CN113872170B - 可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁饱和铁心型直流故障限流器技术，具体涉及可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法，该限流器包括铁心、两个直流主支路绕组、二个耦合支路绕组、耦合支路和两个永磁体；铁心为口字型，包含左铁心柱和右铁心柱、分别位于上下两端的上横轭和下横轭，上下横轭中间分别嵌入一个永磁体；两直流主支路绕组分别绕制于左右铁心柱上，并串联接入直流电网，两耦合支路绕组采用紧耦合的方式绕制于两直流主支路绕组外侧，并连接耦合支路；耦合支路为n个子模块并联组成。该限流器能有效限制直流电网故障电流，减少电流下降阶段故障电流作用于限流器绕组的时间，同时降低了直流断路器吸能和过电压，实现了短路故障能量的二次利用。

Description

可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器及限流方法

技术领域

本发明属于磁饱和铁心型直流故障限流器技术领域，特别涉及可二次主动限流的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系统安全运行必不可少的。同时直流断路器在第一次切除故障后会自动重合闸，由于故障类型的未知，直流断路器有可能自动重合闸于永久性故障，造成系统承受第二次短路冲击，由于两次冲击相隔时间较短，二次冲击会对整个系统产生叠加伤害，因此当前限流器还需要同时具备二次限流能力。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。已有的平波电抗器电路拓扑如图2，其采用定值的空心电抗器，在系统正常时发挥平波作用，在出现故障时能起到一定的限流作用。其优点在于由于其电感值较小，在直流断路器开断时，直流断路器承受的过电压及吸能较小，同时故障电流下降速度较快。但其缺点在于，电感值较小，限流效果有限。已有的快速响应直流限流器拓扑如图3所示，其采用传统磁饱和铁心型直流故障限流器耦合一条电阻吸能支路的方法，其优点在于可以吸收故障能量，但缺点在于吸能速度较慢，且故障能量直接消耗没法进行二次利用。已有的快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器拓扑如图4，其采用传统磁饱和铁心型直流故障限流器耦合一条储能支路的方法，其优点在于可以储存故障能量，但缺点在于只能用于给二次设备供能，不能将故障能量用作主动限流。同时图3及图4中的两种限流器的一二次绕组是于左右两柱上分开绕制，处于松耦合状态，对外呈现的漏磁较大，能量传递的效率较低，存在一定的损耗。最后，上述四种限流器均属于被动限流，当直流断路器误重合闸于永久性故障时，整个直流系统将会迎来短路故障发起的第二次冲击，由于相隔时间较短，二次冲击会对直流系统产生叠加伤害。上述限流器均只能发挥被动限流作用，限流效果有限，无法有效缓解短路故障的二次冲击对整个直流系统造成的伤害。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种新型的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器(Secondary active limiting fault current limiter,SAFCL)拓扑结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，包括铁心、第一直流主支路绕组、第二直流主支路绕组、第一耦合支路绕组、第二耦合支路绕组、耦合支路、第一永磁体和第二永磁体；铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱、分别位于上下两端的上横轭和下横轭，上横轭中间嵌入第一永磁体，下横轭中间嵌入第二永磁体；第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组分别绕制于左铁心柱和右铁心柱上，并串联接入直流电网，第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组采用紧耦合的方式绕制于第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组外侧，并连接耦合支路；耦合支路为n个子模块SM₁，SM₂，_…SM_n并联组成，n为正整数。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，各子模块包含储能电容C_n、吸能电阻R_n，机械开关S_n、第一晶闸管VT_n1、第二晶闸管VT_n2和第三晶闸管VT_n3；机械开关S_n与吸能电阻R_n串联，再与储能电容C_n并联，第一晶闸管VT_n1、第二晶闸管VT_n2并联，其负极与储能电容C_n串联，第三晶闸管VT_n3正极与储能电容C_n串联。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，左铁心柱和右铁心柱截面为圆形、椭圆形或矩形。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，左铁心柱、右铁心柱截面为矩形，其截面积和长度均相同；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横轭的截面积，且厚度相同，尺寸结构大小相同；左铁心柱、右铁心柱的截面积小于第一永磁体、第二永磁体的截面积。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，第一永磁体、第二永磁体均采用稀土永磁体材料钕铁硼；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。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，直流系统电流由第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈顶端流入底端流出；第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈在铁心中产生逆时针方向的磁通；第一耦合支路绕组线圈和第二耦合支路绕组线圈的缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，导通时在铁心中产生逆时针方向的磁通。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，左铁心柱、右铁心柱在电网正常状态下处于临界饱和状态，铁磁材料B-H曲线的拐点处，以保证故障时左铁心柱、右铁心柱退饱和速度。

上述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器中，第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组线圈匝数大于第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组线圈匝数；耦合支路位于低压侧。

一种可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器的限流方法，包括以下步骤：

在正常工作情况下，电网工作电流小，第一永磁体和第二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、右铁心柱受第一永磁体和第二永磁体的影响饱和；铁心饱和时的磁导率约等于空气磁导率，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，并使两个直流主支路绕组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；同时铁心处于磁饱和状态，耦合支路处于断开状态；

在故障发生时，直流系统电流增大，第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组与第一永磁体和第二永磁体产生的磁通方向相反，使得左铁心柱和右铁心柱迅速退饱和；退出饱和后的铁心磁导率上升，导致第一直流主支路绕组和第二直流支路绕组电感值增大，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所有并联子模块的第一晶闸管和第三晶闸管VT₀₁，VT₀₃，VT₁₁，VT₁₃，…VT_n1，VT_n3的导通电压方向相同，耦合支路通过磁耦合与直流主支路并联，故障电流流入耦合支路对所有并联子模块的电容C₁,C₂,…C_n进行充电，减小了直流断路器的过电压、吸能，同时储存大量能量；若断路器重合闸永久性故障时，则导通所有并联子模块的第二晶闸管VT₀₂，VT₁₂，VT₂₂，…VT_n2，VT_n2，所有并联子模块的电容C₁,C₂,…C_n通过晶闸管进行串联放电，并利用储存的能量进行主动限流；

在故障排除后，故障电流减小，限流器的工作状态恢复线路正常运行时的状态，限流器的整体阻抗值减小，不会对系统的正常运行产生影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果：1.本发明采用饱和铁心和永磁体产生可变电抗，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，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，能针对直流断路器重合闸于永久性故障进行主动限流，在直流断路器第一次及第二次开断过程中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.相较于定值的空心电抗器，其限流效果更为优越显著，能在直流断路器第一次及第二次开断过程中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。6.相较于快速响应直流限流器，本发明采用紧耦合的绕制方式，并通过改进耦合支路的拓扑，极大程度提升了故障能量的吸收速度。同时降低直流断路器第一次及第二次开断电气应力的效果更为显著。本发明还具备二次主动限流功能，极大程度提升了二次限流能力。7.相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，本发明采用了一二次绕组紧耦合的绕制方式，漏磁通更小，耦合程度更高，能量的传递效率更高。本发明更具备二次主动限流的功能，可在第一次故障发生及直流断路器动作后，储存大量能量，同时若直流断路器重合闸于永久性故障，可将储存的能量用于第二次主动限流，极大程度提升了二次限流性能，实现了故障能量的转化及利用，极大程度的降低了直流断路器二次开断的电气应力。

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为定值空心电抗器的电路拓扑图；

图3为快速响应直流限流器的结构示意图；

图4为快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器的结构示意图；

图5为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器拓扑结构；

图5a为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器电磁耦合支路子模块拓扑结构；

图6为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器与直流断路器串联的等效电路图；

图7a为本发明实施例系统正常阶段电流流经路径图；

图7b为本发明实施例故障电流上升阶段电流流经路径图；

图7c为本发明实施例故障电流下降阶段(限流器储能阶段)电流流经路径图；

图7d为本发明实施例储能完成阶段电流流经路径图；

图7e为本发明实施例耗能阶段电流流经路径图；

图7f为本发明实施例二次主动限流阶段电流流经路径图；

图8为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器的全过程工作流程图；

图9为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器与各类限流器配合直流断路器时的一二次限流效果对比图；

图10为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器与各类限流器配合直流断路器时的直流断路器吸能效果对比图；

图11为本发明实施例的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器与各类限流器配合直流断路器时的直流断路器过电压对比图；

图12为本发明实施例可二次主动限流直流故障限流器实验样机电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例通过磁耦合的方式在传统磁饱和直流限流器的左、右铁心柱的主支路绕组外侧又增加绕制了一个磁耦合支路，且呈紧耦合状态，从而减小了直流断路器(DCcircuit breaker,DCCB)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，本实施例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。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，包括两个铁心柱、上下两个横轭、两片钕铁硼永磁材料、两个直流主支路绕组线圈、两个耦合支路绕组线圈、由多个子模块并联组成的耦合支路。两个永磁体空间上反向地嵌入到横轭的上下部分。直流主支路绕组绕制在左侧和右侧铁心柱上，传导直流系统电流。两个耦合支路绕组绕制在两直流主支路绕组外围，呈紧耦合状态，并连接耦合支路。两耦合支路绕组线圈匝数小于两直流主支路绕组线圈。耦合支路中的各子模块包含储能电容、吸能电阻，机械开关，三个晶闸管。

本实施例的工作原理是：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心柱工作于饱和状态，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，使得铁心磁通减小退饱和，此时限流器阻抗自动变大，有效抑制故障电流的上升陡度。故障电流下降时，短路电流通过磁耦合的方式快速给储能电容充电，此时极大程度的降低了直流断路器的过电压及吸能，同时通过调节其中二个晶闸管的导通角，给目标充电电容充电，实现故障能量的二次利用。

本实施例可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器的限流方法，包括：

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，并使两个直流主支路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，耦合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，由于直流主支路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，导致直流主支路绕组电感值较大，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晶闸管VT₀₁，VT₀₃，VT₁₁，VT₁₃，…VT_n1，VT_n3的导通电压方向相同，耦合支路通过磁耦合与直流主支路并联，故障电流流入耦合支路对所有并联子模块的电容C₁,C₂,…C_n进行充电，减小了直流断路器的过电压、吸能，同时储存大量能量。若断路器重合闸于永久性故障时，则导通晶闸管VT₀₂，VT₁₂，VT₂₂，…VT_n2，VT_n2，所有并联子模块的电容C₁,C₂,…C_n通过晶闸管进行串联放电，此时可利用储存的能量进行主动限流，极大程度提升限流性能。若断路器重合闸时故障已消除，系统已恢复正常，则导通所有并联子模块的机械开关S₁,S₂,…S_n，所有并联子模块的电容C₁,C₂,…C_n通过电阻R₁,R₂,…R_n同时进行放电，消耗掉所储存的能量。

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。

具体实施时，如图5所示，可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，包括第一直流主支路绕组、第二直流主支路绕组、第一耦合支路绕组、第二耦合支路绕组、耦合支路、第一永磁体和第二永磁体；铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱、分别位于上下两端的上横轭和下横轭，上横轭中间嵌入第一永磁体，下横轭中间嵌入第二永磁体；第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组分别绕制于左铁心柱和右铁心柱上，并串联接入直流电网，第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组采用紧耦合的方式绕制于第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组外侧，并连接耦合支路；如图5所示，耦合支路为n个子模块SM₁，SM₂，_…SM_n并联组成，n为正整数。限流器接入输电线路运行时，直流磁通经铁心构成回路，第一、第二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。

而且，耦合支路的每个子模块SM_n中包括储能电容C_n，第一、第二、第三晶闸管VT_n1、VT_n2、VT_n3，机械开关S_n，吸能电阻R_n。其中第一、第二、第三晶闸管起通流作用，通过控制晶闸管的开通和关断来控制各子模块的并联充电及串联放电模式。机械开关配合接通吸能电阻，释放电容中残余的能量。如图5a所示。

而且，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5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。

而且，第一、第二永磁体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。

如图5所示，本实施例的耦合支路中包括n个子模块SM_1,SM_2,…SM_n并联组成。每个子模块SM_n中包括储能电容C_n，第一、第二、第三晶闸管VT_n1、VT_n2、VT_n3，机械开关S_n，吸能电阻R_n。机械开关S_n与吸能电阻R_n串联，再与储能电容C_n并联，第一晶闸管VT_n1、第二晶闸管VT_n2并联，其负极与储能电容C_n串联，第三晶闸管VT_n3正极与储能电容C_n串联。其中储能电容器C_n要求有较高的储能容量；晶闸管均要求有较高的正向通流能力以及耐受反向电压的性能。第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组(一次侧)线圈匝数要大于第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组(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。为便于理解，将以子模块数等于3为例进行说明。

本实施例中，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：可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器与直流断路器串联的等效电路图如图6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5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主支路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，限流器耦合支路无法通过磁耦合并联进直流主支路中，限流器中电流的流通路径如图7a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第一、第二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，导致第一、第二直流主支路绕组电感值迅速变大，对短路故障电流进行有效限制。此时由于所有晶闸管均未导通，耦合支路依旧无法导通，限流器中电流的流通路径如图7b所示。

在直流断路器动作时，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，此时导通3个子模块的第一晶闸管VT₀₁，VT₁₁，VT₂₁，以及第三晶闸管VT₀₃，VT₁₃，VT₂₃，其通流方向与限流器上的反压方向相同，因此耦合支路导通，此时限流器中电流的流通路径如图7c所示。直流故障电流通过磁耦合的方式给储能电容C₁、C₂和C₃并联充电。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，此时限流器中电流的流通路径如图7d所示。由于故障电流流入限流器的耦合支路中，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。

3个子模块中储能电容C₁、C₂和C₃充电完成后，直流断路器进行重合闸操作，若没有检测到故障依旧存在，则导通3个子模块中的机械开关S₁、S₂和S₃通过3个子模块中吸能电阻R₁，R₂，R₃耗能，此时限流器中电流的流通路径如图7e所示。若直流断路器重合闸时检测到故障依旧存在，则导通3个子模块中的第二晶闸管VT₀₂，VT₁₂，VT₂₂，此时限流器中电流的流通路径如图7e所示。电容C₁，C₂，C₃开始串联放电，发挥主动限流作用，能进一步提升第二次限流的性能。之后直流断路器进行第二次开断操作，切除故障电流。

可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器的完整工作流程图如图8所示。

本实施例中，三种限流器(SAFCL，TFCL,100mH平波电抗器)的限流效果对比如图9所示。可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器(Secondary active limiting faultcurrent limiter,SAFCL)的第一次限流性能与传统磁饱和铁心直流限流器(traditionalfault current limiter,TFCL)相当，强于100mH平波电抗器23.1％。其第二次限流性能强于传统磁饱和铁心直流限流器33.2％，强于100mH平波电抗器48.6％。在三种限流器配合直流断路器使用时，直流断路器上的吸能对比如图10所示，与可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器配合时，直流断路器的吸能相较于第一次降低了72.7％。直流断路器比与传统磁饱和铁心直流限流器配合时第二次吸能降低了92％，比与平波电抗器对比时，第二次吸能降低了71.4％。在三种限流器配合直流断路器使用时，直流断路器上的过电压对比如图11所示。与可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器配合时，直流断路器的过电压相较于第一次降低了7.4％。直流断路器比与传统磁饱和铁心直流限流器配合时第二次过电压降低了18.4％，比与平波电抗器配合时，第二次吸能降低了14.1％。

仅就直流断路器第一次开断而言，可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器相比于传统磁饱和铁心直流限流器配合直流断路器，降低了断路器过电压峰值11.9％，降低了吸能71.1％。相比于平波电抗器配合直流断路器，降低了断路器过电压峰值17.7％，降低了吸能40.5％。

最后设计了一台220V容量的可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器实验样机，实验结果如图12所示，由图可见，本实施例的故障限流器具备二次主动限流能力，其二次限流能力相较于第一次限流能力提升了26％。

本实施例中，可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器在直流断路器第一次开断时能发挥优越的限流性能，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。同时在直流断路器重合闸于永久性故障时，主动限流，提升第二次限流性能，同时能进一步降低直流断路器第二次开断的电气应力。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：包括铁心、第一直流主支路绕组、第二直流主支路绕组、第一耦合支路绕组、第二耦合支路绕组、耦合支路、第一永磁体和第二永磁体；铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱、分别位于上下两端的上横轭和下横轭，上横轭中间嵌入第一永磁体，下横轭中间嵌入第二永磁体；第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组分别绕制于左铁心柱和右铁心柱上，并串联接入直流电网，第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组采用紧耦合的方式绕制于第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组外侧，并连接耦合支路；耦合支路为n个子模块SM₁，SM₂，_…SM_n并联组成，n为正整数；各子模块包含储能电容C_n、吸能电阻R_n，机械开关S_n、第一晶闸管VT_n1、第二晶闸管VT_n2和第三晶闸管VT_n3；机械开关S_n与吸能电阻R_n串联，再与储能电容C_n并联，第一晶闸管VT_n1、第二晶闸管VT_n2并联，其负极与储能电容C_n串联，第三晶闸管VT_n3正极与储能电容C_n串联。

2.根据权利要求1所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：左铁心柱和右铁心柱截面为圆形、椭圆形或矩形。

3.根据权利要求2所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：左铁心柱、右铁心柱截面为矩形，其截面积和长度均相同；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横轭的截面积，且厚度相同，尺寸结构大小相同；左铁心柱、右铁心柱的截面积小于第一永磁体、第二永磁体的截面积。

4.根据权利要求1所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：第一永磁体、第二永磁体均采用稀土永磁体材料钕铁硼；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。

5.根据权利要求1所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，直流系统电流由第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈顶端流入底端流出；第一直流主支路绕组线圈和第二直流主支路绕组线圈在铁心中产生逆时针方向的磁通；第一耦合支路绕组线圈和第二耦合支路绕组线圈的缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，导通时在铁心中产生逆时针方向的磁通。

6.根据权利要求1所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：左铁心柱、右铁心柱在电网正常状态下处于临界饱和状态，铁磁材料B-H曲线的拐点处，以保证故障时左铁心柱、右铁心柱退饱和速度。

7.根据权利要求1所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组线圈匝数大于第一耦合支路绕组和第二耦合支路绕组线圈匝数；耦合支路位于低压侧。

8.根据权利要求1-7任意一项所述可二次主动限流的磁饱和铁心直流故障限流器的限流方法，其特征在于：包括以下步骤：

在正常工作情况下，电网工作电流小，第一永磁体和第二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、右铁心柱受第一永磁体和第二永磁体的影响饱和；铁心饱和时的磁导率约等于空气磁导率，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，并使两个直流主支路绕组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；同时铁心处于磁饱和状态，耦合支路处于断开状态；

在故障发生时，直流系统电流增大，第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组与第一永磁体和第二永磁体产生的磁通方向相反，使得左铁心柱和右铁心柱迅速退饱和；退出饱和后的铁心磁导率上升，导致第一直流主支路绕组和第二直流支路绕组电感值增大，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所有并联子模块的第一晶闸管和第三晶闸管VT₀₁，VT₀₃，VT₁₁，VT₁₃，…VT_n1，VT_n3的导通电压方向相同，耦合支路通过磁耦合与直流主支路并联，故障电流流入耦合支路对所有并联子模块的电容C₁,C₂ , …C_n进行充电，减小了直流断路器的过电压、吸能，同时储存大量能量；若断路器重合闸永久性故障时，则导通所有并联子模块的第二晶闸管VT₀₂，VT₁₂，VT₂₂，…VT_n2，VT_n2，所有并联子模块的电容C₁, C₂ , …C_n通过晶闸管进行串联放电，并利用储存的能量进行主动限流；若断路器重合闸时故障已消除，系统已恢复正常，则导通所有并联子模块的机械开关S₁, S₂ , …S_n，所有并联子模块的电容C₁, C₂ , …C_n通过电阻R₁, R₂ , …R_n同时进行放电，消耗掉所储存的能量；

在故障排除后，故障电流减小，限流器的工作状态恢复线路正常运行时的状态，限流器的整体阻抗值减小，不会对系统的正常运行产生影响。