CN105391039B - 一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，包括磁芯和线圈绕组，磁芯包括中柱和位于中柱两边的左边柱、右边柱，中柱的上下两端各有上横轭、下横轭，上横轭中镶嵌有第一永磁体和第三永磁体，下横轭中镶嵌有第二永磁体和第四永磁体，上横轭、下横轭的两端与左边柱、右边柱相连接，其中部与中柱相接；线圈绕组包括绕制在左边柱上的第一线圈、第二线圈，绕制在右边柱上的第三线圈、第四线圈，第一线圈与第三线圈的同名端并联，第一线圈与第四线圈的异名端串联，第三线圈与第二线圈异名端串联，第二线圈与第四线圈同名端并联。本发明将永磁体和磁控电抗器两种技术结合起来对短路故障电流进行限制，限流效果好，可靠性高且成本较低。

Description

一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器
技术领域
本发明属于高压电器设备技术领域，涉及一种用于限制交流输电网故障电流的设备，具体来说涉及一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器。
背景技术
随着我国经济的快速持续发展，用电需求量不断增加，电力***规模也随之日益增大。电力***电网容量的不断增大，随之带来的也有***中短路电流水平不断增加，部分短路故障电流水平甚至超过断路器的遮断容量，且上升趋势越来越明显，这严重威胁电力***的安全稳定运行。目前，限制电网短路电流水平的主要措施有：提升电压等级，实现电网分层分区管理；串联电抗器；安装故障限流器。提升电压等级和串联电抗器都存在各自的局限性与缺陷，因此不能广泛使用。短路故障限流器则克服了相关局限性，但仍然存在提升的空间。
随着故障限流器的发展，现有以下几种最为常见的类型：固态故障限流器，超导故障限流器，磁饱和型故障限流器。固态故障限流器对其所使用的半导体器件要求较高，在故障发生时半导体器件必须能够承受较高的过电压，大量电力电子器件的使用使得装置成本较高且可靠性较差。超导故障限流器，超导体的应用则常常是在磁饱和型限流器中用来饱和铁芯的，但是其对维护技术的高要求以及高昂的造价大大限制了超导技术的实际应用。磁饱和型故障限流器，存在的一个主要问题就在于其需要直流励磁绕组提供足够的磁动势对磁芯进行偏置，对直流偏置电压的高要求导致磁饱和型故障限流器同样存在成本高的问题。
在非专利文献1(袁佳歆，《Performance Investigation of a Novel PermanentMagnet-Biased Fault-Current Limiter》，IEEE Transaction on magnetics)中公开了如下一种限流器的结构，如，包括两个口字型磁芯以及线圈绕组，两个口字形磁芯的结构完全相同，两个口字形磁芯并列放置，永磁体镶嵌在磁芯中对铁芯进行偏置；四个线圈分别缠绕在两个口字型磁芯的铁芯上，在铁芯饱和以及非饱和的状态的阻抗值相差较大；在永磁体偏置作用下，铁芯处于饱和状态，线圈阻抗值较低，对***影响较小；在较大故障电流作用下，两个口字型磁芯中的铁芯交替退出饱和，相应的缠绕在两个磁芯上的线圈的阻抗值交替发生变化，使限流器串入***的阻抗值增大，起到限流作用。但由于两个口字型磁芯以及相应所需的永磁体的用量较大，导致其不适于工业化大量生产；磁芯的结构参数对装置的性能有较大的影响，而非专利文献1未对结构参数的选择进行具体阐述。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种较非专利文献1所述结构更为紧凑，使用磁芯材料以及永磁材料更少，更加有利于工业化生产，合理选择磁芯结构参数优化性能的故障限流器。
为解决上述技术问题，提出将永磁体和磁控电抗器两种技术结合起来对短路故障电流进行限制，可实现对故障的快速响应，采用稀土永磁材料能够降低对直流磁动势的要求，降低限流器的损耗。
本发明所采用的技术方案是：一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，包括磁芯和线圈绕组，所述磁芯包括中柱103和位于所述中柱103两边的左边柱101、右边柱102，所述中柱103的上下两端各有上横轭201、下横轭202，所述上横轭201中镶嵌有第一永磁体301和第三永磁体303，所述下横轭202中镶嵌有第二永磁体302和第四永磁体304，所述上横轭201、下横轭202的两端分别与所述左边柱101、右边柱102相连接，其中部与所述中柱103相接；所述线圈绕组包括绕制在所述左边柱101上的第一线圈1、第二线圈2，绕制在所述右边柱102上的第三线圈3、第四线圈4，所述第一线圈1与所述第三线圈3的同名端并联，所述第一线圈1与所述第四线圈4的异名端串联，所述第三线圈3与第二线圈2异名端串联，所述第二线圈2与所述第四线圈4同名端并联；所述上横轭201和下横轭202的长度相等，截面积相等，且截面积大于所述左边柱101或右边柱102的截面积；所述中柱103的截面积大于二倍左边柱101或右边柱102的截面积，且大于上横轭201或下横轭202的截面积。
优选的，所述磁芯关于所述中柱103的中心线成轴对称。
优选的，所述上横轭201左侧中部和右侧中部分别镶嵌有所述第一永磁体301、第三永磁体303，所述下横轭202左侧中部和右侧中部分别镶嵌有所述第二永磁体302、第四永磁体304；所述第一永磁体301与第二永磁体302励磁方向相同，所述第三永磁体303与第四永磁体304励磁方向相同，所述第一永磁体301与第三永磁体303励磁方向相反，所述第一永磁体301、第二永磁体302、第三永磁体303和第四永磁体304的厚度相同，其截面积与所在的横轭截面积相等。
优选的，所述永磁体采用稀土永磁材料。
优选的，所述左边柱101、右边柱102、中柱103、上横轭201、下横轭202的截面为圆形、椭圆形或矩形，所述左边柱101、右边柱102、中柱103长度相等，且所述左边柱101和右边柱102的截面积相等，其上分别绕制的线圈绕组为上、下层布置或内、外层布置。
优选的，所述第一线圈1、第二线圈2、第三线圈3和第四线圈4的匝数相等。
本发明的工作原理：
将电抗值可调的磁饱和电抗器与输电线路串联，实现对短路故障电流的限制。
本发明的工作流程:
在线路正常运行时，在线路电流的正方向的半个周期内，左边柱铁芯上的第一线圈和第二线圈所产生的交流磁场方向与永磁体偏置磁场方向一致，在相互叠加的磁场的偏置作用下，左边柱铁芯进入深度饱和状态；右边柱铁芯上的第三线圈和第四线圈所产生的交流磁场方向与永磁体偏置磁场方向相反，但在线路正常运行时，线圈产生的交流磁场小于永磁体偏置磁场，在相互抵消的磁场的偏置作用下，右边柱铁芯仍然处于饱和状态；在线路电流的负半周，过程与上述相反，但两侧左、右边柱铁芯都处于饱和状态；因此，在线路正常运行时，交流线圈绕组在输电线路中呈现的阻抗值较小，能有效降低电压损耗和能量损耗。
当输电线路发生短路故障时，电流迅速增大，且短路电流大于最大负荷电流。因此，各线圈产生的交流磁场将大于永磁体偏置磁场；在短路电流正半周，左边柱铁芯上的第一线圈和第二线圈所产生的交流磁场增大，且方向与永磁体偏置磁场方向一致，左边柱铁芯的饱和程度加深，第一线圈、第二线圈的阻抗值仍然较小；右边柱铁芯上的第三线圈和第四线圈所产生的交流磁场也增大，由于线圈产生的交流磁场大于永磁体偏置磁场，且方向相反，右边柱铁芯则退出饱和状态，第三线圈、第四线圈的阻抗值则迅速增加；在短路电流负半周，左边柱铁芯则退出饱和状态，第一线圈、第二线圈的阻抗值迅速增加，右边柱铁芯又再次进入饱和状态，第三线圈、第四线圈的阻抗值又再次减小；因此在故障发生时，左边柱铁芯和右边柱铁芯交替退出饱和状态，故障限流器的交流绕组整体的阻抗值显著增大，迅速将输电线路的阻抗值提高，用以限制线路的短路电流，保障线路安全。
本发明的有益效果：
1.以永磁体代替直流线圈绕组作为励磁偏置源，在保证线路正常运行时磁芯处于饱和状态的基础上，有效地降低装置损耗和成本；
2.四个线圈绕组通过一种巧妙的连接方式串并联在一起，在保证故障限流器正常工作的前提下，减小了各线圈绕组中的正常工作电流，降低了对永磁体所提供的永磁磁动势的要求，同时有效降低各线圈绕组中的故障电流，降低永磁体退磁以及磁芯反相饱和的可能性，提高装置的可靠性。
3.无需额外的控制***，在故障发生时，限流器能自动对故障作出响应，迅速增大阻抗值，有效限制短路故障电流；
4.采用稀土永磁材料能够降低对直流磁动势的要求，降低限流器的损耗。
5.相较非专利文献1所述限流器，本发明在保证限流效果明显的前提下，装置更加紧凑体积小，将原本两个口字型磁芯整合为一个磁芯，节约铁磁材料以及永磁材料，工作损耗小，可靠性高，且成本较低，适用于电力***短路故障电流的限制，可有效维护电网安全稳定运行。
附图说明
图1：为本发明实施例的结构示意图；
图2：为本发明实施例磁芯示意图；
图3：是本发明实施例的工作原理图；
图4：为非专利文献1的结构示意图。
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。
如图1所示，一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，以下简称故障限流器，包括磁芯和线圈绕组，所述磁芯包括中柱103和位于所述中柱103两边的左边柱101、右边柱102，所述中柱103的上下两端各有上横轭201、下横轭202，所述上横轭201中镶嵌有第一永磁体301和第三永磁体303，所述下横轭202中镶嵌有第二永磁体302和第四永磁体304，所述上横轭201、下横轭202的两端分别与所述左边柱101、右边柱102相连接，其中部与所述中柱103相接；所述线圈绕组包括绕制在所述左边柱101上的第一线圈1、第二线圈2，绕制在所述右边柱102上的第三线圈3、第四线圈4，所述第一线圈1与所述第三线圈3的同名端并联，所述第一线圈1与所述第四线圈4的异名端串联，所述第三线圈3与第二线圈2异名端串联，所述第二线圈2与所述第四线圈4同名端并联。
本实施例故障限流器包括磁饱和电抗器和永磁体，将永磁体和磁饱和电抗器两种功能通过电路和磁路设计耦合到一起，其由一个磁芯以及四个线圈绕组构成。
本实施例永磁体采用钕铁硼永磁材料，这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；使用稀土永磁材料主要是为了降低对直流磁动势的要求，降低限流器的损耗
如图1所示，磁芯由左边柱101、右边柱102、中柱103、上横轭201、下横轭202、镶嵌在上横轭左侧中部的第一永磁体301、上横轭右侧中部的第三永磁体303、下横轭左侧中部的第二永磁体302以及下横轭右侧中部的第四永磁体304组成；左边柱101上绕有第一线圈1以及第二线圈2，右边柱102上绕有第三线圈3以及第四线圈4；所述的第一线圈1以及第二线圈2在左边柱101上采取内外层布置，所述的第三线圈3以及第四线圈4在右边柱102上采取内外层布置；所述的第一线圈1与第三线圈3同名端并联，所述的第一线圈1与第四线圈4异名端串联，所述的第三线圈3与第二线圈2异名端串联，所述的第二线圈2与第四线圈4同名端并联。接入输电线路运行时，左右两侧磁通均通过中柱103构成回路,交流电流在线圈绕组中形成的磁通与永磁体励磁产生的磁通共同作用于磁芯。
磁芯的左、右边柱截面可以为圆形、椭圆形或矩形。如图2所示，实施例中选择磁芯的左、右边柱的截面为矩形，左边柱101的截面积S1与右边柱102的截面积S2相等，两侧边柱长度相等；上横轭201的截面积S4和下横轭202的截面积S5相等，上下横轭长度相等；上横轭201与下横轭202的截面积S4、S5应大于左边柱101与右边柱102的截面积S1、S2，以保证在左、右边柱铁芯处于饱和状态时，横轭的铁芯仍然处于不饱和状态；中柱103的截面积S3应大于边柱截面积S1或S2的2倍，这是为了保证中柱103始终处于不饱和状态，为磁通的流通提供回路；第一永磁体301、第二永磁体302、第三永磁体303和第四永磁体304的截面积等于其所在的横轭的截面积，且这四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，磁芯结构关于中柱103中心线成轴对称。所述的永磁体的截面积即横轭的截面积S4或S5与边柱的截面积S1或S2之比和永磁体剩磁大小与铁芯饱和磁感应强度的比值有关。
如图3所示，本实施例故障限流器的工作原理是将电抗值可调的磁饱和电抗器与输电线路串联，实现对短路故障电流的限制。
本实施例工作过程为:在线路正常运行时，在线路电流如图1所示的正方向的半个周期内，左边柱101上的第一线圈1和第二线圈2所产生的交流磁场方向与永磁体偏置磁场方向一致，在相互叠加的磁场的偏置作用下，左边柱101的铁芯进入深度饱和状态；右边柱102上的第三线圈3和第四线圈4所产生的交流磁场方向与永磁体偏置磁场方向相反，但在线路正常运行时，线圈绕组产生的交流磁场小于永磁体偏置磁场，在相互抵消的磁场的偏置作用下，右边柱102的铁芯仍然处于饱和状态；在线路电流的负半周，过程与上述相反，但两侧边柱的铁芯都处于饱和状态；因此，在线路正常运行时，交流线圈绕组在输电线路中呈现的阻抗值较小，能有效降低电压损耗和能量损耗。交流电流的流通路径如图3(a)所示。
当输电线路发生短路故障时，电流迅速增大，且短路电流大于最大负荷电流。因此，各线圈绕组产生的交流磁场将大于永磁体偏置磁场；在短路电流正半周，左边柱101上的第一线圈1和第二线圈2所产生的交流磁场增大，且方向与永磁体偏置磁场方向一致，左边柱101的铁芯的饱和程度加深，第一线圈1、第二线圈2的阻抗值仍然较小；右边柱102上的第三线圈3和第四线圈4所产生的交流磁场也增大，由于线圈绕组产生的交流磁场大于永磁体偏置磁场，且方向相反，102右边柱的铁芯则退出饱和状态，第三线圈3、第四线圈4的阻抗值则迅速增加；此时交流电流的流通路径如图3(b)所示。在短路电流负半周，左边柱101的铁芯则退出饱和状态，第一线圈1、第二线圈2的阻抗值迅速增加，右边柱102的铁芯又再次进入饱和状态，第三线圈3、第四线圈4的阻抗值又再次减小；此时交流电流流通路径如图3(c)所示。因此在故障发生时，左边柱101的铁芯和右边柱102的铁芯交替退出饱和状态，故障限流器的交流线圈绕组整体的阻抗值显著增大，迅速将输电线路的阻抗值提高，用以限制线路的短路电流，保障线路安全。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

Claims (6)

1.一种基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：包括磁芯和线圈绕组，所述磁芯包括中柱(103)和位于所述中柱(103)两边的左边柱(101)、右边柱(102)，所述中柱(103)的上下两端各有上横轭(201)、下横轭(202)，所述上横轭(201)中镶嵌有第一永磁体(301)和第三永磁体(303)，所述下横轭(202)中镶嵌有第二永磁体(302)和第四永磁体(304)，所述上横轭(201)、下横轭(202)的两端分别与所述左边柱(101)、右边柱(102)相连接，其中部与所述中柱(103)相接；所述线圈绕组包括绕制在所述左边柱(101)上的第一线圈(1)、第二线圈(2)，绕制在所述右边柱(102)上的第三线圈(3)、第四线圈(4)，所述第一线圈(1)与所述第三线圈(3)的同名端并联，所述第一线圈(1)与所述第四线圈(4)的异名端串联，所述第三线圈(3)与第二线圈(2)异名端串联，所述第二线圈(2)与所述第四线圈(4)同名端并联；所述上横轭(201)和下横轭(202)的长度相等，截面积相等，且截面积大于所述左边柱(101)或右边柱(102)的截面积；所述中柱(103)的截面积大于二倍左边柱(101)或右边柱(102)的截面积，且大于上横轭(201)或下横轭(202)的截面积。
2.根据权利要求1所述的基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：所述磁芯关于所述中柱(103)的中心线成轴对称。
3.根据权利要求1所述的基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：所述上横轭(201)左侧中部和右侧中部分别镶嵌有所述第一永磁体(301)、第三永磁体(303)，所述下横轭(202)左侧中部和右侧中部分别镶嵌有所述第二永磁体(302)、第四永磁体(304)；所述第一永磁体(301)与第二永磁体(302)励磁方向相同，所述第三永磁体(303)与第四永磁体(304)励磁方向相同，所述第一永磁体(301)与第三永磁体(303)励磁方向相反；所述第一永磁体(301)、第二永磁体(302)、第三永磁体(303)和第四永磁体(304)的厚度相同，其截面积与所在的横轭截面积相等。
4.根据权利要求1或3所述的基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：所述永磁体采用稀土永磁材料。
5.根据权利要求1所述的基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：所述左边柱(101)、右边柱(102)、中柱(103)、上横轭(201)、下横轭(202)的截面为圆形、椭圆形或矩形，所述左边柱(101)、右边柱(102)、中柱(103)长度相等，且所述左边柱(101)和右边柱(102)的截面积相等，其上分别绕制的线圈绕组为上、下层布置或内、外层布置。
6.根据权利要求1所述的基于稀土永磁材料的并联型磁饱和故障限流器，其特征在于：所述第一线圈(1)、第二线圈(2)、第三线圈(3)和第四线圈(4)的匝数相等。
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