CN105529694B - 减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，“日字形”铁芯结构由直流铁芯柱、交流铁芯柱、旁路铁芯柱和交流线圈组成，所述直流铁芯柱为“C字形”结构，所述交流铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的中间，旁路铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的外侧一端，交流线圈绕制在交流铁芯柱上；两个所述“日字形”铁芯结构横向镜像并列放置，其中两个相邻的所述直流铁芯柱外围绕制直流线圈；两个所述交流铁芯柱上绕制的交流线圈匝数相同，绕向一致，且同一端相连，另一端串接到电网中。本发明不仅适用于单相饱和铁芯型故障限流器，也适用于三相饱和铁芯型故障限流器。本发明结构简单、易于实现、成本低、可靠性高。

Description

减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器
技术领域
本发明涉及一种应用于交流输电系统的电力系统短路故障限流技术，尤其是一种在限流阶段减轻饱和铁芯型故障限流器直流绕组上产生的电压冲击效果的装置。
背景技术
随着现代社会对电力需求的不断增长，新能源发电的不断发展，要求电网容量不断增大，为了提高电网的输送能力、新能源发电的利用率和电网的坚强程度，国家提出1000kV特高压电压等级，将各区域电网互联。然而电网的互联不仅增加电网的电压级别，也增大了短路电流，而现有的断路器最大遮断电流仅63kA，且价格昂贵。如何限制短路电流尤为迫切。
现在，主要限流方式为解列电网、装设电抗器、使用高阻变压器等。这些方式增大输电阻抗，降低电网的输送能力和稳定性，与智能电网的坚强性要求相背。装设限流器可保证在正常运行时的电网电抗较小，当发生故障后能迅速增大，是限制短路电流的最佳选择。
近些年，随着电力电子、磁材料和超导材料等技术的发展，出现了多种故障限流设备。其中饱和铁芯型故障限流器是通过在直流绕组加上电流，在正常运行时铁芯饱和，对电网呈现小电抗状态；当发生故障后，短路电流使铁芯退出饱和，限制了短路电流。此结构将直流控制绕组与电网隔离，提高了工作电压等级，具有较好的应用前景。
然而，在短路限流阶段，铁芯退出饱和，由于直流绕组远大于交流绕组匝数，在直流绕组中会感应出较大的电压，因此应用电压级别仍受到了限制。
发明内容
针对饱和铁芯型故障限流器的不足，本发明的目的在于提供一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，在电网故障时具有减轻直流电压冲击效果，提高限流器的应用电压等级。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，包括 “日字形”铁芯结构、直流线圈，所述 “日字形”铁芯结构由直流铁芯柱、交流铁芯柱、旁路铁芯柱和交流线圈组成，所述直流铁芯柱为“C字形”结构，所述交流铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的中间，旁路铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的外侧一端，交流线圈绕制在交流铁芯柱上；两个所述“日字形”铁芯结构横向镜像并列放置，其中两个相邻的所述直流铁芯柱外围绕制直流线圈；两个所述交流铁芯柱上绕制的交流线圈匝数相同，绕向一致，且同一端相连，另一端串接到电网中。
所述直流铁芯柱由铁芯材料磁化曲线斜率高、饱和磁感应强度高的铁钴磁性合金制成；所述交流铁芯柱由铁芯材料斜率低、饱和磁感应强度低的软磁性复合材料制成，所述旁路铁芯柱由AFK580-600铁钴磁性合金制成。
所述直流线圈为由超导材料或铜导体材料制成的直流线圈。所述交流线圈为由非超导材料制成的交流线圈。
本发明的有益效果在于：
在一般的“双口字形”饱和铁芯限流器上，根据短路故障时直流绕组和交流绕组上的电压分布的需求，使交流绕组和直流绕组上采用不同的铁芯材料，同时引入了一对旁路磁路，通过合适的铁芯材料选择和尺寸设计，使得当电网发生故障后，交流铁芯柱退磁引起的磁通变化在旁路磁路中流通，直流磁通仍不脱离饱和状态，变化较小，从而在直流线圈中不会感应出较高的电压。
本发明不仅适用于单相饱和铁芯型故障限流器，也适用于三相饱和铁芯型故障限流器。本发明结构简单、易于实现、成本低、可靠性高。
附图说明
图1为本发明的减轻直流冲击的单相饱和铁芯型故障限流器工作原理示意图；
图2 为Vacoflux48材料的磁化曲线；
图3为Somaloy550+0.6%LB1_CC_800MPa材料的磁化曲线；
图4为AFK580-600材料的磁化曲线；
图5为限流器在电网正常运行时铁芯上的磁场分布；
图6为限流器在电网发生故障且短路电流在正半周峰值时的铁芯上的磁场分布；
图7为限流器在电网发生故障且短路电流在负半周峰值时的铁芯上的磁场分布。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，包括：第一“日字形”铁芯结构、第二“日字形”铁芯结构、直流线圈1。第一“日字形”铁芯结构由第一直流铁芯柱21、第一交流铁芯柱22、第一旁路铁芯柱23和第一交流线圈24组成，第一直流铁芯柱21为“C字形”结构，分布在第一“日字形”结构的外围和一侧，第一交流铁芯柱22为“I字形”结构，分布在第一“日字形”铁芯结构的中间，第一旁路铁芯柱23为“I字形”结构，分布在第一“日字形”铁芯结构的另一侧，第一交流线圈24绕制在交流铁芯柱22上；第二“日字形”铁芯结构由第二直流铁芯柱31、第二交流铁芯柱32、第二旁路铁芯柱33和第二交流线圈34组成，第二直流铁芯柱31为“C字形”结构，分布在第二“日字形”结构的外围和一侧，第二交流铁芯柱32为“I字形”结构，分布在第二“日字形”铁芯结构的中间，第二旁路铁芯柱33为“I字形”结构，分布在第二“日字形”铁芯结构的另一侧，第二交流线圈34绕制在交流铁芯柱32上；第一“日字形”铁芯结构和第二“日字形”铁芯结构横向镜像并列放置，其中第一直流铁芯柱21与第二直流铁芯柱31相邻，外围绕制直流线圈1；第一交流线圈24和第二交流线圈34匝数相同，绕向一致，同一端相连，另一端串接到电网中。第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31尺寸相同，第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32尺寸相同，第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33尺寸相同。第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31的铁芯材料磁化曲线斜率高、饱和磁感应强度大，在本实施例中，采用VAC公司生产的铁钴磁性合金Vacoflux48；第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32铁芯材料斜率低、饱和磁感应强度小，在本实施例中，采用HoganasAB公司生产的铁钴磁性合金软磁性复合材料Somaloy550+0.6%LB1_CC_800MPa；在本实施例中，第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33采用Aperam公司生产的铁钴磁性合金AFK580-600材料。在本实施例中，直流线圈1采用超导材料，或者，采用铜导体材料。
第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31的铁芯材料磁化曲线斜率高、饱和磁感应强度大，如采用VAC公司生产的铁钴磁性合金Vacoflux48，Vacoflux48的磁化曲线参见图2；第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32铁芯材料斜率低、饱和磁感应强度小，如采用HoganasAB公司生产的铁钴磁性合金软磁性复合材料Somaloy550+0.6%LB1_CC_800MPa，Somaloy550+0.6%LB1_CC_800MPa的磁化曲线参见图3；第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33采用Aperam公司生产的铁钴磁性合金AFK580-600材料，AFK580-600的磁化曲线参见图4。
参见图4可知，与其他铁磁材料性能不同的是，AFK580-600材料在磁场强度较低（0~18000）时，磁感应强度较小，旁路铁芯柱流通的磁通量较小，称为“截止区”，材料在此区域的磁导率较小；磁场强度增大到一定范围（18000~30000）时，磁感应强度迅速增大，旁路铁芯柱流通的磁通量迅速增大，称为“线性区”，材料在此区域的磁导率较大；随着磁场强度的进一步增大（大于30000），磁感应强度变化较小，旁路铁芯柱流通的磁通量变化较小，铁芯处于饱和状态，称为“饱和区”，材料在此区域的磁导率很小。
当系统正常运行时，通过改变第一直流铁芯柱21、第二交流铁芯柱22、第二旁路铁芯柱23和第二直流铁芯柱31、第二交流铁芯柱32、第二旁路铁芯柱33的面积和尺寸配合，使第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31工作在深度饱和的同时第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32工作在浅度饱和（磁感应强度在1.5左右），此时第一交流线圈24和第二交流线圈34中流通的工作电流较小，第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32仍然处于饱和状态，第一交流线圈24和第二交流线圈34的两端的电压较小，限流器对电网呈现的电抗较小。此时的第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33工作在“截至区”，旁路铁芯柱流通的磁通较小，直流绕组产生的磁通基本全通过第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32，提高了饱和电抗器的放大系数，参见图5，第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31中的磁感应强度约为2.4T，第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32中的磁感应强度约为1.5T，第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33中的磁感应强度约为0.1T
当系统发生故障时，当故障电流工作在正半周时，第一交流线圈24与直流线圈1在第一交流铁芯柱22产生的磁场产生的磁场中方向相反，较大的交流电流使第一交流铁芯柱22退出饱和，第一交流铁芯柱22中流通的磁通迅速降低，从而产生较大的电抗，限制了短路电流的正半周，较大的短路电流增大了第一旁路铁芯柱23的磁势，第一旁路铁芯柱23的磁场强度增大，进入了图4的“线性区”，磁感应强度迅速增大，第一旁路铁芯柱23中流通的磁通量迅速增大，从而弥补了交流铁芯柱22因退饱和而降低的磁通量，参见图6,当短路电流达到正半周最大值时，第一交流铁芯柱22中的磁感应强度基本为0T，第一旁路铁芯柱23中的磁感应强度增大到1T附近，第一直流铁芯柱21中的磁感应强度基本保持不变，仍约为2.4T,第一直流铁芯柱21中流通的磁通量基本不变；当故障电流工作在负半周时，第二交流线圈34与直流线圈1在第二交流铁芯柱32产生的磁场产生的磁场中方向相反，较大的交流电流使第二交流铁芯柱32退出饱和，产生较大的电抗，限制了短路电流的负半周，较大的短路电流增大了第二旁路铁芯柱33的磁势，第二旁路铁芯柱33的磁场强度增大，进入了图4的“线性区”，磁感应强度迅速增大，旁路铁芯柱33中流通的磁通量迅速增大，从而弥补了第二交流铁芯柱32因退饱和而降低的磁通量，参见图7,当短路电流达到正半周最大值时，第二交流铁芯柱32中的磁感应强度基本为0T，第二旁路铁芯柱33中的磁感应强度增大到1T附近，第二直流铁芯柱31中的磁感应强度基本保持不变，仍约为2.4T, 直流铁芯柱31中流通的磁通量基本不变。因此，短路电流得到了限制，同时第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31中的磁通量基本不变，直流绕组1中产生的磁链基本不变，从而直流绕组1的感应电压较小。
本发明不仅适用于单相饱和铁芯型故障限流器（图1），也适用于三相饱和铁芯型故障限流器。

Claims (4)

1.一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，包括 “日字形”铁芯结构、直流线圈（1），其特征在于：所述 “日字形”铁芯结构由直流铁芯柱、交流铁芯柱、旁路铁芯柱和交流线圈组成，所述直流铁芯柱为“C字形”结构，所述交流铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的中间，旁路铁芯柱为“I字形”结构，分布在“日字形”铁芯结构的外侧一端，并置于直流铁芯柱“C字形”结构开口处，交流线圈绕制在交流铁芯柱上；两个所述“日字形”铁芯结构横向镜像并列放置，其中两个相邻的所述直流铁芯柱外围绕制直流线圈（1）；两个所述交流铁芯柱上绕制的交流线圈匝数相同，绕向一致，且同一端相连，另一端串接到电网中。
2.根据权利要求1所述的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，其特征在于：所述直流铁芯柱由铁芯材料磁化曲线斜率高、饱和磁感应强度高的铁钴磁性合金制成；所述交流铁芯柱由铁芯材料斜率低、饱和磁感应强度低的软磁性复合材料制成，所述旁路铁芯柱由AFK580-600铁钴磁性合金制成。
3.根据权利要求1所述减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，其特征在于：所述直流线圈（1）为由超导材料或铜导体材料制成的直流线圈。
4.根据权利要求1所述减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，其特征在于：所述交流线圈为由非超导材料制成的交流线圈。
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