固体故障電流リミッタ

 

固体故障電流リミッタは、システム電流入力部、受動電流出力部、及び制御電流出力部を有する電流分流リアクトルを備える。電圧制御リアクトルは、第1端部及び第2端部を有し、第1端部は制御電流出力部に接続し、また第2端部は受動電流出力部に接続する。故障電流トリガ回路は、電圧制御リアクトルに並列に接続し、またシステム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるように構成する。過渡電圧制御回路は電圧制御リアクトルに並列に接続し、故障電流を受けるようにする。

 

 

本明細書に記載の本発明による実施形態は、電流制御デバイス、より具体的には、故障電流制限デバイス及びシステムに関する。
故障電流リミッタ(FCLs)は、例えば、送電及び配電ネットワークにおける電流サージを保護するのに使用される。様々なタイプのFCLsがここ数10年にわたり開発されており、超電導故障電流リミッタ(SCFCL)、誘導故障電流リミッタ、並びに従来よく知られている他の種類のものがある。FCLを実装する電力系統には、電力を発電し、また電力を様々な工業用、商業用、及び/又は住宅用の電気的負荷に対して配給する、発電、送電及び配電のネットワークがある。
故障電流は、例えば、短絡のようなシステムの障害から生ずる電気系統における異常電流である。故障電流は、任意な数の事象又は不具合、例えば、送電線又は他のシステムコンポーネントが深刻な気象(例えば、落雷)によって損傷することによって系統内に生じ得る。このような故障を生ずるとき、大きな負荷が回路に瞬時に現れる。これに応じて、ネットワークは大量の電流(すなわち、故障電流)を負荷に配給する。この電流サージは、負荷に対して、例えば、ネットワーク自体、又はネットワークに接続した機器に対して損傷を与えるおそれがあるため、望ましくない。FCLデバイスに関する問題は、そのコスト、複雑さ、及びサイズである。本発明による改良が提案されたのは、これら及び他の考慮によってである。
この要約は、以下に詳細な説明でさらに記載する簡素化した形式における概念の選択肢を導入するために提示するものである。この要約は、特許請求の範囲の要旨における重要な特徴又は基本的な特徴を同定することは意図せず、特許請求の範囲の要旨における範囲決定の支援を意図するものでもない。
本発明は、システム電流入力部、受動電流出力部及び制御電流出力部を有する電流分流リアクトルを備えた固体故障電流リミッタを提供する。電圧制御リアクトルは、第1端部及び第2端部を有し、前記第1端部は前記制御電流出力部に接続し、また前記第2端部は前記受動電流出力部に接続する。故障電流トリガ回路は、前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、また前記システム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるよう構成する。過渡電圧制御回路は、前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、前記故障電流を受けるようにする。
一実施形態において、システム電流入力部、受動電流出力部及び制御電流出力部を有する固体故障電流リミッタを提供する。電圧制御リアクトルは、第1端部及び第2端部を有し、第1端部は制御電流出力部に接続し、第2端部は受動電流出力部に接続する。故障電流トリガ回路は、前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、また前記システム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるように構成する。過渡電圧制御回路は、前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、前記故障電流を受けるようにする。
一実施形態において固体故障電流リミッタシステムを提供し、この固体故障電流リミッタシステムは、コア周りに巻き付けた第1導電性巻線及び第2導電性巻線を有し、前記第1導電性巻線は、故障状況中に前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線の双方により故障電流を搬送するよう構成する、電流分流デバイスと、前記電流分流デバイスに接続した電圧制御リアクトルと、前記電圧制御リアクトルに並列に接続した過渡電圧制御回路と、前記電圧制御リアクトルに並列に接続した固体故障トリガ回路と、を備える。前記固体故障トリガ回路は、前記第2導電性巻線を流れる前記故障電流が所定閾値電流より多くなるとき開状態となるように構成し、また前記電圧制御リアクトル及び前記過渡電圧制御回路は、前記固体故障トリガ回路が開状態となるとき前記第2導電性巻線から前記故障電流を受けるように構成する。
一実施形態において固体故障電流リミッタシステムを提供し、この固体故障電流リミッタシステムは、コア周りに巻き付けた第1導電性巻線及び第2導電性巻線を有する電流分流デバイスを備える。前記第1導電性巻線は、故障状況中に前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線の双方に故障電流を搬送するように構成する。電圧制御リアクトル及び故障トリガ回路よりなり、直列接続した複数個のモジュールを電流分流デバイスに接続し、前記電圧制御リアクトル及び故障トリガ回路よりなり、直列接続した複数個のモジュールそれぞれは、故障トリガ回路に並列接続した電圧制御リアクトルを有する。
本発明をより完全に理解するのを容易にするため添付図面を参照し、これら図面において、同一要素には同一参照符号を付して言及する。これら図面は、本発明を限定するものと解すべきでなく、単なる例示であることを意図する。
本発明実施形態による送電又は配電システムにおける故障電流リミッタ(FCL)の適用例である。 本発明実施形態による送電システムに使用したFCL回路である。 本発明実施形態による送電システムに使用したFCL回路である。 本発明実施形態による、コア周りに巻付けた第1巻線及び第2巻線を有するFCL回路を示す。 本発明実施形態による、電磁スイッチ又はヒューズを使用する故障電流感知スイッチ(FCSS:Fault Current Sensing Switch)を示す。 本発明実施形態による、IGBT及びダイオードを使用するFCSSを示す。 本発明実施形態による、IGCT及びダイオードを使用するFCSSを示す。 本発明実施形態による、IGBT及びダイオードを使用するFCSSを示す。 本発明実施形態による、直列接続した電圧制御リアクトル(VCR:Voltage Control Reactor)及び故障トリガ回路(FTC:Fault Trigger Circuit)モジュールを使用するFCLを示す。 本発明実施形態による、直列接続したFTCモジュールを使用するFCLを示す。 本発明実施形態による、直列接続したFTCモジュールを使用するモジュール式FCLを示す。 本発明実施形態による、電流分流リアクトルを含まないFCL回路を示す。 本発明実施形態による、アーク火花保護に使用される電流分流リアクトル又は電圧制御リアクトルを含まないFCL回路を示す。 本発明実施形態による、フェーズ・トゥ・グラウンド故障を制限するよう変成器のニュートラル・トゥ・グラウンドに使用する電圧制御リアクトルを有するFCL回路を示す。 本発明実施形態による、グラウンド故障電流を抑制するのが必要な箇所でフェーズ・トゥ・グラウンド故障を制限するよう変成器のニュートラル・トゥ・グラウンドに使用する電圧制御リアクトルを有するFCL回路を示す。 本発明実施形態による固体故障電流リミッタの動作方法を示す。
本発明による実施形態を以下に添付図面につきより詳細に説明し、添付図面は幾つかの実施形態を示す。本発明の要旨は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解すべきではない。これら実施形態は、本明細書が完璧かつ完全であるように、また当業者に対して発明要旨の範囲を十分に伝えるように提示したものである。図面において、同一参照符号は全体を通して同様の要素に言及する。
実施形態は、電流分流相互リアクトル設計を使用する固体(ソリッドステート)故障電流リミッタ(「SSFCL:Solid State Fault Current Limiter」)を提供する。このSSFCLは、有利にも、機械的動作の故障電流リミッタと比べると、先ず短絡故障で作動し、この短絡を分離する。SSFCLは、正弦波的故障電流の最初の周期ピーク(例えば、60Hz電源に対して約4〜10msにおける第1ピーク)を少なくとも25%〜75%減少することができる。図1〜12は、任意の電気回路、例えば、送電、配電及び発電のネットワークにおける短絡故障電流を制限するSSFCL動作の基本原理を示す。
図1は、固体故障電流リミッタ(SSFCL)200を含む例示的な故障電流リミッタシステム1000を示し、このシステムは送電及び配電システムに実装することができる。電源101は、実部成分R及び虚部成分Xよりなる複素インピーダンスZを有するインタフェース回路103、及び回路ブレーカ105に電力を供給する。送電ライン106は、送電ライン電圧を段階的に負荷121,123に適合する電圧まで段階的に下げるよう構成した変成器109を有するサブステーションとのインタフェース107に達する。変成器109の出力部を回路ブレーカ111及びSSFCL200に接続する。SSFCLは、回路ブレーカ115及び整合回路117,119を介して負荷121,123に接続する。付加的な負荷及び整合回路を設けることができる。短絡故障125が発生し、また存在した場合、この短絡故障125は、本明細書に記載の種々の実施形態の動作によって分離する。
図2A〜10は、図1に示すSSFCL200として使用可能な故障電流リミッタの様々な実施形態を示す。とくに、図2Aは、故障電流トリガ回路(FTC)210に並列接続した電流分流リアクトル(CSR)202及び電圧制御リアクトル(VCR)208を有するSSFCL200を示す。図2Aにつき手短に説明すると、CSR202は、磁気コア203に巻き付けた第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を有する。第2導電性巻線206は、逆巻き又は十字交差巻きの構成とすることができ、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206のような導電性巻線それぞれは、同一巻回数にすることができる。SSFCL200におけるCSR202の磁気コア203は、好適には、CSR202における増加した磁束レベルの関数として予測可能な磁気特性を有する透磁性材料に該当することができる(図2A参照)。CSR202は、定常状態動作中に最小インピーダンスを呈し、また故障状況中には比較的より大きなインピーダンスを呈して故障電流を効果的に制限するよう構成した第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を有する。
図2Bは、故障電流トリガ回路(FTC)210に接続した電流分流リアクトル(CSR)202を有するSSFCL200を示す。図2Bにおいて、電流分流リアクトル(CSR)202は、電圧制御リアクトル(VCR)208(図2A参照)を設けることなく使用する。図2Bにつき手短に説明すると、CSR202は、磁気コア203を巻き付けた第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を有する。第2導電性巻線206は、逆巻き又は十字交差巻きの構成とすることができ、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206のような導電性巻線それぞれは、同一巻回数にすることができる。SSFCL200におけるCSR202の磁気コア203は、好適には、CSR202における増加した磁束レベルの関数として予測可能な磁気特性を有する透磁性材料に該当することができる。CSR202は、定常状態動作中に最小インピーダンスを呈し、また故障状況中には比較的より大きなインピーダンスを呈して故障電流を効果的に制限するように構成した第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を有する。したがって、一実施形態において、CSR202をFTC210に接続し、このFTC210は、システム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるように構成する。過渡電圧制御回路をCSR202に接続することができる。
図2A及び2Bに戻って説明すると、SSFCL200は約250アンペア又はそれ以上のシステム電流Iで使用することができる。例えば、4,000アンペアの電流は、入手可能な適当なサイズのコンポーネントを有する図2Aの回路によって保護することができる。FTC210は、図3A〜3Cにつき以下にさらに説明するような過渡過電圧制御回路(TOCC)及びスイッチを有する。故障状況下において、約2000ボルト又はそれ以上の電圧低下をFTC210で順応することができる。
CSR202を使用して高システム電流を管理し、通常/定常状態電流及び故障電流のより少ない割合部分が個体故障電流トリガ回路210に流れるようにすることができる。多くの個体デバイス、例えば、IGCTs、IGBTs、及びダイオード等々は、送電ライン106に供給される公共システム電流に比べるとより低い電流が定格付けされる。CSR202は、固体デバイスを用いて、SSFCL200を設計することができ、この理由としては、システム電流Iのより少ない部分がFTC210に流れるからである。入来するシステム電流Iは、巻線204を流れる第1成分IW1と、第2導電性巻線206を流れる第2成分IW2とに分割される。電流IW2は、さらに、VCR208を流れる電流IVCRと、FTC210を流れる電流IFTCとに分割される。
一実施形態において、第1導電性巻線204は第2導電性巻線206に対して逆並列関係となるように電気的に接続することができる。CSR202に流入する電流は、第1導電性巻線204を第1方向に流れるように導かれ、また第2導電性巻線206を逆向きの第2方向に導かれる。一実施形態において、第1導電性巻線204を流れる電流は、したがって、第2導電性巻線206に流れる電流と等しくすることができ、また、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を上述の逆並列形態に配列することで、これら導電性巻線は磁気的に結合され、また無視できる正味及び/又は等価のインピーダンスを呈するようになる。第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206はコア(図2Cに示すような磁気コア203)の周りに、例えば、2本巻きコイル構成にして巻き付ける。他の巻線構成も使用に利用可能であり、好適性及び/又は技術的な設定に基づいて適用することができる。コアは、当業者には理解できる特別な用途の電流制限設定で規定されている寸法を有する鉄コア又は空気コアとすることができる。
適切な巻回数を有する第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を使用することによって、SSFCL200の定常状態動作は、定常状態電流を並列分路IW及びIWに分配し、定常状態電流のx%が分路IWに流れる場合、定常状態電流の残りの(100−x)%がIWに流れる。その代わりに、定常状態電流のx%が分路IWに流れる場合、定常状態電流の残りの(100−x)%がIW流れる。したがって、定常状態動作(例えば、定常状態状況)中には、CSR202の第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206は、定常状態電流を並列分路IW及びIWに予め規定した様態で分配するよう設定することができる。
一実施形態において、例えば、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206は、SSFCL200における電流を分路IW及びIWに均等に分配するのに適合する巻回数を選択し、50%が分路IWに流れ、50%が分路IWに流れて分配できるようにする。他の実施形態において、この比は、40%が分路IWに流れ、60%が分路IWに流れる;30%が分路IWに流れ、70%が分路IWに流れる;ように設定することができる。換言すれば、例えば、分路IW及びIWに40/60、30/70、20/80で流れるよう設定することができる。電流分配を精密に設定する幾つかの事例において、外部巻回巻線(図示せず)を随意的デバイスとして実装することができる。
SSFCL200の定常状態動作中、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206のような逆巻き巻線を有するCSR202は、電流分流リアクトルのコア内部で磁界を相殺する。より具体的には、電流分流デバイスは定常状態電流(例えば、システム電流I)を、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206に逆向きに流れる2つの分路(IW及びIW)に分割し、正味ゼロ又は無視できる磁界を生じ、この結果、回路において無視できる等価の又は正味のインピーダンスとなる。第1導電性巻線204のリアクタンスは、したがって、第2導電性巻線206の逆向きリアクタンスによって打ち消される。このようにして、適切な巻回数を有する第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206を選択することによって、定常状態電流の所定部分をCSRに経路付けすることができる。SSFCL200における定常状態電流負荷は、従来型のFCLシステムよりも減少する。したがって、FCLのコスト及び物理的サイズも減少することができる。
故障状況が発生する際、SSFCL200を流れる電流は、例えば、図1に示す電流センサ150によって増加した故障電流を測定する箇所で急激に増加する。換言すれば、短絡故障状況中に故障電流は通常の定常状態電流を超えて巻線204及び巻線206の双方を流れる。
故障電流が所定閾値電流レベルを超えることを示す電流センサ150からの信号出力を受け取る際に、少なくとも1個のプロセッサデバイス及びこれに格納された少なくとも1個のメモリデバイスを有するコントローラ175(図1に示すような)は、即座にCSR202を「トリップ(作動)」させる。換言すれば、コントローラ175及び電流センサ150はSSFCL200を故障状態に移行させる。とくに、巻線206における電流が所定トリガ電流(例えば、所定閾値電流)を超えるとき、FTC210は開状態になり、故障電流はVCR208及び(図3A〜3Dに312,322,332又は342で示すような)過渡過電圧制御回路(TOCC)に転流する。FTC210が開状態になるとき、VCR208及びTOCC312,322,332又は342におけるインピーダンスは、巻線206を流れる電流を減少するのに十分な程度に高くなり、したがって、CSR202の磁界相殺を喪失させ、また故障電流リミッタシステム1000を通過する所定閾値電流を故障電流が超えているという信号(例えば、電流センサから検出した)をFTC210が受け取るとき、開回路となるように動作可能な高電流制限FTC210を導入する。FTC210が開状態になるとき、FTC210を流れていた電流IFTCはVCR208及びTOCCを通過するIVCRに転流する。CSR202は、故障電流を負荷121,123に対する許容可能なピーク間振幅まで制限するのに十分大きな等価インピーダンスを呈する。換言すれば、FCT210を開状態にすることにより、VCR208及びTOCC312,322,332,又は342の高インピーダンスを回路に挿入し、第2導電性巻線206を流れる電流を減少する。(例えば、高インピーダンスは、いかなる電流も流れることができない、又は電流の一部が流れることができない回路におけるポイントを意味し、このポイントにおいて、VCR208及びTOCCのインピーダンスは、第2導電性巻線206のインピーダンスよりも相当高い。)復旧中、又は故障が解消された後、FTC210は閉状態になり、低インピーダンス回路を有する通常動作条件が確立する。
代案として、CSR202を持たない故障電流制限回路は、故障電流リミッタに対して強制的に固体スイッチを並列でトリガさせる。このような並列トリガは極めて難題であり、バランスが悪い電流シェアリング及び関連の障害に起因して信頼性が低い。本発明による実施形態は、並列能動故障電流トリガ回路を有する回路設計を回避する。したがって、SSFCL200は、極めて低いインピーダンスのデバイスであり、定常状態動作中、システムインピーダンスの1%未満のインピーダンスを挿入する。換言すれば、SSFCLは1%未満の電圧低下を有する。VCR208には無視できる電流が流れる。例えば、SCR202が、第1導電性巻線204と第2導電性巻線206との間に3:1の電流比を有する場合、巻線206を流れるFTC分路は総電流の25%が見込まれる。他の比は、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206それぞれにおける巻回数N1及びN2の比を変更することによって容易に達成することができる。
図3A〜3Dは、図2A〜2Bに示すFTC210の一部として設けることができる故障電流感知スイッチ(FCSS)回路310、320,330及び340をそれぞれ示す。FCSS回路310、320,330及び340としては種々のタイプのスイッチがあり、例えば、電気機械的スイッチ、迅速応答可変抵抗、ヒューズ、集積ゲート整流サイリスタ(IGCT)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、真空管、等々がある。各FCSSとしては、「スナバ(緩衝器)」回路としても知られているTOCC312,322,332、又は342がある。スナバ回路は過渡過電圧抑制回路である。TOCC回路312,322,332、又は342は、1つ又は複数の異なるスナバリング(もみ消し)機能を発揮してFTC210の一部として効率的で信頼性の高い動作を行うように設計する。例えば、スナバ回路は、出力部に誘導フィルタ回路を有する切替えインバータ又はチョッパ回路におけるように、電流をオフにスイッチングする結果としてスイッチに発生する電圧スパイクを抑制する。とくに、スナバ回路は、切替えデバイスの開き、及びこの結果として出力部フィルタの誘導素子を流れる電流の遮断の際に切替えデバイスにおける過剰過渡電圧ピークの発生を防止する。TOCC回路312,322,332、又は342は、過渡電圧ピークが切替えデバイスの定格電圧限界を超えるとき生ずる切替えデバイスへの損傷を防止する。TOCC回路312,322,332、又は342は、スイッチングの軌跡を仕立て、スイッチング損失を減少し、及び/又は回路における寄生要素の効果を制御するのに使用することができる。
図3Aに示すFCSS回路310は、概して、電気機械的スイッチである。IGCTスイッチ314と、(a) 直列の抵抗(R)312a及びキャパシタンス(C)312b;(b) 抵抗(R)312c;及び(c) 金属酸化物バリスタ(MOV)312d;の並列接続とを有する。TOCC回路312は、比較的高いキャパシタンス値及び抵抗値を有し、電流リミッタ用途に対して>100μsの時定数(すなわち、R・C>100μs)を使用する。低トリガ電流を有する幾つかの用途では、100μs(マイクロ秒)未満(<100μs)の時定数を用いることもできることに留意されたい。例えば、ブラシ火花保護のためには20μsの時定数を用いることができる。概して、理想時定数は10μsよりも大きいものとする(>10μs)。
最も固体的又は電子的な電力スイッチ、例えばIGBT(図3Bに示すような)を、回路内に低インダクタンスが存在する用途に使用する。電力周波数を使用する故障電流リミッタは、通常、高インダクタンスを有する回路で動作し、また故障が発生するとき、L×δi/δtの高い積の値が比較的高い過渡過電圧を生ずる。電力系統における発電、送電及び配電のような高インダクタンス回路は、キャパシタンス及び抵抗の高い値を用いて、過渡過電圧を抑制するTOCC312,322,332、又は342のような過渡過電圧制御回路を使用する。
図3Bに示すFCSS回路320は、IGBT1及びIGBT2を含むIGBTスイッチ324と並列にしたTOCC322を有する。TOCC312と同様に、TOCC322は、(a) 直列の抵抗(R)322a及びキャパシタンス(C)322b;(b) 抵抗(R)322c;及び(c) 金属酸化物バリスタ(MOV)322d;の並列接続を有する。最も固体的又は電子的な電力スイッチ、例えばIGBT1及びIGBT2を、回路内に低インダクタンスが存在する用途に使用する。電力周波数で使用する故障電流リミッタは、通常、高インダクタンスを有する回路で動作し、また故障が発生するとき、L×δi/δtの高い積の値が比較的高い過渡過電圧を生ずる。SSFCLにおける高インダクタンス回路は、キャパシタンス及び抵抗の高い値を有する模範的TOCCを用いて、過渡過電圧を抑制する。
図3Cは、IGBT1及びIGBT2を含むIGBTスイッチ314と並列にしたTOCC332を有するFCSS回路330を示す。TOCC312及びTOCC322と同様に、TOCC332は、(a) 直列の抵抗(R)332a及びキャパシタンス(C)332b;(b) 抵抗(R)332c;及び(c) 金属酸化物バリスタ(MOV)332d;の並列接続を有する。FCSS回路310,320,330及び340は、他のタイプのスイッチ、例えば、真空管に使用することができる。
図3Dは、IGBT1及びIGBT2を含むIGBTスイッチ324と並列にしたTOCC342を有するFCSS回路340を示す。TOCC312、322及びTOCC332と同様に、TOCC342は、(a) 直列の抵抗(R)342a及びキャパシタンス(C)342b;及び(c) 金属酸化物バリスタ(MOV)342d;の並列接続を有する。IGBTスイッチ324は電気機械的スイッチとすることができる。図3Dは、各IGBTスイッチ314(IGBT1及びIGBT2)又は他の切替えデバイスがキャパシタンス343C及びTOCC312,322,332、又は342を有することができることを示す。キャパシタンス343C及びTOCC312,322,332、又は342は、共通又は個別の金属酸化物バリスタ(MOV)332dを有する抵抗スナバ回路とすることができる。
図4〜6は、より高い電圧用途に使用できる故障制御回路113の様々な実施形態を示す。FTC210にかかる電圧低下は約2KVであるため、より高い電圧に適合できる故障電流リミッタ回路を得るためにFTCsを追加して使用することができる。
とくに、図4に示すSSFCL200は、CSR202と、直列接続した複数個のVCR及びFTCモジュールM1,…,Mnを有する。各モジュールM1,…,Mnは、電圧制御リアクトル(VCR)208(208-1,208-2及び208-nとして示す)を、故障トリガ回路(FTC)(210-1,210-2及び210-nとして示す)と並列接続して設ける。例えば、SSFCLモジュールM1は、図4に208-1として示すVCR1と、これに並列接続した故障トリガ回路FTC1(210-1)とを有する。SSFCLモジュールM2は、電圧制御リアクトルVCR2(208-2)と、これに並列接続した故障トリガ回路FTC2(210-2)とを有する。SSFCLモジュールMnは、電圧制御リアクトルVCRn(208-n)と、これに並列接続した故障トリガ回路FTCn(210- n)とを有する。複数個のSSFCLモジュールM1,…,Mnは直列接続し、またCSR202の第2導電性巻線N2に直列接続する。図4のSSFCL200は、さらに、モジュールM1,…,Mnにおける個別のVCR又はFTCが故障する場合に冗長性を与える。
図5は、複数個の故障トリガ回路FTC1(210-1)、FTC2(210-2)…FTCn(210-n)に並列接続した比較的高いインダクタンスを有するVCR208を設けたSSFCL200を示し、各FTCs210-1,…210-nは直列接続し、また図5に示すように相互連結する。この実施形態において、各FTCはモジュールM1,…,Mnを画定する。例えば、モジュールM1はFTC1(210-1)として画定する。同様に、モジュールM2はFTC2(210-2)として画定し、またモジュールMnはFTCn(210-n)として画定する。他の実施形態(図5には示さない)において、複数個のVCRsを直列接続し、また各VCRは2個又はそれ以上のFTCsに並列接続することができる。
図6は、複数個の直列接続したSSFCLモジュール601-1,…601-nを含む故障電流制限回路のSSFCL200を示す。図6は、デバイスレベルのモジュール性を示し、各モジュール601-1,…601-nは、FTC610-1,…610-nに並列接続したCSR602-1,…602-n及びVCR608-1,…608-nを有する。例えば、モジュール601-1は、巻線N11及び巻線N21を有するCSR602-1と、FTC610-1に並列接続したVCR608-1とを備える。同様に、モジュール601-2は、巻線N11及び巻線N22を有するCSR602-2と、FTC610-2に並列接続したVCR608-2とを備える。モジュール601-nは、巻線N1n及び巻線N2nを有するCSR602-nと、FTC610-nに並列接続したVCR608-nとを備える。図4及び5に示すSSFCL200と比較すると、図6のSSFCL200は、SSFCLモジュール601-1,…601-nを有するSSFCL200間でより大きい電圧隔離及び独立性をもたらし、電圧制御能力を増大する。短絡故障125(図1に125で示す)のような故障状況が発生した場合、SSFCLモジュール601-1,…601-nのFTCは開状態になり、故障電流は定常状態電流に等しい量まで、又は例えば、50%のような所定量まで減少する。
図7は、VCR208及びFTC210が取り扱う負荷電流Iを有するSSFCL回路の実施形態であって、1個又はそれ以上のFTC210コンポーネントは電流分流リアクトルに並列接続しない実施形態700を示す。この実施形態700は、例えば、約250アンペアまで達する電流Iで使用することができる。
図8は、FTC210が取り扱う負荷電流Iを有するSSFCL回路の実施形態であって、FTC210はVCR208(図2A参照)又はCSR202(図2A参照)のいずれかに接続しない実施形態800を示す。図8に示す形態は、図3A〜Cに示す「スナバ」回路としても知られているTOCC312,322,332又は342と組み合わせてアーク火花保護に使用することができる。実施形態800は約250アンペアまで達する電流Iで使用することができる。
図9は、フェーズ・トゥ・グラウンド故障を制限するように変成器のニュートラル・トゥ・グラウンドに使用する電圧制御リアクトルを有するFCL回路のブロック図900を示す。この用途は、本発明の実施形態によるアーク火花減少に適用することができる。図9は、VCR208及びSSFCL200よりなるFCL回路との組合せでニュートラル・トゥ・グラウンド(グラウンドを「G」925で示し、またニュートラルを「N」で示す)に使用する変成器109(図1参照)を示す。この形態は、SSFCL200からの電流ISS(「ISS」はソリッドステート電流)を十分少なくし、またFTC(例えば、FTC210)はCSR202(図2参照)に相互接続せずに、フェーズ・トゥ・グラウンド故障電流、例えば、短絡故障125を制限するのに使用する。アーク火花減少及びブラシ火花保護はSSFCL200を使用する幾つかの用途であり、本明細書に記載した図示の実施形態は任意な故障電流制限に使用することができる。
図10は、アーク火花減少を含め、フェーズ・トゥ・グラウンド故障のための汎用FCL回路として使用される故障電流リミッタシステム1000を示す。特に、故障電流リミッタシステム1000は、一方の側で変成器109(図1参照)に、他方の側でグラウンド925に接続するニュートラル・トゥ・グラウンド(グラウンドを「G」925で示し、またニュートラルを「N」で示す)で接続した、変成器109にSSFCL200回路を有する。SSFCL200は、ソリッドステート電流ISSを十分少なくしてSSFCL200で対処することによるブラシ火花保護のため、短絡故障125のようなフェーズ・トゥ・グラウンド故障電流を抑制する。変成器109のニュートラル・トゥ・グラウンドに構成したSSFCL200は、例えば、ブラシ火花保護用途におけるように、グラウンド故障電流を極めて少ない電流まで抑制する必要がある場合に使用する。
図11は固体故障電流リミッタシステムの動作方法のフローチャート1100を示す。定常状態動作中、第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206(逆巻き巻線)を有するCSR202はステップ1110で入力電流を受ける。第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206は、電流分流リアクトル202のコア内部に磁界を有する。短絡故障状況下において、故障電流はステップ1120でCSR202によって検出する。ステップ1120において、CSR202は、故障電流が第1導電性巻線204及び第2導電性巻線206の双方を流れる正常電流(定常状態電流)より多いことを検出する。特に、ステップ1130において、CSR202は所定閾値/トリガ電流を超える第2導電性巻線206を検出する。FTC210はステップ1140で開状態になり、故障電流は、ステップ1150において、VCR209及び過渡過電圧制御回路(TOCC)に転流する。TOCCは、CSR202又はVCR208(図3A〜3Cに示す実施形態)に並列接続することができる。FTC210が開状態になるとき、VCR208及びTOCCのインピーダンスがステップ1160で増加して第2導電性巻線206を流れる電流を減少し、したがって、CSR202に対して磁界相殺を喪失させ、また高電流制限リアクタンスを導入する。CSRにおける磁界の相殺及び高電流制限リアクタンスの導入は、故障状況下にある間に負荷に分配される電流量を制限する。
要約すれば、本発明の実施形態は、より複雑かつコストがかかる他の電子保護回路よりも恩恵が得られる機械的保護デバイスを用いて、故障を保護する電流保護システムを提供する。例えば、本発明による固体故障電流リミッタシステムは、回路ブレーカのためのアーク火花エネルギー減少、及びより低いアーク火花エネルギーを操作しかつ取り扱って安全性の恩恵を提供することができる。このことは、恒久的設置の故障保護デバイスとして、又は携帯型の故障保護デバイスとして有用となり得る。例えば、可搬式デバイスとしては、スイッチギヤ領域で作業する作業員のための安全デバイスとして使用し、このデバイスの使用が潜在的電流を減少することができる。さらに、固体故障電流リミッタシステムは低電流及び高電流の用途に使用することができる。アークエネルギーの減少は、電気的短絡故障に起因する火災も減少することができる。この用途は、電気的発火に起因する火災を受け易い電気設備に恩恵がある。さらに、電流分流リアクトルを使用することにより、固体故障電流リミッタを用いて、固体スイッチによる高電流に関連する問題を解決することができ、より複雑かつコストがかかる他の電子保護回路よりも恩恵をもたらすことができる。
したがって、本明細書に記載したように、種々の実施形態は固体故障電流リミッタシステムを提供する。固体故障電流リミッタは、システム電流入力部、受動電流出力部、及び制御電流出力部を有する電流分流リアクトルと、第1端部及び第2端部を有し、前記第1端部は制御電流出力部に接続し、また第2端部は受動電流出力部に接続する電圧制御リアクトルと、並びに電圧制御リアクトルに並列に接続した故障電流トリガ回路と、を備える。故障電流トリガ回路は、システム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるよう構成する。固体故障電流リミッタは、さらに、電圧制御リアクトルに並列に接続し、故障電流を受けるようにする過渡電圧制御回路を備える。
電流分流リアクトルは、さらに、第1回路及び第2回路を有し、第1回路及び第2回路は、定常状態作動状況中に磁気的に結合し、また故障状況中に磁気的に減結合して負荷に分配される電流量を制限し、また電流及び故障電流の制限された部分を故障トリガ回路に流すことができるように構成する。第1回路は、コア周りに巻き付けた第1導電性巻線を有し、第2回路は、コア周りに巻き付けた第2導電性巻線を有し、第2巻線は第1巻線とは逆向きに巻き付ける。第1導電性巻線は、電流(通常動作電流)を第1方向に搬送するように構成し、第2導電性巻線は、電流を第1方向とは逆向きの第2方向に搬送するように構成し、固体故障電流リミッタシステムの定常状態動作中に第1導電性巻線に関連する第1磁界が第2導電性巻線の第2磁界に結合するように構成する。電流分流リアクトルは、故障状況中に第1導電性巻線及び第2導電性巻線の双方に故障電流を搬送するように構成する。電流分流リアクトルは、故障トリガ回路が開状態になるのに応答して、前記故障電流を電圧制御リアクトル及び過渡過電圧制御回路に転流させるように構成する。
電圧制御リアクトル及び過渡過電圧制御回路は、故障トリガ回路が開状態になるのに応答してインピーダンスを増大させるように構成し、また電流分流リアクトルは、増大したインピーダンスに応答して電流制限リアクタンスを生ずるように構成する。過渡電圧制御回路は、さらに、直列接続した抵抗及びキャパシタンス(RC)回路と抵抗との並列接続を有する。
SSFCL200の上述した形態を考慮すると、CSR202がSSFCL200における定常状態電流の大きな部分を取り扱うので、SSFCL200は、相当少ない定常状態電流を扱うだけのサイズにすることができる。したがって、材料コスト及び人件費も減少する。FCLの物理的サイズも減少でき、そうでないと設置が困難で実用的でなかったような場所にも設置できるようになる。さらに、電磁力及びその効果も減少させることができ、これは、活性が低いSSFCL200コンポーネントに起因する。SSFCL200で消散するエネルギー量も減少する。
本発明の要旨を若干の実施形態につき説明したが、これら記載した実施形態に対する多くの変更、修正、及び改変も、特許請求の範囲で定義する本発明の要旨から逸脱することなく、可能である。したがって、本発明の要旨は記載した実施形態に限定すべきではなく、特許請求の範囲の用語で定義される範囲全体及びその均等物を含むものであることを意図する。
本発明による若干の実施形態を本明細書において記載したが、それは本発明を限定するものではなく、範囲はできるだけ広く、また明細書も同様に読み取るべきものであることを意図する。したがって、上述の説明は、限定的であると解すべきではなく、特別な実施形態の例示としてのみ解すべきである。当業者であれば、特許請求の範囲及び精神内の他の変更を思いつくであろう。




  1. システム電流入力部、受動電流出力部及び制御電流出力部を有する電流分流リアクトルと、
    第1端部及び第2端部を有し、前記第1端部は前記制御電流出力部に接続し、また前記第2端部は前記受動電流出力部に接続する電圧制御リアクトルと、
    前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、また前記システム電流入力部が受ける故障電流が所定トリガ電流を超えるとき開状態になるように構成する故障トリガ回路と、
    前記電圧制御リアクトルに並列に接続し、前記故障電流を受けるように構成する過渡電圧制御回路と、
    を備える、固体故障電流リミッタ。

  2. 前記電流分流リアクトルは、さらに、第1回路及び第2回路を有し、前記第1回路及び第2回路は、定常状態作動状況中に磁気的に結合し、また故障状況中に磁気的に減結合して、負荷に分配される電流量を制限し、また定常状態電流及び故障電流の一部を前記故障トリガ回路に流すことができるように構成する、請求項1記載の固体故障電流リミッタ。

  3. 前記第1回路は、コア周りに巻き付けた第1導電性巻線を有し、前記第2回路は、コア周りに巻き付けた第2導電性巻線を有し、前記第2導電性巻線は前記第1導電性巻線とは逆向きに巻き付ける、請求項2記載の固体故障電流リミッタ。

  4. 前記第1導電性巻線は、電流を第1方向に搬送するように構成し、前記第2導電性巻線は、電流を前記第1方向とは逆向きの第2方向に搬送するように構成し、前記定常状態作動状況中に前記第1導電性巻線に関連する第1磁界が前記第2導電性巻線の第2磁界に結合するようにする、請求項3記載の固体故障電流リミッタ。

  5. 前記電流分流リアクトルは、故障状況中に前記第1導電性巻線及び前記第2導電性巻線の双方により前記故障電流を搬送するように構成する、請求項4記載の固体故障電流リミッタ。

  6. 前記電流分流リアクトルは、前記故障トリガ回路が開状態になるのに応答して、前記故障電流を前記電圧制御リアクトル及び前記過渡電圧制御回路に転流させるように構成する、請求項5記載の固体故障電流リミッタ。

  7. 前記電圧制御リアクトル及び前記過渡電圧制御回路は、前記故障トリガ回路が開状態になるのに応答してインピーダンスを増大させるように構成し、また前記電流分流リアクトルは、インピーダンスの増大に応答して電流制限リアクタンスを生ずるように構成する、請求項6記載の固体故障電流リミッタ。

  8. 前記過渡電圧制御回路は、さらに、直列接続した抵抗及びキャパシタンス(RC)回路と抵抗との並列接続を有する、請求項7記載の固体故障電流リミッタ。

  9. コア周りに巻き付けた第1導電性巻線及び第2導電性巻線を有し、前記第1導電性巻線は、故障状況中に前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線の双方により故障電流を搬送するように構成する、電流分流デバイスと、
    前記電流分流デバイスに接続した電圧制御リアクトルと、
    前記電圧制御リアクトルに並列に接続した過渡電圧制御回路と、
    前記電圧制御リアクトルに並列に接続した固体故障トリガ回路と、
    を備え、
    前記固体故障トリガ回路は、前記第2導電性巻線を流れる前記故障電流が所定閾値電流より多くなるとき開状態となるように構成し、また前記電圧制御リアクトル及び前記過渡電圧制御回路は、前記固体故障トリガ回路が開状態となるとき、前記第2導電性巻線から前記故障電流を受けるように構成する、固体故障電流リミッタシステム。

  10. 前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線は、定常状態作動状況中に磁気的に結合し、また定常状態電流及び前記故障電流の一部を前記故障トリガ回路に流すことができるように構成する、請求項9記載の固体故障電流リミッタ。

  11. 前記第1導電性巻線は、電流を第1方向に搬送するように構成し、前記第2導電性巻線は、電流を前記第1方向とは逆向きの第2方向に搬送するように構成し、前記固体故障電流リミッタシステムの定常状態動作状況中に、前記第1導電性巻線に関連する第1磁界が前記第2導電性巻線の第2磁界に結合するようにする、請求項9記載の固体故障電流リミッタ。

  12. 前記固体故障トリガ回路は、前記故障電流が所定閾値電流を超える信号を受信するのに応答して開状態になるように構成する、請求項9記載の固体故障電流リミッタ。

  13. 前記固体故障トリガ回路が開状態になるのに応答して、前記電圧制御リアクトル及び前記過渡電圧制御回路がインピーダンスを増大するように構成する、請求項9記載の固体故障電流リミッタ。

  14. 前記電流分流デバイスの前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線は、故障状況中に磁気的に減結合して負荷に分配される電流量を制限するように構成する、請求項9記載の固体故障電流リミッタ。

  15. 前記電流分流デバイスの前記第1導電性巻線及び第2導電性巻線は、故障状況中に、前記電流分流デバイスの等価インピーダンスを増大して、前記負荷に分配される電流量を制限するように構成する、請求項14記載の固体故障電流リミッタ。

 

 

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