永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统故障限流领域，特别涉及一种永磁饱和型故障限流器磁流热 奉禹合建模方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国电网规模的日益扩大、电力系统负荷的迅速增长、大容量机组的不断投 入运行以及各大区电网的互联，电力系统的短路水平日益增高，许多地区特别是沿海经济 发达地区电网的短路电流水平，已经直逼甚至超过电力规程所规定的最大允许水平。短路 电流过大，不仅会引起电力系统电压和频率不稳定，而且会产生强烈的热效应和电动力冲 击，损坏电气设备及其绝缘。再者，由此带来的跨步电压、对通讯设备的电磁干扰等问题也 日益严重。为保证电力系统的安全、可靠与稳定运行，这就需要更新电网内各种输变电设 备，诸如高压断路器、变压器、互感器以及变电站母线、构架、导线、支撑绝缘子和接地网等， 以满足短路电流水平增高所带来的更加苛刻的要求，使得电网投资成本大大增加，甚至可 能导致电网无高压断路器可选。因此，限制短路电流已经成为当代电网发展中一个不可回 避的重大技术和经济问题。
[0003] 传统的短路电流限制措施主要有：①在电网结构上，考虑提高电压等级、分割母线 或系统以及对大容量机组电厂采用单元接线等方法；②在运行方式上，采用变压器中性点 不接地或中性点小电阻接地方式，以及在穿越功率最小处将环形网络解环运行等；③在电 气设备上，考虑采用电抗器和高阻抗变压器等措施。然而，改造电网结构的造价非常高；改 变运行方式将导致电力系统运行可靠性的降低，采用高阻抗变压器和串联电抗器将显著增 加网络损耗并降低电网运行稳定性。尽管上述措施可在一定程度上解决电网短路电流的抑 制问题，但无一例外地将对电网运行的灵活性、可靠性和经济性带来不同程度的负面影响。
[0004] 故障限流器作为一种新型的故障限流技术，可有效限制电网的短路容量，从而极 大地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高其运行可靠性和使用寿命，保 证电网的安全与稳定运行。永磁饱和型故障限流器（PMFCL)具有混合型磁路结构，其中永 磁体提供类似于直流励磁的恒稳偏置磁场，而绕组电流则会产生交变磁场。这种混合磁路 结构导致漏磁成分较为复杂，主要包括永磁体与铁芯表面的漏磁场、绕组匝间漏磁场以及 铁芯拐角或连结处的漏磁场等，当系统发生短路时，漏磁场会发生畸变，为更有效地分析限 流器的磁效率，需要依据实验研究建立可靠的漏磁分析模型。铁芯中的涡流损耗对限流器 工作性能影响较大，是优化设计中要考虑的关键因素。
[0005]利用有限元分析对限流器进行仿真建模，通过模拟其在正常工作和短路故障下的 状态可以得到限流器磁场变化和温升变化的特点，从而针对这些特点对其采取措施进行保 护，得到的计算分析结果对于限流器材料选择以及参数设计也有一定的参考价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种永磁饱和型故障限流器磁流热 奉禹合建模方法，该方法利用有限元分析软件AnsoftMaxwell和Ansys对永磁饱和型故障限 流器进行磁-流-热场顺序耦合分析，通过对合理的结构以及材料进行探索试验，利用软件 分析得到能达到更好的限流效果的模型。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，包括以下步骤：
[0009] (1)建立永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型，设定模型中各结构 材料的参数；
[0010] (2)在建模过程中，对限流铜绕组施加外部激励，通过控制负载的短路状态，实现 永磁饱和型故障限流器工作状态的切换；
[0011] (3)设置仿真参数，利用有限元软件Ansoft对所述模型进行仿真；得到永磁饱和 型故障限流器半波限流拓扑由正常工作状态过渡到故障限流状态的磁场分布图；
[0012] (4)以永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型为基础，利用Ansoft建 立永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型；
[0013] (5)考虑设备的热稳定度，在ANSYS中建立瞬态热学分析模型，把电磁场计算数据 作为热学分析模型的外载荷使用；对所述瞬态热学分析模型进行有限单元网格剖分，使所 述分析模型的计算结果更接近真实结果；
[0014] (6)完成有限单元网格剖分后，进行边界条件的设置和映射激励添加；将损耗映 射到结构网格中，利用solve求解器进行求解计算，得到模型的温度分布，将温度场图映射 到永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型中，通过ANSYS的后处理器得到任意 时刻的整个永磁饱和型故障限流器设备的温度场计算结果，并显示出整个温度场的动态变 化过程。
[0015] 所述步骤（1)中建立的永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型具体 为：
[0016] 1)整个区域为计算求解域，求解域外假设为真空；设置外边界条件时引入无穷远 边界条件，即气球边界条件；在设置气球边界条件的边线上，磁场既不垂直边线也不平行于 边线；
[0017] 2)铁心部分的材料为R2K3D型铁氧体；
[0018] 3)铁氧体的相对磁导率为非线性，输入材料的相对磁导率数据获得BH曲线；
[0019] 4)永磁体材料为NDFe35,充磁方向为Y轴方向，并且两端永磁体充磁方向相反，在 整个结构中形成闭合磁路；
[0020] 5)两个铁心外都缠绕着限流铜绕组。
[0021] 所述步骤（2)中对限流铜绕组施加的外部激励电路具体为：
[0022] 工频电压源VcU负载电阻R1、限流铜绕组Wl和W2、永磁饱和型故障限流器以及电 流表Al依次串联连接；在所述负载电阻Rl上设置压控开关S_v，它自身的开断则受到脉冲 电压源Vc2的控制；初始时刻开关断开，线路处于正常运行状态，某一时刻后开关闭合，则 正常工作负载被短路，系统处于短路故障状态。
[0023] 所述步骤（4)中建立的永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构3D模型具体 为：
[0024] 1)外包围透明区为计算求解域，外部区域指定为真空；设置外边界条件时，采用 默认边界条件，即磁场强度切向分量恒为零边界条件，除此之外，还需要考虑辐射边界条 件，该边界条件用来模拟需要考虑到的散磁的情况，即在无穷远处磁场为零；
[0025] 2)在3D模型中，永磁体和软磁铁心结构均为长方体；两端永磁体充磁方向相反， 整个限流器铁心与永磁体形成环状闭合磁路；
[0026] 3)两个软磁铁心外绕制交流铜绕组；在建立模型过程中，交流铜绕组为需要设定 激励源的路径；三维模型的绕组中，在两个铜绕组上截出两个平面，作为电流流入面，而后 在截面上施加电流激励。
[0027] 所述步骤（5)的具体方法为：
[0028] 在ANSYSWorkbench中调用Maxwell3D模块，导入之前建立的永磁饱和型故障限 流器半波限流拓扑3D模型及电磁场计算结果文件，建立瞬态热学分析模块，并将电磁场计 算结果文件读入，把电磁场计算数据作为热学分析的外载荷使用。
[0029] 所述步骤（6)中在进行网格剖分设置时，选择insideselection剖分设置对模型 整个内部进行剖分，在剖分设置界面中可设定单元最大边长和所需最大单元数；在设定单 元最大边长时，若数值过大，无法保证计算的精确度；若数值过小，则计算量过大导致计算 时间过长；经过多次仿真及结果比较，选定最适合的能保证较优精确度和占用较少系统资 源的单元最大边长值。
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] 本发明应用有限元分析软件AnsoftMaxwell对直线型永磁饱和型故障限流器绕 组和部件中的电磁场和电流矢量进行分析计算，并在此基础上应用ANSYS软件加入热场进 行磁-流-热耦合分析，得到其绕组、铁心和永磁体部件中的温度场分布，其结果对PMFCL 的材料选型和参数设计具有重要参考价值。
[0032] 本发明利用直线型永磁饱和型故障限流器的简化结构，在AnsoftMaxwell软件中 建模，模型为对称的矩形结构，并把交流绕组简化为对称空腔体，这样便最大程度减少了软 件进行分析计算时对计算机系统资源的占用。对PMFCL的2D、3D模型分别进行电磁场计算， 得出各个部件中主磁场分布和外部漏磁场的分布情况，并得到PMFCL在正常工作状态和短 路故障工作状态下的电流量值和磁通量值，通过对比可以直观地显示出故障限流器对短路 故障大电流的限流效果。
[0033] 利用有限元分析软件ANSYS对PMFCL进行磁-流-热耦合分析，将Maxw