существу проходят в длину в промежуточной области.

В одном варианте выполнения катушка по переменному току проходит в длину за катушки по постоянному току.

В одном варианте выполнения каждая стойка проходит в длину за соответствующую катушку по переменному току.

В одном варианте выполнения ток нагрузки содержит три фазы, а ограничитель тока замыкания содержит три пары входных и выходных клемм для соответствующих фаз.

В одном варианте выполнения ограничитель тока замыкания содержит шесть стоек, выполненных тремя парами, причем каждая пара стоек связана с соответствующей парой входных и выходных клемм для переноса соответствующей фазы тока нагрузки.

В одном варианте выполнения стойки в каждой паре стоек спарены вместе.

В одном варианте выполнения каждая стойка содержит продольные концы, причем по меньшей мере один конец каждой стойки спарен со смежным концом другой стойки в одной и той же паре.

В одном варианте выполнения оба конца каждой стойки спарены с соответствующими смежными концами другой стойки в одной и той же паре.

В одном варианте выполнения стойки спарены магнитно и физически с помощью материала с высокой проницаемостью.

В одном варианте выполнения стойки в каждой паре расположены вблизи друг друга и имеют отстоящие друг от друга на некоторое расстояние противостоящие грани.

В одном варианте выполнения противостоящие грани являются по существу плоскими.

В одном варианте выполнения противостоящие грани являются по существу параллельными.

В одном варианте выполнения противостоящие грани имеют по существу одинаковую протяженность.

В одном варианте выполнения ограничитель тока замыкания содержит пространство для ограничения промежуточной области.

В одном варианте выполнения пространство содержит диэлектрический материал.

В одном варианте выполнения катушка по переменному току размещена внутри диэлектрика.

В одном варианте выполнения каждая катушка по постоянному току содержит материал с высокой электропроводностью.

В одном варианте выполнения материал с высокой электропроводностью выбран из меди; алюминия; высокотемпературного сверхпроводящего материала; низкотемпературного сверхпроводящего материала.

В соответствии с третьим аспектом изобретения предложен способ ограничения тока, включающий этапы:

обеспечения входной клеммы для электрического соединения с источником питания, который обеспечивает ток нагрузки;

обеспечения выходной клеммы для электрического соединения с цепью нагрузки, которая отбирает ток нагрузки;

обеспечения магнитно насыщаемого сердечника;

наматывания катушки по переменному току вокруг продольной части сердечника для переноса тока нагрузки между входной и выходной клеммами; и

индуцирования магнитного поля в по меньшей мере части сердечника с помощью по меньшей мере одной катушки по постоянному току, причем катушка по постоянному току проходит вокруг продольной промежуточной области, которая вмещает сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В соответствии с четвертым аспектом изобретения предложен ограничитель тока замыкания, содержащий:

входную клемму для электрического присоединения к источнику питания, который обеспечивает ток нагрузки;

выходную клемму для электрического присоединения к цепи нагрузки, которая отбирает ток нагрузки;

магнитно насыщаемый сердечник;

катушку по переменному току, намотанную вокруг продольной части сердечника с обеспечением переноса тока нагрузки между входной клеммой и выходной клеммой; и

по меньшей мере одну катушку по постоянному току, которая находится в конструкции открытого сердечника с катушкой по переменному току для индуцирования магнитного поля в по меньшей мере части сердечника и проходит вокруг продольной промежуточной области, которая имеет сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В соответствии с пятым аспектом изобретения предложен способ ограничения тока с использованием ограничителя тока замыкания, включающий этапы:

электрического присоединения источника питания к входной клемме для обеспечения тока нагрузки;

электрического присоединения цепи нагрузки к выходной клемме для отбора тока нагрузки;

обеспечения магнитно насыщаемого сердечника;

обеспечения катушки по переменному току, намотанной вокруг продольной части сердечника для переноса тока нагрузки между входной и выходной клеммами; и

обеспечения по меньшей мере одной катушки по постоянному току, которая находится в конструкции открытого сердечника с катушкой по переменному току для индуцирования магнитного поля в по меньшей мере части сердечника, причем катушка по постоянному току проходит вокруг продольной промежуточной области, которая вмещает сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В соответствии с шестым аспектом изобретения предложен ограничитель тока замыкания, содержащий:

три входные клеммы для электрического присоединения к соответствующим фазам трехфазного источника питания, который обеспечивает трехфазный ток нагрузки;

три выходные клеммы для электрического присоединения к соответствующим фазам цепи нагрузки, которая отбирает ток нагрузки;

магнитно насыщаемый сердечник, имеющий три пары стоек, каждая из которых имеет продольную часть;

три катушки по переменному току, намотанные вокруг частей соответствующих пар стоек для того, чтобы переносить ток нагрузки между входными клеммами и выходными клеммами; и

по меньшей мере одну катушку по постоянному току, индуцирующую магнитное поле в по меньшей мере части сердечника и проходящую вокруг продольной промежуточной области, которая имеет сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В одном варианте выполнения каждая катушка по переменному току содержит два сегмента, каждый из которых намотан вокруг соответствующих частей стоек в паре стоек.

В соответствии с седьмым аспектом изобретения предложен способ ограничения тока с использованием ограничителя тока замыкания, включающий этапы:

электрического присоединения к соответствующим фазам трехфазного источника питания трех входных клемм для обеспечения трехфазного тока нагрузки;

электрического присоединения к соответствующим фазам цепи нагрузки трех выходных клемм для отбора тока нагрузки;

обеспечения магнитно насыщаемого сердечника, имеющего три пары стоек, каждая из которых имеет продольную часть;

обеспечения трех катушек по переменному току, намотанных вокруг частей соответствующих пар стоек для того, чтобы переносить ток нагрузки между входными клеммами и выходными клеммами; и

обеспечения по меньшей мере одной катушки по постоянному току, индуцирующей магнитное поле в по меньшей мере части сердечника и проходящей вокруг продольной промежуточной области, которая имеет сердечник и катушку по переменному току, при этом поле намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

В соответствии с восьмым аспектом изобретения предложен сердечник для ограничителя тока замыкания, содержащий по меньшей мере одну проходящую в длину стойку, имеющую по меньшей мере две части, которые выполнены с возможностью магнитного насыщения и которые, при использовании, вмещаются внутри соответствующих сегментов катушки по переменному току, которая, в свою очередь, размещается внутри катушки по постоянному току.

В одном варианте выполнения указанные части расположены отстоящими друг от друга не некоторое расстояние.

В одном варианте выполнения сердечник содержит две одинаковые параллельные стойки, имеющие соответствующие части.

В одном варианте выполнения стойки спарены.

В одном варианте выполнения стойки спарены друг с другом.

В одном варианте выполнения каждая стойка проходит между первым концом и вторым концом, причем первый конец и второй конец одной из стоек расположены смежно соответственно с первым концом и вторым концом другой стойки.

В одном варианте выполнения сердечник содержит ярмо, которое проходит между первыми концами для того, чтобы стойки были спарены друг с другом.

В одном варианте выполнения сердечник содержит дополнительное ярмо, которое проходит между вторыми концами для того, чтобы стойки были спарены друг с другом.

В одном варианте выполнения стойки включают слоистые стойки.

В одном варианте выполнения ярма включают слоистые ярма.

В одном варианте выполнения слоистые стойки и слоистые ярма чередуются.

В одном варианте выполнения сердечник содержит шесть проходящих в длину стоек, расположенных тремя парами.

В соответствии с девятым аспектом изобретения предложен ограничитель тока замыкания, содержащий сердечник, выполненный в соответствии с восьмым аспектом изобретения.

В соответствии с десятым аспектом изобретения предложена система электрического распределения, содержащая по меньшей мере один ограничитель тока замыкания, выполненный в соответствии с одним из аспектов изобретения, первым, вторым, четвертым, шестым или девятым.

Ссылка повсюду в этом описании на "один вариант выполнения", "некоторые варианты выполнения" или "вариант выполнения" означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, включена по меньшей мере в один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте выполнения", "в некоторых вариантах выполнения" или "в варианте выполнения" в различных местах повсюду в этом описании не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения, но может относиться и к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или большем количестве вариантов выполнения, как было бы очевидно из этого описания для обыкновенного специалиста в этой области техники.

Порядковые прилагательные "первый", "второй", "третий" и т.д., как здесь используются, если иначе не определено, используются для описания общего объекта, просто указывая на различные события ссылки на подобные объекты, и не предназначены для того, чтобы эти объекты, описанные таким образом, были даны в последовательности, временной, пространственной, по рангу или любым другим образом.

Краткое описание чертежей

Указанные выше предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны ниже в отношении следующих приложенных чертежей, на которых:

Фиг.1 представляет собой схематический вид экспериментальной конструкции сердечника FCL;

Фиг.2 иллюстрирует результаты FEA анализа конструкции, изображенной на Фиг.1;

Фиг.3 иллюстрирует закрытую конструкцию сердечника для FCL с катушкой по переменному току и катушкой по постоянному току, расположенной поверх и коаксиальной, то есть эти две катушки намотаны вокруг одного и того же магнитопровода закрытого сердечника;

Фиг.4 иллюстрирует экспериментальную закрытую конструкцию сердечника со связанными измерительными катушками для обеспечения возможности исследования природы полного импеданса при включении;

Фиг.5 представляет собой иллюстрацию результатов эксперимента, проводимого с конструкцией, изображенной на Фиг.4;

Фиг.6 суммирует результаты измерения полного импеданса при включении для вышеупомянутых экспериментальных конструкций;

Фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе трехфазного ограничителя тока замыкания с открытым сердечником, выполненным в соответствии с указанным изобретением;

Фиг.8 представляет собой схематический вид электрического соединения обмоток между собой на двух стойках сердечника, показанных в ограничителе тока замыкания, изображенном на Фиг.7;

Фиг.9 показывает результаты FEA анализа магнитного поля и относительной проницаемости по длине сердечника в направлении Z, изображенном на Фиг.7;

Фиг.10 показывает график магнитного поля вдоль линии, центральной по отношению к сердечникам и пересекающей три стойки сердечника в направлении X, изображенном на Фиг.7;

Фиг.11 показывает график магнитного поля в центре одной стойки сердечника, изображенной на Фиг.7, с возбуждением постоянным током;

Фиг.12 показывает график намагничивания по постоянному току сердечника, изображенного на Фиг.7, с незначительными отклонениями по постоянному току от двух рабочих точек с полным насыщением;

Фиг.13 показывает график относительной проницаемости в середине стойки сердечника, изображенной на Фиг.7, по отношению к возбуждению катушки по постоянному току и с током в 1000 ампер в 50 витках катушки по переменному току;

Фиг.14 показывает график намагничивания по постоянному току сердечника, изображенного на Фиг.7, как функцию ампер-витков по постоянному току и с полным переменным током на катушке по переменному току, так что потоки, созданные каждой катушкой, являются противоположными;

Фиг.15 представляет собой альтернативную форму изобретения, показывая то же самое соединение обмоток между собой, и в которой нижнее ярмо между двумя сердечниками сохранено;

Фиг.16 показывает расположение трех фаз в FCL конструкции с открытым сердечником, в которой имеется три ряда и два столбца стальных сердечников, и с электрическим соединением между собой каждой фазы в соответствии с подробным изображением на Фиг.8;

Фиг.17 показывает альтернативное расположение трех фаз в FCL конструкции с открытым сердечником, в которой имеется три ряда и два столбца стальных сердечников, и с электрическим соединением между собой каждой фазы в соответствии с подробным изображением на Фиг.8;

Фиг.18 показывает спаренную альтернативу для трехфазной FCL конструкции с открытым сердечником и с электрическим соединением между собой каждой фазы в соответствии с подробным изображением на Фиг.8;

Фиг.19 показывает экспериментальную конструкцию, используемую для измерения плотности потока и полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состоянии по переменному току, и характеристики ограничения тока замыкания, и с электрическим соединением между собой каждой фазы в соответствии с подробным изображением на Фиг.8;

Фиг.20 показывает измеренные характеристики полного импеданса при включении без замыкания для экспериментальной FCL конструкции с открытым сердечником;

Фиг.21 показывает характеристики полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состоянии при разных переменных напряжениях и токах;

Фиг.22 показывает графики характеристик тока замыкания для FCL с открытым сердечником как функцию смещения по постоянному току;

Фиг.23 показывает графики характеристики переходного процесса плотности потока экспериментальной конструкции с открытым сердечником;

Фиг.24 показывает график напряжения переходного процесса цепи постоянного тока, когда сердечник полностью насыщен вне области действия катушки по переменному току, и где наличие замыкания обнаруживают как небольшое понижение напряжения между точками, обозначенное стрелками, начинающимися с t=0,08 секунды;

Фиг.25 показывает графики переходного процесса тока замыкания в экспериментальной конструкции с FCL с открытым сердечником в цепи и без него;

Фиг.26 показывает характеристики тока переходного процесса цепи постоянного тока экспериментальной конструкции FCL с открытым сердечником;

Фиг.27 показывает экспериментальную конструкцию катушек по переменному току и по постоянному току для измерения и снятия характеристик плотности потока, полного импеданса при включении без замыкания по переменному току, и способности к ограничению тока замыкания спаренного FCL и с электрическим соединением между собой каждой фазы в соответствии с подробным изображением на Фиг.8;

Фиг.28 показывает измеренный полный импеданс при включении без замыкания в установившемся состоянии спаренного FCL с открытым сердечником экспериментальной конструкции по сравнению с тем, что измерен на неспаренном FCL с открытым сердечником, с магнитопроводами одного размера;

Фиг.29 показывает сравнение измеренного полного импеданса при включении без замыкания между спаренной и неспаренной конструкцией открытого сердечника, и в сравнении с различными конструкциями закрытого сердечника;

Фиг.30 показывает измеренный полный импеданс при включении без замыкания в установившемся состоянии спаренного FCL с открытым сердечником экспериментальной конструкции по сравнению с тем, что измерен на неспаренном FCL с открытым сердечником, с магнитопроводами одного размера;

Фиг.31 показывает графики характеристики тока замыкания для спаренного FCL с открытым сердечником как функцию смещения по постоянному току;

Фиг.32 показывает график плотности потока FCL с открытым сердечником экспериментальной конструкции, взятого от измерительной катушки вокруг стального магнитопровода и расположенного сверху катушки по переменному току спаренного FCL с открытым сердечником;

Фиг.33 показывает характеристики тока переходного процесса цепи постоянного тока спаренного FCL с открытым сердечником экспериментальной конструкции;

Фиг.34 представляет собой схематический вид FCL в системе электрического распределения;

Фиг.35 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL с открытым сердечником с одной фазой, в котором сердечник содержит две стальные стойки, которые сложены конец в конец;

Фиг.36 представляет собой вид сверху на FCL, изображенный на Фиг.35;

Фиг.37 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL с открытым сердечником с одной фазой, в котором сердечник содержит одну прессованную стойку;

Фиг.38 представляет собой вид сверху на FCL, изображенный на Фиг.37;

Фиг.39 представляет собой схематический вид в аксонометрии дополнительного варианта выполнения FCL, имеющего в целом круглые габариты и содержащего ярма между стойками внутри сердечника; и

Фиг.40 представляет собой схематический вид сверху на FCL, изображенный на Фиг.39;

Фиг.41 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL, выполненного аналогично FCL, изображенному на Фиг.39, но без ярм;

Фиг.42 представляет собой вид сверху на FCL, изображенный на Фиг.41;

Фиг.43 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL, который содержит сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения в сложенных 3×2 массивах;

Фиг.44 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL, который содержит сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения, расположенные бок о бок в 3×2 массиве; и

Фиг.45 представляет собой схематический вид в аксонометрии FCL, который содержит сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения в сложенных 3×2 массивах, которые являются спаренными.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

Тогда как далее описано много вариантов выполнения, дальнейшие варианты выполнения изобретения раскрыты в австралийской заявке на патент №2009901138, поданной 16 марта 2009 и по которой заявляется приоритет настоящей заявки. Подробности тех вариантов выполнения включены в данный документ посредством перекрестной ссылки.

Последующее описание в отношении Фиг.1-6 предназначено для того, чтобы предоставить ознакомляющемуся с данной заявкой информации о вариантах выполнения изобретения.

Во-первых, следует упомянуть, что часто используемые параметрические признаки предпочтительных вариантов выполнения включают:

- A_core: площадь поперечного сечения сердечников с высокой проницаемостью под катушкой по переменному току,

- N_ac: число витков по переменному току,

- N_dc: число витков по постоянному току,

- I_dc: ток катушки по постоянному току [Амперы],

- I_ac: ток катушки по переменному току [Амперы, среднеквадратичное значение],

- f: частота электрической системы,

- Z_b: базовый импеданс электрической системы, которая защищается,

- Z+: положительный последовательный импеданс системы,

- I_fp: предполагаемый ток замыкания системы,

- I_fr: желаемый уменьшенный ток замыкания.

Ограничение тока замыкания и полный импеданс при включении являются функцией вышеупомянутых параметров.

Специалисты должны понимать, что намагничивание структуры с высокой проницаемостью, как это требуется в области FCL, подвержено потерям потока из-за следующих двух основных эффектов:

- Отклонения силовых линий магнитного поля вокруг подмагничивающей катушки по постоянному току и возвращения их по чисто воздушному пути.

- Частичный возврат потока воздух/сердечник, когда поток входит в сердечник, но возвращается по воздушному пути вместо полного пути с высокой проницаемостью.

Например, FEA анализ проводился на конструкции сердечника, показанной на Фиг.1. Соответствующие характеристики этой конструкции сердечника:

- Ширина окна = 290 мм.

- Высота окна = 350 мм.

- Материал: М6 слоистый стальной сердечник.

- Пластины, используемые для конструирования сердечника: конструкция сердечника в нахлестку с шагом 0,35 мм.

- Площадь поперечного сечения сердечника: 150 мм × 150 мм.

Другие экспериментальные детали изображены на Фиг.1, а более полные результаты показаны на Фиг.2.

Было найдено, что в дальних магнитопроводах и ярмах наблюдается потеря плотности магнитного потока. Таблица 1 ниже суммирует результаты для конструкции сердечника, изображенного на Фиг.1, в точке максимальной плотности потока.

Таблица 1 Основные результаты плотности потока на опытном образце сердечника, изображенного на Фиг.1 Местоположение Используемое число измерительных катушек Плотность потока (Тесла) Центр внутреннего магнитопровода 6 2,12 Внутренний магнитопровод вблизи катушки по постоянному току 5 2,07 Верхнее ярмо вблизи катушки по постоянному току 4 2,01 Верхнее ярмо дальше от катушки по постоянному току 3 2,01 Верх наружного магнитопровода 2 1,96 Центр наружного магнитопровода 1 1,95

Описанный здесь эффект известен специалистам в этом уровне техники. Уменьшение плотности потока на стороне сердечника по переменному току от 2,12 Тесла до 1,95 Тесла не может на первый взгляд казаться недостатком. Однако именно измерение на вспомогательном контуре катушки по переменному току приводит к проблеме. Тогда как вспомогательный контур боковой катушки по постоянному току показывает среднюю относительную проницаемость близко к 1,0, как и ожидалось для насыщенного сердечника, вспомогательный контур, измеренный на том же самом уровне тока катушки по постоянному току, показывает относительную проницаемость, равную 86. Это приводит к высокому полному импедансу при включении для устройства, а также указывает, что боковой сердечник по переменному току не полностью насыщается, несмотря на наблюдение классического уплощения кривой В-Н.

Подходы к уменьшению потери плотности потока и поддержания стороны сердечника по переменному току насыщенным включают:

- Использование большей площади поперечного сечения сердечника по всей конструкции.

- Неоднородные поперечные сечения стали.

- Сокращение полной магнитной длины стали между катушкой по переменному току и катушкой по постоянному току, чтобы получить низкопрофильную конструкцию сердечника.

Однако, как альтернатива этим подходам, также практичным является помещение катушки по переменному току на ближние боковые стороны магнитопровода, как показано на Фиг.3.

Используя этот способ, плотность потока в магнитопроводах непосредственно под катушками по переменному току является по существу той же самой, что и непосредственно под катушками по постоянному току.

Во время работы в установившемся состоянии поток от катушек по переменному току должен быть таким, что плотность магнитного потока в части стального сердечника в поле не является ненасыщенной или существенно изменяется. Поскольку это привело бы к более высокому импедансу, чем минимальный возможный полный импеданс при включении, и привело бы к гармоническому спектру в установившемся состоянии формы волны по переменному току.

Во время процесса ограничения тока замыкания поток, созданный от катушек по переменному току, компенсирует поток в стальном сердечнике, уменьшая насыщение части стального сердечника и приводя к повышению оконечного импеданса катушки по переменному току.

В этом конкретном расположении также видно, что внешние ярма и магнитопроводы больше не требуются, а нужны только центральные магнитопроводы.

Проблема, связанная с потерей плотности потока в магнитопроводе, содержащем катушку по переменному току, также связана с более высоким импедансом установившегося состояния без замыкания, также известным как полный импеданс при включении. Полный импеданс при включении, связанный с катушкой по переменному току, непосредственно пропорционален градиенту плотности потока от магнетодвижущей силы (MMF) на графике. Если часть сердечника под действием катушки по переменному току не будет полностью насыщена до того момента, где этот наклон минимизирован, то полный импеданс при включении будет нецелесообразно высоким.

Чтобы проиллюстрировать природу полного импеданса при включении, была создана экспериментальная конструкция (Фиг.4), чтобы измерить этот импеданс для различных мест расположения катушки по переменному току на сердечнике относительно катушки по постоянному току. Конструкция сердечника и катушки была выполнена с деталями, показанными ниже в Таблице 2 и Таблице 3.

Таблица 2   Внутр. диаметр (мм) Внешн. диаметр (мм) Высота (мм) Число витков Число слоев Сопротивление (Ом) Диметр проволоки (мм) Измерительные катушки     15 25,5 1 1,70 0,5 Катушки по постоянному току 160 184 280 171 3   4,0 Катушка без обмотки (по постоянному току) 150 160 280         Внутренний размер окна сердечника 650 (высота) × 450 (ширина) мм           Поперечное сечение сердечника 100×100 мм          

Таблица 3 Коэффициент заполнения железного сердечника 0,96 Используемый интегрирующий флюксометр магнит Walker Установки флюксометра 25,5×0,96×100=2448 Используются медные катушки по постоянному току (без сверхпроводника) Полностью алюминиевая конструкция и опоры - никакой мягкой стали Измерительные катушки намотаны плотно непосредственно на сердечник М6 слоистый стальной сердечник (слои 0,35 мм толщиной)

Ссылка теперь делается на Фиг.5. Подтверждение насыщенности на стороне по постоянному току было сделано с использованием измерительных катушек и датчиков Холла. Использование датчиков Холла налагает требование наличия воздушного зазора в сердечнике, равном 1,3 миллиметра, который не использовался во время измерений полного импеданса при включении.

Другие детали экспериментальной конструкции для измерения полного импеданса при включении включают:

- Постоянный ток = 100 Ампер

- Переменное напряжение = 50 В

- Частота переменного напряжения и тока: 50 Гц

- Переменный ток = 28 Ампер

- Количество витков по переменному току = 50

- Сопротивление катушки по переменному току = 0,10 Ом

Фиг.6 суммирует измеренные результаты полного импеданса при включении. Минимальный полный импеданс при включении достигается с совпадающим расположением катушек и с минимальным числом ампер-витков на катушке по постоянному току, необходимым для насыщения. Все другие расположения, включая ту, где катушка по переменному току находится на одном и том же магнитопроводе, что и катушка по постоянному току, и в непосредственной близости от катушки по постоянному току, приводит к более высокому полному импедансу при включении.

Измерения полного импеданса при включении как функцию ампер-витков подтвердили, что сердечник с высокой проницаемостью под действием катушки по переменному току должен не только быть насыщенным, но должен быть "сверхнасыщенным", чтобы иметь теоретический минимальный полный импеданс при включении.

Как показано на Фиг.34, ограничитель тока замыкания (FCL) расположен в электрической распределительной подстанции. FCL прежде всего включают в цепь, чтобы ограничить ток замыкания трансформатора, который также проиллюстрирован. Когда подстанция содержит больше одного трансформатора, можно иметь раздельные FCL для каждого из этих трансформаторов. Однако в некоторых вариантах выполнения, меньше чем все трансформаторы в подстанции имеют общий FCL.

FCL на расположенной вниз по потоку стороне электрически соединен с электрической распределительной системой, частью которой и является подстанция.

В других вариантах выполнения трансформатор и FCL расположены в другой установке, а не в подстанции. Иллюстративные примеры включают распределительную сеть промплощадки между вспомогательным генератором и остальной частью промышленной сети; и защиту главной энергосети от вклада тока замыкания ветровой электростанции, генератора волн, гидрогенератора или электростанции солнечной энергии.

Для варианта выполнения, изображенного на Фиг.34, электростанция представляет собой отапливаемую углем электростанцию. Однако в других вариантах выполнения электростанция представляет сбой одну или несколько гидроэлектростанций, атомных электростанций и ветровых электростанций.

Со ссылкой на Фиг.7 проиллюстрирован набор стоек 1 с высокой проницаемостью в трехфазной конструкции FCL с открытым сердечником в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Направление Z определено как проходящее вдоль продольного направления сердечника с высокой проницаемостью, как показано на чертеже. Стойки изготовлены из пластин трансформатора, а направление прокатки пластин вдоль оси Z.

Должно быть понятно, что стойки 1 все вместе ограничивают сердечник для FCL.

Стойки 1 с высокой проницаемостью изготовлены из материала пластин трансформаторной стали. В других вариантах выполнения используются одна или несколько мягких сталей или другие формы магнитных стальных ферритовых материалов или ферромагнитный материал, или гранулированный материал, такой как сердечник, выполненный из прессованного ферромагнитного порошка, или стеклообразный аморфный сердечник.

Катушка 2 по постоянному току, в целях насыщения части стоек 1 с высокой проницаемостью, окружает всю конструкцию снаружи замкнутого пространства. Термин "окружает" и т.п.использован, чтобы описать, как катушка 2 окружает замкнутое пространство или резервуар. Таким образом, катушка по постоянному току проходит вокруг продольной промежуточной области, в которую вставлены сердечник и катушка по переменному току. В проиллюстрированных вариантах выполнения сердечник и катушка по переменному току или катушки расположены внутри резервуара или другого замкнутого пространства, причем катушка по постоянному току окружает замкнутое пространство. Это обеспечивает большое количество преимуществ в компановке и в рабочих характеристиках предпочтительных вариантов выполнения. Как будет упомянуто ниже, промежуточные области вариантов выполнения ограничены соответствующими резервуарами.

Кожух 3 содержит диэлектрическую изолирующую среду 4. Эта среда также представляет собой охлаждающую среду для катушек по переменному току и может быть окружающим атмосферным воздухом.

Предусмотрены катушки 5 по переменному току для переноса переменного тока, намотанные на катушки 6 без обмотки и электрически соединенные друг с другом таким образом, что направления магнитного поля, созданного каждой катушкой по переменному току в соответствующем сердечнике с высокой проницаемостью, являются противоположными.

Предусмотрены изолирующие барьеры 7 между фазами, чтобы улучшить свойства диэлектрической прочности диэлектрической среды.

Предпочтительно катушка 2 по постоянному току также является сверхпроводником, а более конкретно - высокотемпературным сверхпроводником, размещенным в криостате и охлаждаемым криогенным охладителем (не показан).

Фиг.8 показывает электрическое соединение друг с другом двух катушек по переменному току в конструкции, изображенной на Фиг.7, показывая ориентацию и направление обмоток относительно друг друга.

Посредством примера насыщенный FCL с открытым сердечником, показанный на Фиг.7, был проанализирован, используя FEA анализ. Постоянный и переменный токи менялись дискретно, чтобы найти оптимальные значения I_dc и I_ac для заданного числа витков в каждой из этих обмоток и чтобы понять природу намагничивания открытого сердечника. Используемые параметры были выбраны для типичной подстанции с FCL класса на 15 кВ, которые включают:

- Число сердечников: 6

- Длина стойки сердечника: 0,6 м.

- A_core, площадь поперечного сечения каждого сердечника: 0,0225 м², имея размер 150 мм × 150 мм

- N_ac: 50

- N_dc: 500

- I_dc: дискретно меняется от нуля до 500 Ампер. (До 250000 Ампер-витков по постоянному току на катушке по постоянному току)

- I_ac: дискретно меняется от нуля до 1000 Ампер среднеквадратичного значения (До 50000 Ампер-витков по переменному току на катушке по переменному току)

Используемые параметры материалов являются параметрами трансформаторных пластин М6 и 0,35 мм толщиной.

Фиг.9 показывает распределение магнитного поля и относительную проницаемость вдоль длины в направлении Z конструкции, показанной на Фиг.7. Обозначены область сердечника, подходящая для размещения катушки по переменному току, насыщенная область сердечника с высокой проницаемостью. Этот результат показывает, например, что катушка по переменному току должна быть выполнена таким образом, чтобы ее высота составляла 400 мм и располагалась на сердечнике не меньше чем 100 мм от любого конца сердечника.

Фиг.10 показывает график магнитного поля вдоль линии, проходящей через центр трех сердечников и в направлении X. Этот результат показывает, что магнитное поле во всех сердечниках достаточно, чтобы насытить все шесть сердечников в X-Y массиве стоек сердечника, несмотря на неодинаковое расстояние от обмотки катушки по постоянному току и геометрических отношений с этой обмоткой.

Фиг.11 показывает намагничивание сердечника по постоянному току (I_ac=0) в центральной области сердечника, показанной на Фиг.9.

Фиг.12 показывает кривую малых отклонений намагничивания по переменному току центральной части сердечника при двух различных значениях смещения по постоянному току.

Из рассмотрения одного только Фиг.11 может сделать вывод, что возбуждение катушки по постоянному току 80000 ампер-витками по постоянному току (эквивалентный постоянный ток 160 Ампер на катушке по постоянному току с 500 витками) было бы достаточно, чтобы насытить сердечник. Однако принимая во внимание кривую малых намагничиваний катушки по переменному току (Фиг.12) и относительную проницаемость сердечника под возбуждением катушки по переменному току (Фиг.13), видно, что для того, чтобы сердечник имел низкую относительную проницаемость, требуется по меньшей мере 140000 ампер-витков катушки по постоянному току (то есть по меньшей мере 280 Ампер постоянного тока на катушке по постоянному току) и поэтому дает низкий полный импеданс при включении катушки по переменному току.

Фиг.12 показывает, что переменный ток до 1000 Ампер на катушке по переменному току снимает насыщение сердечника со столь низким рабочим постоянным током, как 160 Ампер (80000 ампер-витков). Это является нежелательным, поскольку такая конструкция привела бы к высокому полному импедансу при включении, высокому полному коэффициенту нелинейных искажений и искаженной форме кривой тока. Для сравнения также показано вычисление намагничивания по постоянному току вспомогательного контура при рабочих токах в 500 А, причем последнее является более желательной рабочей точкой. При этих условиях сердечник сверхнасыщен под катушкой по переменному току и представляет собой более подходящую рабочую точку.

В целом, при рассмотрении полного списка переменных оптимизации, объединенные вычисления намагничивания по постоянному току и малого намагничивания по постоянному току не представляют собой прямой подход к обнаружению подходящих рабочих ампер-витков по постоянному току и требуют долгого процесса оптимизации FEA. Чтобы упростить процесс, изобретатель предлагает статический анализ намагничивания сердечника с катушкой по переменному току, возбужденной пиковым значением на кривой формы тока при максимальной нагрузке. Фиг.14 показывает такое вычисление FEA, из которого ясно, что в этом случае, чтобы для сердечника остаться в насыщении в каждой мгновенной точке кривой формы переменного тока, требуется намагниченность по постоянному току 150000 Ампер-витков.

Для ограничителя тока замыкания важно фактически иметь низкий полный импеданс при включении. В существующем варианте выполнения это достигается путем обеспечения того, что объем стального сердечника под непосредственным магнитным действием катушки по переменному току полностью насыщается катушкой по постоянному току до уровня, B_sat, такому, что он остается насыщенным в нормальном эксплуатационном режиме в установившемся состоянии по переменному току.

Конструкция FCL с насыщаемым сердечником, показанная на Фиг.7, соответствует четырем главным критериям для FCL и имеет преимущества:

- Более низкий вес из-за отсутствия ярм и внешних магнитопроводов.

- Более низкие габаритные размеры для заданного тока замыкания и допустимых значений в установившемся состоянии.

- Экономичная стоимость изготовления.

Путем смены относительного расположения катушки по переменному току и катушки по постоянному току достигается следующее техническое преимущество:

- Конструкция становится непосредственно пригодной для высоких напряжений и сверхвысоких напряжений, не требуя специальных диэлектрических проходных каналов или границ вакуум - диэлектрик. Центральная часть сердечника с высокой проницаемостью может быть погружена в жидкую или газообразную диэлектрическую текучую среду почти таким же способом, которым силовой трансформатор полностью погружен в диэлектрическую текучую среду.

- Аспекты технологии и совокупность знаний о конструкции трансформатора высокого напряжения с синтетическим силиконовым маслом или другими диэлектриками применимы к этой базовой конструкции, включая газообразные диэлектрики высокого напряжения, такие как SF₆. Это уменьшает существенный риск, вовлеченный в процесс проектирования и разработки высоковольтных версий этих устройств.

- Могут использоваться стандартные известные твердые материалы, используемые для погружения в жидкие диэлектрики и используемые при высоких статических напряжениях.

- Фазовые катушки по переменному току охватывают область стальных магнитопроводов, которая сверхнасыщенна.

- Степень электромагнитного влияния катушек по переменному току такова, что полный импеданс при включении очень близок к теоретическому минимуму, насколько возможно. Например, как проиллюстрировано на Фиг.9 и Фиг.13. На этих чертежах FEA показывает, что относительная проницаемость сердечников очень близка к единице, несмотря на неодинаковое расстояние от кольца катушки по постоянному току.

В другом варианте выполнения открытые сердечники сужены к концам таким образом, который поддерживает весь сердечник насыщенным.

В дополнительном варианте выполнения, показанном на Фиг.15, стойки сердечника каждой фазы соединены с ярмом, но остаются открытыми на одном конце.

Фиг.19 показывает FCL, имеющий открытый сердечник с одной фазой и со следующими характеристиками:

- Размеры сердечника: 100 мм × 100 мм × 570 мм

- Число витков на каждом сердечнике катушки по переменному току: 20

- Число витков на подмагничивающей катушке по постоянному току: 100

Результаты, полученные от экспериментальной конструкции, изображенной на Фиг.19, показаны на Фиг.20-26. Более конкретно, Фиг.20 показывает измеренный полный импеданс при включении без замыкания в установившемся состоянии при 50 Гц на клеммах FCL с открытым сердечником. Наблюдается отчетливое изменение в поведении полного импеданса при включении, когда приложено достаточное смещение по постоянному току. В части А Фиг.20, ниже минимального полного импеданса при включении, магнитная насыщенность сердечника с высокой проницаемостью еще не достигла полного объема сердечника под магнитным влиянием катушки по переменному току. Следовательно, измеренный полный импеданс при включении высок.

В части В на Фиг.20 магнитная насыщенность сердечника с высокой проницаемостью достигла всего влияния катушки по переменному току. Это показывает, что область сердечника с высокой проницаемостью, равная по меньшей мере высоте катушки по переменному току, должна насыщаться катушкой по постоянному току, чтобы получить минимальный полный импеданс при включении для конструкции с открытым сердечником.

Фиг.21 показывает характеристики полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состоянии FCL с открытым сердечником для некоторого числа различных уровней напряжения и тока и показывает, что эта величина не зависит от величины переменного напряжения и величины переменного тока.

Графики переходного процесса переменного тока на Фиг.22 показывают различие в токе замыкания с FCL и без FCL, помещенного в измерительную цепь. Эти данные показывают, что для конструкции FCL с открытым сердечником возможны значительные уменьшения тока замыкания.

Фиг.23 показывает измеренную плотность потока в стальном сердечнике, как функцию времени во время тока замыкания. Ток замыкания эффективно снимает насыщения стальной области сердечника под катушками по переменному току. Это приводит к тому, что FCL имеет высокий импеданс во время замыкания и, следовательно, эффективные, характеристические свойства ограничения тока замыкания.

Данные, показанные на Фиг.24, указывают на то, что если сердечник с высокой проницаемостью достаточно насыщен, то переходное напряжение, индуцированное в катушке по постоянному току, остается управляемым и весьма не разрушительным во время замыкания. Это аналогично классической конструкции FCL с насыщенным сердечником.

Фиг.25 показывает измеренную форму кривой переходного процесса тока замыкания с расчетным предполагаемым током замыкания после учета сопротивления катушки по переменному току и индуктивного компонента без замыкания в установившемся состоянии импеданса катушки по переменному току FCL. Дополнительное уменьшение тока замыкания от пикового значения в 2000 Ампер до пикового значения в 1100 Ампер происходит из-за дополнительного изменения в намагничивании после принятия во внимание сопротивления катушки по переменному току и полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состоянии.

Фиг.26 показывает измеренный переходной процесс постоянного тока во время случая замыкания для нескольких различных значений постоянного тока смещения. Индуцированный переходный постоянный ток является незначащим, если стальной сердечник достаточно смещен.

Фиг.27 показывает альтернативную экспериментальную конструкцию FCL с открытым сердечником, которая содержит ярма между сердечниками и выполнена для уменьшения количества ампер-витков смещения по постоянному току, которое требуется для низкого полного импеданса при включении. Детали конструкции следуют:

- Размеры сердечника с высокой проницаемостью: 100 мм × 100 мм × 570 мм (Высоко)

- Размеры ярма: 100 мм × 100 мм × 250 мм (Высоко)

- Число витков в каждом сердечнике катушки по переменному току: 20

- Число витков подмагничивающей катушки по постоянному току: 100

Сравнение между результатами полного импеданса при включении, полученными для спаренных и неспаренных конструкций, дано на Фиг.28, на котором показаны измеренные характеристики полного импеданса при включении без замыкания в установившемся состояния при 50 Гц FCL с открытым сердечником с ярмами и без них.

Фиг.29 показывает, что спаривание конструкции сердечника внутри подмагничивающей катушки по постоянному току смещает кривую намагничивания влево, обеспечивая возможность использования меньшего количества ампер-витков для получения минимального полного импеданса при включении.

Фиг.30 показывает полный диапазон полного импеданса при включении для спаренной конструкции, который означает, что существенное улучшение импеданса замыкания этой конструкции при более низких ампер-витках по постоянному току.

Графики тока замыкания для спаренной экспериментальной конструкции FCL с открытым сердечником на Фиг.31 показывают различие, которое при наличии спаренного FCL обеспечивает для различных режимов смещения по постоянному току по сравнению с системой без FCL.

Плотность магнитного потока в материале сердечника с высокой проницаемостью, измеренная сверху катушки по переменному току, была также измерены на Фиг.32, указывая на то же самое характерное поведение, как и в неспаренной экспериментальной конструкции с открытым сердечником.

Фиг.33 показывает формы кривой тока переходного процесса цепи постоянного тока для диапазона различных значений смещения. Что касается неспаренной конструкции FCL с открытым сердечником, индуцированный переходный постоянный ток является незначительным для достаточно смещенных сердечников.

Основное преимущество расположения катушек по постоянному току и катушек по переменному току, как проиллюстрировано в вариантах выполнения, заключается в том, что катушки по переменному току испытывают на себе полную плотность потока постоянного тока стального сердечника под катушкой по постоянному току. Классические конструкции насыщенного FCL страдают от недостатка передачи потока от магнитопровода по постоянному току к магнитопроводу по переменному току через верхние и нижние ярма, а также вокруг соединенных под углом в 45 градусов соединений внутри сердечника. Настоящие варианты выполнения обходятся без ярма и боковых магнитопроводов по переменному току, делая передачу потока от катушек по постоянному току к катушкам по переменному току эффективным почти на 100%.

Должно быть понятно, что в проиллюстрированных вариантах выполнения каждый ограничитель тока замыкания содержит по меньшей мере одну входную клемму, выполненную в форме высоковольтной втулки, для электрического соединения с источником питания, таким как трансформатор, который обеспечивает ток нагрузки. Каждый из вариантов выполнения также содержит по меньшей мере одну выходную клемму, также выполненную в форме одной или нескольких высоковольтных втулок, для электрического соединения с цепью нагрузки, такой как электрическая распределительная система, которая берет на себя ток нагрузки. Также имеется магнитно насыщаемый сердечник и по меньшей мере одна катушка по переменному току, как правило, одна катушка для каждой фазы тока нагрузки, которая намотана вокруг продольной части сердечника для переноса тока нагрузки между входной клеммой или клеммами и выходной клеммой или клеммами. Катушка по постоянному току индуцирует магнитное поле в по меньшей мере части сердечника и проходит вокруг продольной промежуточной области, которая вмещает сердечник и катушку по переменному току. В проиллюстрированных вариантах выполнения промежуточные области ограничены соответствующими резервуарами. Поле, индуцированное катушкой по постоянному току, намагничивает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

Должно быть понятно, что во многих применениях, особенно где FCL должен быть приспособлен к уже существующему оборудованию, физическое пространство, доступное для вмещения FCL, часто бывает ограничено. Еще чаще, самое существенное физическое ограничение - это габаритные размеры, доступные для FCL. Ссылка теперь делается на Фиг.35 и 36, на которых проиллюстрирован однофазный FCL с открытым сердечником, который был разработан для применений в малых габаритных пространствах. FCL содержит входную клемму, выполненную в форму высоковольтной втулки для электрического соединения с источником питания (не показан), который обеспечивает ток нагрузки. Выходная клемма, также выполненная в форме высоковольтной втулки, электрически соединена с цепью нагрузки (не показана), которая берет на себя ток нагрузки. Магнитно насыщаемый сердечник имеет форму, как две пластинчатые стальные стойки с высокой проницаемостью, которые проходят в длину и которые сложены друг с другом конец в конец. У катушки по переменному току имеется два сегмента, которые намотаны в противоположные стороны вокруг соответствующих продольных частей стоек для того, чтобы переносить ток нагрузки между входной клеммой и выходной клеммой. Катушка по постоянному току, выполненная в форме двух расположенных отстоящими друг от друга на некоторое расстояние подкатушек, индуцирует магнитное поле по меньшей мере в частях стоек и проходит вокруг продольной промежуточной области, которая вмещает сердечник и катушку по переменному току. Область в этом варианте выполнения ограничена резервуаром. Поле намагничивает стойки таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом, в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

Дополнительный вариант выполнения малого габаритного размера проиллюстрирован на Фиг.37 и 38. В этом варианте выполнения используется прессованный сердечник. Он обеспечивает более высокое значение фактора заполнения материалом с высокой проницаемостью по площади поперечного сечения катушки по переменному току, чем может быть достигнуто с помощью пластин. Соответственно, для одного и того же габаритного размера, при условии, что все остальные параметры одинаковы, FCL этого варианта выполнения обеспечивает улучшенные рабочие характеристики, чем FCL, изображенный на Фиг.35 и 36.

В дополнительном варианте выполнения FCL, показанный на Фиг.37 и 38, доработан, чтобы обеспечить те же самые рабочие характеристики, что и FCL, показанный на Фиг.35 и 36. Из-за более высокого значения фактора заполнения этот дополнительный вариант выполнения имеет меньший след, габаритный размер, чем FCL, изображенный на Фиг.37 и 38.

Другой вариант выполнения FCL проиллюстрирован на Фиг.39 и 40. Этот вариант выполнения представляет собой трехфазный FCL с открытым сердечником, имеющий три пары параллельных и совместно проходящих в длину стоек, - по одной паре стоек для каждой фазы, для того, чтобы совместно ограничить сердечник. Стойки имеют постоянное и однородное поперечное сечение, которое асимметрично. Пары стоек содержат ярма, при этом стойки, все соответствующие катушки по переменному току и ярма расположены внутри резервуара, содержащего диэлектрическую среду, которая также действует как охлаждающаяся среда.

Фиг.41 и 42 иллюстрируют дополнительный вариант выполнения, который аналогичен варианту выполнения, изображенному на Фиг.39 и 40, с тем существенным различием, что ярма опущены, чтобы еще больше уменьшить количество объема, занимаемого FCL.

Должно быть понятно, что ограничители тока замыкания, проиллюстрированные на Фиг.39-42, содержат похожие стойки, которые являются асимметричными и расположены относительно друг друга так, чтобы в целом ограничивать цилиндр. Эта форма и относительное расположение или относительная ориентация стоек также способствуют небольшому габаритному размеру FCL.

В других вариантах выполнения предприняты разные подходы для оптимизации габаритного размера FCL или для удовлетворения иным образом любых технических требований к расположению для данного участка. Например, ссылка сделана на Фиг.43, которая иллюстрирует FCL, содержащий сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения в сложенном 3×2 массиве. Два сегмента катушки для катушки по переменному току одной и той же фазы выполнены один под другим. Эта конструкция FCL с открытым сердечником используется, например, когда габаритное пространство участка ограничено и большая высота разрешена.

Дополнительный вариант выполнения проиллюстрирован на Фиг.44, где FCL содержит сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения, расположенные бок о бок в 3×2 массиве. Эта конструкция FCL с открытым сердечником используется, например, когда требования по высоте ограничены, но разрешен больший габаритный размер.

Дополнительный пример FCL проиллюстрирован на Фиг.45, который содержит сердечник, имеющий стойки прямоугольного поперечного сечения в сложенном 3×2 массиве, которые являются спаренными.

По сравнению с известным типом ограничителя тока замыкания с насыщаемым сердечником и каркасом "закрытый сердечник" у вышеупомянутых описанных вариантов выполнения есть следующие преимущества:

- Значительное сокращение массы требуемой стали и, следовательно, уменьшенная стоимость изготовления, транспортировки и размещения на месте.

- Для аналогичных рабочих характеристик, сокращения габаритного размера. Это особенно выгодно при облегчении проблем размещения в плотных городских местах размещения.

- В тех случаях, когда для подмагничивающей обмотки по постоянному току или катушек используется сверхпроводник, получают меньшую площадь поверхности криостата. Это приводит к меньшему количеству потерь тепла в окружающую среду в установившемся состоянии и, следовательно, меньшим требованиям к мощности криогенного охладителя.

- Механическое разъединение подмагничивающей обмотки по постоянному току и криостата от фазовых катушек по переменному току и стального сердечника. Это обеспечивает возможность опустить масляный резервуар в теплое пространство выточки катушки по постоянному току, или же катушки по постоянному току могут быть опущены на масляные резервуары, содержащие фазовые катушки и сердечники.

По сравнению с альтернативными расположениями ограничителя тока замыкания, такими как резистивные типы, резистивные типы с внешним или внутренним реактивным сопротивлением, экранированный сердечник, твердое состояние, ограничитель тока замыкания с насыщаемым открытым сердечником имеет следующие преимущества:

- Ограничитель тока замыкания с открытым сердечником не повреждает защищаемую линию и не должен быть изолирован от защищаемой линии, даже если любой элемент сверхпроводящей части выходит из строя, будет ли это катушка по постоянному току, вакуумная система или криогенная система. Следовательно, ограничители тока замыкания с открытым сердечником вариантов выполнения, по сути, отказоустойчивы и могут быть оставлены на защищаемой линии при этих условиях. Кроме того, избыточность, связанная с тревогами и обнаружением внутреннего короткого замыкания, может быть намного менее строгой по сравнению с конструкциями, которые должны быть выключены из рабочего состояния при внутреннем коротком замыкании.

- Ни одна из подмагничивающих обмоток по постоянному току (катушка ли это сверхпроводимости или что-то другое) непосредственно не соединена с линией высокого напряжения или высокого тока сети электроснабжения, которая защищается. Следовательно, простые, общепризнанные и известные способы создания диэлектрической конструкции могут быть использованы для конструирования высоковольтной части.

- Криогенные жидкости не используются в качестве диэлектрика по переменному току, и, следовательно, проблемы, связанные с этими жидкостями, не существуют в конструкции предпочтительных вариантов выполнения.

- Элементы сверхпроводимости не напряжены током замыкания. Соответственно, имеется лишь небольшая индукция тока и напряжения в катушку по постоянному току во время замыкания.

- Сверхпроводник не переходит в нормальное состояние во время замыкания и, следовательно, в состояние использоваться в линии, где на прерывателях и изоляторах защищаемой линии используются автоматические реле или триггерные логические цепи.

Ссылка повсюду в этом описании на "один вариант выполнения" или "вариант выполнения" означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, включена по меньшей мере в один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз "в одном варианте выполнения" или ""в варианте выполнения" в различных местах повсюду в этом описании не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения, но может относиться и к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или большем количестве вариантов выполнения, как было бы очевидно из этого описания для обыкновенного специалиста в этой области техники.

Также нужно понимать, что в вышеупомянутом описании иллюстративных вариантов выполнения изобретения различные признаки изобретения иногда группируются в одном варианте выполнения, чертеже или описании с целью упрощения раскрытия и оказания помощи в понимании одного или большего количества различных аспектов изобретения. Этот способ раскрытия, однако, не должен интерпретироваться как отражение намерения, что требуемое изобретение требует большего количества признаков, чем явно раскрыто в каждом пункте формулы изобретения. Скорее, как отражено в последующей формуле изобретения, аспекты изобретения заключаются в меньшем количестве, чем все раскрытые в одном предшествующем варианте выполнения признаки. Таким образом, последующая формула изобретения явно включена в описание изобретения, где каждый пункт формулы изобретения самостоятельно представляет собой отдельный вариант выполнения этого изобретения.

Дополнительные варианты выполнения изобретения раскрыты в австралийской заявке на патент №2009901138, поданной 16 марта 2009 и по которой заявляется приоритет. Детали этих вариантов выполнения явно включены в этот документ посредством перекрестной ссылки.

Кроме того, хотя некоторые описанные здесь варианты выполнения включают некоторые, но не все, признаки, включенные в другие варианты выполнения, подразумевается, что комбинации признаков различных вариантов выполнения, включая те варианты выполнения, раскрытые в описании изобретения, по которым заявляется приоритет, находятся в объеме изобретения и образуют различные варианты выполнения, как должно быть понятно специалистам в этом уровне техники. Например, в последующей формуле изобретения любой из заявляемых вариантов выполнения может использоваться в любой комбинации.

В представленном здесь описании сформулированы многочисленные конкретные детали. Однако подразумевается, что варианты выполнения изобретения могут быть осуществлены без этих конкретных деталей. В других случаях известные способы, конструкции и способы не показали подробно, чтобы не завуалировать понимание этого описания.

Специалисты должны понимать, что приведены примеры, относящиеся к конкретным изготовляемым конструкциям, и что конкретные результаты для других конструкций с различными конструкционными деталями будут отличаться. Основные заключения и тенденция должны быть при этом приняты во внимание.

Хотя изобретение было описано в отношении конкретных примеров, специалистам должно быть понятно, что оно может быть воплощено во многих других формах.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ограничения тока замыкания токов замыкания от низкого до сверхвысокого напряжений. Технический результат состоит в улучшении охлаждения. Ограничитель тока замыкания (FCL) включает набор стоек (1) с высокой проницаемостью для совместного ограничения сердечника для FCL. Катушка (2) по постоянному току в целях насыщения части стоек (1) с высокой проницаемостью окружает всю конструкцию снаружи замкнутого пространства в форме кожуха (3). Кожух (3) содержит диэлектрическую изолирующую среду (4). Катушки (5) по переменному току для переноса переменного тока намотаны на изолирующие каркасы (6) и электрически соединены друг с другом таким образом, что направления магнитного поля, созданного каждой катушкой (5) по переменному току в соответствующем сердечнике с высокой проницаемостью, являются противоположными. Предусмотрены также изолирующие барьеры (7) между фазами, которые улучшают диэлектрические пробойные свойства диэлектрической среды. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 45 ил., 3 табл.

1. Ограничитель тока замыкания для включения в электрическую цепь, содержащий магнитно насыщаемый сердечник и по меньшей мере одну фазовую катушку по переменному току, намотанную вокруг части указанного насыщаемого сердечника, причем указанный магнитно насыщаемый сердечник и указанная по меньшей мере одна фазовая катушка по переменному току размещены внутри замкнутого пространства, снаружи которого расположена подмагничивающая катушка по постоянному току, окружающая это пространство и во время рабочих режимов без замыкания указанного ограничителя тока подмагничивающая указанный сердечник в состояние магнитного насыщения с низким полным импедансом при включении без замыкания, а во время рабочих режимов с замыканием выводящая указанный сердечник из состояния магнитного насыщения с обеспечением, таким образом, увеличенного импеданса ограничения тока в указанной электрической цепи.

2. Ограничитель по п.1, содержащий только одну подмагничивающую катушку по постоянному току.

3. Ограничитель по п.1, содержащий две или большее количество подмагничивающих катушек по постоянному току.

4. Ограничитель по п.3, в котором подмагничивающие катушки по постоянному току расположены отстоящими друг от друга на некоторое расстояние.

5. Ограничитель по любому из пп.1-4, в котором указанная подмагничивающая катушка по постоянному току представляет собой высокотемпературный сверхпроводник.

6. Ограничитель по п.5, в котором указанная подмагничивающая катушка по постоянному току согласована с указанной по меньшей мере одной фазовой катушкой по переменному току и коаксиальна с ней, так что указанная часть насыщаемого сердечника полностью насыщена.

7. Ограничитель по п.6, в котором указанный магнитно насыщаемый сердечник выполнен в форме набора стоек, из которых на каждую соответствующую стойку сердечника намотана фазовая катушка по переменному току, при этом указанные фазовые катушки электрически соединены друг с другом таким образом, что направления магнитных полей, произведенных указанными катушками по переменному току, являются противоположными.

8. Ограничитель по п.7, в котором указанные стойки сердечника являются прямоугольными в поперечном сечении.

9. Ограничитель по п.7 или 8, в котором стойки сердечника соединены ярмом на одном конце и открыты на другом конце.

10. Ограничитель по п.7 или 8, в котором указанные стойки сердечника имеют постоянное поперечное сечение вдоль своей длины.

11. Ограничитель по п.7 или 8, в котором указанные стойки сердечника сведены на конус к их концам, в результате чего во время работы без замыкания ограничителя тока, по существу, весь указанный сердечник насыщен.

12. Ограничитель по любому из пп.1-4, в котором указанный ограничитель имеет открытую конфигурацию сердечника.

13. Ограничитель по п.12, в котором область указанного сердечника, равная по меньшей мере высоте катушки по переменному току, по существу, полностью насыщена катушкой по постоянному току с обеспечением получения минимального полного импеданса при включении во время рабочих режимов без замыкания.

14. Ограничитель по любому из пп.1-4, в котором указанный магнитно насыщаемый сердечник выполнен из слоистого стального материала для трансформатора, мягкой стали или другой магнитной стали, ферритового материала, изолированного прессованного порошкообразного материала с высокой проницаемостью или из ферромагнитного материала.

15. Ограничитель по любому из пп.1-4, в котором указанный магнитно насыщаемый сердечник и указанные фазовые катушки по переменному току погружены в диэлектрик.

16. Ограничитель по п.15, в котором указанный диэлектрик находится в виде жидкости или газа.

17. Ограничитель по п.1 или 2, в котором подмагничивающая катушка по постоянному току выполнена в форме кольца катушки по постоянному току.

18. Ограничитель по любому из пп.1-4, в котором указанное замкнутое пространство в дополнение к указанному диэлектрику включает средство охлаждения.

19. Ограничитель тока замыкания, содержащий:
входную клемму для электрического присоединения к источнику питания, который обеспечивает ток нагрузки,
выходную клемму для электрического присоединения к цепи нагрузки, которая отбирает ток нагрузки,
магнитно насыщаемый сердечник,
катушку по переменному току, намотанную вокруг продольной части сердечника с обеспечением переноса тока нагрузки между входной клеммой и выходной клеммой,
замкнутое пространство, предназначенное для размещения магнитно насыщаемого сердечника и катушки по переменному току, и
катушку по постоянному току, предназначенную для индуцирования магнитного поля по меньшей мере в указанной части сердечника и проходящую вокруг продольной промежуточной области, в которой находится сердечник и катушка по переменному току, при этом поле магнитно смещает сердечник таким образом, что катушка по переменному току переходит из состояния с низким импедансом в состояние с высоким импедансом в ответ на одну или большее количество характеристик тока нагрузки.

20. Ограничитель по п.19, содержащий две или большее количество катушек по постоянному току.

21. Ограничитель по п.20, в котором катушки по постоянному току расположены отстоящими друг от друга на некоторое расстояние.

22. Ограничитель по п.19, в котором в состоянии с низким импедансом указанная часть магнитно насыщена.

23. Ограничитель по п.22, в котором в состоянии с низким импедансом сердечник магнитно насыщен в длину за пределами указанной части.

24. Ограничитель по любому из пп.19-23, в котором в состоянии с высоким импедансом указанная часть не находится в состоянии магнитного насыщения.

25. Ограничитель по любому из пп.19-23, в котором в состоянии с низким импедансом импеданс катушки по переменному току, по существу, равен теоретическому импедансу воздушного сердечника катушки по переменному току.

26. Ограничитель по п.19, в котором катушка по постоянному току
расположена снаружи упомянутого замкнутого пространства и окружает его.