CN112564070A - 一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法，通过在传统两柱式磁饱和铁心型直流限流器的右铁心柱增加一个辅助支路的方式，减小了直流断路器的过电压，吸能，实现了短路故障能量的二次利用。

Description

一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法

技术领域

本发明涉及一种饱和铁心型直流故障限流器及限流方法，尤其是涉及一种新型快速储能式磁饱和铁心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。已有的传统磁饱和铁心型直流故障限流器结构图如图 1，通过在铁心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，永磁体的磁场使铁心处于磁饱和状态。正常工作时，系统额定电流产生的磁动势，不足以使铁心脱离饱和区，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，铁心脱离饱和状态，限流器快速产生高电感，从而限制短路电流的上升速度。然而，已有的传统磁饱和铁心型限流器在直流断路器开断时会导致直流断路器承受较高的过电压且增大直流断路器吸能，同时延长系统故障电流下降时间。已有的耗能型直流限流器电路拓扑如图2，采用定值电抗器并联反向二极管以及吸能电阻组成的辅助支路，其能有效降低直流断路器开断时的过电压及吸能。然而其采用定值电抗器进行限流，限流效果有限，且通过小电阻耗能，时间较长，延长了故障电流作用在限流器绕组的时间。

发明内容

本发明针对现有传统磁饱和铁心型直流限流器及耗能型直流限流器所存在的技术问题，提出了一种新型的饱和铁心型故障限流器拓扑结构。通过磁耦合的方式在传统磁饱和直流限流器的右铁心柱增加一个辅助支路，减小了直流断路器的过电压，吸能，实现了短路故障能量的二次利用。仿真及实验表明，本发明可以有效限制直流电网故障电流，缩短系统故障电流下降时间，同时降低了直流断路器吸能和过电压并实现了短路故障能量的二次利用。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：包括铁心、直流主支路线圈、辅助支路线圈、辅助支路外围电路及永磁体；铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱；直流主支路线圈绕制在所述左铁心柱并串联接入直流电网；所述辅助支路线圈绕制在右铁心柱连接辅助支路外围电路；第一永磁体、第二永磁体分别嵌入铁心上下横轭。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，所述辅助支路外围电路包括二极管VD1、晶闸管VT1和晶闸管VT2，辅助支路线圈一端依次串接二极管VD1、储目标充电电容C2、耗能电阻R2、晶闸管VT2后接辅助支路线圈另一端；晶闸管VT1与耗能电阻R1串联后一端接辅助支路线圈另一端，另一端接储目标充电电容 C2；储能电容C1一端与接辅助支路线圈另一端连接，另一端与接储目标充电电容C2。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，所述主支路直流线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，直流系统电流由线圈顶端流入底端流出；主支路直流线圈在铁心中产生逆时针方向的磁通；辅助支路线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，在导通时同样在铁心中产生逆时针方向的磁通。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，直流主支路线圈匝数大于辅助支路线圈匝数，保证辅助支路中的电力电子元件处于相对低压侧。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，第一永磁体、第二永磁体产生的磁通在铁心中都为顺时针方向。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼。

在上述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，所述的左、右铁心柱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，以保证故障时左右铁心柱退饱和的速度，从而限流器迅速转变为大电感限流。

一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器的限流方法，其特征在于：包括:

在正常工作情况下，电网工作电流小，永磁体产生的偏置磁动势较线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁心柱、右铁心柱受永磁体影响饱和；由于铁心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，并使两个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；同时由于铁心处于磁饱和状态，辅助支路不会因为系统电流的波动而导通；

在故障发生时，直流系统电流迅速增大，由于直流绕组与永磁体产生的磁通方向相反，使得左右两铁心柱迅速退饱和；退出饱和后的铁心磁导率迅速上升，导致绕组电感值较大，对短路故障电流进行限制；在故障电流下降阶段，限流器上产生的反压方向与二级管VD1 的导通电压方向相同，辅助支路通过磁耦合并联进主支路，故障电流流入辅助支路对电容C1进行充电，减小了直流断路器的过电压、吸能；调整辅助支路中晶闸管VT1、VT2的导通角，电容C1通过电阻 R2对电容C2进行充电，且可控制电容C2的目标充电电压，实现故障能量的二次利用；

在故障排除后，故障电流迅速减小此时饱和铁心高压直流输电故障限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，故障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。

因此，本发明具有如下优点：1.所述拓扑结构采用饱和铁心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. 故障限流阶段不用加装控制系统，限流器可以自动对故障做出快速响应。4.相较于传统磁饱和铁心型故障限流器，能极大程度地降低直流断路器吸能，并一定程度地降低过电压。5.相较于传统耗能型直流限流器，减少了电流下降阶段故障电流作用于限流器绕组的时间，降低过热损坏的风险；同时能给目标储能装置充电，实现了短路故障能量的二次利用。

附图说明

图1：为传统磁饱和式直流限流器的结构示意图；

图2：为耗能型直流限流器的电路拓扑图；

图3：为本发明实施例的快速储能式直流限流器电磁拓扑结构；

图4：为本发明实施例的快速储能式直流限流器与直流断路器串联的等效电路图。

图5a：为系统正常阶段及故障电流上升阶段电流流经路径图

图5b：为故障电流下降阶段电流流经路径图

图5c：为电容C₁电压调整阶段电流流经路径图

图5d：为能量转移阶段电流流经路径图

图6：为本发明实施例的快速储能式直流限流器与各类限流器配合直流断路器时的分断应力对比图。

图7：为本发明实施例的快速储能式直流限流器与耗能型直流限流器的绕组承受故障电流时间对比。

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。

实施例：

如图3所示，一种新型快速储能式磁饱和铁心直流限流器，所述限流器包括铁心、直流绕组及永磁体；所述铁心为日字型实心结构，包含分别位于左右两边的左铁心柱、右铁心柱，分别位于上下两端的上横轭、下横轭。所述上横轭中间嵌有第一永磁体，所述下横轭中间嵌有第二永磁体。所述主支路绕组绕于左铁心柱并串联接入直流电网，所述辅助支路绕组绕于右铁心柱。限流器接入输电线路运行时，直流磁通经铁心构成回路，永磁体励磁产生的磁通也在铁心中构成回路，两个磁通共同作用于整个铁心柱。

所述辅助支路外围电路包括二极管VD₁、晶闸管VT₁和晶闸管 VT₂，辅助支路线圈一端依次串接二极管VD₁、储目标充电电容C₂、耗能电阻R₂、晶闸管VT₂后接辅助支路线圈另一端；晶闸管VT₁与耗能电阻R₁串联后一端接辅助支路线圈另一端，另一端接储目标充电电容C₂；储能电容C₁一端与接辅助支路线圈另一端连接，另一端与接储目标充电电容C₂。

所述的铁心中的左铁心柱、右铁心柱截面可以为圆形、椭圆形或矩形，本实施例采用矩形，如图3所示，左、右铁心柱为矩形，截面积均相等，且长度相等；所述的上横轭、下横轭的长度和截面积均相等；所述的第一永磁体、第二永磁体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。左右铁心柱的截面积要小于永磁体的截面积，这是为了确保在系统正常工作时，永磁体可以使铁心磁饱和，从而限流器保持小电感运行状态。

本实施例的永磁体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。

如图3所示，本实施例的辅助支路中包括储能电容器C₁、目标充电电容器C₂、二极管VD₁、晶闸管VT₁、VT₂。其中储能电容器 C₁要求有较高的储能容量；二极管VD₁、晶闸管VT₁、VT₂要求有较高的正向通流能力以及耐受反向电压的性能。主支路绕组(一次侧) 线圈匝数要大于辅助支路绕组(二次侧)线圈匝数，而各电力电子器件均位于限流器的二次侧，处于相对低压侧，降低了对地绝缘成本。辅助支路绕组连接的电力电子器件二极管VD₁和晶闸管VT₁、VT₂需能耐受限流器二次侧产生的反向电压，且具备足够的通流能力。储能电容C₁、目标充电电容C₂、耗能电阻R₁和R₂之间的参数配合能保证整个储能时间在直流断路器重合闸时间范围内。

本实施例中，所述的左、右铁心柱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、右铁心柱退饱和的速度，从而限流器能快速变为大电感限流。

本实施例的工作过程为：新型快速储能式直流限流器与直流断路器串联的等效电路图如图4所示，直流电流在线圈中感应出的磁场方向与永磁体磁场方向相反；永磁体和线圈产生的磁通路径如图3所示，永磁体和线圈产生的磁通都经过左、右两个铁心柱，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的而言小的多，故正常工作时左、右铁心柱受永磁体影响饱和；由于铁心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两个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。此时由于铁心处于磁饱和状态，限流器辅助支路无法通过磁耦合并联进主支路中，限流器中电流的流通路径如图5a所示。

在故障发生时，故障电流上升阶段，故障电流在线圈产生的直流磁通抵消了永磁体产生的偏置磁通，使得左、右铁心柱迅速退饱和，退出饱和后的铁心磁导率迅速上升，导致绕组电感值迅速变大，对短路故障电流进行有效限制。此时由于二极管VD₁的单向导电性，辅助支路依旧无法导通，限流器中电流的流通路径如图5a所示。

在直流断路器动作，故障电流下降阶段，左、右铁心柱依旧处于退饱和状态，由于限流器上产生反向电压，辅助支路导通，此时限流器中电流的流通路径如图5b所示，直流故障电流通过磁耦合的方式给储能电容C₁充电。充电迅速完成后，限流器绕组上电流下降为0，左右铁心柱恢复饱和状态，限流器的整体阻抗值迅速减小至平波电抗器大小，不会对系统的正常运行产生影响。由于故障电流流入限流器辅助支路中，极大程度的降低了直流断路器开断过程中的吸能以及过电压。

储能电容C₁充电完成后，导通VT₁，通过电阻R₁耗能的方式，对C₁电压进行调整，此时限流器中电流的流通路径如图5c所示。经过Δt₁时间后导通晶闸管VT₂，储能电容C₁开始通过R₂给目标充电电容C₂充电，此时限流器中电流的流通路径如图5d所示。定义时间Δt₁为VT₂的导通角，通过测取储能电容C₁储能完成时的电压U_C1

₍₀₎以及确定C₂上的目标充电电压U_C2(1)，即可计算出VT₂的导通角Δt₁。通过调节导通角Δt₁的大小，即可将目标充电电容C₂充电至所需电压值，从而实现了短路故障的二次利用。

本实施例中，新型快速储能式磁饱和铁心直流限流器的限流性能与传统磁饱和铁心直流限流器相当，强于100mH平波电抗器以及 100mH耗能型直流限流器23.3％。同时相较于传统磁饱和式直流限流器，降低了直流断路器的过电压峰值22％，避雷器吸能99.8％，相较于100mH耗能型直流限流器，降低了直流断路器的过电压峰值6.8％，避雷器吸能92.3％。可见配合该新型快速储能式直流限流器能在保证良好限流特性的前提下，极大程度的减轻断路器吸能，并能在一定程度上降低过电压峰值，附图6说明了它们配合直流断路器使用时，断路器分断应力对比情况。相较于100mH耗能型直流限流器，新型快速储能式直流限流器将故障电流作用于限流器绕组的时间缩短了 175ms，避免了限流器绕组因长时间承受故障电流而造成过热损坏，同时也避免了铁心与永磁体由于过热造成的寿命影响。附图7说明了故障电流作用于限流器绕组时间的对比情况。

本实施例中，

(1)新型快速储能式磁饱和铁心直流限流器能在系统正常状态下代替平波电抗器维持小电感运行，在故障发生时快速退饱和变成大电感限流，同时解决了耗能型限流器故障电流作用于限流器绕组时间过长发热严重的问题，提升了使用寿命；

(2)新型快速储能式磁饱和铁心直流限流器相较于传统磁饱和式直流限流器能显著降低直流断路器的吸能，并且能一定程度降低断路器的过电压峰值。且相较耗能型限流器，降低断路器过电压峰值及吸能的效果更为明显；

(3)新型快速储能式磁饱和铁心直流限流器能实现故障能量的二次转换利用，提高能源利用效率。同时各电力电子器件位于二次侧绕组，相对于主支路处于相对低电位，降低了对地绝缘成本。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：包括铁心、直流主支路线圈、辅助支路线圈、辅助支路外围电路及永磁体；铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱；直流主支路线圈绕制在所述左铁心柱并串联接入直流电网；所述辅助支路线圈绕制在右铁心柱连接辅助支路外围电路；第一永磁体、第二永磁体分别嵌入铁心上下横轭。

2.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：所述辅助支路外围电路包括二极管VD₁、晶闸管VT₁和晶闸管VT₂，辅助支路线圈一端依次串接二极管VD₁、储目标充电电容C₂、耗能电阻R₂、晶闸管VT₂后接辅助支路线圈另一端；晶闸管VT₁与耗能电阻R₁串联后一端接辅助支路线圈另一端，另一端接储目标充电电容C₂；储能电容C₁一端与接辅助支路线圈另一端连接，另一端与接储目标充电电容C₂。

3.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：所述主支路直流线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，直流系统电流由线圈顶端流入底端流出；主支路直流线圈在铁心中产生逆时针方向的磁通；辅助支路线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，在导通时同样在铁心中产生逆时针方向的磁通。

4.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：直流主支路线圈匝数大于辅助支路线圈匝数，保证辅助支路中的电力电子元件处于相对低压侧。

5.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：第一永磁体、第二永磁体产生的磁通在铁心中都为顺时针方向。

6.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼。

7.根据权利要求1所述的一种新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：所述的左、右铁心柱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，以保证故障时左右铁心柱退饱和的速度，从而限流器迅速转变为大电感限流。

8.一种权利要求1所述的新型快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器的限流方法，其特征在于：包括:

在正常工作情况下，电网工作电流小，永磁体产生的偏置磁动势较线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁心柱、右铁心柱受永磁体影响饱和；由于铁心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，并使两个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；同时由于铁心处于磁饱和状态，辅助支路不会因为系统电流的波动而导通；

在故障发生时，直流系统电流迅速增大，由于直流绕组与永磁体产生的磁通方向相反，使得左右两铁心柱迅速退饱和；退出饱和后的铁心磁导率迅速上升，导致绕组电感值较大，对短路故障电流进行限制；在故障电流下降阶段，限流器上产生的反压方向与二级管VD₁的导通电压方向相同，辅助支路通过磁耦合并联进主支路，故障电流流入辅助支路对电容C₁进行充电，减小了直流断路器的过电压、吸能；调整辅助支路中晶闸管VT₁、VT₂的导通角，电容C₁通过电阻R₂对电容C₂进行充电，且可控制电容C₂的目标充电电压，实现故障能量的二次利用；

在故障排除后，故障电流迅速减小此时饱和铁心高压直流输电故障限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，故障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。

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