永磁偏置式故障电流限制器.pdf

本发明公开了一种永磁偏置式故障电流限制器。它将永磁偏置饱和技术应用于限制输配电线路的短路电流，使输配电线路中的用电设备安全运行。本发明与传统的限流技术相比，结构简单，无需任何附加电源与控制装置，响应时间快且具有自恢复功能，研制成本较其它类型故障电流限制器低廉，其结构为：它包括一对相互配合的铁芯，在铁芯的两端分别设有一个永磁体，在两铁芯上还分别设有铜线绕组。

1.  一种永磁偏置式单相故障电流限制器，其特征是，它包括一对相互配合的铁芯，在铁芯的两端分别设有一个永磁体，在两铁芯上还分别设有铜线绕组。

2.  一种永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，它包括一对三分叉星形铁芯，在两铁芯的各个分叉臂的端部及铁芯中部对应的位置夹装有相应的永磁体，同时在各铁芯分叉臂上还设有铜线绕组，相邻铁芯分叉臂间的夹角为120°，各铁芯分叉臂与三相交流电的A、B、C三相分别对应。

3.  如权利要求1或2所述永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，所述铁芯冷轧硅钢片剪裁叠合而成或采用软磁铁氧体。

4.  如权利要求2所述的永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，所述铜线绕组共有六个，分别绕在横置三分叉星形铁芯的铁芯分叉臂上，每一相的两个铁芯上对应的铜线绕组的同名端连接，然后再分别串接在A、B、C三相供电网络中。

5.  如权利要求2所述的永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，所述永磁体由四个，其中三个夹装在铁芯分叉臂端部的永磁体为长方体，夹装在三分叉星形铁芯中部的铁芯为圆柱体。

6.  如权利要求3所述的永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，所述冷轧硅钢片的厚度为0.30～0.35毫米。

7.  如权利要求1所述的永磁偏置式三相故障电流限制器，其特征是，所述铁芯端部或三分叉星形铁芯处的各永磁体的横截面积相等且均大于铁芯横截面积；三分叉星形铁芯中心处的永磁体的截面积与铁芯的截面积相等。

永磁偏置式故障电流限制器
技术领域
本发明涉及一种主要应用于电力输配电设备保护的短路电流限制技术，特别是一种永磁偏置式故障电流限制器。
背景技术
随着电能需求的迅速增长，电网的规模和容量不断扩大，导致电力系统的短路电流水平日益增高，部分变电站的短路电流已超出现有开关设备的额定开断能力。短路电流过大，不仅会引起电力系统电压和频率不稳定，而且会产生强烈的热效应和电动力冲击，损坏电气设备及其绝缘。再者，由此带来的跨步电压、对通讯系统的电磁干扰等问题也日益严重。为保证电力系统的安全、可靠与稳定运行，这就需要更新电网内各种输变电设备以满足短路电流水平增高所带来的更加苛刻的要求，然而这会大大增加电网投资成本，甚至可能导致电网无高压断路器可选。因此，限制短路电流已成为当代电网发展中一个不可回避的重大技术和经济问题。
传统的短路电流限制措施主要有：(1)在电网结构上，考虑提高电压等级、分割母线或系统以及对大容量机组电厂采用单元接线等方法；(2)在运行方式上，采用变压器中性点不接地或中性点小电阻接地方式，以及在穿越功率最小处将环形网络解环运行等；(3)在电气设备上，考虑采用电抗器和高阻抗变压器等措施。
然而，改造电网结构的造价非常高；改变运行方式将导致电力系统运行可靠性的降低；采用高阻抗变压器和串联电抗器将显著增加网络损耗并降低电网运行稳定性。尽管上述措施可一定程度上解决电网短路电流的抑制问题，但无一例外地将对电网运行的灵活性、可靠性和经济性带来不同程度的负面影响。为此必须寻求适应电力系统发展、安全可靠、切实可行的限制电力系统短路电流的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种永磁偏置式故障电流限制器，它将永磁偏置饱和技术应用于限制输配电线路的短路电流，使输配电线路中的用电设备安全运行。本发明与传统的限流技术相比，结构简单，无需任何附加电源与控制装置，响应时间快且具有自恢复功能，研制成本较其它类型故障电流限制器低廉，是目前最为经济、实用、可靠的故障限流技术之一。随着磁性材料和磁路拓扑研究的不断发展，该故障电流限制器在高压电力系统中的应用前景广阔。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种永磁偏置式单相故障电流限制器，它包括一对相互配合的铁芯，在铁芯的两端分别设有一个永磁体，在两铁芯上还分别设有铜线绕组。
一种永磁偏置式三相故障电流限制器，它包括一对三分叉星形铁芯，在两铁芯的各个分叉臂的端部及铁芯中部对应的位置夹装有相应的永磁体，同时在各铁芯分叉臂上还设有铜线绕组，相邻铁芯分叉臂间的夹角为120°，各铁芯分叉臂与三相交流电的A、B、C三相分别对应。
所述铁芯冷轧硅钢片剪裁叠合而成或采用软磁铁氧体。
所述铜线绕组共有六个，分别绕在横置三分叉星形铁芯的铁芯分叉臂上，每一相的两个铁芯上对应的铜线绕组的同名端连接，然后再分别串接在A、B、C三相供电网络中。
所述永磁体由四个，其中三个夹装在铁芯分叉臂端部的永磁体为长方体，夹装在三分叉星形铁芯中部的铁芯为圆柱体。
所述冷轧硅钢片的厚度为0.30～0.35毫米。
所述铁芯端部或三分叉星形铁芯处的各永磁体的横截面积相等且均大于铁芯横截面积；三分叉星形铁芯中心处的永磁体的截面积与铁芯的截面积相等。
本发明的优点在于，基于此拓扑的永磁偏置式三相故障电流限制器结构简单，运行安全可靠，响应速度快。无需任何附加电源与控制装置，响应时间快且具有自恢复功能，有多次自启动功能，可用于自动重合闸场合。正常工作状态对系统影响很小，可以忽略，短时状态下可有效实现限流。研制成本较其它类型故障电流限制器低廉，在高压电力系统中的应用前景广阔。
附图说明
图1为永磁偏置式单相故障电流限制器的拓扑结构；
图2为永磁偏置式三相故障电流限制器的拓扑结构(正视图)；
图3为永磁偏置式三相故障电流限制器的拓扑结构(俯视图)；
图4为永磁偏置式三相故障电流限制器的拓扑结构(左视图)；
图5为永磁偏置式故障电流限制器的Ψ-i曲线。
其中，1.铁芯，2.永磁体，3.铜线绕组。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
图1为永磁偏置式单相故障电流限制器的拓扑结构图。其中，永磁偏置式三相故障电流限制器可等效为三个永磁偏置式单相故障电流限制器共用一个永磁体，即一体化后而成。两铁芯1呈横置直线型，两铜线绕组3分别绕在各自横置直线型铁芯1上，两永磁体2分别夹在两铁芯1中间。
实施例2：
图2、图3和图4给出了一种永磁偏置式三相故障电流限制器，其包括：
二个铁芯1呈横置三分叉星形，由冷轧硅钢片剪裁叠合而成；
六个铜线绕组3，分别绕在横置三分叉星形铁芯的分叉臂上，每一相的两个铁芯上对应的铜线绕组的同名端连接，分别串联在A、B、C三相供电网络中；
四个永磁体2，其中，有三个永磁体2位于三分叉星形铁芯1分叉臂的端部，并夹在两个铁芯1的中间，均为长方体结构；另外一永磁体2位于三分叉星形铁芯1的中心，并夹在两个铁芯1的中间，为圆柱体结构。
冷轧硅钢片的厚度为0.30～0.35毫米。
两个横置三分叉星形铁芯1的外形完全相同。
除中间公用的永磁体外，所述永磁体的横截面积相等且均大于铁芯横截面积；中心处公用永磁体的截面积与铁芯的截面积相等。
为减小铁芯的损耗，本发明的全部铁芯结构件无闭合电回路，并保证铁芯各部位的绝缘，以避免由于漏磁穿越结构件所产生的附加损耗和结构件发热。另外，铁芯的压紧螺杆和拉紧螺杆均采用低导磁不锈钢材料，以减少漏磁切割时产生的附加损耗和发热。
下面结合附图5所示的永磁偏置式三相故障电流限制器的Ψ-i曲线，进一步说明本发明限制故障电流的基本原理。具体实施时，需要两个结构完全相同的永磁偏置式三相故障电流限制器串联后，与供电网络串联连接，目的是分别限制故障电流的正、负半波。由于永磁偏置式三相故障电流限制器中每一相都具有相同的限流原理，这里以A相单元为例进行说明，永磁偏置式单相故障电流限制器的限流原理与A相单元相同。如图5所示，永磁偏置式三相故障电流限制器中A相单元的对外阻抗可以通过Ψ-i曲线(Ψ代表磁通链，i代表铜线绕组上的电流)进行说明。其中，无永磁偏置时单个铁芯的磁化曲线，可用图5中的曲线1表示，中间为饱和区IV其余为线性区V；当加入永磁偏置时，两个铁芯的磁化曲线分别如曲线2、3所示，其中曲线2、3与曲线1形状完全相同，且曲线2与3关于Ψ轴对称；曲线4由曲线2、3叠加而成，是永磁偏置式三相故障电流限制器对外表现的磁化曲线。
当系统正常工作时，永磁体产生一很强的直流偏置磁场，使铁芯处于深度饱和状态。永磁偏置式三相故障电流限制器工作于其Ψ-i曲线的I段。额定电流通过绕组产生的交变磁场不足以使铁芯脱离饱和区域，此时该绕组表现为低感抗状态，永磁偏置式三相故障电流限制器对系统的影响很小。此时|Ψ|≤Ψ₁，永磁偏置式三相故障电流限制器对外的电抗很小，即
L=2tanα1=2N2μ1μmSuSmμ1luSm+μmlmSu---(1)]]>
式(1)中，L为永磁偏置式三相故障电流限制器的对外电抗，N为铜线绕组的匝数，μ₁为永磁偏置式三相故障电流限制器工作在Ψ-i曲线的I段时铁芯微分磁导率，μ_m为永磁体的回复系数，S_u与S_m分别为铁芯与永磁体的横截面积，l_u与l_m S_m分别为铁芯与永磁体的长度。α₁为曲线3的饱和区IV与i轴的夹角。
当系统出现短路故障时，瞬间增大的电流使绕组产生的磁动势增加至足够抵消永磁体的磁动势，永磁偏置式三相故障电流限制器的某一组铁芯的工作点将从饱和区进入线性区域，使绕组产生很大的感生电动势，对外表现为高电抗，从而限制了短路电流。永磁偏置式三相故障电流限制器工作于其Ψ-i曲线的II段。此时Ψ₁≤|Ψ|≤Ψ₂，永磁偏置式三相故障电流限制器对外产生很大的电抗，开始限制故障电流，即
L=tanα1+tanα2=N2μ1μmSuSmμ1luSm+μmlmSu+N2μ2μmSuSmμ2luSm+μmlmSu---(2)]]>
式(2)中，μ₂为永磁偏置式三相故障电流限制器工作在Ψ-i曲线的II段时铁芯微分磁导率。α₂为曲线3的线性区V与i轴的夹角。
若短路电流继续增大到某一值时，交变电流产生的磁动势有可能使铁芯进入反向饱和状态。永磁偏置式三相故障电流限制器工作于其Ψ-i曲线的III段。此时Ψ₁≤|Ψ|≤Ψ₂，永磁偏置式三相故障电流限制器失去限流能力，即
L=2tanα1=2N2μ1μmSuSmμ1luSm+μmlmSu---(3)]]>
针对不同电压等级的电网系统，基于本发明的限流拓扑可研制不同型号的永磁偏置式三相故障电流限制器，下面列举两种型号的永磁偏置式三相故障电流限制器。
一：110V永磁偏置式三相故障电流限制器
技术指标：额定电压110V，额定电流4kA，限制电流40kA，响应时间5ms。
需要软磁铁氧体35公斤，用于制作铁芯；需要钕铁硼永磁材料10公斤，用于制作永磁体；需要铜导线材1.5公斤，用于制作铜线绕组。
二：10kV永磁偏置式三相故障电流限制器
技术指标：额定电压10kV，额定电流1kA，限制电流10kA，响应时间5ms。
需要0.30毫米冷轧硅钢片2100公斤，用于制作铁芯；需要钕铁硼永磁材料470公斤，用于制作永磁体；需要铜导线材45公斤，用于制作铜线绕组。