CN113872169A - 磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器及限流方法 - Google Patents

磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器及限流方法 Download PDF

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陈鹤冲
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Abstract

本发明涉及饱和铁心型直流故障限流器技术，具体涉及磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器及限流方法，该限流器包括铁心、直流主支路绕组、耦合支路绕组、耦合支路***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，以及分别位于左铁心柱和右铁心柱上下两端的上横轭和下横轭，上、下横轭嵌有永磁体；直流主支路绕组绕制在左铁心柱和右铁心柱上，耦合支路绕组绕制在直流主支路绕组外侧，并连接耦合支路***电路。该限流器能实现短路故障能量的快速吸收，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，降低了直流断路器吸能和过电压,同时能快速吸收并消耗直流***的短路故障能量。

Description

磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器及限流方法
技术领域
本发明属于饱和铁心型直流故障限流器技术领域，特别涉及磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器及限流方法。
背景技术
高压直流***故障电流的快速上升一直威胁着高压直流***的安全运行，因此，限制故障电流上升速度的故障限流器为***安全运行必不可少。现有传统磁饱和铁心型直流故障限流器结构如图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，***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，现有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***故障电流下降时间。已有的快速响应直流限流器拓扑如图2，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，但缺点同样在于吸能速度较慢，故障电流作用于绕组时间较长，会造成绕组及铁心发热，影响使用寿命。已有的快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器拓扑如图3，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，但缺点在于采用了大量的大容量晶闸管，以及高压大容量储能电容，整体成本较高。同时，图2及图3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。
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磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种磁耦合快速吸能式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、第三耦合支路绕组、第四耦合支路绕组、耦合支路***电路及第一永磁体、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，以及分别位于左铁心柱和右铁心柱上下两端的上横轭和下横轭，上横轭嵌有第一永磁体，下横轭嵌有第二永磁体；第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组分别绕制在左铁心柱和右铁心柱并串联接入直流电网；第三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组分别使用紧耦合方式绕制在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***电路。
在上述磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器中，耦合支路***电路包括：二极管D1、充电储能电容C1、吸能电阻R1、机械开关B1；其中，二极管D1、充电储能电容C1相串联与第三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组连接；机械开关B1与吸能电阻R1串联且并联于充电储能电容C1两端。
在上述磁耦合快速吸能式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。
在上述磁耦合快速吸能式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。
在上述磁耦合快速吸能式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。
在上述磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器中，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。
在上述磁耦合快速吸能式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。
在上述磁耦合快速吸能式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三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组线圈匝数。
一种磁耦合快速吸能式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，电网工作电流小，永磁体产生的偏置磁动势较两个直流主支路绕组线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁心柱、右铁心柱受永磁体影响而饱和；铁心饱和时的磁导率约等于空气磁导率，当***正常运行时，限流器的正常阻抗很小，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***的正常运行无影响；同时，铁心处于磁饱和状态，耦合支路不会因数***电流的波动而导通；
在故障发生时，直流***电流增大，两个直流主支路绕组线圈与两上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，使两个直流主支路电感值较大，从而对短路故障电流进行限制；在故障电流下降阶段，限流器上产生的电压方向与二级管D1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，故障电流通过磁耦合流入耦合支路对电容C1进行充电，待充电完成后导通机械开关B1，通过吸能电阻R1吸收掉储存的故障能量；
在故障排除后，故障电流减小，此时磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器的工作状态恢复至线路正常工作情况下的状态，其整体阻抗值减小，不影响***的正常运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果：1.本发明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，因此，可以使用更小容量的断路器并且保证直流***的稳定性。3.故障限流阶段不用加装控制***，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.相较于快速响应直流限流器拓扑，本发明极大程度提升了吸能速度，降低了故障电流作用于绕组的时间较长，延长了限流器使用寿命。同时在直流断路器开断时产生的分断电气应力(过电压、能量吸收)更低。6.相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，本发明利用机械开关配合吸能电阻，替代大量大容量晶闸管的使用，并减少了一个高压大容量电容的使用，极大程度降低了整体成本。在更优经济性的前提下，保证了优越的限流特性，同时在降低断路器分断电气应力的效果方面更为显著。7.本发明改进了图2所示的快速响应直流限流器拓扑及图3所示的快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器拓扑中的两种限流器的一二次绕组绕制方法，由松耦合态变为紧耦合态，降低了对外漏磁及能量损耗，提高了能量传递的效率。
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为快速响应直流限流器拓扑结构示意图；
图3为快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器电磁拓扑结构；
图5为本发明实施例磁耦合快速吸能式直流限流器与直流断路器串联的等效电路图；
图6a为本发明实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器正常阶段限流器电流流经路径图；
图6b为本发明实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器故障电流上升阶段限流器电流流经路径图；
图6c为本发明实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器故障电流下降阶段(储能阶段)限流器电流流经路径图；
图6d为本发明实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器储能完成阶段限流器电流流经路径图；
图6e为本发明实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器能量快速吸收阶段电流流经路径图；
图7为本发明实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器与各类限流器配合直流断路器时的断路器吸能对比图；
图8为本发明实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器与各类限流器配合直流断路器时的断路器过电压对比图；
图9为本发明实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器与快速响应直流限流器的绕组承受故障电流时间对比；
图10为本发明实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器小容量样机实验结果与小容量仿真结果的波形对比图。
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。
本实施例提出了一种新型的磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器拓扑结构，通过磁耦合的方式在传统磁饱和直流限流器的左右铁心柱上的直流绕组外侧再增加一个耦合支路，来减小直流断路器的过电压、吸能，实现短路故障能量的快速吸收，从而减少故障电流作用于绕组上的时间，避免绕组过热降低使用寿命。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器，如图4所示，包括铁心、直流绕组、永磁体和耦合支路。铁心为口字型实心结构，包含左铁心柱和右铁心柱，以及分别位于左铁心柱和右铁心柱上下两端的上横轭和下横轭。直流绕组包括分别绕制于左铁心柱和右铁心柱并串联接入直流电网的第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组，用于传导直流***电流。永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体嵌于上横轭中间，第二永磁体嵌入下横轭中间。耦合支路包括第三耦合支路绕组、第四耦合支路绕组和耦合支路***电路，第三耦合支路绕组、第四耦合支路绕组分别绕制于第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组外侧呈紧耦合态，并连接耦合支路***电路。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。
并且，耦合支路***电路包括：二极管D1、充电储能电容C1、吸能电阻R1、机械开关B1；其中，二极管D1、充电储能电容C1相串联与第三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组连接；机械开关B1与吸能电阻R1串联且并联于充电储能电容C1两端。
并且，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***电流自线圈顶端流入，底端流出；直流主支路绕组线圈在铁心中产生逆时针方向的磁通。耦合支路绕组线圈缠绕方式为由下至上的逆时针螺旋，导通时同样在铁心中产生逆时针方向的磁通。
并且，直流主支路绕组线圈匝数大于耦合支路绕组线圈匝数，保证耦合支路中的各电气元件处于相对低压侧。
磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器的工作原理是：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，此时直流绕组线圈的电感维持一个定值，对直流***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C1充电，待充电完成后导通机械开关B1，通过吸能电阻R1吸收掉储存的故障能量。此过程极大程度减小了直流断路器的吸能，一定程度降低了过电压，并能实现短路故障能量的快速吸收，减少故障电流作用于直流绕组上的时间，避免直流绕组过热而降低使用寿命。
本实施例磁耦合快速吸能式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，两个永磁体产生的偏置磁动势较两个直流主支路绕组线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁心柱、右铁心柱受两登上永磁体的影响而饱和；由于铁心饱和时的磁导率约等于空气磁导率，因此，当***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***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***电流的波动而导通。
在故障发生时，直流***电流迅速增大，由于两个直流主支路绕组与两个永磁体产生的磁通方向相反，使得左右两铁心柱迅速退出饱和；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，限流器上产生的电压方向与二级管D1的导通电压方向相同，耦合支路绕组通过磁耦合与两个直流主支路绕组并联，故障电流通过磁耦合流入耦合支路***电路对电容C1进行充电，待充电完成后导通机械开关B1，通过吸能电阻R1吸收掉储存的故障能量。此过程极大程度减小了直流断路器的吸能，一定程度降低了过电压，并能实现短路故障能量的快速吸收，减少故障电流作用于绕组上的时间，避免绕组过热降低使用寿命。
在故障排除后，故障电流迅速减小，此时整个***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***的正常运行产生影响。
具体实施时，如图4所示，一种磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器，限流器包括铁心、直流主支路绕组及永磁体；铁心为口字型实心结构，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。上横轭中间嵌有第一永磁体，下横轭中间嵌有第二永磁体。直流主支路绕组绕制于左、右铁心柱并串联接入直流电网，耦合支路绕组绕制于直流主支路绕组外侧呈紧耦合态。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。
耦合支路***电路包括二极管D1、充电储能电容C1、吸能电阻R1、机械开关B1，其中，二极管D1、充电储能电容C1相串联与耦合支路绕组直接连接，机械开关B1与吸能电阻R1串联，两者并联于充电储能电容C1两端。
而且，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4所示，左、右铁心柱为矩形，截面积均相等，且长度相等；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第一、第二永磁体的截面积，这是为了确保在***正常工作时，第一、第二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。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。
而且，第一、第二永磁体均采用稀土永磁体材料钕铁硼，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。
而且，如图4所示，耦合支路***电路中的储能电容器C1要求有较高的储能容量；二极管D1要求有较高的正向通流能力以及耐受反向电压的性能。直流主支路绕组(一次侧)线圈匝数要大于耦合支路绕组(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。耦合支路***电路中的机械开关B1与吸能电阻R1串联，两者并联于充电储能电容C1两端，其中机械开关B1要求能承受储能电容C1两端电压，吸能电阻R1的取值要求能在保证吸能电流峰值和机械开关B1可承受范围内的同时，快速吸收能量。
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：磁耦合快速吸能式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5所示，直流电流在第一、第二直流主支路绕组线圈中感应出的磁场方向与第一、第二永磁体磁场方向相反；第一、第二永磁体和第一、第二直流主支路绕组线圈产生的磁通路径如图4所示，第一、第二永磁体和第一、第二直流主支路绕组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***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绕组线圈的总电感和高压直流***所使用的平波电抗器一致，对***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与主支路呈并联关系，限流器中电流的流通路径如图6a所示。
在故障发生时，故障电流上升阶段，故障电流在第一、第二直流主支路绕组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。此时由于二极管D1的单向导电性，耦合支路依旧无法导通，限流器中电流的流通路径如图6b所示。
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，耦合支路导通，此时限流器中电流的流通路径如图6c所示，直流故障电流通过磁耦合的方式给储能电容C1充电。充电迅速完成后，限流器第一、第二直流主支路绕组上电流下降为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***的正常运行产生影响,此时限流器中电流的流通路径如图6d所示。
在故障排除后，故障电流迅速减小，此时整个***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***的正常运行产生影响。
由于故障电流流入限流器耦合支路中，此过程极大程度减小了直流断路器的吸能，一定程度降低了过电压，并能实现了短路故障能量的快速吸收，减少故障电流作用于第一、第二直流主支路绕组上的时间，避免第一、第二直流主支路绕组过热而降低使用寿命。待电容C1充电完成后，导通机械开关B1，通过吸能电阻R1，快速吸收掉C1中的全部故障能量,此时限流器中电流的流通路径如图6e所示。
本实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，省去了大容量电容以及大容量晶闸管的使用，优化了耦合支路的电路结构，其中高压大容量电容以及晶闸管将占据极高成本，因此整体成本将下降38％。极大程度的降低了成本。同时改进了磁耦合绕组的绕制方式，将原有的松耦合绕制法变为紧耦合绕制，降低了漏磁，提升了电磁能量转化效率，在降低断路器分断电气应力的效果方面更为显著，具体分析如下：
将磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器、传统磁饱和铁心直流限流器、快速响应直流限流器、100mH平波电抗器分别与混合式直流断路器配合时，断路器产生的分断应力情况进行对比。在限流效果方面，磁耦合快速吸能式饱和铁心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平波电抗器以及快速响应直流限流器25.4％。在直流断路器吸能方面，如图7所示，磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器相较于传统磁饱和式直流限流器，降低了直流断路器吸能99.8％，相较于快速响应直流限流器，降低了直流断路器的吸能94.1％。相较于100mH平波电抗器，降低了直流断路器吸能99.7％。在直流断路器的过电压峰值方面，如图8所示，磁耦合快速吸能式磁饱和铁心直流限流器相较于传统磁饱和式直流限流器，降低了直流断路器的过电压峰值25.4％，相较于快速响应直流限流器，降低了直流断路器的过电压峰值11.6％，相较于100mH平波电抗器，降低了直流断路器的过电压峰值41.7％。相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器，降低了直流断路器的过电压峰值15.5％。可见配合该磁耦合快速吸能式直流限流器能在对比快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器更优经济性的前提下，保证优越的限流特性，同时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。在降低断路器分断电气应力的效果方面更为显著。
附图9说明了故障电流作用于限流器绕组时间的对比情况。相较于快速响应直流限流器，本实施例的磁耦合快速吸能式直流限流器将故障电流作用于限流器绕组的时间缩短了200ms，相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器的效果又提升了44ms，性能更优。因此本实施例避免了限流器绕组因长时间承受故障电流而造成过热损坏，同时也避免了铁心与永磁体由于过热造成的寿命影响。
为更进一步证明本实施例的实施效果，设计了一台磁耦合快速吸能式直流限流器的220V小容量实验样机，开展了限流实验，同时进行了小容量的仿真，实验与仿真结果的对比如附图10所示。本实施例磁耦合快速吸能式直流限流器的限流效果强于20mH定值电抗器88％。吸能方面本实施例相较于快速响应直流限流器，将故障电流作用于限流器绕组的时间缩短了42.9％，仿真与实验结果基本一致，证明了实验结果的正确性。
综上所述：
1)本实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器能在***正常状态下代替平波电抗器维持小电感运行，在故障发生时快速退饱和变成大电感限流，同时解决了快速响应直流限流器故障电流作用于限流器绕组时间过长发热严重的问题，提升了使用寿命；
2)本实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器相较于传统磁饱和式直流限流器能显著降低直流断路器的吸能，并且能一定程度降低断路器的过电压峰值。且相较快速响应直流限流器，降低断路器过电压峰值及吸能的效果更为明显；
3)本实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器成本大幅度降低。在更优经济性的前提下，保证了优越的限流特性，同时在降低断路器分断电气应力的效果方面更为显著。
4)本实施例磁耦合快速吸能式饱和铁心直流限流器相较于快速储能式磁饱和铁心直流故障限流器改进了耦合绕组的绕制方式，将松耦合变为紧耦合，使得电磁能量的传递转化效率更高。
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 (9)

1.一种磁耦合快速吸能式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、第三耦合支路绕组、第四耦合支路绕组、耦合支路***电路及第一永磁体、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，以及分别位于左铁心柱和右铁心柱上下两端的上横轭和下横轭，上横轭嵌有第一永磁体，下横轭嵌有第二永磁体；第一直流主支路绕组和第二直流主支路绕组分别绕制在左铁心柱和右铁心柱并串联接入直流电网；第三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组分别使用紧耦合方式绕制在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***电路。
2.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器，其特征在于：耦合支路***电路包括：二极管D1、充电储能电容C1、吸能电阻R1、机械开关B1；其中，二极管D1、充电储能电容C1相串联与第三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组连接；机械开关B1与吸能电阻R1串联且并联于充电储能电容C1两端。
3.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式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。
4.根据权利要求3所述磁耦合快速吸能式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。
5.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式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。
6.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式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。
7.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式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。
8.根据权利要求1所述磁耦合快速吸能式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三耦合支路绕组和第四耦合支路绕组线圈匝数。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器的限流方法，其特征在于：包括：
在正常工作情况下，电网工作电流小，永磁体产生的偏置磁动势较两个直流主支路绕组线圈占据绝对优势，故正常工作时左铁心柱、右铁心柱受永磁体影响而饱和；铁心饱和时的磁导率约等于空气磁导率，当***正常运行时，限流器的正常阻抗很小，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***的正常运行无影响；同时，铁心处于磁饱和状态，耦合支路不会因数***电流的波动而导通；
在故障发生时，直流***电流增大，两个直流主支路绕组线圈与两上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，使两个直流主支路电感值较大，从而对短路故障电流进行限制；在故障电流下降阶段，限流器上产生的电压方向与二级管D1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，故障电流通过磁耦合流入耦合支路对电容C1进行充电，待充电完成后导通机械开关B1，通过吸能电阻R1吸收掉储存的故障能量；
在故障排除后，故障电流减小，此时磁耦合快速吸能式饱和铁心直流故障限流器的工作状态恢复至线路正常工作情况下的状态，其整体阻抗值减小，不影响***的正常运行。
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