一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器及限流方法

摘要

本发明涉及直流故障限流器技术领域，具体涉及一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器及限流方法。该限流器包括铁芯、直流线圈及永磁体；铁芯为日字型实心结构，包含分别位于左右两边的左铁芯柱、右铁芯柱，位于中间的中铁芯柱，以及分别位于上下两端的上横轭、下横轭；永磁体包括嵌入上横轭右侧的第一永磁体，嵌入下横轭右侧的第二永磁体和嵌入中铁芯柱中部的第三永磁体；直流线圈绕于左铁芯柱并串联接入直流电网。该限流器不用加装控制系统，可以自动对故障做出快速响应，迅速在线路中串入大阻抗，对短路故障电流进行有效地限制；且不影响线路正常运行，限流效果明显，结构紧凑，响应速度快，可靠性高。

说明书

技术领域

本发明属于直流故障限流器技术领域，尤其涉及一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器及限流方法。

背景技术

高压直流系统的故障电流的快速上升一直威胁着高压直流系统的安全运行，因此限制故障电流上升速度的故障限流器是系统安全运行必不可少的。已有的传统磁饱和型直流故障限流器结构如图1所示，通过在铁芯中嵌入永磁体来产生可变电感，永磁体的磁场方向和直流电流在线圈产生的磁磁场方向相反，永磁体的磁场使铁芯处于磁饱和状态。正常工作时，系统额定电流产生的磁动势，不足以使铁芯脱离饱和区，使线圈在电网中处于低电感状态。当出现短路故障时，大电流产生的磁通足以抵消永磁体的磁通，铁芯脱离饱和状态，在直流线圈快速产生高电感，从而限制短路电流的上升速度。然而，现有的传统限流器模型在铁芯中嵌入的永磁体磁阻很大，导致限流器的故障电感相对于正常电感的上升倍数小，这使其限流性能不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的饱和铁心型故障限流器的三柱式拓扑结构，通过在传统拓扑铁芯中增加一个磁阻较小的中柱铁芯的方式，提高限流器的故障电感相对于正常电感的上升倍数。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障包括铁芯、直流线圈及永磁体；铁芯为日字型实心结构，包含分别位于左右两边的左铁芯柱、右铁芯柱，位于中间的中铁芯柱，以及分别位于上下两端的上横轭、下横轭；永磁体包括嵌入上横轭右侧的第一永磁体，嵌入下横轭右侧的第二永磁体和嵌入中铁芯柱中部的第三永磁体；直流线圈绕于左铁芯柱并串联接入直流电网。

在上述的高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器中，直流线圈缠绕方式为自下而上的逆时针螺旋缠绕，直流系统电流从直流线圈顶端流入经底端流出。

在上述的高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器中，左铁芯柱、右铁芯柱及中铁芯柱截面为圆形、椭圆形或矩形；左铁芯柱、右铁芯柱截面积相等，长度相等，中铁芯柱的截面积大于左铁芯柱、右铁芯柱截面积；上横轭、下横轭的长度和截面积均相等；第一永磁体、第二永磁体的截面积等于其所在的上、下横轭的截面积，且第一、第二永磁体的厚度相同，第三永磁体的厚度小于第一、第二永磁体的厚度。

在上述的高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器中，第一永磁体与第二永磁体空间上反向嵌入上、下横轭；第一、第二、第三永磁体均采用钕铁硼永磁材料。

一种基于高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器的限流方法，包括以下步骤：

步骤1、在正常工作情况下，电网工作电流较小，第一、第二、第三永磁体产生的偏置磁动势比直流线圈产生的磁动势强，中铁芯柱和右铁芯柱形成两个磁通路，第一、第二、第三永磁体通过两个磁通路均对左铁芯柱的饱和起作用；此时左铁芯柱受第一、第二、第三永磁体影响而饱和，铁芯饱和时的磁导率约等于空气磁导率，故限流器的正常阻抗很小，使直流线圈的总电感和高压直流系统的平波电抗器一致，则对系统的正常运行无影响；

步骤2、当故障发生时，电网电流迅速增大，由于直流线圈与第一、第二、第三永磁体产生的磁通方向相反，故障电流在直流线圈产生的直流磁通通过中铁芯柱流通，因此，左铁芯柱中的直流磁通上升，抵消第一、第二、第三永磁体产生的偏置磁通，使得左铁芯柱迅速退饱和，退饱和后的左铁芯柱磁导率迅速上升，导致直流线圈电感值变大，从而对短路故障电流进行限制；

步骤3、故障排除后，交流电流迅速减小，此时限流器的工作状态恢复到系统正常运行时的状态，限流器的整体阻抗值迅速减小，不会对系统的正常运行产生影响。

本发明的有益效果：1.采用饱和铁芯和永磁体产生可变电抗，此方法对于在故障电流上升阶段限制其极快的上升速度有良好效果。2.可以在故障发生后毫秒级的时间内限制故障电流，与直流断路器配合时，可以在故障早期阶段有效切除故障电流，这样可以使用更小容量的断路器并且保证直流系统的稳定性。3.不用加装控制系统，限流器可以自动对故障做出快速响应。迅速在线路中串入大阻抗，对短路故障电流进行有效地限制；且不影响线路正常运行，限流效果明显，结构紧凑，响应速度快，可靠性高。4.相比于传统饱和铁芯型直流限流器电感变比大，抑制故障电流上升速度效果更好。

附图说明

图1为传统磁饱和直流限流器的结构示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的直流线圈绕线方式示意图；

图4为本发明实施例的等效电路图；

图5为本发明实施例的等效磁路图；

图6为本发明实施例高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器与传统磁饱和型直流故障限流器的限流电感变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例为了抑制高压直流输电系统故障电流急剧上升的趋势，提出了一种新型的饱和铁心型故障限流器的三柱式拓扑结构，通过在传统拓扑铁芯中增加一个磁阻较小的中柱铁芯的方式，提高限流器的故障电感相对于正常电感的上升倍数，从而限制直流电网故障电流，提高故障电流降低的比例。该拓扑结构包括三个铁芯柱、上下两个横轭、一个直流线圈和三块钕铁硼永磁体。其中，两块永磁体空间上反向地嵌入到横轭的上下部分，而另一块永磁体嵌入中间的铁芯柱。直流线圈绕在左侧铁芯柱上，直流线圈传导直流系统电流。

本实施例通过以下技术方案来实现，如图2所示，一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器，包括铁芯、直流线圈及永磁体；铁芯为日字型实心结构，包含分别位于左右两边的左铁芯柱、右铁芯柱及中间的中铁芯柱，分别位于上下两端的上横轭、下横轭。永磁体包括上横轭右侧嵌入的第一永磁体，下横轭右侧嵌入的第二永磁体，中铁芯柱中部嵌入的第三永磁体。直流线圈绕于左铁芯柱并串联接入直流电网。接入输电线路运行时，直流磁通经铁芯构成回路，永磁体励磁产生的磁通也在铁芯中构成回路，两个磁通共同作用于左铁芯柱。

工作原理是：在正常工作情况下，利用铁磁元件的磁饱和特性，永磁体的磁通使左铁芯柱工作于饱和状态，此时线圈的电感维持一个定值，对直流系统的正常运行无影响，可以替代现有平波电抗器；故障状态时，故障电流增大，故障电流产生与永磁体相反方向的磁动势，使得铁芯磁通减小退饱和，此时限流器阻抗自动变大，有效抑制故障电流的上升陡度。

一种基于高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器的限流方法，在正常工作情况下，电网工作电流较小，永磁体产生的偏置磁动势较线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁芯柱受永磁体影响饱和；由于铁芯饱和时的磁导率约等于空气磁导率，因此，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，并使直流线圈的总电感和高压直流平波电抗器一致，对系统的正常运行无影响。

在故障发生时，电网电流迅速增大，由于直流线圈与永磁体产生的磁通方向相反，使得左铁芯柱迅速退饱和；退出饱和后的铁芯磁导率迅速上升，导致绕组电感值较大，对短路故障电流进行限制；在故障排除后，交流电流迅速减小此时限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，限流器的整体阻抗值又迅速减小，不会对系统的正常运行产生影响。

在正常状态下，中间铁芯柱和右铁芯柱都形成磁路通路，三块永磁体通过这两个磁通路都对左铁芯柱的饱和起作用；在故障状态时，直流线圈的磁通主要通过中间铁芯柱流通，使得左铁芯柱退饱和速度快，电感上升倍数大。

具体实施时，如图2所示，本实施例的一种高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器，包括一个铁芯、直流线圈以及永磁体，铁芯由左铁芯柱K1、右铁芯柱K2、中铁芯柱K3、上横轭C1、下横轭C2、以及分别镶嵌在上横轭右侧的第一永磁体P1、下横轭右侧的第二永磁体P2、中铁芯柱K3中部的第三永磁体P3组成；左铁芯柱K1绕有直流线圈D1，直流线圈D1缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，直流系统电流由直流线圈顶端流入底端流出。

铁芯中的左铁芯柱K1、右铁芯柱K2、中铁芯柱K3截面可以为圆形、椭圆形或矩形，本实施例采用矩形，如图3所示，左铁芯柱K1、右铁芯柱K2为矩形，截面积S1和S2相等，且长度相等；中铁芯柱K3的截面积S3大于左铁芯柱K1、右铁芯柱K2的截面积。上横轭C1、下横轭C2的长度和截面积相等；第一永磁体P1、第二永磁体P2的截面积等于其所在的横轭的截面积，且这第一、第二永磁体P1、P2的厚度相同，尺寸结构大小完全一致，这是为了确保磁路结构的对称性。且第三永磁体P3的厚度小于第一永磁体P1、第二永磁体P2的厚度，以减小中铁芯柱磁路的磁阻。

本实施例的第一、第二、第三永磁体P1、P2、P3均采用钕铁硼永磁材料，钕铁硼是一种性能优越的稀土永磁材料，其优点有：(1)磁性能高；矫顽力相当于铁氧体永磁材料的5～10倍，铝镍钴永磁材料的5～15倍；(2)资源丰富，价格较低；主要材料为铁占2/3，稀土材料钕占1/3，资源相对丰富；(3)机械力学性能好，可进行切削加工和钻孔。

本实施例限流器的工作过程为：电网直流电流在直流线圈中的回路如图4所示，直流电流在直流线圈中感应出的磁场方向与第一、第二、第三永磁体P1、P2、P3磁场方向相反；第一、第三、第三永磁体P1、P2、P3和直流线圈产生的磁通路径如图2所示，第一、第二、第三永磁体P1、P2、P3和直流线圈产生的磁通都经过左铁芯柱K1，在正常工作情况下，由于电网工作电流I_dc较小，产生的磁通较永磁体产生磁通小的多，故正常工作时左铁芯柱K1受第一、第二、第三永磁体P1、P2、P3影响饱和；由于铁芯饱和时的磁导率近似等于空气磁导率，因此，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，经过合理的设计可以使直流线圈的总电感和高压直流系统所使用的平波电抗器一致，对系统的正常运行无影响。

在故障发生时，电流I_dc迅速增大，此时等效磁路如图5所示，由于中铁芯柱K3的磁路磁阻为2R_c+R_a，远小于右铁芯柱K2的磁路磁阻2R_m+2R_u2+R_y，所以故障电流在直流线圈产生的直流磁通主要通过中铁芯柱K3流通，这样一来左铁芯柱K1中的直流磁通可以上升，抵消了第一、第二、第三永磁体P1、P2、P3产生的偏置磁通，使得左铁芯柱K1迅速退饱和，退出饱和后的左铁芯柱K1磁导率迅速上升，导致直流线圈电感值迅速变大，从而对短路故障电流进行有效限制。在故障排除后，交流电流迅速减小此时限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，限流器的整体阻抗值又迅速减小，不会对系统的正常运行产生影响。

本实施例中，左铁芯柱K1在电网正常状态下处于临界饱和状态，也就是铁磁材料B-H曲线的拐点处，以保证故障时左铁芯柱K1退饱和的速度。

本实施例中，由于中铁芯柱K3的存在使直流磁通回路磁阻减小，直流磁动势在左铁芯柱K1产生的磁通量更大，使左铁芯柱K1退饱和的程度优于传统磁饱和直流故障限流器，所以电感的变化倍数更大，在正常电感相同的情况下，故障电感更大，限流效果更好，如图6所示，为本实施例高电感变比的磁饱和铁芯直流故障限流器与传统磁饱和型直流故障限流器的限流电感变化对比图。

本实施例中，第一、第二永磁体P1、P2置于铁芯的上、下横轭C1、C2，第三永磁体P3置于中铁芯柱K3以产生与直流电流磁势方向相反的磁势，并且使直流线圈对直流输电系统呈现出可变电感。在正常状态下，限流器可以作为一个平波电抗器工作，其电感满足设计要求范围；当故障发生时，串入电路的电感立即上升并限制故障电流的陡度。实验表明，本实施例的限流器的限流电感值可以在4ms内上升3倍以上，与传统限流器拓扑相比上升幅度提高了55％；不用加装控制系统，限流器可以自动对故障做出快速响应，迅速在线路中串入大阻抗，对短路故障电流进行有效地限制；且不影响线路正常运行，限流效果明显，结构紧凑，响应速度快，可靠性高。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。