超导故障电流限制器的利用是熟知的，因为它在保护电路避免出现相位间故障和相位到地故障方面具有相当大的潜力。
超导故障电流限制装置的例子在下述文献中可以看到：Darmann等的美国专利7193825；Yuan等的美国专利6809910；Boenig的美国专利7193825；以及Walker等的美国专利申请公开号2002/0018327。以Darmann为例，这些装置可以经由DC偏置线圈操作，DC偏置线圈放置在磁芯周围，以将该磁芯偏压为磁饱和。一旦有故障发生，该磁芯去除饱和状态，这对该故障产生实质性的磁阻。其它电流限制装置通常利用芯体的磁特性的操控。
在大多数故障电流限制装置运行期间，实际电流故障可能通过该装置的AC电路。这在该装置的DC电路中感生相应的瞬态电压和电流。超导线圈本身、互连器、低温保持器馈通、DC电源和电源过滤装置(如，电容器)、以及保护装置(例如，二极管、晶体管)必须被选择或设计为承受瞬变周期期间传递的所希望的瞬态电压、电流和净能量的最坏情况下的量值。
这种问题的例子在图1和图2中示出，这两个图示出了归于Darmann的前述装置上的故障的模拟。在图1中，示出了在t＝4.000秒时发生的模拟故障的时间电压曲线图。在图2中，示出了在DC超导偏置线圈中相应的感生电流。可以看出，在时间t＝4.000秒处及该时间之后存在大量潜在破坏性的感生电流。该模拟结果显示出，可以感生出500V的瞬态电压，并伴随超过1.1kA的峰值电流。这种瞬时现象可能损坏该线圈DC电源和DC线圈本身。
降低这种瞬态感生电流是困难的，因为它实际上由AC和DC线圈之间的变压器效应引起，并且因此是系统依赖的故障电流的函数。如果AC侧电压降低瞬态感生电流是是可以降低的，但是那是固定的并且应用依赖(例如，11kv、22kv等)。
瞬态感生电流还可以通过降低DC和AC侧之间的匝比(这要求增加在DC线圈上的匝数，而这对于在所考虑的应用中所要求的故障限制百分比可能不实际，或者它可能太昂贵)来降低。可替换地，AC侧的匝数可以降低，然而，这将降低用于限制故障电流的装置的有效电阻。该装置的瞬态电阻与AC匝数的平方成比例。通过降低AC匝数来降低有效电阻是存在缺点的，因为为了对此进行补偿，钢的横截面积必须增加，这使设计方案更大、更重且更昂贵。
此外，必须注意的是，在该装置的稳态运行期间，作为AC侧的感生结果，感生电流和感生电压也存在与DC电路中。这些在大小上比那些在故障电流限制情况期间感生的电流和电压低很多，但是尽管如此，这种影响在DC线圈电源接口电路设计中是必须被允许的。例如，通过提供足够的到地的电容来将电流从DC电源中吸走。
在本说明书全文中讨论的现有技术不应当被认为是承认这种现有技术是广泛熟知的或形成本领域的公知常识的一部分。

本发明的目的是提供显著降低故障电流限制器中的感生的稳态和瞬态电压和/或电流的有效方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种抑制磁饱和芯体故障电流限制器的DC电路中的瞬态电流的方法，该方法包括步骤：(a)在该芯体周围设置第一电流线圈，用于使连接至DC电源的该芯体磁饱和；(b)在该芯体的周围设置第二电阻性电流线圈，第二电阻性电流线圈与第一电流线圈并联互连至DC电源，并以与第一电流线圈相反的方向缠绕在该芯体周围。
第一电流线圈可以为超导线圈。芯体可以互连在电源的每个相的供给和负载之间，且该故障电流限制器限制通过电源的每个相的电流。第二电阻性电流线圈可以与第一电流线圈间隔开。第二电阻性电流线圈可以与第一电流线圈交叉。芯体可以互连在电源的每个相的供给和负载之间，且该故障电流限制器限制通过电源的每个相的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种故障电流限制器，包括：至少一个可磁饱和的芯体；第一电流线圈，缠绕在该芯体周围，并互连至DC电源，用于使该芯体磁饱和；第二电流线圈，以与第一电流线圈相反的方向缠绕在该芯体周围，并与第一电流线圈并联电互连至DC电源。
第一电流线圈可以为超导线圈。芯体可以互连在电源的每个相的供给和负载之间，且该故障电流限制器限制通过电源的每个相的电流。第二电阻性电流线圈可以与第一电流线圈间隔开。第二电阻性电流线圈可以与第一电流线圈交叉。芯体可以互连在电源的每个相的供给和负载之间，且该故障电流限制器限制通过电源的每个相的电流。
电阻性电流线圈与第一电流线圈理论上电绝缘，并且可以浸入致冷剂、被冷却至与第一电流线圈相同的温度，或者它可以处于环境温度。它可以为平板或柱体形式，并且可以与所有其它线圈电绝缘地短路，或者它可以电连接至DC偏置线圈。
附图说明
现在将参照附图，仅以举例的方式，描述本发明的有效实施方式，在附图中：
图1示出发生故障情况时在现有技术的DC线圈中的计算感生EMF的曲线图；
图2示出经受模拟故障情况时故障电流限制器的DC线圈中的计算感生电流的曲线图；
图3示意性地示出了在故障电流限制器中结合有DC阻尼线圈(也称为补偿线圈或电阻线圈)；
图4示出发生故障情况时优选实施方式的DC线圈中计算感生EMF的曲线图；
图5示出经历模拟故障情况时优选实施方式的故障电流限制器的DC线圈中的计算感生电流的曲线图；
图6示出多相故障电流限制器的侧面透视图；
图7示出单相结构的截面图；
图8示出多相故障电流限制器的可替换形式的侧面透视图；
图9示出图9的限制器的顶视图；和
图10示出当经历模拟故障电流时图8的结构的模拟结果。

在优选实施方式中，利用第二线圈与超导线圈一起降低超导线圈和DC电路中的任何瞬态感生电流和电压的影响。将参照前述Darmann的系统讨论优选实施方式。
在图3中，示意性地示出了优选实施方式10的单相方案结构。在这种结构中，设置了叠片钢芯10。在一侧上，电源11互连至围绕铁或其它高磁导材料缠绕的主芯体12。而且，负载14互连至次级绕组15。围绕中间臂16形成有两个线圈，包括外部超导偏置线圈17和内部DC阻尼线圈18，内部DC阻尼线圈18可以由铜线或铜片形成并与超导偏置线圈17并联连接。在可替换实施方式中，线圈17可以保持不电连接至任何部并且被短路。超导偏置线圈17用来将芯臂16偏压成磁饱和(如由现有技术所设置的那样)。DC阻尼线圈18可以与超导偏置线圈17隔离，并且不需要低温冷却，也不需要电连接至偏置线圈。DC阻尼线圈18用来衰减在故障电流限制器10中的感生瞬态振荡。
在稳态运行期间，AC线圈在钢芯中感生出少量磁通量。这使钢芯磁通量围绕小磁滞回线振荡。磁通量的这种小的干扰导致在DC饱和线圈中的感生EMF和感生电流。在常规稳态运行期间，这种感生电流与DC源电流相比相对小，并且感生EMF小。例如，如果AC线路电流为1000安培AC rms，并且AC线圈和DC线圈匝之间的比为100，则在饱和的故障电流限制器的DC电路感生出10安培AC有效值(rms)的电流。这是由下述等式[1]描述的基本变压器效应产生的：
I(在DC线圈中感生的)＝(n/N)×I(AC_电路)    等式[1]
其中：
N＝DC匝数
n＝AC匝数
更一般地，在DC线圈中任意时间t时的净电流等于来自电源的激励电流和从AC电路中在DC线圈中感生的电流之和：
I(DC线圈)＝I(电源)+I(DC线圈中感生的)    等式[2]
类似地，当芯体不饱和时，在DC线圈中感生的感生正弦稳态EMF将满足熟知的稳态变压器等式：
V＝4.44×Bpeak×N×A×f    等式[3]
其中：
●V＝从AC侧在DC线圈中感生的有效值(RMS)[伏]
●Bpeak＝FCL芯体中的正弦稳态磁场的峰值(特斯拉)
●A＝芯体的横截面积(m2)
●f＝AC系统频率
●N＝DC线圈上的匝数
类似地，在该装置的稳态运行期间，根据等式[4]，DC阻尼线圈在其中还感生有正弦稳态电流：
I(在补偿线圈中感生的)＝(n/v)×I(AC-电路)    等式[4]
其中，v为补偿线圈上的匝数，在某些情况中它可以等于单匝。这在无故障稳态或有故障稳态(即，当在AC线上发生故障时)情况中也都为真。补偿线圈中的感生电流与AC线中的电流的极性相反，并且照这样将在中间芯体中建立磁通，该磁通与源于AC线圈的磁通极性相反。
利用合适的数值求解方法在理论上模拟出了补偿线圈在无故障稳态和有故障稳态之间的瞬态周期期间的影响。
例如，图4示出优选实施方式的结构的AC电路上模拟故障的电压输出波形41，同时图5示出偏置线圈电路中的净电流51和熄灭保护电阻器52中的电流。芯体被饱和至2.0特斯拉的值，且稳态中AC干扰近似为-19特斯拉至2.1特斯拉。在这种电路模拟中采用的其它参数如下所述：
●六个铁心中的每一个上的AC匝数为40(n＝40)，
●DC匝数为800(N＝800)，
●DC偏置电流为90安培(I(电源)＝90安培)，
●线间施加的AC电压源为11kV AC RMS，
●AC电路负载为9欧姆(无故障稳态负载)，
●采用的短路负载(即，故障电阻)为0.04欧姆，
●预期短路电路为10000安培，
●磁导材料的芯体面积为0.02平方米，
●采用的芯体窗口尺寸为0.8m宽×2.2m高，以及
●故障发生时间为t＝4.000秒，
●模拟中使用的阻尼线圈等效于800匝的铜导体，并且能够传送期望的感生电流。
图4和图5示出，在该电路的AC侧发生故障期间，DC电路中的和通过超导偏置线圈的瞬态感生电流和瞬态感生电压实质上降低了。其中发现在AC侧上的故障之后的峰值瞬态电流从1.1kA的幅值(没有补偿线圈)下降至0.55kA的幅值(有补偿线圈)(图2)。其中发现在AC侧上的故障之后的峰值瞬态电压从93V的幅值(没有补偿线圈)下降至63V的幅值(有补偿线圈)(图4)。
根据需要，阻尼线圈17可以缠绕在超导线圈上，在超导线圈之下，或者如果它缠绕在饱和故障电流限制器的中间铁心周围，则它可以位于低温保持器中或低温保持器外部。当然它必须并联而不是串联电连接至DC线圈，并且它可以形成短路且不连接其它任何部件上。因此，DC线圈可以由具有合适厚度尺寸的铜板柱体形成，也将衰减稳态和DC电路及线圈中的瞬态感生电流和电压。
在多相结构中，DC补偿线圈18可以缠绕在每个变压器芯体的周围，并与超导DC线圈17并联电连接。
图6示出多相结构的一部分的侧面透视图。在这种结构中，有三个输入线圈70、71、72缠绕在相应的臂周围，并有三个输出线圈73、74、75也缠绕在相应的臂周围。每个臂形成回路的一部分，该回路的其它部分形成芯体80的一部分。可以看出，超导线圈和低温保持器77以及DC补偿线圈70都分别缠绕在多相结构的六个相臂周围，以对每个相位提供故障电流限制能力。
结构81具有的显著优势在于，DC线圈78可以与超导线圈70分开形成，并且因此不需要低温冷却。
图7示出图6的单相结构的平面图一侧的设计图，同时示意性地示出了第一超导低温保持器和线圈60以及第二DC线圈61。
图8示出多相故障电流限制器的其它修改结构的基本部分的侧面透视图，低温保持器82中的超导线圈81形成在叠片钢芯82周围。在这个例子中，补偿线圈84设置在低温保持器中。这可以在图9中更清楚地看出，图9为图8的结构的顶视平面图。
在图10中，示出了图8的结构的饱和故障电流限制器的高磁导芯体中的磁通的模拟的时间快照。在这个快照中，发现6个外部铁心(outerlimbs)中的5个和中间芯体被偏压至2.00特斯拉。在这5个铁心90-94上的5个AC线圈中的每一个都具有低电阻。缠绕在具有约0.045特特斯拉的低磁通的铁心95上的线圈将具有高电阻。因此，此时，三相装置中的两相具有低电阻，并且一相具有高电阻。这是饱和故障电流限制器可以用来降低故障电流大小的机制。
对本领域技术人员来说明显的是，所示出的结构可以在单相和多相系统中都可以使用。虽然已经参照具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，本发明可以以其它形式实现。