ell中分 析得到的电磁场的分布情况作为荷载引入其中进行瞬态温度场分析，得出PMFCL的温度场 分布图。对其结构进行剖分，在不同时刻得到在铁心中的温度变化，得出PMFCL发热温升规 律，为限流器的参数优化提供参考价值，同时也为实现其高压大容量化提供一种有效的研 究途径。
【附图说明】
[0034] 图1为直线式PMFCL的（te-i曲线示意图；
[0035] 图2为本发明PMFCL半波限流拓扑结构2D模型示意图；
[0036] 图3为本发明2D模型中限流铜绕组外部激励电路图；
[0037] 图4为本发明PMFCL半波限流拓扑2D模型仿真电流量值示意图；
[0038] 图5 (a)-图5 (d)为本发明PMFCL半波限流拓扑结构2D模型在整个工作过程中四 个典型时刻的磁场分布图；
[0039] 图6为本发明PMFCL半波限流拓扑结构3D模型示意图；
[0040] 图7为本发明直线型PMFCL半波限流拓扑3D模型剖分图；
[0041] 图8为本发明PMFCL半波限流拓扑3D模型仿真电流及磁链波形图；
[0042] 图9为本发明PMFCL模型热场分析网格剖分示意图。
【具体实施方式】：
[0043] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0044] 永磁饱和型故障限流器工作原理
[0045] 基于磁场的永磁饱和型故障限流器（以下简称PMFCL)的限流机理分析
[0046] 图1给出了直线式PMFCL的半波限流拓扑中铁心磁通量小e与绕组电流i的关系 曲线。其中，折线AB⑶E为半波限流拓扑铁心工作点的轨迹，AB、BD和DE分别表示限流器 的正向饱和区、退饱和区和反向饱和区。当系统正常工作时，永磁体产生的强偏置磁场使得 铁心一直处于深度饱和区AB，铁心磁通满足s，绕组表现为低感抗。当系统发生短 路故障时，大故障电流产生的磁动势逐渐抵消永磁体的磁动势，使铁心脱离饱和区而进入 退饱和区BD，磁通满足-(ts< s，绕组对外表现为高感抗而限制短路电流。若短路 电流继续增大至1_以上，则小e〈-cts，强交变电流产生的磁动势驱使铁心进入反向饱和区DE，PMFCL失去限流能力。
[0047] 为分析PMFCL在整个有效限流区域BD内的磁通分布变化，此处定义铁心工作点经 历的两个阶段：1)限流阶段I，从点B过渡到点C，称为第一类等效磁路模型；2)限流阶段 II，从点C过渡到点D，称为第二类等效磁路模型。
[0048] 一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：
[0049] (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；
[0050] 模型中各材料参数是与选取的材料相关的。
[0051] ①绕组材料的选取就是考虑实际中一般绕组的材料选取为铜。
[0052] ②永磁体的选取比较了工程上应用较广泛的铝钴镍永磁体、永磁铁氧体、稀土钴 永磁体和钕铁硼永磁体。对比情况如表1 :
[0053] 表1典型硬磁材料的性能比较
[0054]
【主权项】
1. 一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是，包括w下步骤： (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； (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； (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； (4) W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； (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； (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。
2. 如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是， 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： 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； 2) 铁也部分的材料为R2K3D型铁氧体； 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； 4) 永磁体材料为N孤'e35,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； 5) 两个铁也外都缠绕着限流铜绕组。
3. 如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是， 所述步骤（2)中对限流铜绕组施加的外部激励电路具体为： 工频电压源Vcl、负载电阻R1、限流铜绕组化和W2、永磁饱和型故障限流器W及电流表 A1依次串联连接；在所述负载电阻R1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。
4. 如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是， 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： 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，还需要考虑福射边界条件，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； 2) 在3D模型中，永磁体和软磁铁也结构均为长方体；两端永磁体充磁方向相反，整个 限流器铁也与永磁体形成环状闭合磁路； 3)两个软磁铁也外绕制交流铜绕组；在建立模型过程中，交流铜绕组为需要设定激励 源的路径；H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。
5. 如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是， 所述步骤巧）的具体方法为： 在ANSYS Wor化ench中调用Maxwell 3D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。
6. 如权利要求1所述的一种永磁饱和型故障限流器磁流热禪合建模方法，其特征是， 所述步骤（6)中在进行网格剖分设置时，选择inside selection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。
【专利摘要】本发明公开了一种永磁饱和型故障限流器磁流热耦合建模方法，包括：建立永磁饱和型故障限流器的半波限流拓扑结构2D模型；利用有限元软件Ansoft对所述模型进行仿真；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；在ANSYS中建立瞬态热学分析模型，对所述瞬态热学分析模型进行有限单元网格剖分，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，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。本发明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，并加入热场进行磁-流-热耦合分析，其结果对PMFCL的材料选型和参数设计具有重要参考价值。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104679936
【申请号】CN201410737684
【发明人】段玉兵, 胡晓黎, 雍军, 杨波, 孙晓斌, 张皓
【申请人】国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年12月5日