直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析--硕士论文.docx

硕士学位论文直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析SimulationAnalysisofDCCoreandBridgeHighTemperatureSuperconductingFaultCurrent1.imiter论文题目：直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析摘要短路故障一直是直流电力系统保护的瓶颈问题，需要研制有效的限流装置对短路故障电流加以限制，以保证发生短路故障时其他保护设备如直流断路器的平安动作，提高直流电力系统的可靠性。直流超导故障限流器被认为是目前较为有效的直流电路短路故障时限制电流装置。本文首先研究了国内外直流系统保护装置的开展现状，分析设计了一种铁心型高温超导故障限流器，该限流器在系统正常工作时对供电系统影响很小，当短路故障发生时，它会很快表现为很大的阻抗来限制短路电流。为了尽量延长限流的时间，限流器的铁心采用软磁复合材料。采用磁路分析方法，对直流铁心型超导故障限流器的限流性能进行仿真计算，改变限流器的设计参数，研究其对限流器的性能和结构的影响。其次基于三维有限元分析方法，对直流铁心型限流器中限流铜线圈的非线性电感进行精确计算，将其结果读入到MAT1.AB仿真程序中，对短路电流进行仿真计算，屡次修改设计参数，寻求符合设计要求的限流器设计方案。最后研究了一种桥路型超导故障限流器，该限流器主要由两个超导带材绕制的线圈异侧并联而成，线路正常工作时因其阻抗非常小而对电路影响很小，短路故障发生时限流器能表现为很大的阻抗从而限制短路电流的快速增加。针对某一交流电力系统,设计了超导线圈的具体结构尺寸，使用电路仿真计算软件PSpice对其限流情况进行了仿真分析，结果说明该限流器的限流效果明显。依据桥路型超导限流器的工作原理，设计了一种新型直流超导故障限流器。该限流器是两个空心超导线圈异侧并联，体积较小，使用电力暂态分析软件PSCAD对其限流情况进行仿真计算，限流效果良好。TitlezSimulationAnalysisofDCCoreandBridgeHighTemperatureSuperconductingFaultCurrent1.imiterABSTRACTShort-circuitfaulthasbeenabottleneckproblemfbrpowersystemprotection.Itisnecessarytodevelopadevicetolimitshort-circuitcurrentandimprovepowersystemreliability.DirectCurrent(DC)superconductingfaultcurrentlimiter(SFC1.)isconsideredasamoreeffectivedevicetolimittheshort-circuitcurrent.Firstly,therecentprogressofstudyofDCpowersystemprotectionequipmentisreviewed.ADCcoresuperconductingfaultcurrentlimiterispresented.ThedesignandanalysismethodologyoftheFC1.hasbeendeveloped.TheinductanceofthewindingwhichisconnectedwithsystemisIittleatnormaloperation.However,whentheshort-circuitfaultoccurs,theFC1.mayprovidelargeinductancetoreducethefaultcurrent.ThecoreofFC1.ismadeofSoftmagneticcomposites(SMC)toextendthecurrentlimitingtime.Usingmagneticcircuitanalysis,simulationcomputationandanalysisarecompletedsoastoevaluatetheDCSFC1.performance.Theinfluencesofdesignparameters,suchasMagneticMotiveForceofDCHTScoils,thediameterofcoreandtheturnsofwindingconnectedtoDCpowersystem,arediscussed.Secondly,thenumericalsimulationusingboth3Dfiniteelementanalysis(FEA)andtransientnonlinearcircuitmodelispresentedtoevaluatetheperformanceoftheDCcoreHTSFC1.AlargeamountofsimulationcomputationandanalysiswithchangingtheFC1.designparametersarecompletedtosearchfortheoptimalparametersfortherequirementsofthedesign.Finally,anewbridgetypehightemperaturesuperconducting(HTS)FC1.whichisappliedtoACpowersystemisresearched.Bothcoils,madeofHTStapes,aremainpartsoftheFC1.Thesetwocoilsareparalleledandthedottedterminalsofbothcoilsarenotconnected.TheFC1.haslittleinfluenceonpowersystematnormaloperation,becausetheHTSresistanceandinducedvoltageofeachcoilareverysmall.Whenshort-circuitfaultoccurs,oneofthecoilsquenchesandthecurrentflowingthroughthiscoilisreduced.Thus,thecoilwilldecreasetheinfluenceontheinducedvoltageofothercoil.TheFC1.mayprovidelargecapacityforfaultcurrentlimitation.ThedesignparametersoftheFC1.,whichisappliedtoagivenACpowersystem,arecarriedout.SimulationandanalysisbyusingPSpicearecompletedtoverifytheFC1.design.ComparingwiththatFC1.notconsideringinthepowersystem,theresultsrevealthatthebridgeHTSFC1.hasrapidresponsetolimitfaultcurrent.AccordingtotheprincipleofthebridgetypeSFC1.,anewDCSFC1.ispresented.Exceptfor4diodes,theDCSFC1.hassimilarstructuretotheACSFC1.SimulationandanalysisbyusingPSCAD,acommercialcircuitcalculationpackage,areconductedtoverifytheFC1.design.ComparingwiththatFC1.notconsideringinthepowersystem,theresultsrevealthattheDCSFC1.caneffectivelyreducethefaultcurrent.1绪论直流电力系统，如船舶、飞机，石油钻井平台等供电系统，其安装容量大，平安性能要求非常高。一旦发生短路故障，巨大的短路电流将带来很大的危害。目前，直流电路保护设备广泛采用断路器对短路电流进行分断以保护整个系统的平安，但是断路器的分断能力已经越来越不能满足直流系统短路电流水平的不断增长的要求。为确保系统和保护设备（主要是断路器）的平安，需要在保护设备之前安装限流器，以满足系统平安的需要。1.1 直流系统保护现状直流系统保护领域目前研究较多的有直流输电系统，直流牵引系统和船舶电力保护系统等。随着直流电力系统的广泛应用和开展，抑制直流短路电流对保持系统的稳定性和可靠具有重要的意义。1.1.1 直流系统保护及直流断路器开展简介近些年，高压直流输电在我国不断得到开展，国内已经建成了多条50OkV的高压直流输电线路，锦屏一苏南±80OkV特高压直流输电工程工程也已经过了研究和论证,目前正在施工建造中。随着电力系统容量的不断增加和输电技术的开展，电力系统保护也越来越重要。高压直流输电系统一旦发生短路故障，其短路电流会在几个毫秒到达峰值，最大值一般有几千安到几十千安目明目前采用的保护方式除了优化直流输电网络结构外，主要是开展可控限流电抗器，高阻抗变压器和提高断路器等开关设备的遮断能力。其中断路器的研究和开展最为广泛，株洲南车时代电器股份已成功研制了4000A/8000V的6英寸晶闸管，这对±800kV6400MWHVDC输电技术的经济性有重大的影响。目前没有直流限流器在高压直流输电领域的应用研究，但随着直流输电容量的不断增大，应用直流限流器的经济性以及其和现有保护设备的配合问题有待于进行研究和分析。直流牵引系统的短路情况与发生位置有关，即在距离变电所近端和远端发生有很大区别。短路在近端发生，电流上升速度很快，峰值很大，对电路系统的危害很大，一般短路IOmS以内电流升高至1030kA,而峰值电流可到达40kA,是目前直流牵引系统保护的主要研究内容。远端短路电流的上升速度较慢，峰值也小很多，一般在几十毫秒后才能到达IOkA左右，与列车起动或过接触网分段时的电流瞬时电流峰值相近。远端短路对电路的危害小，直流保护研究是区分远端故障电流与列车起动电流的区分方法Uo-。直流牵引系统电压低，双端供电运行，随负载的变化电流有间歇性时变，近端短路会产生很高的冲击电流。直流牵引系统短路保护方式有：大电流脱扣保护，电流上升率及电流增量保护，定时限过流保护，双边联跳保护，接触网热过负荷保护和自动重合闸等等“°)。目前我国城市地铁供电系统均为直流，而直流电源采用过载能力低的大功率硅整流装置，这对直流系统的保护的要求更高。直流快速断路器是直流供电系统保护中的重要设备之一，很多单位和公司都对直流断路器这一重要的保护设备进行研究和开发，各项指标都有了大幅的提高，国产直流断路器可以在额定电压为1500V,额定电流为315OA情况下，在17ms快速分断50kA的电流，日本在额定电压为1500V,电流3000A的在17ms快速分断50kA电流的产品，瑞士能在额定电压2000V电流360OA时,在IOmS内快分断75kA短路电流，机械寿命达20万次。地铁电力机车也可用直流熔断器，有试验结果说明其可以在1840V电压水平下在16.8ms快速熔断50.IkA的电流，法国产品在同等条件下，熔断时间可为13ms8,。1.1.2 船舶电力系统及保护现状简介船舶动力系统分为分立电力系统和综合电力系统。在分立电力系统中，每一个子系统都有独立发电机。而在综合电力系统中，是由一组发电机装置提供电能，将日常供电系统、重要负载供电系统与推进供电系统综合一体化配置的智能动力平台，综合电力系统可以广泛应用于各种船舶供电领域，如潜艇，舰艇以及商业船舶等32(船舶综合电力系统中将有多个电站，主网采用直流网络的形式，电站并联运行122】。船舶综合电力系统大致由交流发电机、推进负载、逆变器、整流器、直交流船载效劳系统组成。图112U为IPS的体系结构模型，Pg,PD是交流发电机，与其相连接的是AC/DC转换器，M,M2是船舶推进马达，传输导线1.i,1.2,1.OadS是用于船舶效劳和其它功能的负载。图1-1一种典型的综合电力系统结构船舶电力系统保护方式分为全定额保护和后备保护两种，随着船舶电力系统容量的不断增加，对其平安可靠性提出了更高的要求，船舶电力系统不仅要保证正常供电,在故障时也要保持船舶的生存能力，对于军用舰船而言就是战斗能力。短路是电力系统的一个重要故障之一，不同位置发生短路的情况对整个舰船电力系统的影响不一样。对于直流输电方式，发生在主汇流排上的短路对系统的影响最为严重，此处短路电流比正常电流大很多倍，而系统的总阻抗小，巨大的短路电流将会破坏各种船载设备损坏【23】。目前船舶直流电源普遍采用多相同步整流发电机，其中文献3261中对十二相整流发电机直流侧短路电流进行了研究。在大容量的发电机短路试验研究中短路电流甚至可以到达几百千安左右bl。为了船舶供电系统的可靠工作，一个重要问题是如何将短路电流限制在保护设备的极限通断能力之内。由于舰船电网大都是并联运行，假设舰船直流供电系统有2台多相发电机，单机直流侧短路电流最大值超过80kA,全负荷时2台发电机同时工作，如果近距离处发生短路，流经负载断路器的电流最大值可超过150kA,这个短路电流水平远高于国内现有直流低压断路器的极限分断能力12叫需对直流供电系统的限流研究给予充分的重视。1.2 直流超导限流器1.2.1 直流超导限流器的应用背景和研究意义直流系统一旦发生短路情况，其短路电流不存在类似交流短路电流的过零点，电流会急速单向增大，限流设备反响越快，限流时间越长，故障电流上升变缓，断路器等装置就能平安地分断从而降低故障影响。在可能出现巨大短路电流的线路上安装快速熔断器可以保护电力设备，但此方法也破坏了保护的选择性，电力系统运行的自动化程度会降低H1.为保证供电系统正常运行，需要在发电机和断路设备之间安装短路故障限流装置。限流装置在电流正常工作时的阻抗要小，对电路产生影响小；而当短路故障发生时，又要表现为大阻抗，抑制短路电流的急速上升。使用限流器的目的是在系统发生短路故障迅速反响，对短路故障电流进行限制，有效减缓短路故障电流上升的时间，保证断路器能够平安动作，确保整个电力系统的平安。研究高效直流限流器具有极其重要的社会价值和经济价值。高温超导故障限流器(HighTemperatureSUperconductingFaultCurrent1.imitrer,HTSFC1.)是一种利用超导特性限制故障电流的装置。很多研究者对它在配电系统中的高电压应用和商业化领域都有研究12叫1.2.2 直流超导限流器的分类目前短路故障限流装置有：电力电子型、超导材料型、发射控制型、PTC热敏电阻型限流器和限流熔断器等I1.应用于电力输电系统的交流超导故障限流器的研究非常广泛，其类型也多种多样。直流超导限流器超导限流器大致可以分为电阻型和电感型两种类型。1)电阻型故障限流器电阻型故障限流器将超导材料制成的电阻串联在直流供电系统中，当系统正常运行时，保证超导材料的临界电流大于系统电流，那么限流器处于超导状态，其阻抗几乎为零，对电力系统影响很小。短路故障发生时，短路电流迅速增加，当短路电流值大于超导电阻临界电流时，超导材料就会发生失超，由超导态转变到正常态，呈现大电阻值，限制急速增大的电流，其转变时间一般为百微秒级。为了减小超导电阻限流器相变产生的热量带来的损害，可在超导电阻两端并联电阻器或者电抗器来吸收能量,同时限制后续的故障电流。电阻型超导故障限流器结构简单，安装方便，但检修、维护困难。对高温超导材料的性能要求很高，另外超导体失超以后的恢复时间较长，难以满足重合闸操作的要求，需要通过改良来缩短恢复时间。2）电感型故障限流器电感型故障限流器是目前直流限流器的研究热点，电感线圈和限流电路的形式也多种多样。这里将其分为以下两大类：（1）铁心超导故障限流器直流铁心型故障限流器有两种形式，第一种类型可以称为磁通补偿型，如图1-21刘所示，两个超导耦合线圈均绕制在同一个铁心柱上，自感相同，它们的互感为M,其中一个线圈串联接在直流系统中，另一个线圈串联接偏置电源。正常运行时两个超导线圈通过的电流大小相等、方向相反，铁心中的磁通为零，限流器对系统无影响，一旦发生短路故障，直流系统的电流急速增大，磁通不再为零，短路电流将被超导线圈电感限制。图1-2第一种铁心型故障限流器两个超导线圈绕制在同一个铁心上，可以节省铁心的材料，但因为短路电流的值会很大，会使与直流系统相连的超导线圈产生大量热量，而且必须考虑超导带材失超后的恢复等问题。第二种铁心型SFC1.的原理图如图1-3所示。这种限流器更适合应用于容量大的直流电力系统。与直流系统相联接的限流铜线圈绕组绕制在一个铁心柱上，另一个铁心柱绕制提供偏置磁动势的超导线圈，在任何时刻两个线圈绕组产生的磁势都相互抵消，选取适当的安匝数和偏置电流值使铜线圈绕组铁心在电力系统正常运行时处于反向磁饱和状态，直流系统正常运行时铜绕组的阻抗极小。当系统中出现短路等故障时,瞬间增大的电流使铜线圈铁心由反向磁饱和状态向正向磁饱和状态转变，短路电流由正常工作时的稳态向短路后的稳态转变的整个过程就是限流器限流的过程，铁心在磁导率较高的非饱和区域内，限流器的限流作用强。图1-3第二种铁心型故障限流器图直流铁心型SFC1.实现限制短路电流的功能主要是利用磁性铁心材料磁导率的非线性变化，超导直流线圈是由Bi系超导带材绕制的。直流铁心型SFC1.对超导带材性能要求不高，超导带材的作用是无损耗地承载直流偏置电流。超导绕组线圈的作用就是将工作状态偏置到反向磁饱和状态，超导带材无论在正常还是故障状态下都不发生失超，因此不存在超导带材恢复时间的问题。另外，流经超导带材中的电流是直流，所以不存在交流损耗，不选用常规导体绕制直流偏置线圈，就是为了防止消耗巨大的直流功率。缺点是需要直流供电电源，磁路和两个直流电路相互作用，系统结构较为复杂，可靠性有所降低。（2）空心超导故障限流器空心超导故障限流器其实就是一个空心电感线圈。可以将其直接串联接在电路中，正常情况下超导线圈对直流系统没有任何影响，短路故障发生时，超导线圈发生失超,主要的限流因素是线圈的电感产生很大的感抗来限制短路电流。这种空心型超导故障限流器结构非常简单，大电感的限流效果也较好。但是缺点是对超导材料的要求太高，目前绕制能够通过大电流的超导线圈技术还不是很成熟，而且一旦发生失超，短路电流的值将会更大，由此带来诸多问题如超导线圈失超后的恢复等必须考虑。本文在第四章也使用两个空心超导线圈反向并联的方法来限制直流电路系统的短路电流。1.2.3 直流超导限流器的开展和应用前景目前主要应用直流供电系统的领域对系统进行故隙保护的的方法一般都是采用直流断路器。随着1986年高温超导体的发现，一些国家兴旺国家先后开展了高温超导体在电力系统行业中应用的研究。目前，美国、日本、法国、瑞士、德国、加拿大以及中国等国家都已经利用超导材料研制出了多种类型的超导限流器试验样机。但目前研究的超导故障限流器绝大局部都是用于交流输电系统，对于用于直流短路故障限流器的研究还比拟少。日本Seikei大学在1991年对第一种类型的铁心型直流限流器作了研究1。2001年希腊的雅典国立技术大学和俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克州立大学物理工程研究所对压模YBa2Cu3O7陶瓷材料直流超导故障限流器做了实验研究阳1°德国有学者在2005年对应用于电流为IkA的直流系统的超导故障限流器做了实验研究叫法国在2005年对在AbCh上镀YBCO材料的直流超导限流器作了研究冈1。日本东京电机大学在2008年对直流超导限流器和断路器的开展进行了研究。日本有学者在2009年对应用于直流配电网络的电阻型超导故障限流器做了实验研究的。国内直流系统限流器的研究主要是在舰船电力系统，研究单位主要有华中科技大学、海军工程大学等。海军工程大学电气与信息工程学院庄劲武等在2005年8月设计了一种新型直流电网短路限流装置，该装置使用电力电子器件，并没有使用超导材料（3曳华中科技大学超导电力科学技术研究与开展中心自2005年以来对第一种类型直流铁心型超导故障限流器进行了设计和研究，限流器限流效果良好，且不会产生过电压2,30,37O随着直流电力系统的开展，大容量直流供电系统的稳定性和可靠性要求越来越高,目前的直流断路器已经不能满足系统对保护设备越来越高的要求，研制直流短路限流装置对直流系统的开展有着极其重要的意义。直流高温超导故隙限流器限流反响速度快，原理和结构简单，体积小，限流效果非常明显，可以预见直流高温超导故障限流器必定会引领直流电力系统保护装置未来的开展方向。1.3 论文的研究内容主要进行以下工作的研究:1）查阅并研究国内外直流系统保护现状以及超导故障限流器的开展水平，尤其对直流系统的现有保护装置开展水平进行研究，选定铁心型超导故障限流器作为主，空心型超导故障限流器为辅的研究对象。2）分析并设计直流铁心型限流器，选用磁路研究方法使用MAT1.AB对其在直流短路情况发生后的限流情况进行仿真计算，改变设计参数对限流器的性能进行研究。3）选用有限元结合电路的方法对直流铁心型限流器的限流性能进行仿真计算，使用ANSYS电磁计算软件精确计算短路后限流线圈的电感值，将其读入MAT1.AB电路计算程序并对限流情况进行仿真，改变设计参数，研究其对短路后限流线圈电感值及限流器限流性能的影响。4）研究一种桥路型超导故障限流器，使用PSPICE电路仿真软件对其限流性能进行仿真计算。分析并设计直流空心型直流超导故障限流器，使用PSCAD电力仿真软件对其限流性能进行仿真计算。2直流铁心型超导故障限流器设计与磁路计算2.1 直流铁心型超导故障限流器的原理2.1.1 电路工作原理直流铁心型超导故障限流器可以看做是一个大的铁心电感限流装置，如果把铜线圈与超导线圈绕制在在同一个铁心柱上，可以节省铁心的用量，同时减少漏磁通，但是超导带材的用量将大大增加，其他附属设备如冷却用的杜瓦、绝缘设备等的体积将会增加很多，结构会变得更加复杂，实际制造也更加困难，所以我们把两个线圈分别绕制在不同的两个铁心柱上较好。直流铁心型超导故障限流器是一种特殊的铁心电抗器。在正常运行时，由于电流是直流，限流器对直流系统影响很小，在系统短路故障发生时，电流急剧增大，而铁心处于未饱和状态，其磁导率非常大，因此该限流器线圈会表现为大电感，增大系统的时间常数，减缓短路电流增大的速度，使得断路器等开关设备可以及时切断电路。直流铁心型超导限流器的原理如图2-1所示，左侧电路为直流系统，限流电感线圈采用铜导线绕制在铁心柱上，串联在直流系统中，Rload为负载电阻，US为直流发电机；右侧为超导直流系统，为铁心提供反向励磁偏置，线圈采用超导带材绕制。因偏置回路采用超导带材为载流导线，因此偏置回路的损耗可以忽略不计。铜线圈和超导线圈的绕制方向和电流方向要使产生的磁通相互抵消，假设左侧线圈产生的磁场方向向上，那么右侧线圈产生的磁场&方向也要向上才能保证磁通相互抵消。图2-1直流铁心型超导故障限流器原理图图2-2是铁心材料的磁化曲线，在正常工作时，超导线圈产生的磁场大于铜线圈产生的磁场，铁心工作状态就会位于反向偏置状态，铁心的理想工作区域在图2-2中的B，对应位置，这个区域铁心工作在反向饱和且接近于非饱和的区域，此时所需的偏置磁动势并不是很大，当直流系统发生短路故障，短路电流迅速增大时，铁心工作状态能很快由饱和态进入非饱和态，这时铁心磁导率快速增大，使得线圈的电感也迅速增大，从而起到了限流作用。图22铁心的磁化曲线1.1.2 工作点分析根据图2-2所示的铁心B-H曲线，对应于磁导率值的大小，对应绘制铁心电抗器的1.-/关系曲线如图2.3所示。铁心材料的磁化曲线图中的零点位置磁导率的变化最大,对应1.J曲线C点位置，此时限流线圈的电感值最大，1."曲线凸起局部BC段和CD段对应磁化曲线磁导率比拟大的线性区，此时限流线圈的电感值也较大，本文中把这个区域称为限流高效区。当直流系统电流值很大时，限流线圈铁心就会饱和，此时铁心工作状态对应于磁化曲线上磁导率比拟小的饱和区域，这个区域限流线圈的电感值较小，在1.U曲线中也就是右侧的平坦局部，即DE段，其对应铁心的正向饱和区域，AB段对应反向饱和区域，这两个区域可称为低效限流区。直流电力系统在正常工作时，其电流值的变化波动很小，假设限流线圈铁心柱磁场均匀，稳态时可认为铁心柱磁感应强度对应磁化曲线上一个点，即工作点。因为直流系统在正常工作时的电流值很大，所以如果只使用与系统相连接的铜线圈而不加偏置的话，系统的直流电流很可能会把限流圈铁心的工作点推移至磁化曲线正向饱和区，在这个区域内铁心磁导率很低，对应1.-/曲线的DE段，铜线圈的电感较小，一旦发生短路，工作点会进一步向磁化曲线上更饱和的区域移动，更小的电感值很难对瞬时增加的巨大短路电流加以有效的限制，所以必须使用偏置系统。图2-3铁心的电感与电流关系曲线直流偏置系统使用的线圈采用高温超导带材绕制，流过线圈的电流始终是恒定的直流电流，超导带材在直流情况下的损耗可以忽略不计。超导绕组的励磁非常大，正常工作状态下，限流线圈铁心的工作点甚至能被推到磁化曲线的反向饱和区域，即1.-/曲线的AB段，也就是说，1.-I曲线在加偏置后被相应的向右平移，直到铁心的工作点在1.-I曲线的AB段，见图2-4o正常情况下工作点的理想位置应该在反向饱和状态并接近非饱和区，即非深饱和，一方面较深的饱和程度需要很大的励磁，这无疑会增加直路偏置系统的本钱，而饱和区域变化很小的磁导率对应线圈的电感值很小；另一方面工作点临近非饱和区域，一旦发生短路故障，工作点能很快进入磁导率很大的非饱和区，大电感能够快速表现为较大的阻抗，对短路电流加以限制，使得限流器的反响速度非常快，以便于有效配合断路器等保护设备的动作。图2-4加直流偏置后铁心的电感与电流关系曲线1.1.3 铁心材料选择因为铜线圈绕制的电感两端电压值在直流系统正常工作情况下几乎为零，所以铜线圈的感抗仅在电路发生故障时起作用。直流系统在短路瞬间，电流值将会快速增加到一个很大的值，直流系统短路过程中电感限流的过程比拟短暂，尽量延长限流时间对限流效果有很大的影响，所以铁心材料的选择是非常重要的。软磁复合材料(SOftmagneticComposites,SMC)由包覆绝缘层的小铁粉颗粒制成138。图2-5（八）和(b)分别是SMC和普通硅钢材料的B-H曲线,可以看出SMC的B-H曲线明显比普通硅钢材料的曲线平缓，斜率变化速度慢，但变化时间相比照拟长。SMC在以为(-5000Am,5000Am)的区间内一直处于未饱和状态，较其它硅钢材料有较宽的未饱和范围。因此用该种材料制成的铁心，能在较大的励磁电流下保持比拟高的磁导率。（八）SMC(b)普通硅钢材料图2-5SMC和普通硅钢材料曲线比拟SMC材料的最大相对磁通率比拟低，但磁导率的变化相对缓慢网,这也正是我们选用SMC材料的主要原因。图2-6是由SMC材料制成的铁心包括正反两个方向的磁化曲线，可以看出此曲线的非饱和区与也可以说是线形区的范围较宽的，其中标出的就是限流器铁心的理想工作点。图2-6限流器铁心的磁化曲线2.2 直流铁心型超导故障限流器的电磁设计目前限流器还处在探索和开发阶段，限流器的设计还没有很完善的设计流程，而直流限流器更是处在探讨阶段。直流铁心型超导FC1.的设计需要满足要求的电气技术指标，并到达电气绝缘、散热和结构强度等要求，另外再结合体积、重量、本钱等因素提出一个相对最优的设计方案。直流限流器由于系统正常运行时的额定电流非常大,所以限流线圈体积问题在直流限流器的设计中尤为重要，饱和铁心型超导故障限流器是目前所有直流限流器种类中比拟实用的选择。本节主要涉及的是直流铁心型超导FC1.电磁设计，根据性能要求，设计铁心柱的横截面积、线圈的匝数，铁心窗口的尺寸等主要因素。初步设计完成后，使用相关仿真软件对限流器的限流效果进行仿真，并对仿真结果进行了分析。分别改变偏置的磁动势(MagneticMotiveForce,MMF),铁心柱的横截面积和限流线圈的匝数这三个主要参数，其他相关参数相应调整，通过仿真来研究当这三个主要参数任意一个改变时对限流效果的影响，为限流器的设计修改提供可靠依据，并为不同限流技术指标要求下直流限流器的研制，以及直流限流器的优化问题应用提供参考。直流限流器铁心柱的横截面积和线圈匝数的设计参考铁心电抗器和变压器的设计经验。D=KP25(2-1)式中：D铁心柱直径/mm；K经验系数，一般取5458;Pz每柱容量kVA°上式为交流铁心电抗器的铁心直径经验计算公式14叫直流铁心型限流器的铁心直径设计可以也用其来计算，考虑SMC材料的铁心磁化曲线变化较缓慢而不容易饱和，可以适当减小直流铁心限流器铁心的横截面积。交流电抗器的线圈匝数设计中每匝电压降是个很重要的设计参数，而在直流限流器设计中，限流线圈匝数的取值不仅要考虑电压值，更要考虑电流值。因为直流供电系统是低压大电流系统，电压指标较容易满足，大电流值往往需要很多根的铜线并联才能承受。首先估算铁心电抗器的电感值，在不加偏置时，图2-1的电路图左侧的系统电路局部短路后可以看做是阶电路，流过线圈的电流从5kA增加至90kA,要求4ms将短路电流i限制在IOkA,其中负载R1.=O.9444Q,s=0.0556,需要串联的电感值为1.,有公式i(t)=i(oo)+f(0+)-f()eT(2-2)其中了二白，将其代入上式并推导得Rl=3)/(0+)-Z()将数据代入上式，得1.=3.67mHo可也看出，如果要将短路电流在4ms内限制在IOkA以内，必须保证4ms时间以内即电流从5kA到IOkA区间内，电感值要大于3.67mHo如果系统电路不加偏置，铁心应该处于饱和状态（可以参考第三章的电感与电流关系曲线），其电感值非常小，不能满足所需电感要求。依据变压器以及交流限流器设计经验，参照限流所需电感值和作用短路电流的区间范围可以结合第三章中SMC材料铁心线圈电感与电流关系计算结果），先给定一个线圈匝数进行计算，然后根据仿真结果屡次修改匝数值进行计算，以便根据仿真结果调试匝数设计值。限流器的铁心窗口尺寸设计中，参照变压器窗高设计尺寸经验，铁心窗口高度主要由铜线圈轴向尺寸决定，并预留足够绝缘高度。窗宽那么主要由两个线圈绕组的幅向尺寸和中间的空道尺寸决定O初步设计完成后，使用电路和电磁仿真计算软件对短路电流进行计算，根据计算结果，修改限流器主要参数来分析其对限流器限流性能的影响。实际设计中需综合考虑特定情况的具体要求以及限流器的本钱核算，选出最优的一种设计方案。图2-7是直流铁心型限流器的电磁设计流程。图2-7直流铁心型超导限流器电磁设计根本流程2.3 直流铁心型超导故障限流器的磁路仿真2.3.1 直流铁心型超导故障限流器磁路分析图2-1中直流铁心型超导故障限流器对应的磁路模型见图2-8所示，等效磁路分为四段。图2-8直流铁心型超导故障限流器等效磁路其中，NJ为与直流系统连接的铜绕组产生的磁势，乂、乙分别为铜线圈的匝数和电流。为偏置系统连接的超导绕组产生的磁势，N2、分别为超导线圈的匝数和电流。RmI、Rfn2、RM和此4分别为左侧铁心柱、上流部、右侧铁心柱和下二部磁阻。为流经回路的磁通。据磁路定律÷+N1I-N2I2=0(2.4)根据磁阻的计算公式有式中：I11各个磁阻所对应铁心的长度/m；S.各个磁阻所对应铁心的截面积/mm2；n各个磁阻所对应铁心的磁导率。设在同一铁心截面上磁感应强度8相同，那么有瓦=Ti=l4)Si(2-6)列出正常工作状态下直流系统回路等效电路方程(K+=4(2-7)Zd中e.=-N.力(2-8)式中：Rd负载电阻/QRx发电机内部电阻/Qel铜线圈两端感应电动势/VUs直流发电机电压/V将(2-8)代入(2-7)中有(Rs+J)N岑=5(2-9)2.3.2 设计要求和系统参数直流供电系统额定电压5000V,额定电流为5kA,假设最恶劣短路情况发生，即短路点发生在靠近电源处，短路电流峰值为90kA,到达峰值时间4个毫秒左右，要求使用直流限流器在系统正常工作时对电路系统无影响，在短路故障时表现为大阻抗，对短路电流加以限制，使短路电流在短路后4ms左右到达IOkA以下，以保证断路器等设备平安动作。SMC材料的磁化曲线的饱和程度比拟低，斜率变化比拟缓慢，使用分段线性化方法等效替代非线性磁化曲线。直流铁心型超导故障限流器的设计参数见表2-1o表2-1直流铁心型超导故障限流器的设计参数工程参数工程参数正常电流值/kA5铁心窗高mm1200短路电流峰值/kA90铁心柱直径mm700铜绕组匝数40铁心窗宽mm600超导绕组匝数1000短路时刻/S0.1超导偏置电流/A3002.3.3 直流铁心型超导故障限流器仿真计算与分析联立（2-4）与（2-9）,使用MAT1.AB软件中的SlMU1.INK模块搭建出该方程组的仿真模型，见图2-9,计算直流系统电流不。因为是直流电流系统在正常工作时，铜线圈的感抗为零，所以铜线圈两端并没有电压降，此时的磁通中是一个定值，W=0。dt当短路故障发生时，电流彳急剧增大，2；产生的磁通也急剧增加，0odt图2-9直流铁心型限流器磁路仿真框图图2-1中限流器原理图可看出，直流系统回路中只考虑电路中的电阻，所以如果不加限流器，一旦发生短路情况，系统电流就会直线上升，没有任何过渡阶段。直流系统使用表2-1所给参数的限流器后，短路电流在短路故障发生后的增速明显减缓，短路电流波形见图2-10,系统电流在Sls时刻发生短路，电流在短路后4ms增加至6500A,为不加限流器时峰值的7.22%,在IOms增加至7975A,为不加限流器时峰值的8.86%,在42ms后才根本到达最大值，可以看出限流效果非常理想。图2-10系统使用DCFC1.后短路电流波形限流器的左侧柱即限流铜线圈所绕铁心柱的磁感应强度3的值见图2-11所示，这里规定短路稳定后的磁感应强度方向为正方向，可以看出直流系统自起动稳定后，铁心的工作点就停留在反向区域，磁感应强度8的绝对值根本稳定在不到1.IT,发生短路情况后，8的绝对值先变小后增大，最后绝对值到达1.8T左右，稳定在正向饱和区域。图2-10中限流器限流过程和图2-11中的8值的变化是相对应的，8值也在短路后42ms左右到达稳定值。图2-11铁心住中的磁感应强度8铁心中的磁通中随时间的变化如的波形见图2/2所示，可以看出仿真结果与理dt论分析一致，因为正常情况下是直流电流，所以稳定后磁通是定值，=0;短路后atd随着电流的变化，;与电流波形图相对应，短路发生后42毫秒左右磁通稳定，at不再变化。图2-12铁心中的磁通变化率2.4 直流铁心型超导故障限流器的参数与限流性能的关系影响限流器限流效果的三个主要参数是偏置磁动势，铁心柱横截