(57)【要約】  障害電流リミッターは、磁気的に飽和可能なコアを含んで提供される。第１のコアは第１の脚部、第２の脚部、第３の脚部及び第４の脚部を含み、第１のＡＣコイルが第２の脚部に巻きつけられ、第２のＡＣコイルが第３の脚部に巻きつけられ、第１及び第２のＡＣコイルは直列に巻きつけられて第１の相のＡＣ電源に接続される。第１の磁気バイアスユニットは、第１の脚部及び第２の脚部に、第１の磁束方向を有する第１の閉磁束方向を発生させるように構成され、第２のコイルは第４の脚部及び第３の脚部に、第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成されており、第１の磁束方向は第２の磁束方向と反対である。第１及び第２のＡＣコイルは、第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第１の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気的に飽和可能なコアを含む障害電流リミッターであって、前記第１のコアが、
第１の脚部と、
第１のＡＣコイルが巻きつけられた第２の脚部と、
第２のＡＣコイルが巻きつけられ、前記第１及び第２のＡＣコイルが、直列に巻きつけられて第１の相のＡＣ電源に接続された、第３の脚部と、
第４の脚部と、
前記第１の脚部及び前記第２の脚部内に第１の磁束方向を有する第１の閉磁気回路を発生されるように構成された第１の磁気バイアスユニットと、
前記第４の脚部及び前記第３の脚部内に第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成され、前記第１の磁束方向が前記第２の磁束方向と反対である、第２の磁気バイアスユニットと、
を含み、
前記第１、第２、第３及び第４の脚部が順に配置され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第１の端部が第１のヨークによって結合され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第２の端部が第２のヨークによって結合され、
前記第１及び第２のＡＣコイルが、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向に、第２及び第３の脚部内に第１の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成された、障害電流リミッター。
【請求項２】
前記第１、第２、第３及び第４の脚部が同一方向に配向された、請求項１に記載の障害電流リミッター。
【請求項３】
前記第１、第２、第３及び第４の脚部が垂直方向に配置された、請求項２に記載の障害電流リミッター。
【請求項４】
前記第１及び第２のヨークが同一方向に配向された、請求項１から３のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項５】
前記第１及び第２のヨークが水平方向に配置された、請求項４に記載の障害電流リミッター。
【請求項６】
前記第１の磁気バイアスユニットが前記第１の脚部に巻きつけられた第１のＤＣコイルを含み、前記第２の磁気バイアスユニットが前記第４の脚部に巻きつけられた第２のＤＣコイルを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項７】
前記ＦＣＬが、前記第２の脚部に巻きつけられた第３のＡＣコイル及び前記第３の脚部に巻きつけられた第４のＡＣコイルをさらに含み、前記第３及び第４のＡＣコイルが直列に巻きつけられ、第２の相のＡＣ電源に接続され、前記第３及び第４のＡＣコイルが第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第２の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項８】
前記ＦＣＬが、前記第２の脚部に巻きつけられた第５のＡＣコイル及び前記第３の脚部に巻きつけられた第６のＡＣコイルをさらに含み、前記第５及び第６のＡＣコイルが直列に巻きつけられて第３の相のＡＣ電源に接続され、前記第５及び第６のＡＣコイルが、前記第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第３の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成された、請求項７に記載の障害電流リミッター。
【請求項９】
前記第１、第３及び第５のＡＣコイルが前記第２の脚部に順に配置され、前記第２、第４及び第６のＡＣコイルが前記第３の脚部に逆順に配置された、請求項８に記載の障害電流リミッター。
【請求項１０】
各相のＡＣ電源のための前記ＡＣコイルが、前記ＡＣコイルの対の少なくとも１つが各相のためのＡＣコイルの残りの対に対して不均衡な磁気インピーダンスを示すように、対として構成された、請求項８または９に記載の障害電流リミッター。
【請求項１１】
前記第２及び第３の脚部が前記第１及び第４の脚部よりも小さな断面積を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１２】
前記第１のコアを収容するように構成されたタンクをさらに含み、前記タンクが誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされた、請求項１から１１のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１３】
第２の磁気的に飽和可能なコア及び第３の磁気的に飽和可能なコアをさらに含み、前記第２及び第３のコアがそれぞれ、
第１の脚部と、
第１のＡＣコイルが巻きつけられた第２の脚部と、
第２のＡＣコイルが巻きつけられ、前記第１及び第２のＡＣコイルが直列に巻きつけられた第３の脚部と、
第４の脚部と、
前記第１の脚部及び前記第２の脚部に、第１の磁束方向を有する第１の閉磁気回路を発生させるように構成された第１の磁気バイアスユニットと、
前記第４の脚部及び前記第３の脚部に、第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成され、前記第１の磁束方向が前記第２の磁束方向と反対方向である、第２の磁気バイアスユニットと、
を含み、
前記第１、第２、第３及び第４の脚部が順に配置され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第１の端部が第１のヨークによって結合され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第２の端部が第２のヨークによって結合され、
前記第１及び第２のＡＣコイルが、前記第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第１の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成され、
前記第２のコアの前記第１及び第２のＡＣコイルが第２の相のＡＣ電源に接続され、前記第３のコアの前記第１及び第２のＡＣコイルが第３の相のＡＣ電源に接続される、請求項１から６のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１４】
前記第２及び第３のコアの前記第２及び第３の脚部が、前記第２及び第３のコアの前記第１及び第４の脚部よりも小さな断面積を有する、請求項１３に記載の障害電流リミッター。
【請求項１５】
前記第１、第２及び第３のコアが、同一のタンク内に配置され、前記タンクが誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされた、請求項１３または１４に記載の障害電流リミッター。
【請求項１６】
前記第２及び第３のコアの前記第１の磁気バイアスユニットが、前記第１の脚部のそれぞれに巻きつけられた第１のＤＣコイルをそれぞれ含み、前記第２及び第３のコアの前記第２の磁気バイアスユニットが、前記第４の脚部のそれぞれに巻きつけられた第２のＤＣコイルをそれぞれ含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１７】
第１の共通のＤＣコイルが前記第１、第２及び第３のコアに巻きつけられて前記第１、第２及び第３のコアの前記第１の磁気バイアスユニットを提供し、第２の共通のＤＣコイルが前記第１、第２及び第３のコアの前記第２の脚部に巻きつけられて前記第１、第２及び第３のコアの前記第２の磁気バイアスユニットを提供する、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１８】
前記第１、第２及び第３のコアが分離された、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の障害電流リミッター。
【請求項１９】
前記第１、第２及び第３のコアが前記同一のタンク内に垂直方向または水平方向に配置された、請求項１８に記載の障害電流リミッター。
【請求項２０】
前記第１、第２及び第３のコアが分離されたタンク内に配置され、それぞれのタンクが、誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされている、請求項１８に記載の障害電流リミッター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、障害電流リミッター（ＦＣＬ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力システムにおける障害は避けることができない。電源から障害の箇所まで流れる障害電流は、例えば空中線、ケーブル、トランス及び開閉装置のような設備を高い動的かつ熱的なストレスにさらすこととなる。
【０００３】
従来の回路遮断器技術は、そのような障害に関する電流を選択的に遮断する完全な解決手段を実現していない。発電及び電力消費の増大ならびにネットワーク間の相互接続の増加によって、障害電流のレベルが増加している。特に、発電の途切れることのない成長は、結果としてネットワークが回路短絡耐性容量に関する限界に到達しまたは超えさえする。従って、障害電流を制限することの可能なデバイスが必要とされている。
【０００４】
増加するエネルギー需要並びに発電及び断続的なエネルギー源の接続に対処するために伝送ネットワーク及び分配ネットワークが拡張するにつれて、回路短絡電流が増加している。このことによって停電、設備の損傷及び大規模停電が発生することとなる可能性があり、これらは年に数十億ドルのコストとなると見積もられている。障害電流の衝撃を制限することができるように、従来、ユーティリティオペレータがネットワークの分割及び直列抵抗、キャパシタ、大電流回路遮断器及び高インピーダンストランスのような高価で損失の大きい保護装置の設置を使用する必要があった。そのような解決手段は、エネルギー効率及びネットワークの安定性を全体的に低下させるという犠牲を払う。
【０００５】
障害電流リミッター（ＦＣＬ）を使用することによって、予測される障害電流が設定ピーク及び短絡時耐性電流を超過したとしても、装置を稼働させ続けることが可能になる。従って、（回路遮断器を含む）装置の置き換えを避け、または延期することができる。
【０００６】
障害電流リミッター（ＦＣＬ）は、様々な形態で提供可能である。１つの種類の障害電流リミッターは、完全に磁化された（飽和された）鉄コアを伴う。そのような障害電流リミッターは典型的には鉄コアに巻かれた１つ以上のＡＣコイルを有し、鉄コアは通常の作動状態ではＤＣバイアスコイルによって飽和状態を保たれている。ＡＣコイルはグリッドに接続されており、通常の状態ではコイルは飽和状態を保たれ、通常の作動時にはＦＣＬをグリッドに対して実質的に透過した状態としている。
【０００７】
障害状態（例えば、回路短絡）では、電流サージがＡＣコイル上の電流を増加させ、イオンコアの脱飽和を引き起こすこととなる。イオンコアのこの脱飽和の結果として、インピーダンスが増加し、ＡＣコイル上の電流を制限するように働く。飽和可能なコア並びにＡＣ及びＤＣコイルの様々な構成が可能である。先行技術の飽和コアＦＣＬの一例が引用文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００７／０２９２２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来の構成と比較して改善された性能を有するＦＣＬを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、第１の磁気的に飽和可能なコアを含む障害電流リミッターであって、前記第１のコアが、第１の脚部と、第１のＡＣコイルが巻きつけられた第２の脚部と、第２のＡＣコイルが巻きつけられ、前記第１及び第２のＡＣコイルが、直列に巻きつけられて第１の相のＡＣ電源に接続された、第３の脚部と、第４の脚部と、前記第１の脚部及び前記第２の脚部内に第１の磁束方向を有する第１の閉磁気回路を発生されるように構成された第１の磁気バイアスユニットと、前記第３の脚部及び前記第４の脚部内に第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成され、前記第１の磁束方向が前記第２の磁束方向と反対である、第２の磁気バイアスユニットと、を含み、前記第１、第２、第３及び第４の脚部が順に配置され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第１の端部が第１のヨークによって結合され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第２の端部が第２のヨークによって結合され、前記第１及び第２のＡＣコイルが、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向に、第２及び第３の脚部内に第１の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成される、障害電流リミッターが提供される。
【００１１】
前記第１の磁気バイアスユニットは、前記第１の脚部に巻きつけられた第１のＤＣコイルを含むことができ、前記第２の磁気バイアスユニットは、前記第４の脚部に巻きつけられた第２のＤＣコイルを含むことができる。そのような構成において、１つのＡＣ半周期内で第２の脚部のＡＣ磁束は第２の脚部のＤＣ磁束と反対方向であり、第３の脚部のＡＣ磁束は第３の脚部のＤＣ磁束を支持し、次の半周期で第３の脚部のＡＣ磁束は第３の脚部のＤＣ磁束と反対方向であり、第２の脚部のＡＣ磁束は第２の脚部のＤＣ磁束を支持する。しかしながら、他の実施形態は、第１及び第２の磁気バイアスユニットのための代替的な配置を使用することができ、第１及び第２の閉磁気回路上のＡＣ磁束の反対方向の／支持する同じ効果が、第１及び第２の磁気ユニットによって発生する。
【００１２】
通常の状態では、第１のコアの第２及び第３の脚部が飽和しており、そのためＦＣＬのインピーダンスは低い。従って、通常の状態では、第２及び第３の脚部のＡＣ磁束は第２及び第３の脚部を深い飽和状態に保つ。
【００１３】
障害状態では、ＡＣ電流が増大し、１つの半周期においてＡＣ磁束は第２の脚部が不飽和となり、第３の脚部は飽和状態がより深くなるようになる。第２の脚部が不飽和になる効果はインピーダンスを増大させ、障害を制限するように働く。次の半周期において、ＡＣ磁束は第３の脚部が不飽和となり、第２の脚部がより深い飽和状態となって、再び障害を制限するように働く。
【００１４】
そのような実施形態は、閉ＡＣ磁気回路の結果として、通常状態に対する障害状態のインピーダンス比の改善に関連する。このことによって、通常状態から回路短絡状態へのインピーダンスの増大が、いくつかの従来の構成における複合コア−空気磁気経路の代わりに、コアの飽和のみによって制御されることを確実にする。このことは、回路短絡状態における制御されたインピーダンスの増大を提供し、高いインピーダンス比（典型的には５よりも十分高い）が、ＡＣアンペア回数を大きく増加させることなく達成可能である。
【００１５】
換言すれば、閉ＡＣ磁気経路を有することが、従来の設計（例えば、開回路ＡＣ設計において複合コア−空気磁気経路を用いる）よりも高いインピーダンスとともに、より低い磁気抵抗を達成するという観点から有利である。さらに、ＤＣアンペア回数を低減し、ＦＣＬ外部のＤＣ磁束を低減するため、ＤＣ磁気回路に関して閉磁気経路を有することも有利である。
【００１６】
コアの第１、第２、第３及び第４の脚部は、同一の方向に配向されてもよい。例えば、第１、第２、第３及び第４の脚部は、垂直方向に配置されてもよい。脚部を垂直に配置することは、製造上の観点からは、水平方向の脚部に巻きつけられたコイルを用いる従来のＦＣＬと比較してコア及びコイルの組み立てがより容易であるという利点を有する。例えば、従来のＦＣＬの水平方向に横たえたＤＣコイルは空中で支持しなければならず、コア積層体はコイルを通して装着され、一度に装着する積層体は少なくなる。このことは、製造に時間がかかり、比較的危険性が高い。
【００１７】
さらに、タンク内に配置された水平方向のコイルを有するＦＣＬにおいては、ＤＣコイル内の水平方向のダクト内の油の移動は油の流動性に欠け、ＤＣコイル内に局所的に高温の箇所を発生させる。垂直の脚部では、高温の油（より軽い）は巻線の上部に上昇し、重力のために熱サイフォン効果を発生させるため、この問題が防止される。この頂部の油は巻線を通して油を移動させ、導電体の温度を低減させる。換言すれば、垂直に配向された巻線を用いることは、自然発生する熱サイフォン効果及び巻線を通して流れる油のより高い熱ヘッドを提供する。従来の構成の水平に配向された巻線における油のよどみは防止され、巻線の温度は低減され、局所的に高温の箇所が最小化される。
【００１８】
第１及び第２のヨークは同一方向に配置されてもよい。例えば、前記第１及び第２のヨークは水平方向に配置される。
【００１９】
前記ＦＣＬは、前記第２の脚部に巻きつけられた第３のＡＣコイル及び前記第３の脚部に巻きつけられた第４のＡＣコイルをさらに含み、前記第３及び第４のＡＣコイルは直列に巻きつけられ、第２の相のＡＣ電源に接続されてもよい。前記第３及び第４のＡＣコイルは、第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第２の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成されてもよい。さらに、前記ＦＣＬは、前記第２の脚部に巻きつけられた第５のＡＣコイル及び前記第３の脚部に巻きつけられた第６のＡＣコイルをさらに含み、前記第５及び第６のＡＣコイルは直列に巻きつけられて第３の相のＡＣ電源に接続され、前記第５及び第６のＡＣコイルは、前記第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第３の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成されてもよい。
【００２０】
そのような構成において、ＦＣＬは３相ＡＣ電源のためのものであることができ、各ＡＣ相は一対のまたは直列接続されたＡＣコイルに接続される。前記第１、第３及び第５のＡＣコイルは前記第２の脚部に順に配置されてもよく、前記第２、第４及び第６のＡＣコイルは前記第３の脚部に逆順に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、各相のＡＣ電源のための前記ＡＣコイルは、前記ＡＣコイルの対の少なくとも１つが各相のためのＡＣコイルの残りの対に対して不均衡な磁気インピーダンスを示すように、対として構成されてもよい。いくつかの実施形態において、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得られるように異なる巻き数で巻きつけられることができる。他の実施形態において、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得られるように、内側の脚部の異なる箇所に配置されることができる。さらに、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得られるように、異なるコイルの幾何形状を有することができる。
【００２１】
いくつかの実施形態において、前記第２及び第３の脚部は前記第１及び第４の脚部よりも小さな断面積を有してもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態において、ＦＣＬは、前記第１のコアを収容するように構成されたタンクをさらに含み、前記タンクが誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされてもよい。
【００２３】
小型ＦＣＬのいくつかの実施形態において、乾式絶縁が用いられてもよく、タンク／収容部が誘電体流体を含まなくてもよい。
【００２４】
いくつかの実施形態において、ＦＣＬは、第２の磁気的に飽和可能なコア及び第３の磁気的に飽和可能なコアをさらに含み、前記第２及び第３のコアがそれぞれ、第１の脚部と、第１のＡＣコイルが巻きつけられた第２の脚部と、第２のＡＣコイルが巻きつけられ、前記第１及び第２のＡＣコイルが直列に巻きつけられた第３の脚部と、第４の脚部と、前記第１の脚部及び前記第２の脚部に、第１の磁束方向を有する第１の閉磁気回路を発生させるように構成された第１の磁気バイアスユニットと、前記第４の脚部及び前記第３の脚部に、第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成され、前記第１の磁束方向が前記第２の磁束方向と反対方向である、第２の磁気バイアスユニットと、を含み、前記第１、第２、第３及び第４の脚部が順に配置され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第１の端部が第１のヨークによって結合され、前記第１、第２、第３及び第４の脚部の第２の端部が第２のヨークによって結合され、前記第１及び第２のＡＣコイルが、前記第２及び第３の脚部に、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向の第１の閉ＡＣ磁気回路を発生させるように構成されてもよい。そのような構成において、前記第２のコアの前記第１及び第２のＡＣコイルが第２の相のＡＣ電源に接続されてもよく、前記第３のコアの前記第１及び第２のＡＣコイルが第３の相のＡＣ電源に接続されてもよい。従って、そのような構成は３相のそれぞれに対して４本の脚部を有する１つのコアを有する、３相ＦＣＬを提供することができる。
【００２５】
前記第２及び第３のコアの前記第２及び第３の脚部は、前記第２及び第３のコアの前記第１及び第４の脚部よりも小さな断面積を有してもよい。
【００２６】
前記第１、第２及び第３のコアは、同一のタンク内に配置され、前記タンクが誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされてもよい。
【００２７】
前記第２及び第３のコアの前記第１の磁気バイアスユニットは、前記第１の脚部のそれぞれに巻きつけられた第１のＤＣコイルをそれぞれ含んでもよく、前記第２及び第３のコアの前記第２の磁気バイアスユニットは、前記第４の脚部のそれぞれに巻きつけられた第２のＤＣコイルをそれぞれ含む。
【００２８】
いくつかの実施形態において、第１の共通のＤＣコイルは、前記第１、第２及び第３のコアに巻きつけられて前記第１、第２及び第３のコアの前記第１の磁気バイアスユニットを提供してもよく、第２の共通のＤＣコイルは、前記第１、第２及び第３のコアの前記第２の脚部に巻きつけられて前記第１、第２及び第３のコアの前記第２の磁気バイアスユニットを提供してもよい。
【００２９】
４本の脚部を有する３つのコアを採用するいくつかの実施形態において、前記第１、第２及び第３のコアは分離されてもよい。前記第１、第２及び第３のコアは前記同一のタンク内に垂直方向または水平方向に配置されてもよい。代替的に、前記第１、第２及び第３のコアが分離されたタンク内に配置される。タンクが、誘電体流体で部分的にまたは完全に満たされていてもよい。
【００３０】
本発明の実施形態が、例として、添付する図を参照してこれから説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１ａ】本発明の第１の実施形態に従うＦＣＬを示す。
【図１ｂ】本発明の第１の実施形態に従うＦＣＬを示す。
【図２】本発明の第１の実施形態に従うＦＣＬ内に発生する磁気回路の概略図を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態に関する時間に対するＡＣ電流のグラフである。
【図４ａ】本発明の第１の実施形態の初期状態に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図４ｂ】本発明の第１の実施形態の初期状態に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図５ａ】本発明の第１の実施形態の通常の動作状態に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図５ｂ】本発明の第１の実施形態の通常の動作状態に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図６ａ】本発明の第１の実施形態の障害状態に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図６ｂ】本発明の第１の実施形態の障害状態に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図７ａ】本発明の第２の実施形態に従うＦＣＬを示す。
【図７ｂ】本発明の第２の実施形態に従うＦＣＬを示す。
【図８】本発明の第２の実施形態に関する時間に対するＡＣ電流のグラフである。
【図９ａ】本発明の第２の実施形態の初期状態に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図９ｂ】本発明の第２の実施形態の初期状態に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１０ａ】本発明の第２の実施形態の通常の動作状態に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１０ｂ】本発明の第２の実施形態の通常の動作状態に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１１ａ】本発明の第２の実施形態の障害状態の開始時における磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１１ｂ】本発明の第２の実施形態の障害状態の開始時におけるアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１２ａ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１２ｂ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１３ａ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１３ｂ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１４ａ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１４ｂ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１５ａ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示す。
【図１５ｂ】本発明の第２の実施形態の障害状態の様々な時間に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示す。
【図１６ａ】本発明の第３の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【図１６ｂ】本発明の第３の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【図１７ａ】本発明の第４の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【図１７ｂ】本発明の第４の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【図１８】本発明の第５の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【図１９】本発明の第６の実施形態に従うＦＣＬの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１ａ、１ｂは本発明の第１の実施形態を示している。この実施形態において、ＦＣＬ１は単一のコアを有し、ＦＣＬ１は単相ＡＣ電源に関する障害電流を制限するように構成されている。図１ａは側面図を示し、図１ｂは端面図を示している。
【００３３】
図１ａに示されるように、ＦＣＬ１は同一の方向に並べられた４本の脚部１０ａ、２０ａ、２０ｂ、１０ｂを含む単一コアを有する。４本の脚部は一端で第１のヨーク３０ａによって接続され、他端で第２のヨーク３０ｂによって接続される。この実施形態において、４本の脚部１０ａ、２０ａ、２０ｂ、１０ｂは垂直方向に揃えられ、２つのヨーク３０ａ、３０ｂは水平に揃えられる。
【００３４】
第１のＤＣコイル１１ａは第１の脚部１０ａに巻きつけられ、第２のＤＣコイル１１ｂは第４の脚部１０ｂに巻きつけられる。そのため、ＤＣコイルは２つの外側の脚部１０ａ、１０ｂのそれぞれに巻きつけられる。
【００３５】
第１のＡＣコイル２１ａは第２の脚部２０ａに巻きつけられ、第２のＡＣコイル２１ｂは第３の脚部２０ｂに巻きつけられる。ＡＣコイル２１ａ、２１ｂは直列に接続され、グリッドに接続される。従って、２つのＡＣコイル２１ａ、２１ｂは内側の脚部に直列に巻きつけられる。
【００３６】
ＤＣコイル１１ａ、１１ｂは、外側の２つの脚部におけるＤＣコイルによって発生した磁束が互いに反対の極性を有するように巻きつけられる。内側の脚部におけるＡＣコイルによって発生した磁束が、一方のＡＣ脚部においてＤＣ磁束を支持し、他方のＡＣ脚部においてＤＣ磁束に対して反対方向であるように、ＡＣコイルが巻きつけられる。従って、図１の構成は、ＤＣ磁束に関する閉磁気ループ及びＡＣ磁束に関する閉磁気ループを有する。このことは図２に示されており、図２はＤＣ及びＡＣコイルによって発生した磁気回路を概略的に示している。図示を容易にするために、コイル自体は図２には示されていない。
【００３７】
図２に示されるように、第１のＤＣコイル１１ａは第１の脚部１０ａ及び第２の脚部２０ａの周囲において閉じたグループ内に第１のＤＣ磁気回路１２ａを発生させる。第２のＤＣコイルは第４の脚部１０ｂ及び第３の脚部２０ｂの周囲の閉じたループ内に第２のＤＣ磁気回路１２ｂを発生させる。図２に示されるように、第１のＤＣ磁気回路１２ａは第１のＤＣ磁束方向（図２において時計回り）を有し、第２のＤＣ磁気回路１２ｂは第２のＤＣ磁束方向（図２において反時計回り）を有する。
【００３８】
ＡＣコイル２１ａ、２１ｂは、閉じたＡＣ磁気回路２２が存在するように巻きつけられる。閉ＡＣ磁気回路２２の方向は、内側の脚部の一方におけるＡＣ磁束がその脚部のＤＣ磁束と反対となり、他方の脚部におけるＡＣ磁束がその脚部のＤＣ磁束を支持するような方向である。状態は、ＡＣ電流の次の半周期で反転する。
【００３９】
従って、図２は第２の脚部２０ａにおけるＡＣ磁束が第２の脚部２０ａにおけるＤＣ磁束に対して反対向きにあり、その一方第３の脚部２０ｂにおけるＡＣ磁束が第３の脚部２０ｂにおけるＤＣ磁束を支持する期間におけるスナップショットを示している。次の半周期において、ＡＣ磁気回路の方向は反転し（すなわち時計回りから反時計回りへ切り替わり）、第２の脚部２０ａ内のＡＣ磁束は第２の脚部２０ａ内のＤＣ磁束を支持することとなり、第３の脚部２０ｂ内のＡＣ磁束は第３の脚部２０ｂ内のＤＣ磁束に対して反対向きとなる。
【００４０】
脚部及びヨークは、この実施形態において、交互配置された、留め継ぎ型の、ステップラップジョイントを有する。しかしながら、その他の実施形態は、留め継ぎ型でない、重ね横縁ジョイントを用いた、より単純な構成を採用することができる。コアは結晶粒方向性鋼板積層から形成されるが、その他の実施形態は、代替的なコア構造を使用することが可能である。
【００４１】
コイル（ＡＣ及びＤＣ）は、本実施形態では電解級銅からなる。しかしながら、その他の実施形態は、コイルとして代替的な材料を用いることが可能である。
【００４２】
第１の実施形態のＦＣＬ１は、コアを収容するように構成されたタンク（図示しない）をさらに含むことができる。タンクは部分的にまたは完全に誘電体液体で満たされることができる。例えば鉱物油または植物油（これらは３００ｋＶに達し、また超えるような電圧に対する誘電体として好適であることが分かっている）のようなどのような好適な誘電体液体が用いられてもよい。
【００４３】
１０ｋＶＡ定格のＦＣＬを示す図１ａの実施形態において、外側のＤＣ脚部（第１の脚部１０ａ及び第４の脚部１０ｂ）、頂部ヨーク３０ａ及び底部ヨーク３０ｂはそれぞれ幅６０ｍｍ、深さ３２ｍｍである。内側のＡＣ脚部（第２の脚部２０ａ及び第３の脚部２０ｂ）はそれぞれ幅４０ｍｍ、深さ３２ｍｍである。脚部の中心線は、ＡＣ脚部間は１０３ｍｍ、ＡＣ脚部とＤＣ脚部との間は１４９ｍｍである。より詳細に説明するように、ＡＣ脚部とＤＣ脚部との間の距離がより長くなると、回路短絡時にＤＣコイルに導入されるＡＣ電圧が低下する。
【００４４】
図示された実施形態において、ＤＣコイル１１ａ、１１ｂのそれぞれは６０回の巻き数及び通常電流で５０Ａｒｍｓを有し、ＡＣコイル２０ａ、２０ｂのそれぞれは４８回の巻き数及び通常電流で１４．５Ａｒｍｓを有する。もちろん、上述のＦＣＬの例としての値及び寸法は純粋に例示的な目的のためであることは了解されるであろう。本発明に従うＦＣＬは、例えば、よりはるかに高い電流定格値を有してもよく、よりはるかに大きい寸法であってもよい。
【００４５】
通常状態及び障害状態における図１ａに示される障害電流リミッター１の動作をこれから説明する。単相構成が、３Ｄ過渡電磁モデルとしてシミュレートされており、その結果が図３から６に示され、通常状態及び障害状態における図１ａに示される障害電流リミッターの動作を説明するのに用いられる。
【００４６】
図３は、図１ａに示された直列接続されたＡＣコイル２１ａ、２１ｂに関する、時間に対する電流のグラフを示している。濃い線はＦＣＬ１が動作中の時の電流を示しており、薄い線はＦＣＬ１が回路にない場合にシステムの予期される回路短絡電流を示している。この例において、この例において、予期される回路短絡電流は１４３．５Ａｒｍｓとシミュレートされている。
【００４７】
３０．５ミリ秒の時間になるまで、ＦＣＬ１は通常の状態下にある。従って、３０．５ミリ秒の時間になるまでＡＣ電流は正弦波である。薄い線はＦＣＬ１が回路短絡現象時に回路になかった場合に流れたであろうＡＣ電流を示している。濃い線はＦＣＬ１の障害電流制限の結果として制限された回路短絡電流を示している。
【００４８】
図４ａは、本発明の第１の実施形態の初期状態（ｔ＝０ミリ秒）に関する磁束密度（Ｂ）のモデルを示し、図４ｂは本発明の第１の実施形態の初期状態（ｔ＝０ミリ秒）に関するアンペア回数／ｍ（Ｈ）のモデルを示している。
【００４９】
初期（過渡）状態（ｔ＝０ミリ秒）は、過渡分析を設定するのに用いられる。この点において、ＡＣ電流は０Ａであり、それぞれのＤＣコイルにおけるＤＣ電流は５０Ａである。図４ａの磁束プロットにおいて示されるように、ＤＣコイル１１ａ、１１ｂのそれぞれによって発生する磁束は最も近いＡＣ脚部を通って還流する。
【００５０】
従って、第１のＤＣコイル１１ａは、第１の脚部１０ａ及び第２の脚部２０ａを回って流れる第１のＤＣ磁気回路１２ａを発生させる。第２のＤＣコイル１１ｂは、第４の脚部１０ｂ及び第３の脚部２０ｂを回って流れる第２のＤＣ磁気回路１２ｂを発生させる。第１のＤＣ磁気回路１２ａは、第２のＤＣ磁気回路１２ｂとは異なる方向に流れる。ＡＣコイルには電流は流れず、従ってＡＣコイルによって発生する磁束は存在しない。
【００５１】
従って、図示された実施形態において、第１のＤＣ磁気回路１２ａは時計回りの方向に流れ、第２のＤＣ磁気回路１２ｂは反時計回りの方向に流れる。
【００５２】
磁束のこの構成の結果、飽和プロット４ｂに見られるように、第１の脚部１１ａ、第２の脚部２０ａ、第３の脚部２０ｂ及び第４の脚部１０ｂのそれぞれは飽和状態にある（図４ｂの薄い色）。図４ｂに示されるように、ＡＣ脚部２０ａ、２０ｂはこの実施形態ではより小さな断面積を有するため、ＤＣ脚部よりもより深い飽和状態にある（色がより薄い）。
【００５３】
図４ｂに示されるように、ＦＣＬ１の４本の脚部の構成は、第１の脚部１０ａ、第２の脚部２０ａ、第３の脚部２０ｂ及び第４の脚部１０ｂを飽和状態に保ち、その一方でヨーク３０ａ、３０ｂの領域を不飽和とする。図４ｂに示されるように、ヨーク３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの角の領域は不飽和状態にあり、領域３２ａ、３２ｂは２本の内側の脚部（第２の脚部２０ａ及び第３の脚部２０ｂ）の間にある。
【００５４】
従って、図４ｂに示されるように、ＤＣコイルのそれぞれは、最も近いＡＣコイルと結合し、磁束は４本の脚部に集中し、最大飽和が２本の内側の脚部に存在する。
【００５５】
図５Ａ、５Ｂは通常の電流状態（ｔ＝５ミリ秒）の時間におけるスナップショットでの磁束密度（Ｂ）及びアンペア回数／ｍ（Ｈ）のプロットを示す。
図３に示されるように、５ミリ秒の時間は、通常の電流状態におけるＡＣ電流のピークを示す。
【００５６】
図５Ａは、ＦＣＬ１における正味の磁束（すなわち、ＡＣ磁気回路及びＤＣ磁気回路の磁束寄与の和）を示す。５ミリ秒の時間において発生するＡＣ電流ピークにおいて、閉じたＡＣ磁気回路２２のＡＣコイル２１ａ、２１ｂによって発生した磁束はこの半周期においては反時計回りの方向である。従って、ＡＣコイル２１ａによって第２の脚部２０ａに発生した磁束は、第１のＤＣコイル１１ａによって第２の脚部２０ａに発生したＤＣ磁束を支持し、その一方第２のＡＣコイル２１ｂによって第３の脚部２０ｂに発生したＡＣ磁束は、第２のＤＣ磁気回路１２ｂによって第３の脚部２０ｂに発生したＤＣ磁束と反対方向となる。
【００５７】
結果的に、図５Ｂに示されるように、第２の脚部２０ａは、過渡状態下で図４Ｂの第２の脚部２０ａの等価なプロットと比較してより深い飽和状態（より薄い色）であり、その一方第３の脚部２０ｂは図４Ｂの第３の脚部２０ｂと比較してより飽和されていない（より濃い色）。
【００５８】
ＤＣ磁気回路を支持する／反対方向であるＡＣ磁気回路のこの構成は、次の半周期で反対となり、過渡状態下に比べて、第３の脚部２０ｂはより飽和され、第２の脚部２０ａはより飽和が少なくなる。
【００５９】
通常状態下で、第２及び第３の脚部は飽和状態に保たれる（一方の脚部が他方の脚部よりも飽和される）。従って、通常状態下で、脚部２０ａ、２０ｂの飽和したコイルは、非常にインピーダンスが低く、従ってＦＣＬ１はＦＣＬ１に接続されたグリッドに対して実質的に透明である。
【００６０】
上記の実施形態において、ＡＣ脚部はＤＣ脚部よりも小さな断面積を有する。このことは、ＡＣ脚部がＤＣ脚部よりもより容易に飽和するという利点を有し、通常状態において確実に低インピーダンスになる助けとなる。
【００６１】
図３に示されるように、３０．５ミリ秒の時間において、回路短絡状態がシミュレートされる。図６Ａ、６Ｂはこの回路短絡状態における時間のスナップショット（ｔ＝６３．５ミリ秒）における磁束及び飽和のプロットを示す。６３．５ミリ秒という時間は、回路短絡後の第４のＡＣ電流ピーク近傍の領域を表す。
【００６２】
図６ａ、６ｂにおけるＤＣ磁気回路及びＡＣ磁気回路の構成は、ＡＣ磁束の大きさが回路短絡状態ではＡＣ電流が大きくなるにしたがって増加することを除いて、図５ａ、５ｂにおける通常の電流状態において記載されたものと同じである。従って、回路短絡状態では、ＡＣ磁気回路が一方の脚部でＤＣ磁束を支持し、他方の内側の脚部でＤＣ磁束と反対となる効果が拡大される。
【００６３】
図６Ｂに示されるように、ＤＣ磁気回路を支持する／反対となるＡＣ磁気回路の大きさは、（この半周期において）第２の脚部２０ａを非常に高い飽和状態とし、第３の脚部２０ｂを不飽和状態とするという効果を有する。図６Ｂにおける第３の脚部２０ｂが不飽和状態となるという効果は、右側の脚部のインピーダンスが増加し、障害電流を制限する働きをする。
【００６４】
次のＡＣ半周期の状態は反転し、第２の脚部２０ａは飽和状態でなくなり（従ってそのインピーダンスが増加し）、第３の脚部２０ｂがより飽和することとなる。従って、障害状態の間、半周期ごとに第２または第３の脚部（すなわち内側の脚部）の一方が飽和状態でなくなり、確実に高インピーダンス状態となる。
【００６５】
内側の脚部の一方におけるインピーダンスのこの交互の増大は、障害が解消するまで続く。
【００６６】
表１は、通常状態に関して、及びシミュレートされた回路短絡後の５半周期に関して計算されたＡＣインピーダンスを示す。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
表１から分かるように、回路短絡の通常状態のインピーダンスに対する比は回路短絡後の連続する５半周期について５．９から１２．６まで変化する。
【００６９】
第１の実施形態のＦＣＬ１は、多数の利点に関連付けられる。例えば１０ｋＶＡの４本の脚部を有する設計は回路短絡下で高いインピーダンスを提供する。シミュレートされた設計は、ＡＣ及びＤＣアンペア回数を低減させ、従来の構成と比較して質量を低減することが可能であり、さらに５よりも大きな回路短絡の通常インピーダンスに対する比という性能を達成することが可能である。
【００７０】
閉じたＡＣ設計における全コア磁気経路は、低い磁気抵抗を提供し、（例えば、開回路ＡＣ設計における複合空気／コア磁気経路を用いる）従来の設計よりも高いインピーダンスを有する。従って、回路短絡の通常のインピーダンスに対する比は、従来のＦＣＬよりも高くなる。
【００７１】
さらに、本発明の実施形態は、製造上の利点に関連付けられる。図１の実施形態において、４本の脚部は垂直に配置され、そのため全てのコイル（ＤＣ及びＡＣ）は垂直な脚部に巻きつけられる。垂直な脚部に巻きつけられたコイルは、水平な脚部に巻きつけられたコイルに対して、多くの理由で好適である。１つの理由は、油のような誘電体を含むタンク内に配置されたときの性能である。垂直な脚部に巻きつけられたコイルにおいて、温度の高い（より軽い）油は巻線の上部へ上昇し、重力による熱サイフォン効果を発生させる。この頂部の油は、油を巻線を通して移動させ、導体の温度を低減する。水平配置では、油は垂直に移動することができず、流れなくなって巻線内の温度を上昇させることとなる。補償のために、より大きな断面積の導体が必要になりまたは巻線を冷却するためのより多くの冷却ダクトが提供され、余分なコストとなる。
【００７２】
垂直に配向されたＤＣ及びＡＣコイルは、効果的な油の移動を通して導体の温度を良好に制御する。
【００７３】
さらに、垂直に配置された脚部を用いる本発明の実施形態の製造において、底部ヨーク及び脚部を最初に水平なテーブル上で組み立てることができる。この組み立ては、次いで上部を端部とすることができ、２つのＤＣコイル及び２つのＡＣコイルを脚部上に下ろすことができる。次いで、上部ヨークを挿入して脚部と結合することができる。これは安全であり、比較的速い組み立てプロセスである。対照的に、水平巻線は脚部上に下ろすことができない。コア積層が巻線の内部を通して挿入される間、巻線は空中で吊り下げられ／支持される必要がある。このことによって、製造プロセスが遅くなる。さらに、水平コイルが上部ヨーク内に位置されるものである場合、積層を挿入する間、コイルの支持はコイル下部で働く人に対する安全上の危険性をもたらす。
【００７４】
さらに、全ての巻線をタンク下部からコアの脚部−底部、フレーム−底部ブロックを介して堅固に支持することが可能である。コアコイル組立体は、出荷の間良好に支持され、回路短絡力のもとでより安定である。従来の構成における水平に吊り下げられたＤＣコイルは（コア−コイル組立における安全上の危険性に加えて）組み立て時、動作時及び回路短絡時に良好に支持されない。
【００７５】
議論されるように、閉じたＡＣ構成を有することは、（例えば、開回路ＡＣ設計における複合空気／コア磁気経路を用いる）従来の設計よりも高いインピーダンスと共により低い磁気抵抗を達成するという視点から有益である。さらに、ＤＣについて閉じた磁気経路を有することも、ＦＣＬ外部のＤＣ磁束を低減する点で有益である。
【００７６】
２つのＤＣバイアスコイルを有することで、本発明のいくつかの実施形態を、ＤＣ電源のパラメータを１つのＤＣ電源の障害時に第２のＤＣ電源がＦＣＬの許容可能なパラメータを提供しうるように選択することができるように構成可能である。従って、ＦＣＬの高い信頼性を達成することができる。
【００７７】
ＤＣコイルは、強磁性コアの飽和の制御可能なレベルを提供し、ＤＣコイルを横切る正味のＡＣ磁束が最小になるようなコアの区画にＡＣ磁束の方向に平行に取り付けられる。いくつかの実施形態に従えば、ＦＣＬの飽和強磁性コアのＡＣリムの向上した飽和は、より大きな断面積及び／またはより大きな飽和インダクションを有するコアのＤＣリムとして用いることによって達成されることが可能である。そのような手段によって、ＡＣリムにおける増分の透磁率の量が低いことは、ＤＣコイルのアンペア回数を少なくすることで達成されうる。
【００７８】
上述の実施形態において、第１のＤＣコイルは第１の脚部に巻きつけられ、第２のＤＣコイルは第４の脚部に巻きつけられ、それぞれは説明されたように閉磁気回路を発生させる。従って、第１のＤＣコイルは第１の脚部及び第２の脚部における第１の磁束方向を有する第１の閉ＤＣ磁気回路を発生させるように構成された第１の磁気バイアスユニットの一例であり、第２のＤＣコイルは第４の脚部及び第３の脚部における第１の磁束方向と反対の第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成された第２の磁気バイアスユニットの一例である。従って、この例において、第１の磁気バイアスユニットは第１の脚部に巻かれた第１のＤＣコイルを含み、第２の磁気バイアスユニットは第４の脚部に巻きつけられた第２のＤＣコイルを含む。
【００７９】
他の実施形態において、（第１の脚部及び第２の脚部における第１の磁束方向を有する第１の閉ＤＣ磁気回路を発生させるように構成された）第１の磁気バイアスユニット並びに（第４の脚部及び第３脚部における第１の磁束方向と反対の第２の磁束方向を有する第２の閉磁気回路を発生させるように構成された）第２の磁気バイアスユニットは、他の形状を取ることができる。例えば、第１の磁気バイアスユニットは、第１の脚部の全てまたは一部を形成する１つ以上の永久磁石の形状を取ることができる。同様に、第２の磁気バイアスユニットは、第４の脚部の全てまたは一部を形成する１つ以上の永久磁石の形状を取ることができる。代替的に、第１及び／または第２の磁気バイアスユニットは、高温超電導源から得られるような他の磁気源を含むことができる。
【００８０】
換言すれば、上述の実施形態が第１の及び第２の磁気バイアスユニットとして第１及び第２のＤＣコイルの使用を議論する一方、本発明の実施形態はこのように制限されない。
【００８１】
図７ａ、７ｂは本発明の他の実施形態を示している。この実施形態において、ＦＣＬ１００は単一のコアを有し、ＦＣＬは３相ＡＣ電源の各相の障害電流を制限するように構成される。図７ａは側面図を示し、その一方図７ｂは端面図を示す。
【００８２】
図７ａに示される実施形態において、単一のコアは同一方向に配置された４本の脚部１１０ａ、１２０ａ、１２０ｂ、１１０ｂを有し、４本の脚部の一方の端部に接続する第１のヨーク１３０ａ及び４本の脚部の他方の端部に接続する第２のヨーク１３０ｂを有する。この実施形態において、４本の脚部１１０ａ、１２０ａ、１２０ｂ、１１０ｂは垂直に配置され、２つのヨーク１３０ａ、１３０ｂは水平に配置される。
【００８３】
ＤＣコイル１１１ａは第１の脚部１１０ａに巻きつけられ、第２のＤＣコイル１１１ｂは第４の脚部１１０ｂに巻きつけられる（すなわち２本の外側の脚部に巻きつけられる）。２つのＡＣコイルはＡＣ電源の３相のそれぞれに関して直列に接続される。
【００８４】
図７ａに示されるように、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂは、３相電源の第１相（Ｒ）に直列に接続される。第１のＡＣコイル１２１Ｒａは第２の脚部１２０ａに巻きつけられ、第２のＡＣコイル１２１Ｒｂは第３の脚部１２０ｂに巻きつけられる。
【００８５】
第３のＡＣコイル１２１Ｓａは、第４のＡＣコイル１２１Ｓｂに直列に接続され、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第４のＡＣコイル１２１Ｓｂは３相電源の第２相（Ｓ）に接続される。第３のＡＣコイル１２１Ｓａは第２の脚部１２０ａに巻きつけられ、第４のＡＣコイル１２１Ｓｂは第３の脚部１２０ｂに巻きつけられる。
【００８６】
第５のＡＣコイル１２１Ｔａは第６のＡＣコイル１２１Ｔｂに直列に接続され、第５のＡＣコイル１２１Ｔａ及び第６のＡＣコイル１２１Ｔｂは３相電源の第３相（Ｔ）に接続される。第５のＡＣコイル１２１Ｔａは第２の脚部１２０ａに巻きつけられ、第６のＡＣコイル１２１Ｔｂは第３の脚部１２０ｂに巻きつけられる。
【００８７】
第２の脚部１２０ａにおけるＡＣコイルは、上から下にそれぞれ第１のＡＣコイル１２１Ｒａ、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第５のＡＣコイル１２１Ｔａとして配置される。換言すれば、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第５のＡＣコイル１２１Ｔａは第２の脚部１２０ａに順に配置される。
【００８８】
第３の脚部１２０ｂのＡＣコイルは上から下にそれぞれ第６のＡＣコイル１２１Ｔｂ、第４のＡＣコイル１２１Ｓｂ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂとして配置される。換言すれば、第３の脚部１２０ｂ上のＡＣコイルは、第２の脚部１２０ａと比較してＲ、Ｓ、Ｔ相の順序が逆に配置される。他の実施形態ではＡＣ脚部においてＲ、Ｓ、Ｔ相の他の順序の配置が用いられてもよい。
【００８９】
３相それぞれのＡＣコイルは、図１ａのＡＣコイル２１ａ、２１ｂと同様に巻きつけられる。換言すれば、ＡＣコイルは、一方の脚部ではＤＣ磁束と反対であり他方の脚部ではＤＣ磁束を支持するＡＣ磁気回路を２本の内側のリム（第２の脚部１２０ａ及び第３の脚部１２０ｂ）内にそれぞれ発生させるように巻きつけられ、飽和は次の半周期で反転する。
【００９０】
この実施形態において、脚部及びヨークは第１の実施形態のように、交互配置された、留め継ぎ型の、ステップラップジョイントを有する。しかしながら他の実施形態は異なる配置を採用してもよい。コアは結晶粒方向性鋼板積層から組み立てられるが、他の実施形態は代替的なコア構造を使用することができる。
【００９１】
コイル（ＡＣ及びＤＣ）は本実施形態では電解級銅からなる。しかしながら、他の実施形態は、コイルとして代替的な材料、例えばアルミニウムを用いることができる。さらに、いくつかの実施形態において、ＡＣコイル及びＤＣコイルは円形、楕円形または長方形の形状に巻きつけることができる。
【００９２】
通常状態及び障害状態において図７に示される障害電流リミッター１００の動作をこれから説明する。第１の実施形態に関するように、第２の実施形態が３次元過渡電磁モデルとしてシミュレートされ、その結果が図９から１５に示されており、これらは通常状態及び障害状態において図７ａに示される障害電流リミッター１００の動作を説明するのに用いられる。
【００９３】
図８は、図７ａに示される３相構成について、時間に対する電流のプロットを示す。図８に示されるように、回路短絡が約１０．５ミリ秒で発生する。濃い線は動作中のＦＣＬ１００の電流を示し、薄い線はＦＣＬ１００が回路にないとしたときのシステムの予想される短絡回路電流を示している。この例において、予想される回路短絡電流は１４３．５Ａｒｍｓとシミュレートされる。
【００９４】
図９ａ、９ｂはｔ＝０ミリ秒の時間における初期状態を示しており、この点においてＡＣ電流は０Ａであり、それぞれのＤＣコイルにおけるＤＣ電流は５０Ａである。図９ａから分かるように、第１及び第２のＤＣコイル１１１ａ、１１１ｂは第１及び第２の閉磁気回路を、一方のＤＣ磁気回路が時計回りであり他方のＤＣ磁気回路が反時計回りであるように発生させる。
【００９５】
ＤＣコイル１１１ａ、１１１ｂのそれぞれによって発生した磁束は、最も近いＡＣ脚部を通って戻る。ＡＣコイルには電流は流れず、従ってＡＣコイルによって発生する磁束は存在しない。
【００９６】
図９ｂに示されるように、ＤＣ磁束の効果は、４本の脚部のそれぞれを飽和状態に置くものであり、図４ｂに関連して説明されたように、角部及び２本の内側の脚部の間の区画における不飽和の領域の類似したパターンを有する。図９ｂに示したように、ＡＣ脚部１２０ａ、１２０ｂは本実施形態においてはより小さな断面積を有するため、ＤＣ脚部よりも深い飽和状態（より薄い色）である。
【００９７】
従って、図９ｂに示されるように、ＤＣコイルのそれぞれは、最も近いＡＣコイルに接続し、磁束は４本の脚部に集中し、最大飽和は２本の内側の脚部上である。
【００９８】
図１０ａ、１０ｂは通常電流状態における時間のスナップショット（ｔ＝５ミリ秒）を示す。ｔ＝５ミリ秒において、３相ＡＣ電流のＲ相はピークにあり、Ｓ、Ｔ相は反対の半周期にある。
【００９９】
従って、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂは、１つの方向のＡＣ磁束回路を発生させるように働き、その一方、他の２相に関するＡＣコイルの他の２組（１２１Ｔａ／１２１Ｔｂ、１２１Ｓａ／１２１Ｓｂ）は他の方向の（しかし強度はより小さい）ＡＣ磁気回路を発生させるように働くこととなる。図５ｂに関連して説明したのと同様に、ＤＣ磁気回路を支持する／反対方向である各相に関するＡＣ磁気回路の構成は、半周期ごとに反転する。
【０１００】
結果的に、通常状態において、また図１０ｂに示されるように、２本の内側の脚部（第２の脚部１２０ａ及び第３の脚部１２０ｂ）に飽和がより深い状態に置かれる領域並びに飽和がより小さい状態に置かれる領域が存在する。飽和がより深い／小さい領域は３組のＡＣコイルのそれぞれにおける電流の大きさに依存し、これらは時間とともに変化する。
【０１０１】
図１０ｂに示されるように、この効果は、内側の脚部の両方を飽和状態に保つこととなり、内側の脚部のインピーダンスが非常に低くなり、ＦＣＬ１００はグリッドに対して透明となる。
【０１０２】
図８に示されるように、１０．５ミリ秒の時間において、回路短絡状態がシミュレートされる。図１１ａ、１１ｂは回路短絡状態の開始時における磁束及び飽和のプロットを示す。了解されるように、３相障害の回路短絡状態の効果は、３組のＡＣコイルのＡＣ電流それぞれを増加させることとなる。従って、上述した反対方向の／支持する効果は拡大され、各脚部の飽和がより深くなる領域及び各脚部の飽和しない領域が存在することとなる。飽和／不飽和のパターンは相のコイルのそれぞれにおけるＡＣ電流が変化するにしたがって時間とともに変化することとなる。
【０１０３】
図１２ａ、１２ｂは回路短絡後の第１のピークを表す１０．５ミリ秒の時間における磁束密度（Ｂ）及びアンペア回数／ｍ（Ｈ）のプロットを示しており、これは第２のＡＣ相（Ｓ）に関するものである。
【０１０４】
図１２ｂ（ｔ＝５ミリ秒）を図１１ｂの回路短絡の開始時（ｔ＝１０．５ミリ秒）と比較すると、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第４のＡＣコイル１２１Ｓｂ上の増加するＡＣ電流によって第２の脚部１２０ａの一部がより深い飽和状態となり（より薄い色）、第３の脚部１２０ｂの一部が不飽和となる（より濃い色）ことが分かる。このことは、３組のＡＣコイルによって発生する３つのＡＣ磁気回路の効果を考慮することによって説明可能であり、これらのそれぞれは内側の脚部の一方においてＤＣ磁束と反対方向となり、内側の脚部の他方においてＤＣを支持する。
【０１０５】
図１３ａ、１３ｂは回路短絡後の第２のピークを表す１５．５ミリ秒の時間における磁束密度（Ｂ）及びアンペア回数／ｍ（Ｈ）のプロットを示しており、これは第１のＡＣ相（Ｒ）に関するものである。図１２ｂと比較して、より深い／小さい飽和のパターンは図１３ｂにおいて、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂ上の増加する電流及び他の相に関する他のＡＣコイル上の対応する変化のために変化している。
【０１０６】
図１４ａ、１４ｂは、回路短絡後の第３のピークを表す１９．５ミリ秒の時間における磁束密度（Ｂ）及びアンペア回数／ｍ（Ｈ）のプロットを示しており、これは第３のＡＣ相（Ｔ）に関するものである。図１３ｂと比較して、２つの内側の脚部におけるより深い／小さい飽和の領域のパターンは再び変化していることが分かり、これはＴ相に関するピークによって引き起こされ、第５のＡＣコイル１２１Ｔａ及び第６のＡＣコイル１２１Ｂの電流を増大させる。
【０１０７】
図１５ａ、１５ｂは、図１４ａ、１４ｂに示される状態の後の第３のＡＣ相（Ｔ）に関する次のピークを表す３０．５ミリ秒の時間における磁束密度（Ｂ）及びアンペア回数／ｍ（Ｈ）のプロットを示す。結果として、図１５ａ、１５ｂは図１４ａ、１４ｂとは反対の半周期における磁束及び飽和のプロットを示している。図から分かるように、図１５ｂにおける２本の内側の脚部のより深い／小さい飽和の領域のパターンは図１４ａと比較して反転している。
【０１０８】
図８から１５は３相障害に関連するが、同様に、ＦＣＬ１００の動作は単相または２相障害における障害を制限するようにも働く。単層または２相障害の場合には、ＡＣ相コイルの組の１つにおける電流がどのように増大しても、内側の脚部の一方の領域をより深い飽和とし、内側の脚部の他方の領域を不飽和とする効果を有する。従って、図７に示される構成は幅広い範囲の障害状態を制限することができる。
【０１０９】
第２の実施形態のＦＣＬ１００は、コアを収容するように構成されたタンク（図示されない）をさらに含むことが可能である。タンクは誘電体液体で部分的にまたは完全に満たされることができる。例えば鉱物油のようなどのような好適な誘電体液体を用いることもできる。
【０１１０】
第２の実施形態のＦＣＬ１００において、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第５のＡＣコイル１２１Ｔａは上から下に第２の脚部１２１ａに順に配置され、第６のＡＣコイル１２１Ｔｂ、第４のＡＣコイル１２１Ｓｂ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂは上から下に第３の脚部１２０ｂに順に配置される。しかしながら、他の実施形態において、それぞれの脚部におけるＲ、Ｓ、Ｔコイルは異なるパターンで配置されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、第１のＡＣコイル１２１Ｒａ、第３のＡＣコイル１２１Ｓａ及び第５のＡＣコイル１２１Ｔａは第２の脚部１２０ａに順に配置されてもよく、第６のＡＣコイル１２１Ｔｂ、第４のＡＣコイル１２１Ｓｂ及び第２のＡＣコイル１２１Ｒｂが第３の脚部１２０ｂに同じ順で配置されてもよい。
【０１１１】
単一コア上で３つのＡＣコイル（各相の１つ）を用いるいくつかの実施形態において、各相のＡＣコイルの少なくとも１つが各相の残りのＡＣコイルに対して不均衡な磁気インピーダンスを示す（この場合、「非対称」及び「不均衡」という用語は等価である）ように、各相のＡＣコイルを構成することができる。
【０１１２】
換言すれば、３つのそれぞれにおいて、２つのＡＣコイルが同一の磁気インピーダンスを有しうる一方で、３つ目は異なり、または代替的には各３つのうち３つのコイル全てが異なる磁気インピーダンスを有してもよい。不均衡は３つのＡＣコイルの異なる自己インピーダンスまたはそれらの異なる相互インピーダンスに起因するものでありうることにも注意すべきである。いくつかの実施形態において、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得るために、異なる巻き数で巻きつけられることができる。他の実施形態において、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得るために、内側の脚部の異なる箇所に配置されることができる。さらに、各相のＡＣコイルは、非対称な磁気インピーダンスを得るために、異なるコイル幾何形状を有することができる。
【０１１３】
第２の実施形態に関連して説明されたＦＣＬは、第１の実施形態に関するものと同じ利点に関連付けられる。単一コア上の小型の設計で３相に対する保護を提供するという利点を有する。
【０１１４】
１相につき１つのコアが存在する実施形態においては、従来の構成と比較して通常状態に対する障害状態のインピーダンス比をさらに増加させるＡＣ磁束のための相間結合が存在しない。単一コア上の３相ＡＣコイルを用いる実施形態は、単一コア上の相からの結合のために、相ごとに１つのコアを用いる場合に比べてより低いインピーダンス比を提供しうる。従って、そのような実施形態は、より低いインピーダンス比が指定される場合に採用されうる。しかしながら、単一コア上の３相ＡＣコイルを用いることで、より小型の設計を提供する。
【０１１５】
第１の実施形態に関して、第２の実施形態は、第１の脚部に第１の閉磁気回路を発生させる第１の磁気バイアスユニットを提供するための、第１の脚部に巻きつけられた第１のＤＣコイル並びに、第４の脚部及び第１の閉磁気回路の磁束の方向と反対の磁束方向を有する第３の脚部に第２の閉磁気回路を発生させる第２の磁気バイアスユニットを提供するための、第４の脚部に巻きつけられた第２のＤＣコイルを採用する。しかしながら、第１及び／または第２の磁気バイアスユニットは、例えば各脚部の全てまたは一部を形成する永久磁石などのその他どのような好適な磁気源を含むことも可能である。
【０１１６】
図１６ａ、１６ｂは本発明のさらなる実施形態を示しており、４本の脚部を有する３つのコア２０１、２０２、２０３（例えば図１に示されるような種類の）が共通のタンク２０５内に配置されて３相ＦＣＬを提供する。図１６ａは正面図であり、図１６ｂは前面図である。
【０１１７】
図１６ａ、１６ｂは、共通のタンク２０５内の、垂直方向に積層された構成に配置された図１に示される種類の４本の脚部を有する３つのコアを示しており、４本の脚部を有するコア２０１、２０２、２０３のそれぞれのＡＣコイルは３つのＡＣ相Ｒ、Ｓ、Ｔの１つに接続されている。タンク２０５は、誘電体液体で部分的にまたは完全に満たされることができる。
【０１１８】
図１７ａ、１７ｂは図１６ａ、１６ｂの変形例を示しており、（それぞれ４本の脚部を有する）３つのコイル３０１、３０２、３０３は、共通のタンク３０５内で水平方向に積層されて配置されており、４本の脚部を有するコア３０２、３０３のそれぞれのＡＣコイルは３つのＡＣ相Ｒ、Ｓ、Ｔの１つに接続される。タンク３０５は、誘電体液体で部分的にまたは完全に満たされることができる。図１７ａは、円形コイルを有する構成を示しており、図１７ｂは角型コイルを有する構成を示している。他の実施形態（及びこれは本発明の全ての実施形態に適用する）は、その他の断面を用いることができる。
【０１１９】
図１８は、３相ＦＣＬの他の実施形態を示しており、分離されたタンク４０５、４０６、４０７に配置された、それぞれ３つのＡＣ相Ｒ、Ｓ、Ｔの１つのコアである、３つの（それぞれ４本の脚部を有する）個別のコア４０１、４０２、４０３を並べたものである。換言すれば、図１８は、図１（またはその他）に示された種類の３つのＦＣＬが分離されたタンク内にどのように配置されて３相Ａ電源のための障害電流リミッターを提供することができるかを示している。
【０１２０】
図１９は、それぞれ４本の脚部を有する３つのコア５０１、５０２、５０３が横に並べて配置され、コア５０１、５０２、５０３のそれぞれが２つの共通のＤＣコイル５１０ｓ、５１０ｂを共有する更なる実施形態を示している。
【０１２１】
各コア（第１のコア５０１、第２のコア５０２及び第３のコア５０３）は、上述したコアと同様に、２本の外側の脚部（第１及び第４の脚部）及び２本の内側の脚部（第２及び第３の脚部）を有する。各コア５０１、５０２、５０３は２本の内側の脚部（第２及び第３の脚部）のそれぞれに巻きつけられたＡＣコイルを有し、ＡＣコイルのそれぞれの組は直列に巻きつけられ、３相電源の１つの相に接続されている。３つのコアのそれぞれの外側の脚部（第１及び第４の脚部）は、共通のＤＣコイル５１０ａ、５１０ｂを共有する。
【０１２２】
図１９から分かるように、第１の共通のＤＣコイル５１０ａは第１の脚部に巻きつけられて第１のコア５０１、第２のコア５０２及び第３のコア５０３のための第１のＤＣコイルを提供する。さらに、第２の共通のＤＣコイル５１０ｂは第２の脚部に巻きつけられて、第１のコア５０１、第２のコア５０２及び第３のコア５０３の第２のＤＣコイルを提供する。
【０１２３】
従って、図１９の構成において、第１及び第２の共通のＤＣコイル５１０ａ、５１０ｂは３つのコアの内側の脚部（第２及び第３の脚部）にＤＣ磁気回路を提供する。従って、（各相の）各コア５０１、５０２、５０３の動作は、図１に関連して説明したものと類似しており、ＤＣ磁束が第１及び第２の共通ＤＣコイルによって提供される。
【０１２４】
上述の実施形態に加えて、本発明の実施形態は異なる構成を有することができる。例えば、第１の実施形態において、単一のＡＣ相ＦＣＬのために直列接続された１組のＡＣコイルが存在し、第２の実施形態は３つのＡＣ相ＦＣＬのために直列接続された３組のＡＣコイルを採用する。しかしながら、本発明の他の実施形態は直列接続されたｎ組のＡＣコイルを有してもよく、直列接続されたＡＣコイルの各組はｎ個のＡＣ相の１つのためのものであってもよい。例えば、コアは２つの相のそれぞれのためのものである２組のＡＣコイルを有してもよい。
【０１２５】
本発明の実施形態において、ＡＣ巻線導体はアルミニウムや銅のようなどのような好適な材料であってもよい。さらに、ＡＣ・ＤＣ巻線導体は例えばアルミニウム、銅または高温超電導体のようなどのような好適な材料であることも可能である。
【０１２６】
いくつかの実施形態は、鉱物油、植物油または低温流体のような流体を巻線の周りに採用する。
【０１２７】
例えば小さなＦＣＬのようないくつかの実施形態は、タンク／筐体を有し、巻線の周囲に乾式固体絶縁体及び空気を採用してもよい。
【０１２８】
ＡＣ及びＤＣ巻線は、円形、長方形、楕円形または競技場形状のような様々な形状を有することができる。さらに、コアの脚部及びヨークは円形（十字型）、楕円または長方形断面を有することができる。ＡＣ及びＤＣコイルは円形、楕円形または長方形に巻きつけられることができる。
【０１２９】
本発明の全ての前述の実施形態は同一方向（例えば垂直）に配向された４本の脚部を有するコアを採用する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、４本の脚部の代替的な構成が可能であることは了解されるであろう。例えば、４本の脚部は第１の脚部及び第２の脚部内の第１のＤＣ磁束方向を有する第１の閉ＤＣ磁気回路並びに、第１の閉ＤＣ磁気回路と反対のＤＣ磁気方向を有する第２の閉ＤＣ磁気回路を発生させ、ＡＣ半周期ごとに交番するＡＣ磁束方向において第２及び第３の脚部内の第１の閉ＡＣ磁気回路を有する。例えば、脚部は勾配を有することができる。
【０１３０】
上述の実施形態において、ＡＣ脚部（すなわち内側の２本の脚部）は、ＤＣ脚部（すなわち２本の外側の脚部）及びヨークよりも小さな断面積を有する。しかしながら、他の実施形態では、２本のＡＣ脚部間のヨークの一部は、ヨークの残りの部分よりも小さなまたは大きな断面積であってもよい。
【０１３１】
本発明の上述の実施形態において、１つ以上のコアのそれぞれが４本の脚部を有する。４本の脚部は同一の平面内に配置されるとして図に示されている。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定されない。４本の脚部を同一平面内に並べて配置することは、製造をより容易にする（全ての脚部が容易に到達可能であるため）一方で、４本の脚部はＤＣ及びＡＣ閉磁気回路の同一の構成を維持しつつ代替的な方法で配置可能であることは了解されるであろう。例えば、４本の脚部は互い違いに配置されまたはその他の形状に配置されることが可能である。
【０１３２】
多くのさらなる変形及び改良が、前述の例示的な実施形態を参照して当業者にこれらを示唆するであろう。これらは単に例として挙げられたものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではなく、添付された特許請求の範囲によって決定されるものである。
【符号の説明】
【０１３３】
１  ＦＣＬ
１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ  脚部
１１ａ  第１のＤＣコイル
１１ｂ  第２のＤＣコイル
１２ａ  第１のＤＣ磁気回路
１２ｂ  第２のＤＣ磁気回路
２１ａ  第１のＡＣコイル
２１ｂ  第２のＡＣコイル
２２  閉じたＡＣ磁気回路
３０ａ  第１のヨーク
３０ｂ  第２のヨーク
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ  ヨーク
３２ａ、３２ｂ  領域
１００  ＦＣＬ
１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ、１２０ｂ  脚部
１１１ａ  第１のＤＣコイル
１１１ｂ  第２のＤＣコイル
１２１Ｒａ  第１のＡＣコイル
１２１Ｒｂ  第２のＡＣコイル
１２１Ｓａ  第３のＡＣコイル
１２１Ｓｂ  第４のＡＣコイル
１２１Ｔａ  第５のＡＣコイル
１２１Ｔｂ  第６のＡＣコイル
１３０ａ  第１のヨーク
１３０ｂ  第２のヨーク
２０１、２０２、０２３  コア
２０５  共通のタンク
３０１、３０２、３０３  コイル
３０５  共通のタンク
４０１、４０２、４０３  コア
４０５、４０６、４０７  タンク
５０１、５０２、５０３  コア
５１０ａ、５１０ｂ  ＤＣコイル
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図１６ａ】
2014529987.tif 000008
【図１６ｂ】
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【図１７ａ】
2014529987.tif 000010
【図１７ｂ】
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【図１８】
2014529987.tif 000012
【図１９】
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【図２】
2014529987.tif 000014
【図３】
2014529987.tif 000015
【図４ａ】
2014529987.tif 000016
【図４ｂ】
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【図５ａ】
2014529987.tif 000018
【図５ｂ】
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【図６ａ】
2014529987.tif 000020
【図６ｂ】
2014529987.tif 000021
【図８】
2014529987.tif 000022
【図９ａ】
2014529987.tif 000023
【図９ｂ】
2014529987.tif 000024
【図１０ａ】
2014529987.tif 000025
【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
2014529987.tif 000035
【図１５ｂ】
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【国際調査報告】
2014529987.tif 000037
2014529987.tif 000038
2014529987.tif 000039