CN112564071A - 一种新型快速响应直流限流器及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型快速响应直流限流器及限流方法，通过在传统两柱式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，消除了原有限流器在直流断路器故障开断时延长故障电流下降时间的负面影响，加速了开断进程，减小了断路器的吸能应力，降低了过电压应力。提升了响应速度，减少了绝缘成本。

Description

一种新型快速响应直流限流器及限流方法

技术领域

本发明涉及一种磁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响应直流限流器及限流方法。

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，在直流线圈中快速产生高电感，从而限制短路电流的上升速度。然而，现有的传统磁饱和铁心型直流故障限流器在配合直流断路器使用时，会造成断路器承受较大的过电压及吸能，增加了断路器制造成本。且严重抑制故障电流下降速率，延长故障电流作用于电力系统的时间，造成相关电力设备的损坏。

发明内容

本发明针对现有传统磁饱和铁心型直流限流器模型所存在的技术问题，提出了一种新型快速响应直流限流器拓扑结构。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，消除了传统限流器延长故障电流下降时间的负面影响，加速了开断进程，同时能够极大程度的减小直流断路器的吸能，一定程度降低过电压。仿真及实验表明，本发明可以使直流系统中故障电流更快衰减，消除了传统磁饱和铁心型限流器延长故障电流下降时间的负面影响，极大程度地减小断路器吸能，并能一定程度上减小过电压峰值。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种新型快速响应直流限流器，其特征在于：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响应直流限流器，所述辅助支路外围电路包括二极管D和吸能电阻R，辅助支路线圈一端依次串接二极管D和吸能电阻R后接辅助支路线圈另一端。

在上述的一种新型快速响应直流限流器，所述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；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，在导通时在铁心中产生逆时针方向的磁通。

在上述的一种新型快速响应直流限流器，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响应直流限流器，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响应直流限流器，永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼。

一种基于新型快速响应直流限流器的限流方法，其特征在于：

在正常工作情况下，由于电网工作电流Idc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主支路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；

在故障发生时的故障电流上升阶段，故障电流在线圈中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；由于二极管D的单向导电性，辅助支路依旧无法导通；

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，与二极管D导通方向相同，辅助支路导通，直流故障电流流入辅助支路；直流系统中故障电流迅速下降至零值，该过程降低了直流断路器开断过程中的吸能并一定程度降低了过电压；待故障能量消耗完毕，限流器铁心恢复磁饱和状态，限流器恢复小电感，不影响直流系统的正常运行。

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.不用加装控制系统，限流器在整个工作过程中自动快速响应。4.相较于传统磁饱和铁心型故障限流器，能极大程度降低直流断路器吸能，并一定程度降低过电压。5.相较于传统磁饱和铁心型故障限流器，能使直流系统中故障电流更快衰减，消除了延长故障电流下降时间对各电力设备带来的负面影响。

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为本发明实施例的新型快速响应直流限流器的结构示意图；

图3为本发明实施例的新型快速响应直流限流器与直流断路器串联的等效电路图。

图4a为直流系统正常运行阶段直流限流器磁路拓扑。

图4b为直流系统正常运行阶段直流限流器等效电路拓扑。

图4c为故障电流上升阶段直流限流器磁路拓扑。

图4d为故障电流上升阶段直流限流器等效电路拓扑。

图4e为故障电流下降阶段直流限流器磁路拓扑。

图4f为故障电流下降阶段直流限流器等效电路拓扑。

图5为本发明实施例的新型快速响应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。

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2所示，一种新型快速响应直流限流器，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D和吸能电阻R，辅助支路线圈一端依次串接二极管D和吸能电阻R后接辅助支路线圈另一端。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2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，从而保持限流器小电感运行状态。

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2所示，本实施例的辅助支路中包括二极管D、吸能电阻R。其中二极管D要求有较高的正向通流能力以及耐受反向电压的性能,吸能电阻R需满足吸能时间在断路器重合闸范围内且直流系统中的残余电流能被隔离开关开断。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。

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，使限流器能快速变为大电感进而限流。

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3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4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；此时铁心磁饱和状态及限流器等效电路如图4(a)(b)。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主支路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。

在故障发生时的故障电流上升阶段，故障电流在线圈中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。此时铁心磁饱和状态及限流器等效电路如图4(c)(d)。由于二极管D的单向导电性，辅助支路依旧无法导通。

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，此时铁心磁饱和状态及限流器等效电路如图4(e)(f)。由于限流器上产生反向电压，与二极管D导通方向相同，辅助支路导通，直流故障电流流入辅助支路。直流系统中故障电流迅速下降至零值，该过程极大程度地降低了直流断路器开断过程中的吸能并一定程度降低了过电压。待故障能量消耗完毕，限流器铁心恢复磁饱和状态，限流器恢复小电感，不影响直流系统的正常运行。

本实施例中，新型快速响应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23.3％，与300mH定值电抗器限流效果相当。同时相较于传统磁饱和铁心直流限流器，在电流下降阶段由于辅助支路通过磁耦合并联进主支路中，有利于电流更快衰减，极大程度减少系统故障电流分断时间。降低了开断过程中直流断路器过电压峰值24.9％，降低了直流断路器吸能99.1％，减少了故障电流下降时间71.6％。附图5说明了它们的分断应力对比情况。

本实施例中，使二极管处于相对低压侧，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 (7)

1.一种新型快速响应直流限流器，其特征在于：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D和吸能电阻R，辅助支路线圈一端依次串接二极管D和吸能电阻R后接辅助支路线圈另一端。

3.根据权利要求1所述的一种新型快速响应直流限流器，其特征在于：所述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；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响应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响应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。

7.一种基于饱和铁心的高压直流系统故障限流方法，其特征在于：

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主支路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；

在故障发生时的故障电流上升阶段，故障电流在线圈中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；由于二极管D的单向导电性，辅助支路依旧无法导通；

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，与二极管D导通方向相同，辅助支路导通，直流故障电流流入辅助支路；直流系统中故障电流迅速下降至零值，该过程降低了直流断路器开断过程中的吸能并一定程度降低了过电压；待故障能量消耗完毕，限流器铁心恢复磁饱和状态，限流器恢复小电感，不影响直流系统的正常运行。

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