磁控超导限流器直流绕组结构改进方法仿真研究

耿 延， 姚 磊， 常路宇

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

随着电力系统的不断发展，分布式能源持续增长，故障电流水平也在不断增长，逐渐超过传统断路器的额定容量，对电力系统的安全产生重要影响。在已有的限制故障电流的方法中，故障限流器[1]正逐渐成为限制故障电流最有效的措施之一。近年来饱和铁心型限流器是目前一个研究热点。目前磁控限流器[2]有多种，采用传统线圈做直流偏置的限流器，其正常运行时产生的损耗仍有可能影响系统正常运行，且暴露出直流偏置能力较弱的问题。近年来出现了采用永磁体代替传统直流偏置线圈的限流器[3]，但其仍然局限于低电压范围，有退磁速度慢等问题。超导限流器是将直流线圈替代为超导线圈，具有偏置能力强、无损耗的优点。近年来，随着二硼化镁(MgB2)超导材料[4]的应用，超导限流器也开始受到广泛关注。它具有比重小、易制备、易绕制等优点，可以被液氢燃料冷却到20 K工作，解决了常规低温超导材料制备困难、价格昂贵的缺点。

本文所研究的限流器采用松耦合结构饱和铁心型，其主要问题是限流器漏磁大[5]，到达交流柱的磁通少，在稳态时，交流柱处于欠饱和运行，在稳态运行时产生阻抗，会对限流器稳态运行产生不利影响[6]；另一方面，直流超导绕组在限流器运行时，若分布在直流绕组的磁场过大，超导线材会失去超导性，转入正常态。为了维持超导绕组的运作，必须减少绕组上分布的磁场强度。为增大限流器稳态运行的稳定性，采用通流能力强的超导绕组代替一般绕组能有效提高设备利用率，降低成本，不仅能在正常运行时减小运行阻抗，提高电力系统电能质量和稳定性，还可在电力系统发生故障时实现快速的限流，对维护电力系统安全具有重要的理论意义及研究价值[7]。

本文在研究超导限流器时，分析了开气隙结构限流器输出电抗合理计算方法[8]。借鉴文献[9]的参数设计方法对磁控电抗器参数进行了详细的设计。根据铁心结构及超导材料对磁场的影响分析，掌握直流绕组的结构和不同位置的匝数对磁控电抗器磁场分布的影响是确保超导绕组正常工作的依据；通过改变铁心及直流绕组的结构，实现铁心中的磁通最大，同时超导绕组上的磁感应分布强度最小。

1 磁控电抗器工作原理

本文提出的限流器，其核心器件为磁控电抗器。对传统的磁饱和型限流器分析，可简单地认为其工作状态分为饱和段和未饱和段两个区域，分别对应零阻抗和高阻抗两种状态[10]。铁心B-H曲线如图1所示。其中OA1为未饱和段，铁心磁导率较高，交流绕组感抗较大;A1B1为饱和段，铁心磁导率较低，对应的感抗接近空心线圈感抗。正常通流时，直流绕组提供较强的偏磁磁势使铁心始终工作在A1B1段(即交、直流磁势方向相反时，铁心仍处于A1B1工作段)，此时，交流绕组感抗很小，对正常输电无影响。短路故障发生时，短路电流的反向磁势会远大于直流励磁磁势， 铁心退饱和进入OA1段工作， 这导致交流绕组的感抗陡然增加，在交流正负半周交替发挥限流作用。

图1 铁心B-H曲线图

2 MgB2 直流超导绕组新型物理模型

MgB2超导线材采用Fe作为包套拉制而成，外面再用玻璃纤维及环氧树脂胶粘剂绝缘固化(如图2所示)，Fe为导磁材料，对磁场的分布具有较大的影响，Fe屏蔽了外磁场，使得线材MgB2芯的磁场减小，和传统的高温饱和铁心型超导限流器有很大不同。此外，相对于高温超导材料，MgB2超导材料的各向异性较小[11]，磁体的磁场和垂直磁场对线材的约束条件不同，由此引起的超导绕组的结构有所不同。采取Fe包套直流超导绕组，利用磁屏蔽作用，能减少直流超导绕组分布的磁场强度，增大其通流能力[12]；而采用弯曲绕组结构，可以在一定程度上规避漏磁严重区域，也可从一定程度上减少直流线圈分布的磁场强度。

图2 直流超导绕组物理模型

3 直流回路控制策略

图3为限流器原理模型。本文采用主动式限流，如图4所示。在故障时，通过快速开关，使限流器在短路时切断直流励磁，通过ZnO压敏电阻[13]快速释放直流电流，交流柱产生的磁通在直流柱中可以相互抵消，减少出现直流侧感应高压的情况，另一方面两铁心均退饱和，均参与限流，成倍增大限流效果[14]。

图3 限流器原理模型

图4 主动式限流磁通变化

4 限流器参数设计

铁心材料选择日本JFE钢铁株式会社的35JN300型号硅钢。对饱和铁心型限流器参数设计的主要任务包括[15]：限流器铁心尺寸的计算(铁心截面S和磁路长度l);交流限制线圈匝数Idc;直流超导偏置线圈匝数Idc。

(1)电网发生短路故障时，设铁心中的磁通为Φ(t)=Φmsinωt=BxSsinωt，则根据法拉第电磁感应定律：

(1)

式中：交流频率为f；Nac表示交流匝数；S为铁心截面积；B为磁感应强度。这里假定漏磁为0。

(2)短路故障时对短路电流限制应在在断路器可正常工作的电流范围，这里引入限制电流系数kI。则感抗值应满足：

(2)

式中：μ2为交流柱铁心磁导率；l为交流柱磁路长度。

(3)

这是在额定条件下工作时使铁心始终处于饱和临界的条件，考虑到超导材料的超导态临界电流值，可引入超导带材安全运行电流系数KS来满足这一要求。对式(3)取不等号便得到计算限流器参数的第4个公式：

(4)

(5)

根据已知220 V限流器已知条件求解出满足上述4个等式的参数S,I,Nac,Ndc。具体数值可见表1。

表1 限流器仿真模型参数

5 基于ANSOFT平台实验仿真实现

根据上述设计所得参数及结构，在ANSOFT软件中搭建限流器模型，如图5和图6所示。模型侧柱为交流绕组，中柱为直流超导绕组。

图5 限流器3D模型

图6 限流器2D模型(XZ面)

超导绕组模拟MgB2超导线材实体构造。其最内侧为MgB2，采用Fe作为包套拉制成，最外侧用绝缘材料固化(如限流器模型所示)。由于计算机性能有限，只用一列线圈近似模拟直流绕组结构。

在ANSOFT软件中，铁心的磁导率按照图7所示的日本株式会社35JN300基本磁化曲线设定。

图7 35JN300磁化曲线图

5.1 直流线圈结构对直流绕组磁场的影响

直流柱漏磁在Y方向上的变化大致如图8所示，直流柱漏磁强度分布为上下两端大，中间小。

图8 沿直流柱方向漏磁分布

0～0.04 s为稳态运行，0.04～0.14 s为故障时间(直流已切除)，两端线圈与中间线圈的磁场强度分布如图9所示，可以看出，此结构下DC场强分布主要受DC直流影响，故分析DC线圈在非故障情况下(取0.005 s，漏磁最多时刻)的磁场强度分布，如图9所示。

图9 稳态情况下直流线圈磁场强度分布

利用ANSOFT进行模型搭建时，设计直流绕组结构为：(1)无Fe包套垂直结构，(2)有Fe包套垂直结构，(3)有Fe包套弯曲结构，分别搭建不同直流结构故障限流器，观察磁场在DC超导线圈上的分布情况。

从图10可知，图10(a)为无Fe包套时，DC超导线圈上磁场分布受DC绕组漏磁通影响较大(尤其在绕组两端线圈处)，取上下两端DC线圈，得上端绕组最大场强为108 mT，下端绕组最大场强为 106 mT。图10(b)为当有Fe包套时，由于Fe的电磁感应及磁屏蔽作用，DC超导绕组上的场强分布呈现四周高中间低的趋势，上端线圈最大场强为80 mT,下端线圈最大场强为78 mT。图10(c)适当弯曲上下端线圈进行绕制，避开漏磁严重的区域，上端线圈最大场强为68 mT,下端线圈最大场强为67 mT。采取此结构，比传统直流绕组分布的场强约减少37%。

利用Fe的磁屏蔽作用，采用Fe包套直流超导绕组，有效降低超导绕组分布的磁场强度，弯曲绕制能避开漏磁严重区域，对磁场强度减小具有一定作用。

图10 直流线圈磁场分布

5.2 直流绕组不均匀绕制对交流绕组磁场的影响

由于直流柱在两端漏磁较多，为增大AC侧的交流磁通，对Fe包套弯曲绕制的DC线圈进行不均匀绕制，将线圈自上而下分为5组，各组按如下3种方式进行绕制。

图11 直流绕组绕制示例

方式1：按125∶100∶50∶100∶125进行绕制；

方式2：按150∶75:50:75∶125进行绕制；

方式3：按175∶50:50:50∶175进行绕制。

图11为直流绕组绕制示例，不均匀绕制交流柱磁链如图12所示。

图12 交流柱磁链

具体结果如表2所示。

表2 交流柱磁链

由于AC柱截面半径仅为40 mm，磁链变化不明显，按式(6)将其转化为平均磁场强度对比，结果如表3所示。

(6)

式中：ψ为AC柱磁链；N为AC柱线圈匝数；S为AC柱截面积。

表3 交流柱平均磁场强度

随着线圈向两端绕制，直流柱会在线圈激磁的作用下减少漏磁，交流柱将会获得很多磁通，但随着铁心的饱和程度增加，交流柱磁通增加速度越来越慢。

5.3 运行效果分析

采用图5所示结构，利用ANSOFT软件对运行状况进行分析，软件设定在0.04 s处时发生短路，断开直流励磁电流，直流线圈接入电阻回路泄流。

如图13所示，铁心处于深度饱和，铁心磁导率近似于真空磁导率，产生的电抗小，对系统正常运行基本无影响。发生短路故障后，限流状态铁心磁场分布如图14所示。

图13 稳态运行下铁心磁场分布

图14 故障状态下铁心磁场分布(0.5 s)

在0.04 s短路，并切断直流侧电流，短路电流将在半个周期后(即0.05 s)达到峰值，限流器两个交流柱将会退出饱和运行，限流器对外呈现一定阻抗，降低短路电流幅值。限流效果如图15所示。

由图15的限流效果可以看出，短路电流从峰值520 A限流到250 A，降低了约53%，本文所设计限流器能够达到预期限流效果。

图15 限流波形

6 结论

本文对以MgB2超导材料为基础的饱和铁心型限流器进行参数的设计研究。从核心元件磁控电抗器出发，兼顾限流要求对参数进行设计，并得出符合要求的设备铁心面积、匝数、电流具体参数。探究了如何在不增大直流励磁的情况下增大交流磁柱的饱和程度，减小稳态运行时对系统的影响，采用不等截面积设计，并利用主动式限流方式减小直流磁柱中磁通的变化，防止在直流磁柱侧出现感应高压。对直流超导绕组采取弯曲及不均匀绕制方式，可以避开直流磁柱漏磁严重区域，减小直流绕组分布的磁场强度，增大其通流能力，不均匀绕制可以在一定程度上增大交流磁柱饱和程度，保障限流器稳态运行。

限流仿真结果表明，本限流器可满足一般情况下抑制短路电流的要求，具体对限流器的调校和测试还待进行进一步研究。