本发明属于输变电领域，特别涉及一种故障限流器。
背景技术：
随着现代社会对电力需求的不断增长，新能源发电的不断发展，要求电网容量不断增大，为了提高电网的输送能力、新能源发电的利用率和电网的坚强程度，国家提出1000kV特高压电压等级，将各区域电网互联。然而电网的互联不仅增加电网的电压级别，也增大了短路电流，而现有的断路器最大遮断电流仅63kA，且价格昂贵。解决如何限制短路电流的问题是十分迫切的。
现在，主要限流方式为解列电网、装设电抗器、使用高阻变压器等。这些方式增大输电阻抗，降低电网的输送能力和稳定性，与智能电网的坚强性要求相背。装设限流器可保证在正常运行时的电网电抗较小，当发生故障后能迅速增大，是限制短路电流的最佳选择。
近些年，随着电力电子、磁材料和超导材料等技术的发展，出现了多种故障限流设备。其中饱和铁芯型故障限流器是通过在直流绕组加上电流，在正常运行时铁芯饱和，对电网呈现小电抗状态；当发生故障后，短路电流使铁芯退出饱和，限制了短路电流。此结构将直流控制绕组与电网隔离，提高了工作电压等级，具有较好的应用前景。
然而，在短路限流阶段，铁芯退出饱和，由于直流绕组远大于交流绕组匝数，在直流绕组中会感应出较大的电压，因此应用电压级别仍受到了限制。
技术实现要素：
本发明是为解决上述问题而提出的，提供了一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器。
一种减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，连接到电网中，具有第一“日”字形铁芯、第二“日”字形铁芯，第一“日”字形铁芯和第二“日”字形铁芯上绕制有直流线圈和交流线圈，其特征在于：第一“日”字形铁芯包括：第一直流铁芯柱、第一交流铁芯柱、第一旁路铁芯柱和第一交流线圈，第一直流铁芯柱呈“C”字形，第一交流铁芯柱呈“I”字形，两端连接在第一直流铁芯柱的中间，第一旁路铁芯柱呈“I”字形，设置在第一直流铁芯柱的“C”字形缺口中，第一交流线圈绕制在第一交流铁芯柱上；第二“日”字形铁芯结构包括：第二直流铁芯柱、第二交流铁芯柱、第二旁路铁芯柱和第二交流线圈，第二直流铁芯柱呈“C”字形，第二交流铁芯柱呈“I”字形，两端连接在第二直流铁芯柱的中间，第二旁路铁芯柱呈“I”字形，设置在第二直流铁芯柱的“C”字形缺口中，第二交流线圈绕制在第二交流铁芯柱上；其中，第一“日”字形铁芯和第二“日”字形铁芯左右设置，沿着“C”字形的竖向镜像并列设置，两者整体呈“皿”字形，第一直流铁芯柱与第二直流铁芯柱的“C”字形竖向部分相邻，该相邻的竖向部分上绕制有直流线圈，第一交流线圈和第二交流线圈匝数相同，绕向一致，同一端相连，另一端串接联入电网中。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还具有这样的特征：其中，第一“日”字形铁芯和第二“日”字形铁芯之间具有间隙，间隙介质为空气。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一直流铁芯柱和第二直流铁芯柱尺寸相同，第一交流铁芯柱和第二交流铁芯柱尺寸相同，第一旁路铁芯柱和第二旁路铁芯柱尺寸相同。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一直流铁芯柱和第二直流铁芯柱的磁化曲线斜率和饱和磁感应强度大于第一交流铁芯柱和第二交流铁芯柱的磁化曲线斜率和饱和磁感应强度。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一直流铁芯柱和第二直流铁芯柱的铁芯材料为软磁性复合材料。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一交流铁芯柱和第二交流铁芯柱铁芯材料为铁钴磁性合金。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一旁路铁芯柱和第二旁路铁芯柱材料为铁钴磁性合金。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，直流线圈采用超导材料制作。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，直流线圈采用非超导材料制作。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，还可以具有这样的特征：其中，第一交流线圈和第二交流线圈采用非超导材料制作。
发明作用与效果
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，在一般的“双口字形”饱和铁芯限流器的“口”字形铁芯中设置有第一旁路铁芯柱，即引入了一对旁路磁路，使得当电网发生故障后，交流铁芯柱退磁引起的磁通变化在旁路磁路中流通，直流磁通仍不脱离饱和状态，变化较小，从而在直流线圈中不会感应出较高的电压，即线圈中电流也相应的较低。
本发明提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器结构简单、易于实现，只是在现有的“双口字形”饱和铁芯限流器中添加了第一旁路铁芯柱，使得饱和铁芯型故障限流器的成本低、可靠性高。
另外，本发明不仅适用于单相电路，也适用于三相电路。
附图说明
图1为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器的工作原理示意图；
图2为Vacoflux48材料的磁化曲线；
图3为Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa材料的磁化曲线；
图4为AFK580-600材料的磁化曲线；
图5为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网正常运行时铁芯上的磁场分布示意图；
图6为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网发生故障且短路电流在正半周峰值时的铁芯上的磁场分布示意图；以及
图7为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网发生故障且短路电流在负半周峰值时的铁芯上的磁场分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器作具体阐述。
图1为本实施例的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器的工作原理示意图。
如题1所示，减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器100具有第一“日”字形铁芯20、第二“日”字形铁芯30，第一“日”字形铁芯20和第二“日字形”铁芯30上绕制有直流线圈10和交流线圈1。
其中，第一“日”字形铁20芯包括：第一直流铁芯柱21、第一交流铁芯柱22、第一旁路铁芯柱23和第一交流线圈24。
第一直流铁芯柱21呈“C”字形，具有缺口21a，使用软磁性复合材料制成，本实施例中使用VAC公司生产的铁钴磁性合金Vacoflux48制成。
第一交流铁芯柱22呈“I”字形，两端固定焊接在第一直流铁芯柱21的中间，使用铁钴磁性合金制成，本实施例中使用软磁性复合材料Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa。
第一旁路铁芯柱23呈“I”字形，两端卡入在第一直流铁芯柱21的“C”字形中部的缺口21a中，使用铁钴磁性合金制成，本实施中采用Aperam公司生产的铁钴磁性合金AFK580-600材料。
第一交流线圈24绕制在第一交流铁芯柱22上，其使用非超导材料制成，本实施例中为铜制成。
第二“日字形”铁芯30包括：第二直流铁芯柱31、第二交流铁芯柱32、第二旁路铁芯柱33和第二交流线圈34。
第二直流铁芯柱31呈“C”字形，具有缺口31a，其形状、尺寸大小与第一直流铁芯柱21相同，使用软磁性复合材料制成，本实施例中使用VAC公司生产的铁钴磁性合金Vacoflux48制成。
第二交流铁芯柱32呈“I”字形，其形状、尺寸大小与第一交流铁芯柱22相同，两端固定焊接在第二直流铁芯柱31的中间，，使用铁钴磁性合金制成，本实施例中使用软磁性复合材料Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa。
第二旁路铁芯柱33呈“I”字形，其形状、尺寸大小与第一旁路铁芯柱23相同，两端卡入在第二直流铁芯柱31的“C”字形中部的缺口31a中，使用铁钴磁性合金制成，本实施中采用Aperam公司生产的铁钴磁性合金AFK580-600材料。
第二交流线圈34绕制在第二交流铁芯柱32上，第一交流线圈24和第二交流线圈34匝数相同，绕向一致，同一端相连，另一端串接联入电网中，其使用非超导材料制成，本实施例中为铜制成。
其中，第一“日”字形铁芯20和第二“日”字形铁芯30左右设置，沿着“C”字形的竖向镜像并列设置，两者整体结合呈“皿”字形，
第一直流铁芯柱21与第二直流铁芯柱31的“C”字形竖向部分相邻，该相邻的竖向部分上绕制有直流线圈1，在本实施例中，直流线圈1采用超导材料，也可以采用铜导体材料制成。
作为一种普遍的例子，只要第一直流铁芯柱和第二直流铁芯柱的磁化曲线斜率和饱和磁感应强度大于第一交流铁芯柱和第二交流铁芯柱的磁化曲线斜率和饱和磁感应强度，即可满足要求，而不必要一定使用上述的材料。
图2为Vacoflux48材料的磁化曲线，图3为Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa材料的磁化曲线，图4为AFK580-600材料的磁化曲线，图5为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网正常运行时铁芯上的磁场分布示意图，图6为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网发生故障且短路电流在正半周峰值时的铁芯上的磁场分布示意图，以及图7为本发明的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器在电网发生故障且短路电流在负半周峰值时的铁芯上的磁场分布示意图。
下面结合附图2，3，4，5，6，7对实施例的工作原理做详细说明。
第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31的铁芯材料磁化曲线斜率高、饱和磁感应强度大，采用VAC公司生产的铁钴磁性合金Vacoflux48，Vacoflux48的磁化曲线参见图2。
第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32铁芯材料斜率低、饱和磁感应强度小，如采用HoganasAB公司生产的铁钴磁性合金软磁性复合材料Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa，Somaloy550+0.6％LB1_CC_800MPa的磁化曲线参见图3。
第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33采用Aperam公司生产的铁钴磁性合金AFK580-600材料，AFK580-600的磁化曲线参见图4。由图4可知，与其他铁磁材料性能不同的是，AFK580-600材料在磁场强度较低(0～18000)时，磁感应强度较小，旁路铁芯柱流通的磁通量较小，称为“截止区”，材料在此区域的磁导率较小；磁场强度增大到一定范围(18000～30000)时，磁感应强度迅速增大，旁路铁芯柱流通的磁通量迅速增大，称为“线性区”，材料在此区域的磁导率较大；随着磁场强度的进一步增大(大于30000)，磁感应强度变化较小，旁路铁芯柱流通的磁通量变化较小，铁芯处于饱和状态，称为“饱和区”，材料在此区域的磁导率很小。
当系统正常运行时，通过改变第一直流铁芯柱21、第一交流铁芯柱22、第一旁路铁芯柱23和第二直流铁芯柱31、第二交流铁芯柱32、第二旁路铁芯柱33的面积和尺寸配合，使第一直流铁芯柱21和第一直流铁芯柱31工作在深度饱和的同时第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32工作在浅度饱和(磁感应强度在1.5左右)，此时第一交流线圈24和第二交流线圈34中流通的工作电流较小，第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32仍然处于饱和状态，第一交流线圈24和第二交流线圈34的两端的电压较小，限流器对电网呈现的电抗较小。此时的第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33工作在“截至区”，旁路铁芯柱流通的磁通较小，直流绕组产生的磁通基本全通过第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32，提高了饱和电抗器的放大系数，如图5所示，第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31中的磁感应强度约为2.4T，第一交流铁芯柱22和第二交流铁芯柱32中的磁感应强度约为1.5T，第一旁路铁芯柱23和第二旁路铁芯柱33中的磁感应强度约为0.1T。
当系统发生故障时，当故障电流工作在正半周时，第一交流线圈24与直流线圈1在第一交流铁芯柱22产生的磁场产生的磁场中方向相反，较大的交流电流使第一交流铁芯柱22退出饱和，第一交流铁芯柱22中流通的磁通迅速降低，从而产生较大的电抗，限制了短路电流的正半周，较大的短路电流增大了第一旁路铁芯柱23的磁势，第一旁路铁芯柱23的磁场强度增大，此时进入了图4的“线性区”，磁感应强度迅速增大，第一旁路铁芯柱23中流通的磁通量迅速增大，从而弥补了第一交流铁芯柱22因退饱和而降低的磁通量，如图6所示,当短路电流达到正半周最大值时，第一交流铁芯柱22中的磁感应强度基本为0T，第一旁路铁芯柱23中的磁感应强度增大到1T附近，第一直流铁芯柱21中的磁感应强度基本保持不变，仍约为2.4T,第一直流铁芯柱21中流通的磁通量基本不变；当故障电流工作在负半周时，第二交流线圈34与直流线圈1在第二交流铁芯柱32产生的磁场产生的磁场中方向相反，较大的交流电流使第二交流铁芯柱32退出饱和，产生较大的电抗，限制了短路电流的负半周，较大的短路电流增大了第二旁路铁芯柱33的磁势，第二旁路铁芯柱33的磁场强度增大，进入了图4的“线性区”，磁感应强度迅速增大，第二旁路铁芯柱33中流通的磁通量迅速增大，从而弥补了第二交流铁芯柱32因退饱和而降低的磁通量，如图7所示,当短路电流达到正半周最大值时，第二交流铁芯柱32中的磁感应强度基本为0T，第二旁路铁芯柱33中的磁感应强度增大到1T附近，第二直流铁芯柱31中的磁感应强度基本保持不变，仍约为2.4T,第二直流铁芯柱31中流通的磁通量基本不变。因此，短路电流得到了限制，同时第一直流铁芯柱21和第二直流铁芯柱31中的磁通量基本不变，直流绕组1中产生的磁链基本不变，从而直流绕组1的感应电压较小。
上述实施例的说明描述是基于单相电路的，三相电路同样适用。
实施例的作用和有益效果
本实施例提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器，在一般的“双口字形”饱和铁芯限流器的“口”字形铁芯中设置有第一旁路铁芯柱，即引入了一对旁路磁路，使得当电网发生故障后，交流铁芯柱退磁引起的磁通变化在旁路磁路中流通，直流磁通仍不脱离饱和状态，变化较小，从而在直流线圈中不会感应出较高的电压，即线圈中电流也相应的较低。
本实施例提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器结构简单、易于实现，只是在现有的“双口字形”饱和铁芯限流器中添加了第一旁路铁芯柱，使得饱和铁芯型故障限流器的成本低、可靠性高。
本实施例提供的减轻直流冲击的饱和铁芯型故障限流器所使用的芯柱材料为商品化供应的材料，容易得到，减轻了设计的难度，同时选用的材料效果较好。
另外，本发明不仅适用于单相电路，也适用于三相电路。