混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器

摘要

本发明涉及一种混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，包括磁芯、线圈绕组、三个限流电感和直流励磁电源，磁芯包括中间带气隙的两柱和位于中柱两边的左边A、B、C三相边柱、右边三A、B、C三相边柱，线圈绕组包括绕制在左边A柱上的第一线圈和第二线圈，绕制在左边B柱上的第三线圈和第四线圈，绕制在左边C柱上的第五线圈和第六线圈；绕制在右边A柱上的第七线圈和第八线圈，绕制在左边B柱上的第九线圈和第十线圈，绕制在左边C柱上的第十一线圈和第十二线圈；本发明将三相限流器集成，对于各种故障类型的短路电流有良好的限制效果，而且极大的节约了磁性材料以及安装占地。而且铁芯中的损耗也被大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于高压电器设备技术领域，涉及一种用于限制交流输电网故障电流的设备，具体来说涉及一种混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器

背景技术

随着我国经济的快速持续发展，用电需求量不断增加，电力系统规模也随之日益增大。电力系统电网容量的不断增大，随之带来的也有系统中短路电流水平不断增加，部分短路故障电流水平甚至超过断路器的遮断容量，且上升趋势越来越明显，这严重威胁电力系统的安全稳定运行。目前，限制电网短路电流水平的主要措施有：提升电压等级，实现电网分层分区管理；串联电抗器；安装故障限流器。提升电压等级和串联电抗器都存在各自的局限性与缺陷，因此不能广泛使用。短路故障限流器则克服了相关局限性，但仍然存在提升的空间。

随着故障限流器的发展，现有以下几种最为常见的类型：固态故障限流器，超导故障限流器，磁饱和型故障限流器。固态故障限流器对其所使用的半导体器件要求较高，在故障发生时半导体器件必须能够承受较高的过电压，大量电力电子器件的使用使得装置成本较高且可靠性较差。超导故障限流器，超导体的应用则常常是在磁饱和型限流器中用来饱和铁芯的，但是其对维护技术的高要求以及高昂的造价大大限制了超导技术的实际应用。磁饱和型故障限流器，存在的一个主要问题就在于目前所提出的磁饱和型故障限流器多为单相结构，在电力系统中需要同时使用三个来对故障电流进行限制，这会造成大量的磁性材料的浪费，以及庞大的占地面积，经济性能较差。

在非专利文献1(袁佳歆，《A Novel Three-Phase Compact Saturated-CoreFault Current Limiter》，IEEE Transaction on magnetics)中公开了如下一种限流器的结构，如，包括一个四柱铁芯以及线圈绕组，永磁体镶嵌在铁芯中对铁芯进行偏置；八个线圈分别缠绕在铁芯的两个芯柱上，在铁芯饱和以及非饱和的状态的阻抗值相差较大；在永磁体偏置作用下，铁芯处于饱和状态，线圈阻抗值较低，对系统影响较小；在较大故障电流作用下，两个口字型铁芯中的铁芯交替退出饱和，相应的缠绕在两个铁芯上的线圈的阻抗值交替发生变化，使限流器串入系统的阻抗值增大，起到限流作用。但由于三相绕组的相互影响导致其只能用来限制单相故障电流，而对三相故障电流的限制效果较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种较非专利文献1所述结构更加合理，在电力系统发生各种短路故障时都能有效的限制短路电流，在电力系统中更为实用化的三相故障限流器。

为解决上述技术问题，提出将三相铁芯在线圈处分离，在横轭处相连接，可实现对电力系统不同故障类型短路电流的限制，同时减少了铁磁材料的用量和使用时的占地面积。

本发明所采用的技术方案是：

一种混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，其特征在于：包括铁芯、线圈绕组、直流电源和限流电抗，所述铁芯包括第一开口芯柱、第二开口芯柱、分别位于所述第一开口芯柱左边的左A相芯柱、左B相芯柱、左C相芯柱和右边的右A相芯柱、右B相芯柱、右C相芯柱，所述开口芯柱的上下两端分别有上横轭、下横轭，所述上横轭中镶嵌有第一永磁体，所述下横轭中镶嵌有第二永磁体，所述上横轭左端连接所述左A相芯柱、左B相芯柱、左C相芯柱，右端连接所述右A相芯柱、右B相芯柱、右C相芯柱，其中部连接所述第一开口芯柱、第二开口芯柱；所述线圈绕组包括分别绕制在所述左A相芯柱的第一线圈、第二线圈，绕制在所述左B相芯柱的第三线圈、第四线圈，绕制在所述左C相芯柱的第五线圈、第六线圈，绕制在所述右A相芯柱的第第七线圈、第八线圈，绕制在所述右B相芯柱的第九线圈、第十线圈，绕制在所述右C相芯柱的第十一线圈、第十二线圈，同一边柱上的两线圈在边柱上采用内外层布置；第一线圈与第七线圈，第三线圈与第九线圈，第五线圈与第十一线圈异名端相连；第二线圈与第八线圈，第四线圈与第十线圈，第六线圈与第十二线圈同名端相连后，分别与三个限流电感相串联接入直流励磁回路。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，第一线圈与第七线圈异名端相连后串联接入A相，第三线圈与第九线圈异名端相连后串联接入B相，第五线圈与第十一线圈异名端相连后串联接入C相，上述线圈匝数相等。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，第二线圈与第八线圈，第四线圈与第十线圈，第六线圈与第十二线圈同名端相连后，分别与三个限流电感串联接入直流励磁回路，上述线圈匝数相等。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，采用稀土永磁材料与直流电源混合励磁。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，所述上横轭中部镶嵌有所述第一永磁体，所述下横轭中部镶嵌有所述第二永磁体；所述第一永磁体与第二永磁体励磁方向相同，所述第一永磁体与第二永磁体的厚度相同，其截面积与所在的横轭截面积相等。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，直流线圈第二、四、六、八、十、十二线圈产生的磁动势与永磁体励磁方向相同。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，所述一开口芯柱、第二开口芯柱、左A相芯柱、左B相芯柱、左C相芯柱、右A相芯柱、右B相芯柱、右C相芯柱、上横轭、下横轭的截面为圆形、椭圆形或矩形，所述左A相芯柱、左B相芯柱、左C相芯柱、右A相芯柱、右B相芯柱、右C相芯柱长度相等且截面积相等，其上分别绕制的线圈绕组为上、下层布置或内、外层布置。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，所述开口芯柱位于永磁体外侧，两侧三相芯柱内侧。

在上述的混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，所述上横轭和下横轭的长度相等，截面积相等，且截面积大于所述左A相芯柱或右A相芯柱的截面积。

本发明的工作流程：

六个直流线圈第二、四、六、八、十、十二线圈产生的直流磁场方向与永磁体磁场方向一致，使铁芯处于预饱和。在线路正常运行时，在线路三相电流的正方向的半个周期内，左芯柱A、B、C三相铁芯上的第一线圈、第三线圈和第五线圈所产生的交流磁场方向与偏置磁场方向一致，在相互叠加的磁场的偏置作用下，左边三相芯柱铁芯进入深度饱和状态；右芯柱A、B、C三相铁芯上的第七线圈、第九线圈和第十一线圈所产生的交流磁场方向与永磁体偏置磁场方向相反，但在线路正常运行时，线圈产生的交流磁场小于永磁体偏置磁场，在相互抵消的磁场的偏置作用下，右芯柱铁芯仍然处于饱和状态；在线路电流的负半周，过程与上述相反，但两侧左、右芯柱铁芯都处于饱和状态；因此，在线路正常运行时，直流回路中的电感不会接入交流回路，限流器对外呈现低阻抗，不会影响系统运行。

当输电线路发生短路故障时，故障相电流迅速增大，且短路电流大于最大负荷电流。因此，故障相两线圈产生的交流磁场将大于永磁体偏置磁场；在短路电流正半周，左芯柱故障相铁芯上的交流磁场增大，且方向与永磁体偏置磁场方向一致，左芯柱故障相铁芯的饱和程度加深，左边故障相交流线圈阻抗值仍然较小；右芯柱故障相铁芯上的交流线圈所产生的交流磁场也增大，由于线圈产生的交流磁场大于永磁体偏置磁场，且方向相反，右芯柱故障相芯柱铁芯则退出饱和状态，该铁芯上的直流线圈和交流线圈形成变压器，将直流回路的限流电感接入交流回路；在短路电流负半周，左芯柱故障相铁芯则退出饱和状态，故障铁芯交流线圈与直流线圈形成变压器，右芯柱铁芯又再次进入饱和状态；因此在故障发生时，左芯柱故障铁芯和右芯柱故障铁芯交替退出饱和状态，形成变压器。故障限流器的故障相对外呈现的阻抗值显著增大，迅速将输电线路的阻抗值提高，用以限制线路的短路电流，保障线路安全。

本发明的有益效果：1.将单相故障限流器进行三相集成，在保证限流效果的同时大大节省了铁磁材料的用量，安装所需要的占地面积也大大缩小。2.每个铁芯柱上缠绕的交流和直流线圈在故障时的变压器作用使得直流回路中的限流电感能够自动的投入和切出交流回路，限流电感的存在改善故障限流器限流效果。3.三相对称的结构使正常状态下通过横轭和永磁体的交流磁通互相抵消，大大降低了横轭和永磁体内的铁芯损耗。4.采用混合式励磁方式，使励磁损耗降低，同时解决在高压大容量领域永磁体难以使铁芯深度饱和的问题。5.相较非专利文献1所述限流器，本发明在节省了大量铁磁材料的前提下，能够有效的限制电力系统中各类故障类型所产生的故障电流，特别是最为严重的三相故障电流，更加符合电力系统对于故障电流限制技术的实际需求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的线圈连接示意图。

图3为本发明实施例铁芯示意图。

图4为现有技术的结构示意图。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

如图1所示，一种混合励磁式的经济型三相磁饱和故障限流器，以下简称限流器，包括铁芯、线圈绕组、三个限流电感和直流励磁电源，铁芯由中间第一开口芯柱101、第二开口芯柱102和位于中柱两边的左A相芯柱201、左B相芯柱202、左C相芯柱203、右A相芯柱204、右B相芯柱205、右C相芯柱206、上横轭301、下横轭302、镶嵌在上横轭中部的第一永磁体401、下横轭中部的第二永磁体402组成；左A相芯柱201上绕有第一线圈1以及第二线圈2，左B相芯柱202上绕有第三线圈3以及第四线圈4，左C相芯柱203上绕有第五线圈5以及第六线圈6，右A相芯柱204上绕有第七线圈7以及第八线圈8，右B相芯柱205上绕有第九线圈9以及第十线圈10，右C相芯柱206上绕有第十一线圈11以及第十二线圈12；同一芯柱上的两线圈在芯柱上采用内外层布置。第一线圈1与第七线圈7，第三线圈3与第九线圈9，第五线圈5与第十一线圈11异名端相连；第二线圈2与第八线圈8，第四线圈4与第十线圈10，第六线圈6与第十二线圈12同名端相连后，分别与三个限流电感串联接入直流励磁回路。

本实施例采用钕铁硼永磁材料和直流励磁混合励磁的方式，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；使用混合励磁主要是为了降低对直流磁动势的要求，降低限流器的损耗，同时解决永磁体单独作用难以使高压大容量铁芯饱和的问题。

本实施例铁芯的左、右芯柱截面可以为圆形、椭圆形或矩形。如图3所示，实施例中选择铁芯的左、右芯柱的截面为矩形，左边三相芯柱201、202、203的截面积S1与右边三相芯柱204、205、206的截面积S2以及开口芯柱101、102的截面积S3相等，两侧芯柱长度相等；上横轭301的截面积S4和下横轭302的截面积S5相等，上下横轭长度相等；上横轭301与下横轭302的截面积S4、S5应大于左芯柱101与右芯柱102的截面积S1、S2，以保证在左、右芯柱铁芯处于饱和状态时，横轭的铁芯仍然处于不饱和状态；第一永磁体401、第二永磁体402的截面积等于其所在的横轭的截面积，且这两个永磁体的厚度相同，尺寸结构大小完全一致，这是为了确保磁路结构的对称性，铁芯结构中心线成轴对称。所述的永磁体的截面积即横轭的截面积S4或S5与芯柱的截面积S1或S2之比和永磁体剩磁大小与铁芯饱和磁感应强度的比值有关。

如图2所示，本实施例故障限流器的工作原理是将使用磁控开关控制的限流电抗与输电线路串联，实现对短路故障电流的限制。

本实施例工作过程为：在线路正常运行时，在线路电流的正方向的半个周期内，左A相芯柱201上的线圈1、左B相芯柱202上的线圈3、左C相芯柱203上的线圈5所产生的交流磁场方向与偏置磁场方向一致，在相互叠加的磁场的偏置作用下，左A相芯柱201、左B相芯柱202、左C相芯柱203的铁芯进入深度饱和状态；右A相芯柱204上的线圈七、右B相芯柱205上的线圈九、右C相芯柱206上的线圈十一所产生的交流磁场方向与偏置磁场方向相反，但在线路正常运行时，线圈绕组产生的交流磁场小于永磁体偏置磁场，在相互抵消的磁场的偏置作用下，右A相芯柱204、右B相芯柱205、右C相芯柱206的铁芯仍然处于饱和状态；在线路电流的负半周，过程与上述相反，但两侧芯柱的铁芯都处于饱和状态；此时，芯柱201，202，203，204，205，206上的交流线圈与直流线圈无耦合作用，直流侧的限流电感无作用。因此，在线路正常运行时，限流器在输电线路中呈现的阻抗值较小，能有效降低电压损耗和能量损耗。

当输电线路发生短路故障时，电流迅速增大，且短路电流大于最大负荷电流。因此，存在故障的相铁芯上线圈绕组产生的交流磁场将大于永磁体偏置磁场；在短路电流正半周，左边故障相上交流线圈所产生的交流磁场增大，且方向与永磁体偏置磁场方向一致，左芯柱故障相铁芯的饱和程度加深，直流与交流线圈不会发生耦合作用；右芯柱故障相铁芯上线圈所产生的交流磁场也增大，由于线圈绕组产生的交流磁场大于永磁体偏置磁场，且方向相反，右芯柱故障相的铁芯则退出饱和状态，故障相铁芯上的交流线圈与直流线圈存在耦合作用，限流电抗接入交流回路。在短路电流负半周，与上述过程类似。因此在故障发生时，左芯柱故障相的铁芯和右芯柱故障相的铁芯交替退出饱和状态，退出饱和的铁芯上直流线圈与交流线圈存在耦合作用形成变压器，将直流回路中限流电感接入交流回路。故障限流器的故障相整体的阻抗值显著增大，迅速将输电线路的阻抗值提高，用以限制线路的短路电流，保障线路安全。

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。