本发明属于高压直流限流器领域，尤其涉及一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器及方法。
背景技术
由于对能源需求的增长和出于对经济、环境以及政治方面的考量，传统电网中分布式电源的穿越在迅速增长。与传统交流系统相比直流系统在远距离大容量输电上有着绝对性优势。主要在于直流连接的系统不必保持频率一致，这使电网有更好的可靠性和更高的效率。此外，在传输相同电能时，直流系统费用远低于交流。
然而，由国际大电网组织对超特高压直流电网发起的调研结果显示，由于直流线路的电阻低，电抗小，加之直流侧电容放电等原因，目前较传统交流系统而言，超特高压直流系统存在故障电流幅值更高、上升速度极快的问题。此外，由于直流故障电流不存在过零点，无法利用过零点自动熄弧，导致目前超特高压直流断路器尚未有可靠产品研制成功。因此，十分需要一种可靠的超特高压直流限流技术来保障超特高压直流系统安全可靠运行。
目前常用的直流限流器有超导故障限流器(sfcl)和使用电力电子器件的固态故障限流器(ssfcl)两种设备。sfcl通过在正常状态和超导状态的切换呈现出可变电阻来限制直流故障电流，ssfcl通过控制电力电子器件的通断呈现出不同的阻抗来限制直流故障电流。但是sfcl需要超导装置与相应严苛使用环境，导致其难以应用于实际系统。ssfcl复杂的控制策略和相对较低的器件耐压等级使它不适用于高压直流系统。因此，有必要找到一种可行的方法来填补传统的方式不适用于高压直流系统带来的领域空白。
技术实现要素：
针对上述问题，本文提出了一种新型高压直流饱和铁芯故障限流器的拓扑结构。考虑到大电感可以有效限制电流上升陡度，此方法应用了软磁材料磁化非线性原理在故障前后自动产生可变电感以限制直流故障电流陡度，与断路器配合可以在早期阶段有效切断直流故障电流。
本发明提出的直流限流器与交流限流器区别较大，主要在于：交流限流器由于其工作特性，电网电流的正负半波对铁芯磁通有交替助磁和去磁作用，为了保证正常工作时铁芯处于深度饱和状态，通常采用永磁体和直流线圈混合励磁，所以交流断路器需要单独的直流电源构成偏置电流回路。此外，由于电感值在正常工作时对交流系统也有影响，因此正常工作时希望限流器阻抗值极低，对系统无影响。直流断路器正常状态电网电流起去磁效应，且由于二者的工作要求不同，直流限流器应工作在临界饱和状态(b-h曲线的拐点附近)，以利用其在正常状态下的电感作为平波电抗器，起限制直流纹波的作用，所以永磁体单独作用即可满足偏置要求，且限流器正常运行时有一定电感值。
本发明通过对铁芯材料、长度和横截面积，永磁体的材料和长度，以及绕组线圈匝数进行合理设计。使限流器在正常状态下与平波电抗器工作特性一致，在故障状态下可以在故障初期有效限制故障电流上升陡度。
本发明采用的技术方案是：
一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，其特征在于：包括铁芯、直流绕组及永磁体；所述铁芯为口字型实芯结构，包含分别位于左右两边的左桥臂、右桥臂，分别位于上下两端的上横轭、下横轭；所述上横轭中镶嵌有第一永磁体，所述下横轭中镶嵌有第二永磁体，对于线圈的励磁方向相反；所述线圈绕组包括左线圈、右线圈，分别绕制在所述左桥臂、右桥臂上。
在上述的一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，所述左桥臂、右桥臂横截均为圆形或椭圆形或矩形，横截面积相等，长度相等。
在上述的一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，所述上横轭、下横轭的长度相等，截面积相等，且其截面积大于所述左桥臂、右桥臂的截面积。
在上述的一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，第一、二永磁体尺寸相同，且截面积与各自所在横轭的截面积相等。
在上述的一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，所述的左线圈、右线圈匝数相等；左线圈的绕向和右线圈的绕向相反。
在上述的一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流器，左线圈的一端与接入输电线路连接，左线圈的另一端与右线圈的一端连接，右线圈的另一端与接入输电线路另一端连接；接入输电线路运行时，直流磁通经铁芯构成回路，永磁体励磁产生的磁通也在铁芯中构成回路，两个磁通共同作用于桥臂。
本发明的工作原理是：在正常工作情况下，利用铁磁元件的磁饱和特性，使装置工作于临界饱和状态，此时限流器的正常阻抗维持一个定值，对直流系统的正常运行无影响，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通，使得铁芯磁通减小退饱和，此时限流器阻抗自动变大，有效抑制故障电流的上升陡度。
具体是：
一种基于饱和铁芯的高压直流系统故障限流方法，其特征在于：包括
在正常工作情况下，电网工作电流idc较小，产生的磁势较永磁体产生的偏置磁势而言小的多，故正常工作时左桥臂、右桥臂受永磁体影响反向深度饱和；由于铁芯饱和时的磁导率等于空气磁导率，因此，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，并使两个直流线圈的总电感和高压直流平波电抗器一致，对系统的正常运行无影响；
在故障发生时，电流idc迅速增大，由于左桥臂、右桥臂上直流绕组产生的直流磁场与永磁体产生的磁势方向相反，使得绕组磁通抵消了永磁体产生的偏置磁场，使得左桥臂、右桥臂迅速退饱和；退出饱和后的铁芯磁导率迅速上升，导致绕组阻抗值较大，对短路故障电流进行限制；在故障排除后，交流电流迅速减小此时饱和铁芯高压直流输电故障限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，混合型磁饱和故障限流器的整体阻抗值又迅速减小，不会对系统的正常运行产生影响。
因此，本发明具有如下优点：1.所述拓扑结构采用饱和铁芯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ms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，这样可以使用更小容量的断路器并且保证直流系统的稳定性。3.在正常状态下可以作为平波电抗器，考虑到它的故障限流作用，比传统平波电抗器更有经济优势。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的工作示意图。
图3是本发明实施例的等效电路图。
图4是本发明实施例的等效磁路图。
具体实施方式
通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。
实施例：
如图1所示，一种新型可变电感型直流限流器，所述限流器包括铁芯、直流绕组及永磁体；所述铁芯为口字型实芯结构，包含分别位于左右两边的第一铁芯、第二铁芯，分别位于上下两端的上横轭、下横轭，所述上横轭中镶嵌有第一永磁体，所述下横轭中镶嵌有第二永磁体，所述线圈绕组包括分别绕于第一芯柱、第二芯柱的第一线圈、第二线圈，所述的第一线圈一端接入输电线路，另一端与第二线圈一端连接。
如图2所示，本实施例的新型可变电感型直流限流器包括一个铁芯、线圈绕组、以及永磁体，铁芯由第一芯柱k1、第二芯柱k2、上横轭c1、下横轭c2、以及分别镶嵌在上横轭柱中部的第一永磁体p1、下横轭柱中部的第二永磁体p2组成；第一芯柱k1绕有第一线圈1，第二芯柱k2绕有第二线圈2；第一线圈1的一端d11接入输电线路的一端，第一线圈1的另一端d12与第二线圈2的一端d21相连，第二线圈2的另一端d22接入输电线路另一端。
如图2所示，第一线圈1和第二线圈2的匝数相同，第一线圈1和第四线圈2的绕向相反，第一线圈1的一端d11与接入输电线路连接，第一线圈1的另一端d12与第二线圈2的一端d21连接，第二线圈2的另一端d22接入输电线路另一端；接入输电线路运行时，直流磁通经铁芯构成回路，永磁体励磁产生的磁通也在铁芯中构成回路，两个磁通共同作用于芯柱。
铁芯中的第一芯柱k1、第二芯柱k2截面可以为圆形、椭圆形或矩形，本实施例采用矩形，如图2所示，第一芯柱k1和第二芯柱k2为矩形，截面积s1和s2相等，且长度相等；所述的上横轭c1、下横轭c2的长度和截面积s3和s4相等，且长度相等；所述的横轭的截面积大于芯柱的截面积s3>s1(约为2倍)，使得在芯柱进入饱和状态时，横轭铁芯仍未饱和；所述的第一永磁体p1、第二永磁体p2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，所述的铁芯结构关于位于横轭中部，整个铁芯关于中芯线成轴对称。
如图3所示，本实施例的工作原理是将线圈感抗值可变的的磁饱和式限流器与输电线路串联，实现对直流短路故障电流的限制。
本实施例的工作过程为：电网直流电流在线圈中的回路如图2所示，直流电流在线圈中感应出的磁场方向与永磁体磁场方向相反，等效的磁路回路如图4所示；在正常工作情况下，由于电网工作电流idc较小，产生的磁势较永磁体产生的偏置磁势而言小的多，故正常工作时第一芯柱k1和第二芯柱k2受永磁体影响反向深度饱和；由于铁芯饱和时的磁导率近似等于空气磁导率，因此，当系统正常运行时，限流器的正常阻抗很小，经过合理的设计可以使两个直流线圈的总电感和高压直流平波电抗器一致，对系统的正常运行无影响，电网直流电流的流通路径如图3所示。
在故障发生时，电流idc迅速增大，由于第一芯柱k1和第二芯柱k2上直流绕组产生的直流磁场与永磁体产生的磁势方向相反，使得绕组磁通抵消了永磁体产生的偏置磁场，使得第一芯柱k1和第二芯柱k2迅速退饱和。退出饱和后的铁芯磁导率迅速上升，导致绕组阻抗值较大，对短路故障电流进行有效限制。在故障排除后，交流电流迅速减小此时饱和铁芯高压直流输电故障限流器的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，混合型磁饱和故障限流器的整体阻抗值又迅速减小，不会对系统的正常运行产生影响。
本实施例中，永磁体被置于铁芯的上下两侧以产生与直流电流磁势方向相反的磁势，并且使直流绕组对直流输电系统呈现出可变电感。在正常状态下，所述限流器可以作为一个平波电抗器工作，其电感满足设计要求范围；当故障发生时，串入电路的电感立即上升并限制故障电流的陡度。分析表明，与传统平波电抗器相比可以在5ms内将故障电流减少30％以上；不用加装控制系统，限流器可以自动对故障作出快速响应，迅速在线路中串入大阻抗，对短路故障电流进行有效地限制；且不影响线路正常运行，限流效果明显，结构紧凑，响应速度快，可靠性高。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。