并联型超导故障限流器 【技术领域】
本发明属电磁设备技术领域，尤其涉及一种超导故障限流器。背景技术 在利用饱和电抗器原理设计的一些设备中，如饱和铁心型超导故障限流器等， 主要由电抗系统、直流控制系统、低温系统等几部分组成，其中电抗系统主要由铁心、 交流绕组和直流励磁绕组组成。 对于三相饱和铁心型超导故障限流器来说，每相有 2 个 铁心 21、2 个交流绕组 22、23 和一个直流励磁绕组 24，2 个交流绕组以一定的方式串联 后再串接在电网 100 中，使 2 个交流绕组产生的磁场在直流铁心柱上相互抵消，从而减小 交流感应电压对直流励磁绕组的影响，同时保证稳态低阻和限流态高阻的性能指标。 工 作原理如图 3 所示。
对于 2 个交流绕组串联的超导限流器来说，稳态阻抗为 2 个交流绕组阻抗的串 联，只要有一个交流绕组上的大阻抗，则整个限流器的稳态阻抗就很大。 这就要求限流 器稳态工作时，需要足够大的直流励磁使 2 个交流铁心柱都达到深度饱和状态。 在某一 时刻，直流励磁与一个交流铁心柱的磁通方向相同，则与另一个交流铁心柱的磁通方向 相反，为此直流励磁的静态工作点 H 必须达到 10000A/m 以上，而且直流铁心柱与交流铁 心柱截面积必须采用一定的倍数，才能使两个交流铁心柱达到要求的饱和深度，从而满 足限流器稳态工作时的低阻抗指标。
超导限流器电抗系统的材料费用主要有铁心、交流绕组用普通铜导线或铝导线 和直流励磁绕组用超导材料，这三种材料的费用比例大概为 6 ∶ 1 ∶ 11。 而占据材料比 例最大的超导线材的材料成本较高，相对来说整体制造的成本较高。
发明内容 本发明的目的是提供一种并联型超导故障限流器，可以大大降低超导线材的用 量，进而降低整体制造成本。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案 ：
一种并联型超导故障限流器，包括有电抗系统、直流控制系统和低温系统，其 中，电抗系统每相由两个铁心、接在电网中的两个交流绕组和直流励磁绕组组成 ；所述 的两个交流绕组采用并联方式连接在电网中，且两个交流绕组为同相。
所述直流励磁绕组的直流铁心柱与交流绕组的交流铁心柱截面比为 1.01 ～ 10。
本发明是一种同相两个交流绕组并联连接的饱和铁心型超导故障限流器，尤其 适用于有直流励磁绕组偏磁，使交流铁心柱深度饱和的松耦合结构的饱和铁心型的电磁 设备。
本发明的优点是 ：
1、改变直流励磁偏磁的静态工作点，进而降低超导材料的用量，从而减小直流 控制系统的功率。
2、在不降低限流器整体性能指标的前提下，可以减小直流铁心柱与交流铁心柱 截面比，减少铁心材料 ( 硅钢片 ) 的用量 ；同时可以减小限流器的整体体积。
3、减小交流感应电势对直流回路的影响，降低了直流控制回路设计制作的难 度；
4、超导材料用量大大减少，使得饱和铁心型超导限流器整体制造成本大大降 低。 附图说明
图 1 为本发明并联型超导故障限流器构成原理示意图。 图 2 为本发明超导故障限流器工作的 B-H 曲线。 图 3 为现有技术串联型超导故障限流器构成原理示意图。 下面结合附图及具体实施例对发明做进一步详细说明 ：具体实施方式
本发明并联型超导故障限流器包括有电抗系统、直流控制系统和低温系统，参 阅图 1 所示，其电抗系统由铁心 1、接在电网 100 中的两个交流绕组 2、3 和直流励磁绕组 4 组成 ；所述的两个交流绕组 2、3 采用并联方式连接在电网中 ( 其中 ：为开关 ；DC 为直 流电源 )，且两个交流绕组为同相。
所述直流励磁绕组的直流铁心柱与交流绕组的交流铁心柱截面比为 1.01 ～ 10。
以下分三方面分析并联型超导故障限流器与串联型超导故障限流器的区别。
(1) 稳态时，直流稳态工作点改变，大大降低了超导带材的用量。
根据超导故障限流器的工作原理，其铁心 B-H 曲线如图 2 所示。 图中 B- 磁感 应强度， H- 磁场强度， Bt、 Bs、 Bz 分别代表限流器稳态工作时最大退磁点的磁感应强 度，静态工作点和最大增磁点的磁感应强度 ；Hk-Hacm、 Hk、 Hk+Hacm 分别为对应的 磁场强度。 在现有情况下，为使通流态交流绕组压降小，并降低励磁直流回路受到的感 应电势，同相两个交流绕组分别套住的两个交流铁心柱均应该是深饱和的。 不仅处于增 磁状态的交流铁心柱铁心要深度饱和，而且处于退磁状态的另一个交流铁心柱铁心也要 具有相当的饱和深度。 这样就迫使交流铁心柱铁心的 B ～ H 静态工作点设置到很深的饱 和区内，如图 2 所示。 两个交流绕组改为并联连接后，只要有一个支路为低阻抗，那么 整个限流器的稳态阻抗就为低阻抗。 由此可知，交流绕组并联连接后，使增磁支路达到 低阻抗，退磁支路达到磁通与直流磁通方向相同，同时满足通过交流绕组的电流波形为 正弦即可。 根据 Matlab 仿真结果，这时限流器的静态工作点 Hk 可以只选在 2000A/m 甚 至更低，但对于直流励磁来说，可能有一个数量级的差别。 另外，直流铁心柱与交流铁 心柱的截面比也会大大减小，其意味着直流励磁绕组用超导材料大大减少。
(2) 稳态时，减小了交流感应电势对直流绕组的影响，降低了直流控制系统的要 求。
对于三相饱和铁心型超导故障限流器来说，三相交流绕组与负载连接，交流侧 在直流绕组中感应产生的基波和 2、4、5 次谐波电势相位互差 120° 而抵消，感应产生 6、12、 …次谐波的电势，其幅值相对比较小。 工作绕组并联时，每相直流绕组间可以流通偶次谐波电流，直流绕组两端感应产生的偶次谐波电势很小。
(3) 限流态，相同交流铁心柱，达到相同的限流效果，交流绕组匝数为串联时的 2 倍，即普通铜导线或铝导线用量为串联时的 2 倍。
交流绕组由串联改为并联后，消弱了限流器的限流能力，因此必须以增加交流 绕组匝数来补偿。 前面第三点已述及，从整体考虑，限流器的成本与体积，交流绕组 铜导线或铝导线用量只占总成本的 1/18，即使交流绕组用量为原来的 2 倍，则也只占到 主材成本的 1/9。 反过来，超导材料用量即使没有数量级的变化，保守说只降为原来的 1/2，暂且不考虑铁心材料的节省，那么三种主要材料的费用比例由原来的 6 ∶ 1 ∶ 11 变 为 6 ∶ 2 ∶ 5.5，则总成本可以下降 25％，这是个非常可观的数字。
另外在限流态，直流控制系统迅速检测到短路电流并及时切断直流回路，此时 两个交流绕组自然均流，流过限流器单个交流绕组的短路电流将减小，短路电动力和热 稳定将大大降低，增强了限流器的抗短路能力。
综合上述几方面益处，两个交流绕组并联将是超导限流器推向产业化过程中的 一个新的转折点。
上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含 及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明 ：
在达到相同限流能力和稳态阻抗的前提下，制作了一单相 380V/20A 饱和铁心型 超导故障限流器模型样机，对该模型的两个交流绕组分别串联和并联两种情况下的材料 用量进行了对比。 以下以电压 220V、电流 20A 的试验数据说明串联与并联的差别。
1、串联型超导故障限流器
(1) 设计参数 ：单个交流绕组匝数 30 匝 ；直流绕组匝数 120 匝 ；直流电流 30A。
(2) 性能参数 ：稳态阻抗 ：0.4Ω ；系统预期短路电流 ：180A ；限制电流有效 值 ：38.9A。
(3) 主材料用量 ：超导带材长度 ：19.78m ；硅钢片用量 ：2.54kg ；铜用量 ： 0.85kg ；
主材总费用 ：2240.7 元。
2、并联型超导故障限流器
(1) 设计参数 ：单个交流绕组匝数 60 匝 ；直流绕组匝数 60 匝 ；直流电流 30A。
(2) 性能参数 ：稳态阻抗 ：0.35Ω ；系统预期短路电流 ：170A ；限制电流有效 值 ：40A。
(3) 主 材 料 用 量 ：超 导 带 材 长 度 ：9.89m ；硅 钢 片 用 量 ：2.54kg ；铜 用 量 ： 1.7kg ；
主材总费用 ：1311.2 元。
比较两者可以看出，铁心相同，并联时主材料费用比串联减少了 41.5％，超导 带材比原来节省了 9.89m，节约了 50％，费用节约 989 元 ；而铜材用量只增加了 0.85kg， 费用增加了 59.5 元。
以上数据仅为 380V/20A 限流器的数据，对于电压等级更高、容量更大的限流器来说，超导材料用量降低为原来的 1/2，其费用尤为可观。
本发明可以大大降低饱和铁心型超导限流器的制造成本，主要体现在 ：(1) 可 以降低直流铁心柱与交流铁心柱的截面比，降低铁心材料用量，同时可以减小限流器的 整体体积 ；(2) 改变直流励磁偏磁的静态工作点，进而降低超导材料的用量 ；(3) 与串 联型相比，可以减小交流感应电势对直流绕组的影响，间接地降低对直流控制系统的要 求。
本发明新型的超导限流器与串联型超导故障限流器相比，将带来多方面益处， 对于超导限流器产业化进程来说是一个实质性的进步 ；将有可能成为超导限流器进一步 推向产业化的突破口。