故障限流器 |
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| 申请号 | CN201280069422.3 | 申请日 | 2012-12-07 | 公开(公告)号 | CN104412479A | 公开(公告)日 | 2015-03-11 |
| 申请人 | ASG超导体股份公司; | 发明人 | 弗朗西斯·安东尼·达曼; 约恩·帕特里克·霍奇; | ||||
| 摘要 | 在本文中描述了故障限流器，其包括：输入 端子 ，用于电连接至提供负载 电流 的电源；以及输出端子，用于与汲取负载电流的负载 电路 电连接。故障限流器包括磁饱和磁芯，该磁饱和磁芯包括设置在至少两个返回分支中间的至少一个线圈接收分支，其中，分支在至少两个磁轭之间纵向延伸，并且其中，至少两个磁轭和至少两个返回分支为至少一个线圈接收分支限定一个或多个磁通返回路径的至少一部分。故障限流器进一步包括设置在所述至少一个线圈接收分支周围的至少一个AC线圈，以在输入端子与输出端子之间输送负载电流。故障限流器还包括磁偏置系统，用于磁偏置磁芯，从而响应于所述负载电流的一个或多个特性，至少一个AC线圈从低阻抗状态移动到高阻抗状态。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种故障限流器，包括： |
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| 说明书全文 | 故障限流器技术领域[0001] 本发明涉及一种故障限流器(FCL)。 [0002] 已经主要为紧凑型高压故障限流器研制了本发明，并且将参照该应用描述本发明。然而，本发明并不限于该特定使用领域，而是还适合于低压、中压、超高压和特高压故障限流器。 背景技术[0004] 已知在故障情形下在配电系统(EDS)中使用FCL来保护基础设置，并且特别是保护在EDS中的变压器。这些FCL是以负载电压输送负载电流的大型装置所必需的并且需要满足所有必要的标准，以在电流和电压的那些电平下使用。 [0005] 已经为商业用途开发的那些FCL通常包括设置在磁芯周围的高温超导体(HTS)的至少一个线圈。为了实验室测试的目的，还使用了由更传统的导体构成的小型测试装置。然而，对后者的连续使用并未进行评定，并且并未构造成用于EDS中的实际使用。 [0006] HTS FCL通常被归类为感应型FCL(其中，负载电流流经金属线圈)或电阻型FCL(其中，电流流经超导体线圈)。对于电感型FCL，使用HTSDC偏置线圈，以至少在金属线圈附近将磁芯偏置到饱和状态。该偏置使得超过给定阈值的通过金属线圈的电流流动将导致磁芯脱离饱和状态，这反过来将会改变金属线圈的感应系数并且对负载电流具有有限的影响。 [0007] 由于HTS线圈的维修更密集、购买价格更昂贵、更难以制造，因此HTS线圈的使用在某些应用中存在问题，并且由于需要相关的冷却设备，因此它需要更多的总体占用面积(footprint)。 发明内容[0008] 本发明的目的是克服或缓解现有技术的至少一个缺点，或者提供一种有效的替代方案。 [0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种故障限流器，其包括： [0010] 输入端子，用于电连接至提供负载电流的电源； [0011] 输出端子，用于与汲取(draw，消耗)负载电流的负载电路电连接； [0012] 磁饱和磁芯(magnetically saturable core)，包括设置在至少两个返回分支(limb)中间的至少一个线圈接收分支，其中，分支在至少两个磁轭之间纵向延伸，并且其中，至少两个磁轭和至少两个返回分支为至少一个线圈接收分支限定一个或多个磁通返回路径的至少一部分； [0013] 至少一个AC线圈，设置在至少一个线圈接收分支周围，以在输入端子与输出端子之间输送负载电流；以及 [0014] 磁偏置系统，用于磁偏置磁芯，从而响应于负载电流的一个或多个特性，至少一个AC线圈从低阻抗状态移动到高阻抗状态。 [0015] 在一个实施方式中，磁芯包括两个线圈接收分支，并且AC线圈包括两个线圈段(coil segment)，每个线圈段设置在相应线圈接收分支周围。 [0016] 在一个实施方式中，偏置系统包括设置在两个线圈接收分支周围的DC线圈。 [0017] 在一个实施方式中，DC线圈设置在AC线圈和两个线圈接收分支周围。 [0018] 在一个实施方式中，偏置系统包括分别设置在相应线圈接收分支周围的两个DC线圈。 [0019] 在一个实施方式中，两个DC线圈分别设置在相应线圈段和相应线圈接收分支周围。 [0020] 在一个实施方式中，偏置系统设置在两个磁轭的至少一个周围。 [0021] 在一个实施方式中，磁芯包括多个间隔开的磁芯段(core segment)。 [0022] 在一个实施方式中，磁芯段类似并且每个磁芯段包括在至少两个磁轭之间纵向延伸的至少一个线圈接收分支和至少一个返回分支。 [0023] 在一个实施方式中，AC线圈包括两个线圈段，并且每个线圈段设置在一个线圈接收分支周围。 [0024] 在一个实施方式中，偏置系统包括设置在每个磁芯段的至少一个线圈接收分支周围的DC线圈。 [0025] 在一个实施方式中，每个磁芯段包括一个以上的线圈接收分支，并且DC线圈设置在每个磁芯段的线圈接收分支周围。 [0026] 在一个实施方式中，偏置系统包括设置在磁芯的线圈接收分支周围的DC线圈。 [0028] 根据本发明的另一个方面，提供了一种故障限流器，包括： [0029] 输入端子，用于电连接至提供负载电流的电源； [0030] 输出端子，用于与汲取负载电流的负载电路电连接； [0031] 磁饱和磁芯，用于限定具有至少一个线圈接收部分和至少一个返回部分的磁路； [0032] 至少一个AC线圈，设置在至少一个线圈接收部分周围，以在输入端子与输出端子之间输送负载电流；以及 [0033] 至少一个金属线圈，设置在返回部分周围并且与至少一个线圈接收部分相邻并且间隔开，以磁偏置磁芯，从而响应于负载电流的一个或多个特性，至少一个AC线圈从低阻抗状态移动到高阻抗状态。 [0034] 在一个实施方式中，磁芯包括第一分支，并且线圈接收部分沿着第一分支的至少一部分延伸。 [0035] 在一个实施方式中，磁芯包括与第一分支平行并且间隔开的第二分支以及两个磁轭，分支在两个磁轭之间延伸，其中，第二分支和磁轭限定返回部分的至少一部分。 [0036] 根据本发明的另一个方面，提供了一种故障限流器，包括： [0037] 输入端子，用于电连接至提供负载电流的电源； [0038] 输出端子，用于与汲取负载电流的负载电路电连接； [0039] 磁饱和磁芯，用于限定具有至少一个线圈接收部分和至少一个返回部分的磁路； [0040] 至少一个AC线圈，设置在至少一个线圈接收部分周围，以在输入端子与输出端子之间输送负载电流；以及 [0041] 至少一个永磁体，设置在返回部分中并且与至少一个线圈接收部分相邻并且间隔开，以磁偏置磁芯，从而响应于负载电流的一个或多个特性，至少一个AC线圈从低阻抗状态移动到高阻抗状态。 [0042] 在一个实施方式中，磁芯包括第一分支，并且线圈接收部分沿着第一分支的至少一部分延伸。 [0043] 在一个实施方式中，磁芯包括与第一分支平行并且间隔开的第二分支以及两个磁轭，分支在两个磁轭之间延伸，其中，第二分支和磁轭限定返回部分的至少一部分。 [0044] 在一个实施方式中，永磁体设置在一个或多个磁轭中。 [0046] 现将参照附图仅通过举例来描述本发明的实施方式，其中： [0047] 图1为设置在配电系统(EDS)中的根据本发明的实施方式的故障限流器(FCL)的示意图； [0048] 图2为根据本发明的实施方式的单相FCL的剖面侧视图； [0049] 图3为利用图2的三个相似的单相FCL的三相FCL的截面顶视图； [0050] 图4为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的剖面侧视图； [0051] 图5为利用图4的三个相似的单相FCL的三相FCL的截面顶视图； [0052] 图6为根据本发明的实施方式的单相FCL的截面顶视图； [0053] 图7为图6的FCL的截面侧视图； [0054] 图8为根据本发明的另一个实施方式的三相FCL的截面顶视图； [0055] 图9为图8的三相FCL的截面侧视图； [0056] 图10为根据本发明的另一个实施方式的三相FCL的截面顶视图； [0057] 图11为在图9中所示的磁芯段的透视图； [0058] 图12为根据本发明的实施方式的FCL的局部剖面透视图； [0059] 图13为图12的FCL的局部剖面侧视图； [0060] 图14为根据本发明的实施方式的三相FCL的截面顶视图； [0061] 图15为图14的FCL的输入单元的截面顶视图； [0062] 图16为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的剖面侧视图； [0063] 图17为利用图16的三个相似的单相FCL的三相FCL的截面顶视图； [0064] 图18为图4的单相FCL的局部剖面透视图； [0065] 图19为图4的单相FCL的局部剖面侧视图； [0066] 图20为图2的单相FCL的截面顶视图； [0067] 图21为在图20中所示的磁芯的透视图； [0068] 图22为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的局部剖面透视图； [0069] 图23为图22的单相FCL的局部剖面侧视图； [0070] 图24为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的截面顶视图； [0071] 图25为利用图24的三个相似的单相FCL的三相FCL的截面顶视图； [0072] 图26为在图24中所示的磁芯的透视图； [0073] 图27为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的截面顶视图； [0074] 图28为图27的单相FCL的局部剖面透视图； [0075] 图29为示出图27的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0076] 图30为与图27相似的单相FCL的截面顶视图，但是在该图中，每个线圈接收分支具有大致为圆形的横截面区域； [0077] 图31为图30的单相FCL的局部剖面透视图； [0078] 图32为示出图30的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0079] 图33为与图27相似的单相FCL的剖面顶视图，但是在该图中，每个线圈接收分支具有大致为矩形的横截面区域； [0080] 图34为图33的单相FCL的局部剖面透视图； [0081] 图35为示出图33的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0082] 图36为示出在图27、图30和图33中所示的每个FCL的实例尺寸的表格； [0083] 图37为根据本发明的另一个实施方式的三相FCL的截面顶视图； [0084] 图38为图37的三相FCL的局部剖面透视图； [0085] 图39为示出图37的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0086] 图40为与图37相似的三相FCL的剖面顶视图，但是在该图中，每个线圈接收分支具有大致为圆形的横截面区域； [0087] 图41为图40的三相FCL的局部剖面透视图； [0088] 图42为示出图40的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0089] 图43为与图37相似的三相FCL的剖面顶视图，但是在该图中，每个线圈接收分支具有大致为矩形的横截面区域； [0090] 图44为图43的三相FCL的局部剖面透视图； [0091] 图45为示出图43的FCL的线圈接收分支、磁轭、AC线圈和DC线圈的局部剖面透视图； [0092] 图46为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的局部剖面透视图； [0093] 图47为根据本发明的实施方式的FCL的局部剖面透视图； [0094] 图48为根据本发明的另一个实施方式的单相FCL的局部剖面透视图； [0095] 图49为根据本发明的实施方式的FCL的局部剖面透视图； [0096] 图50为根据本发明的实施方式的单相FCL的剖面侧视图； [0097] 图51为在图50中所示的磁芯的透视图；以及 [0098] 图52为根据本发明的另一个实施方式的磁芯的透视图。 具体实施方式[0099] 以下描述和示图利用参考标号来帮助读者理解所示出的实施方式的结构和功能。相似的参考标号在不同的实施方式中用于指定具有相同或相似功能和/或结构的特征。仅通过举例，在图2中，除其他事项以外，未示出AC端子和DC端子。 [0100] 附图需要与该说明书中的相关文本一起视为一个整体。特别地，某些示图选择性地省略特征，以使所描述的特定特征更清晰。尽管这样做以帮助读者，但是不应认为那些特征未被公开或者对于相关实施方式的操作不是必需的。 [0101] 当关于特征使用术语“实施方式”时，不应认为表示仅具有能够使用该特征的一个实施方式或者该特征不能与在相同的实施方式中未示出的其他特征相结合使用。技术人员应理解，尽管某些特征在单个实施方式中是互相排斥的，但是能够结合其他特征。 [0102] 参照图1，示出了配电系统1，该配电系统包括用于以预定的操作电压VT提供预定的最大操作电流IMAX的三相变压器2。变压器2包括用于与具有发电站4形式的三相电源连接的三个第一输入端子3(仅示出了一个)。发电站提供操作电压VS。变压器还包括以预定的操作电压VT提供负载电流ILOAD的三个第一输出端子5(仅示出了一个)。系统1包括三相故障限流器，三相故障限流器为具有用于电连接至变压器2的相应端子5的三个间隔开的第二输入端子10(仅示出了一个)的FCL 6的形式。FCL6还包括用于将FCL与负载电路9(其汲取负载电流ILOAD)电连接的三个间隔开的第二输出端子11(仅示出了一个)。 [0103] 在该实施方式中，线间电压VS是在50Hz下的33kV RMS AC。然而，在其他实施方式中，使用不同的电压或频率。常用电压的实例包括132kV、66kV、33kV、11kV以及本领域的技术人员已知的很多其他电压。其他常用频率为60Hz。 [0104] 图2示出了包括磁饱和磁芯21的单相FCL 20。磁芯21包括两个相邻的细长的并且间隔开的大致为圆柱形的层压钢线圈(steel coil)接收分支23和24，这两个分支设置在横截面大致为矩形的两个细长的并且间隔开的层压钢返回分支22与25中间并且与其一致。分支22、23、24和25在彼此垂直间隔开的并且也具有大致为矩形的横截面的两个基本水平的层压钢磁轭26与27之间纵向共同延伸。磁轭26和27以及分支22和25分别限定分支23和24的两个磁通返回路径。这两个磁通返回路径与分支23和24一起限定两个磁路。 [0105] FCL 20包括铜基绝缘AC线圈28，以在FCL的输入与输出端子之间输送负载电流ILOAD。线圈28包括两个串联的并且空间上分开的线圈段30和31，线圈段30和31在相反方向设置在相应分支23和24周围，其中，线圈30是输入线圈段，并且线圈31是输出线圈段。具有铜基DC线圈32的形式的磁偏置系统设置在线圈28以及分支23和24周围以磁偏置线圈21，从而响应于负载电流ILOAD的一个或多个特性，线圈28从低阻抗状态移动到高阻抗状态。磁芯21以及线圈28和32都容纳在箱体33内，该箱体33包括具有介电油(dielectric oil，绝缘油)形式的电介质34。 [0106] 尽管两个磁路通过共同的磁轭26和27物理连接，但是那些电路的磁操作对于实际用途来说是分开的。然而，在该实施方式中，在制造FCL时使用集成构造以获得特定的优点。即，在两个磁路中具有共同磁轭的所示出的磁芯结构与制造在变压器中使用的磁芯非常相似。这允许变压器领域的技术人员在现有设施中制造FCL 20，然而，传统的市售FCL需要专门的生产设施以及专门的制造技术。本领域的技术人员将理解，利用本教导内容的帮助，需要对标准变压器制造工序的大量改变，以适应本发明的各种FCL实施方式的制造。习惯于制造变压器的人员熟悉与磁芯21和线圈段30和31的制造相关的繁重构造，即使那些人员可能不熟悉故障限流器本身以及这种故障限流器的常用制造方法。 [0107] 在本发明的实施方式中，返回分支22和25没有AC线圈和偏置系统。这种设置保持低磁阻路径，以便防止返回分支接近磁饱和。 [0108] 尽管分支和磁轭分别被示出为沿大致垂直和水平方向，但是本领域技术人员将理解，可利用不同的方向。 [0109] 图3示出了利用三个相似的单相FCL 20的三相FCL 35，每个相具有一个FCL 20。FCL 35的磁芯36包括三个相似的间隔开的磁芯段36a、36b和36c。每个磁芯段36a、36b和36c具有与FCL 20的磁芯21相似的设置。即，磁芯段36a包括设置在两个细长的返回分支37a与40a中间的两个细长的线圈接收分支38a和39a。磁芯段36b同样包括设置在两个细长的返回分支37b与40b中间的两个细长的线圈接收分支38b和39b。而且，磁芯段36c包括设置在两个细长的返回分支37c与40c中间的两个细长的线圈接收分支38c和 39c。每个磁芯段36a、36b和36c包括铜基绝缘AC线圈41以及铜基DC线圈42。每个磁芯段36a、36b和36c的每个线圈42设置在相应线圈41a、41b和41c以及相应的分支38a和 39a、38b和39b以及38c和39c周围。FCL 35包括包含电介质44的三个相似的箱体43。 每个箱体43用于分别容纳磁芯段36a以及线圈41a和42a、磁芯段36b和线圈41b和42b以及磁芯段36c和线圈41c和42c。 [0110] 图4示出了与图2的FCL相似的单相FCL 50，但是在该图中，磁偏置系统包括两个铜基DC线圈51和52。线圈51设置在线圈段30和分支23周围，并且线圈52设置在线圈段31和分支24周围。 [0111] 使用分离的铜基DC线圈降低了制造复杂性，并且通过采用更低高度的DC线圈，允许设计具有标准的方法。多个DC线圈能够串联或并联(或这两者的组合)地进行电气连接，以实现所需要的偏置安培匝数。 [0112] 在图4的实施方式中，线圈段30和31以及线圈51和52具有大致相同的高度。然而，将理解，在其他实施方式中，线圈段30和31以及线圈51和52不具有大致相同的高度。例如，在某些实施方式中，线圈段30和31纵向延伸超过线圈51和52。另一方面，在某些实施方式中，线圈51和52纵向延伸超过线圈段30和31。 [0113] 图5示出了利用三个相似的单相FCL 50的三相FCL 60，每个相具有一个FCL 50。与FCL 35一样，FCL 60包括三个相似的间隔开的磁芯段61a、61b和61c，每个相具有一个磁芯段。每个磁芯段61a、61b和61c具有与FCL 50的磁芯21相似的设置。磁芯段61a包括设置在两个细长的返回分支22a与25a中间的两个细长的线圈接收分支23a和24a。同样，磁芯段61b包括设置在两个细长的返回分支22b和25b中间的两个细长的线圈接收分支23b和24b。而且，磁芯段61c包括设置在两个细长的返回分支22c与25c中间的两个细长的线圈接收分支23c和24c。磁芯段61a包括分别设置在相应的线圈段30a和31a以及相应的分支23a和24a周围的两个DC线圈51a和52a。磁芯段61b包括两个DC线圈51b和52b。线圈51b设置在线圈段30b和分支23b周围，并且线圈52b设置在线圈段31b和分支24b周围。磁芯段61c包括分别设置在相应线圈段30b和31c以及相应分支23c和24c周围的两个DC线圈51c和52c。FCL 60包括分别包含电介质44a、44b和44c的三个相似的箱体33a、33b和33c。箱体33a容纳磁芯段61a、线圈段30a和31a以及线圈51a和52a。 箱体33b同样容纳磁芯段61b、线圈段30b和31b以及线圈51b和52b。最后，箱体33c容纳磁芯段61c、线圈段30c和31c以及线圈51c和52c。 [0114] 图6示出了具有三个相似的间隔开的磁芯段71a、71b和71c的三相FCL 70。与FCL 60一样，每个磁芯段71a、71b和71c具有与FCL 50的磁芯21相似的设置。而且，与FCL 60一样，FCL 70的线圈段30a和31a分别设置在分支23a和24a周围。此外，FCL 70的线圈段30b和31b分别设置在分支23b和24b周围。最后，FCL 70的线圈段30c和31c分别设置在分支23c和24c周围。FCL 70包括一个用于磁偏置磁芯段71a、71b和71c的铜基DC线圈72。线圈72设置在所有六个线圈段30a、31a、30b、31b和30c、31c以及所有六个分支23a、24a、23b、24b、23c以及24c周围。所有三个磁芯段71a、71b和71c、线圈段30a、31a、30b、31b和30c、31c以及线圈72容纳在包含油(oil)34的单个箱体33内。 [0115] 图7示出了FCL 70的磁芯段71a的剖面侧视图。 [0116] 图8示出了根据本发明的另一个实施方式的三相FCL 80。FCL 80包括两个磁饱和磁芯段81和91。磁芯段81包括设置在两个细长的返回分支82与86中间的三个细长的线圈接收分支83、84和85。如在图9中最佳示出的，分支82、83、84、85和86在两个磁轭87与88之间纵向延伸。再次参照图8，磁芯段91包括设置在两个细长的返回分支92和96中间的三个细长的线圈接收分支93、94和95。FCL 80包括分别具有两个线圈段89a和 99a、89b和99b以及89c和99c的三个铜基绝缘AC线圈。线圈89a、89b和89c是输入线圈段，并且线圈99a、99b和99c是输出线圈段。线圈89a和99a、89b和99b以及89c和99c分别设置在分支83和93、84和94以及85和95周围。FCL 80包括具有单个铜基DC线圈90的形式的磁偏置系统以磁偏置线圈段81和91。线圈90设置在所有六个线圈段89a、99a、 89b、99b和89c、99c以及所有六个分支83、93、84、94、85和95周围。两个磁芯段81和91、线圈段89a、99a、89b、99b和89c、99c以及线圈90容纳在包含油34的单个箱体33内。 [0117] 图10示出了与图8相似的三相FCL 100，但是在该图中，磁偏置系统包括两个铜基DC线圈101和102。在该实施方式中，线圈101磁偏置磁芯段81，并且线圈102磁偏置磁芯段91。线圈101设置在输入线圈段89a、89b和89c以及分支83、84和85周围。另一方面，线圈102设置在输入线圈段99a、99b和99c以及分支93、94和95周围。在该实施方式中，两个磁芯段81和91、线圈段89a、99a、89b、99b和89c、99c以及线圈101和102容纳在包含油34的单个箱体33内。 [0118] 将理解，在其他实施方式中，FCL 100包括两个箱体，一个箱体用于容纳磁芯段81、输入线圈段89a、89b和89c以及线圈101，并且一个箱体用于容纳磁芯段91、输出线圈段99a、99b和99c以及线圈102。因此，在这种实施方式中，FCL 100包括两个单独的单元(一个输入单元和一个输出单元)。 [0119] 图11示出了FCL 80的磁芯段81。在该特定的实施方式中，分支83、84和85大致为圆柱形，具有基本为圆形的横截面区域。然而，将理解，在其他实施方式中，分支83、84和85并非大致圆柱形，不具有基本为圆形的横截面区域。例如，在某些实施方式中，分支83、 84和85具有基本为矩形的横截面区域，并且在其他实施方式中，分支83、84和85具有基本为正方形的横截面区域。 [0120] 而且，分支83、84和85的直径小于磁轭87和88的宽度。然而，将理解，在其他实施方式中，分支83、84和85的直径或宽度基本等于或大于磁轭87和88的宽度。分支83、84和85由堆叠的软钢层压结构(lamination)形成。在某些实施方式中，层压结构是定向变压器层压结构。在其他实施方式中，层压结构是非定向变压器层压结构，例如，以商标LYCORE销售的钢层压结构。然而，将理解，在本发明的某些实施方式中，可使用其他非定向层压结构材料。而且，将理解，在某些实施方式中，磁芯段81完全由以商标LYCORE销售的钢层压结构形成。然而，将理解，磁芯段81可由其他材料形成。还将理解，在某些实施方式中，分支83、84和85由与分支82和86不同的材料形成。 [0121] 图12示出了根据本发明的另一个实施方式的FCL 120。FCL 120包括图11的磁饱和磁芯段81。即，FCL 120的磁芯段81包括设置在两个细长的返回分支82和86中间的三个细长的线圈接收分支83、84和85。分支82、83、84、85和86在两个磁轭87与88之间纵向延伸。FCL 120包括三个输入线圈段89a、89b和89c，每个输入线圈段分别设置在分支83、84和85周围。FCL 120进一步包括磁偏置系统，该磁偏置系统包括三个铜基DC线圈121、122和123，每个铜基DC线圈分别具有DC输入端子126、127和128。线圈121、122和 123均分别设置在线圈段89a和分支83、线圈段89b和分支84以及线圈段89c和分支85周围。磁芯段81、输入线圈段89a、89b和89c以及线圈121、122和123均容纳在包含油34的箱体33内。箱体33包括三个间隔开的AC输入端子10以及两个冷却散热器125。散热器从箱体33的相对侧朝外水平延伸并且与箱体液体连通(fluidic communication)以允许冷却油34。将理解，油34通过对流从箱体33中循环穿过这两个散热器，通过不均匀地加热油来建立对流。即，油通过相应上部供油管(oil feed pipe)从箱体的顶部移动到一个散热器中。随着油在散热器中冷却，它朝着该散热器的底部下降。然后，冷却的油经由下部供油管返回到箱体的底部中。箱体33包括净空高度(headroom)，以适应在FCL 120的操作期间的油34的热膨胀。在其他实施方式中，通过液体连接至箱体33的单独的贮液器(reservoir)来适应热膨胀。 [0122] 图13示出了图12的FCL 120的局部剖面侧视图。 [0123] 图14示出了与图10的FCL 100相似的三相FCL 140，但是该三相FCL包括两个箱体33a和33b。箱体33a容纳磁芯段81、输入线圈段89a、89b和89c以及线圈101，并且箱体33b容纳磁芯段91、输出线圈段99a、99b和99c以及线圈102。因此，在这种实施方式中，FCL 140包括两个单独的单元，即，一个输入单元141和一个输出单元142。分支83、84、85、93、94和95的宽度与磁轭的宽度基本相同。因此，线圈段89a、89b和89c以及线圈101设置在分支83、84和85周围，从而它们延伸超过磁轭的宽度。同样，线圈段99a、99b和99c以及线圈102设置在分支93、94和95周围，从而它们延伸超过磁轭的宽度。 [0124] 图15示出了FCL 140的输入单元141。尽管每个分支83、84和85的宽度与磁轭的宽度基本相同，但将理解，在其他实施方式中，分支83、84和85的宽度可小于磁轭的宽度。在分支83、84和85的宽度小于磁轭的宽度的某些实施方式(诸如图11中所示的磁芯段81)中，线圈段89a、89b和89c基本位于磁轭的宽度内，并且仅线圈101延伸超过磁轭的宽度。然而，在其他实施方式中，线圈段89a、89b和89c以及线圈101基本位于磁轭的宽度内。将理解，在本发明的实施方式中，线圈段和DC线圈在不同的程度上延伸超过磁轭的宽度。 [0125] 图16示出了与图4相似的单相FCL 160，但是在该图中，线圈51与线圈段30纵向间隔开并相邻，并且设置在分支23周围。线圈52同样与线圈段31纵向间隔开并相邻，并且设置在分支24周围。在该实施方式中，分支23的其中设置线圈51的部分161由与设置线圈段30的部分162不同的材料形成。同样，分支24的其中设置线圈52的部分163由与设置线圈段31的部分164不同的材料形成。部分161和163由非层压的磁性材料形成，以防止AC电力频率磁通量穿过，同时允许DC偏置通量穿过。 [0126] 图17示出了利用三个相似的单相FCL 160的三相FCL 170，每个相具有一个单相FCL 160。FCL 170包括三个相似的间隔开的磁芯段171a、171b和171c。每个磁芯段171a、171b和171c具有与FCL 160的磁芯21相似的设置。 [0127] 图18示出了在图4中所示的单相FCL 50的局部剖面透视图。箱体33包括AC输入端子181和AC输出端子182以及两个冷却散热器125。线圈51包括DC输入端子183，并且线圈52包括DC输入端子183。在该实施方式中，每个分支23和24的宽度与磁轭26和27的宽度基本相同。因此，线圈段30和31以及线圈51和52延伸超过磁轭26和27的宽度。图19示出了图18的局部剖面侧视图。 [0128] 图20示出了在图2中所示的单相FCL 20的截面顶视图。每个分支23和24的宽度与磁轭的宽度基本相同，从而线圈32以及线圈段30和31延伸超过磁轭的宽度。箱体33包括两个冷却散热器125。 [0129] 图21示出了FCL 20的磁芯21，并且最佳地示出了分支23和24的宽度与磁轭26和27的宽度基本相同。分支23和24大致为圆柱形，并且具有基本为圆形的横截面区域。然而，将理解，在其他实施方式中，分支并非大致圆柱形，并且不具有基本为圆形的横截面区域。分支23和24由堆叠的层压构成。在某些实施方式中，层压结构是定向变压器层压结构。在其他实施方式中，层压结构是非定向变压器层压结构，诸如，以商标LYCORE销售的钢层压结构。然而，将理解，在本发明的某些实施方式中，使用其他非定向层压结构材料。而且，将理解，在某些实施方式中，磁芯21完全由以商标LYCORE销售的钢层压结构形成。然而，将理解，磁芯21可由其他材料形成。还将理解，在某些实施方式中，分支23和24由与分支22和25不同的材料形成。 [0130] 图22示出了与图18相似的单相FCL 220，但是在该图中，每个分支23和24的宽度小于磁轭26和27的宽度。因此，线圈段30和31以及线圈51和52基本位于磁轭26和27的宽度内。图23示出了图22的局部剖面侧视图。 [0131] 图24示出了与图20相似的单相FCL 240的剖面顶视图，但是在该图中，每个分支23和24的宽度小于磁轭的宽度，从而线圈32和线圈段30和31基本位于磁轭的宽度内。 由于FCL 240的磁轭比FCL 20的磁轭更宽，所以FCL 240的磁轭的长度小于FCL 20的磁轭的长度。 [0132] 图25示出了利用三个相似的单相FCL 240的三相FCL 250，每个相具有一个FCL240。 [0133] 图26示出了图24的FCL 240的磁芯21。图26最佳地示出了分支23和24的宽度小于磁轭26和27的宽度。分支23和24大致为圆柱形，并且具有基本为圆形的横截面区域。然而，将理解，在其他实施方式中，分支并非大致圆柱形，并且不具有基本为圆形的横截面区域。 [0134] 图27示出了根据本发明的另一个实施方式的单相FCL 270。如在图29中最佳示出的，FCL 270包括两个相邻的细长的并且间隔开的大致为矩形的层压钢线圈接收分支271和272，这两个分支在垂直间隔开的两个基本水平的层压钢磁轭273与274之间纵向共同延伸。分支271和272分别具有基本为正方形横截面区域。再次参照图27，FCL 270包括铜基绝缘AC线圈275，该AC线圈275包括两个串联连接并且在空间上分开的线圈段276和277，该线圈段276和277在相反方向设置在相应分支271和272周围。具有两个纵向间隔开的铜基赛道形(race track)DC线圈278和279的形式的磁偏置系统设置在线圈段276和277以及分支271和272周围。磁轭273和274、分支271和272、线圈段276和277以及线圈278和279均容纳在包含油281的箱体280内。箱体280包括两个冷却散热器282和16个相似的间隔开的纵向延伸的层压钢返回分支283(其设置在箱体280的外壁上)。 磁轭273和274以及分支283限定分支271和272的磁通返回路径。在该实施方式中，每个分支271和272的宽度明显小于磁轭273和274的宽度。因此，线圈段276和277以及线圈278和279完全位于磁轭273和274的宽度内。然而，将理解，在其他实施方式中，线圈段276和277以及线圈278和279并非完全位于磁轭273和274的宽度内。 [0135] 图28为图27的FCL 270的局部剖面透视图。图29示出了FCL 270的分支271和272、磁轭273和274、线圈段276和277以及线圈278和279。 [0136] 图30示出了与图27的FCL 270相似的单相FCL 300，但是在该图中，每个分支271和272具有基本为圆形的横截面区域。图31为图30的FCL300的局部剖面透视图。图32示出了FCL 300的分支271和272、磁轭273和274、线圈段276和277以及线圈278和279。 [0137] 图33示出了与图27的FCL 270相似的单相FCL 330，但是在该图中，每个分支271和272具有基本为矩形的横截面区域。图34为FCL 330的局部剖面透视图。图35示出了FCL 330的分支271和272、磁轭273和274、线圈段276和277以及线圈278和279。 [0138] 图36分别示出了单相FCL 270、300和330的尺寸的表格。将理解，在图36的表格中所示的尺寸仅是实例，并且在本发明的其他实施方式中，使用其他尺寸。考虑到本文中的教导内容的好处，技术人员将理解，本发明的实施方式适用于不同尺寸的更宽范围。在某些实施方式中，关键性设计尺寸是总体积，在某些实施方式中是占用面积，某些实施方式中是高度，某些实施方式中是一个预定的尺寸。本发明适用于在满足使本发明适用于各种安装地点的那些标准中的一个或多个的宽范围的实施方式中的实施。将理解，很多安装地点是其中FCL被改装成延长现有基础设施的使用寿命的现有配电站。这通常对所需要的FCL的一个或多个尺寸施加了非常严格的限制。本发明能够提供FCL的相当灵活的设计。例如，在需要三相FCL时，能够通过以下元件构成该三相FCL：容纳在三个单独的箱体内的三个单相磁芯；容纳在一个单独的箱体内的三个单相磁芯；容纳在单个箱体内的两个半相磁芯；或者容纳在两个单独的箱体内的两个半相磁芯。还能够具有如在示图中所示的定向的磁芯(即，水平延伸的磁芯)，或者具有另外延伸的磁芯。例如，在某些实施方式中，磁芯垂直延伸，而在进一步的实施方式中，磁芯被放平，从而分支在共同的水平面中延伸。 [0139] 图37示出了根据本发明的另一个实施方式的三相FCL 370。FCL 370具有与FCL270相似的设置，但是包括在磁轭273与274之间纵向共同延伸的六个线圈接收分支271a、 272a、271b、272b、271c和272c。与FCL 270一样，每个分支271a、272a、271b、272b、271c和272c具有基本为正方形的横截面区域。FCL 370包括三个铜基绝缘AC线圈275a、275b和275c，每个相具有一个线圈，每个AC线圈分别包括在相反方向设置在相应分支271a和 272a、271b和272b以及271c和272c周围的两个线圈段276a和277a、276b和277b以及 276c和277c。线圈278和279设置在线圈段276a、277a、276b、277b、276c和277c以及分支271a、272a、271b、272b、271c和272c周围。磁轭273和274、分支271a、272a、271b、272b、 271c和272c、线圈段276a、277a、276b、277b、276c和277c以及线圈278和279均容纳在包含油281的箱体280中。箱体280包括两个冷却散热器282以及设置在箱体280的外壁上的18个相似的间隔开的返回分支283。 [0140] 图38为图37的FCL 370的局部剖面透视图。图39示出了FCL 370的分支271a、272a、271b、272b、271c和272c、磁轭273和274、线圈段276a、277a、276b、277b、276c和277c以及线圈278和279。 [0141] 图40示出了与图37的FCL 370相似的三相FCL 400，但是在该图中，每个分支271a、272a、271b、272b、271c和272c具有基本为圆形的横截面区域。图41为图40的FCL 400的局部剖面透视图。图42示出了图40的FCL 400的分支271a、272a、271b、272b、271c和272c、磁轭273和274、线圈段276a、277a、276b、277b、276c和277c以及线圈278和279。 [0142] 图43示出了与图37的FCL 370相似的三相FCL 430，但是在该图中，每个分支271a、272a、271b、272b、271c和272c具有基本为矩形的横截面区域。图44为FCL 430的局部剖面透视图。图45示出了FCL 430的分支271a、272a、271b、272b、271c和272c、磁轭 273和274、线圈段276a、277a、276b、277b、276c和277c以及线圈278和279。 [0143] 图46示出了根据本发明的另一个实施方式的单相FCL 460。FCL 460与图18相似，但是在该图中，磁偏置系统包括四个铜基DC线圈461、462、463和464。线圈461和462设置为与线圈段30相邻并纵向间隔开，并且设置在分支23周围和相对端处。同样，线圈463和464设置为与线圈段31相邻并纵向间隔开，并且设置在分支24周围和相对端处。分支23包括两个相似的端部465和466，线圈461和462分别设置在这两个端部周围。分支 23包括两个相似的端部465和466，线圈461和462分别设置在端部465和466周围。分支24同样包括两个相似的端部467和468，线圈463和464分别设置在端部467和468周围。每个端部465、466、467和468的直径大于各个分支23和24的中间部分469和470的直径。 [0144] 图47示出了与FCL 460相似的FCL 471，但FCL 471包括一个额外的设置在分支22与25的中间的大致为圆柱形的层压钢线圈接收分支472。与分支22、23、24和25一样，分支472在磁轭26与27之间纵向延伸。FCL 471还包括设置在分支472周围的线圈段473。而且，FCL 471包括两个额外的铜基DC线圈474和475，这两个线圈设置为与线圈段473相邻并纵向间隔开，并且设置在分支472周围和相对端处。分支472包括两个相似的端部476和477，线圈474和475分别设置在端部476和477周围。每个端部476和477的直径大于分支472的中间部分478的直径。 [0145] 图48示出了与FCL 460相似的单相FCL 480，但是在该图中，磁偏置系统包括六个相似的铜基DC线圈481、482、483、484、485和486。线圈481、483和485水平隔开并且设置在磁轭26周围，从而线圈481位于分支22和23的中间，线圈483位于分支23和24的中间，并且线圈485位于分支24和25的中间。线圈482、484和486同样水平间隔开，并且设置在磁轭27周围，从而线圈482位于分支22和23的中间，线圈484位于分支23和24的中间，并且线圈486位于分支24和25的中间。 [0146] 图49示出了与FCL 471相似的FCL 490，但是在该图中，磁偏置系统与FCL 480的磁偏置系统相似。FCL 490包括分别设置在磁轭26和27周围的两个额外的相似的铜基DC线圈491和492。在该实施方式中，线圈481、483、485和491水平间隔开并且设置在磁轭26周围，从而线圈481位于分支22和23的中间，线圈483位于分支23和24的中间，线圈 485位于分支24和472的中间，并且线圈491位于分支472和25的中间。线圈482、484、 486和492同样水平隔开，并且设置在磁轭27周围，从而线圈482位于分支22和23的中间，线圈484位于分支23和24的中间，并且线圈486位于分支24和472的中间，并且线圈 492位于分支472和25的中间。 [0147] 图50示出了与图2的FCL 20相似的单相FCL 500，但是在该图中，磁芯21包括两个磁芯段21a和21b。磁芯段21a包括在磁轭26a与27a之间纵向延伸的分支22和23。磁芯段21b包括在磁轭26b与27b之间纵向延伸的分支24和25。线圈段30和31在相反方向依然设置在相应分支23和24周围，并且线圈段32依然设置在两个线圈段30和31以及两个分支23和24周围。磁轭26a与磁轭26b通过气隙501间隔开。同样，磁轭27a与磁轭27b通过气隙502间隔开。图51为在图50中所示的FCL 500的磁芯段21a和21b的透视图。 [0148] 图52示出了与在图51中所示的磁芯段21a和21b相似的两个磁芯段520a和520b，但是在该图中，分支23包括位于分支23的相对端处的两个相似的端部521和522，并且分支24包括位于分支24的相对端处的两个相似的端部523和524。每个端部521、522、 523和524的直径大于相应分支23和24的中间部分525和526的直径。 [0149] 除非另有规定，否则在本文中使用的术语“占用面积(footprint)”应理解为容纳结构或装置所需要的下层(underlying)表面面积。由于通常在现有电力配电站或其他设施中改装FCL(其中，由于以高压进行操作的不同设备需要保持安全物理分离，所以限制可利用的表面区域)，所以可用于容纳FCL的占用面积通常是临界设计参数。占用面积通常表示为在表面上的可用面积。该说明书可按照在表面上的绝对最大面积或占用面积，或者在表面上具有最大长度和最大宽度中的一个或多个的区域或占用面积。将理解，术语“占用面积”也可被解释为表示由某个物体所占据的面积或者在一个边界内包围的二维表面的空间或面积。即，占用面积的形状不需要是规则的，并且在某些实施方式中，它由复杂的或不规则的形状来限定。 [0150] 如在本文中所使用的，除非另有规定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同的物体仅仅表示正在提及相似物体的不同实例，而并非旨在暗含必须按时间或空间上的规定顺序、以排列或任何其他方式来这样描述物体。 [0151] 而且，尽管在本文中描述的某些实施方式包括在其他实施方式中包括的某些而非其他特征，但是本领域技术人员将理解，不同实施方式的特征的组合也意味着落在本发明的范围内，并且构成不同的实施方式。例如，在所附权利要求中，可以任何组合的形式使用任何所保护的实施方式。 [0152] 在本文提供的描述中，阐述了大量具体细节。然而，应理解，无需这些具体细节，也可实践本发明的实施方式。在其他情况下，未详细示出熟知的方法、结构和技术，以免混淆对该描述的理解。 [0153] 应注意，当术语耦接的用于权利要求中时，不应被解释为仅限于直接连接。可使用术语“耦接的”和“连接的”及其派生词。应理解，这些术语并非旨在彼此同义。因此，装置A耦接至装置B这一表示的范围不应限于其中装置A的输出端直接连接至装置B的输入端的装置或系统。它是指在A的输出端与B的输入端之间具有路径，该路径可为包括其他装置或器件的路径。“耦接的”可表示两个或更多个元件进行直接物理或电气接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触，但是依然彼此协作或交互。 [0154] 本发明的实施方式的主要优点基于： [0155] ·由铜或其他金属构成的线圈； [0156] ·不存在超导线圈； [0157] ·AC和DC线圈极为靠近； [0158] ·在保持脱离饱和状态的磁路中的低磁阻返回路径； [0159] ·利用标准的变压器制造技术的能力； [0160] ·低制造成本； [0161] ·低材料成本。 [0162] 技术人员将认识到，这些实例适用于所制造的特定设计，并且具有不同的构造细节的其他设计的详细结果将不同。要考虑这些结果的主要结论和模式。 [0163] 虽然已经参照特定实例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明可以很多其他形式来体现。 |
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