基于ANSYS的饱和铁心型限流器建模与仿真

基于ANSYS的饱和铁心型限流器建模与仿真

宋萌;林哲侃;罗运松;胡晶;李达义

【摘要】为了解决传统的饱和铁心型故障限流器存在的限流能力差、体积和重量过大等缺点,提出一种改进的饱和铁心型故障限流器.通过改进传统饱和铁心型故障限流器的结构和工作原理,增大了限流器限流阻抗与稳态阻抗的比值,提升了限流器的限流能力,同时减小了饱和铁心型限流器的体积、重量和损耗.利用ANSYS有限元仿真软件,在典型的10 kV应用场景下对改进的饱和铁心型故障限流器及其励磁系统进行建模与仿真.仿真结果验证了改进的饱和铁心型故障限流器理论的正确性,显示了利用ANSYS建立电磁场与电路模型及进行仿真分析的优越性.

【期刊名称】《广东电力》

【年(卷),期】2019(032)004

【总页数】7页(P55-61)

【关键词】饱和铁心型;故障限流器;ANSYS;Maxwell;Simplorer;建模;仿真

【作者】宋萌;林哲侃;罗运松;胡晶;李达义

【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州 510080;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉 430074;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州 510080;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉 430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉 430074

【正文语种】中文

【中图分类】TM471

电力系统中最常见、危害最大的是各种形式的短路，过高的短路电流严重危害电力系统的安全稳定运行，甚至会超过断路器的遮断容量，给电力系统中的各种电气设备(如变压器、接地网、继电保护装置等)造成极大的损害[1]，因此限制电力系统故障短路电流已成为现代电网发展的重大技术问题。考虑到经济成本、生产应用的现状以及对电力系统稳定性的影响，通过外加故障限流器(fault current limiter，FCL)来限制短路电流是当前最好的解决方案[2]。FCL是一种串联接在线路中的电

气设备，其基本思想是快速检测即将出现的大短路电流峰值，并提前采取措施将其限制在低水平，以满足已有断路器在不超过其切断能力下切断短路故障[3]。超导

故障限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)具有反应速度快、能自动触发、自动复位、可多次动作等优越性，是故障限流器发展的最新前沿方向。目前研究较多的SFCL类型有电阻型[4-5]、变压器型[6-7]、有源型[8]、磁屏蔽型[9]、桥路型[10-11]、饱和铁心电抗器型[12-14]等。其中，饱和铁心电抗器型能

够将正常工作条件下的低阻抗与短路条件下的大阻抗相关联，利用磁性材料磁导率的非线性特性来实现限制短路电流的功能[15]。因在故障限流期间超导线圈不失超，具有多次自动启动能力、所需直流超导绕组较易制造等优点，饱和铁心型故障限流器(saturated iron core FCL，SICFCL)已成为国内外限流器研究的首选[14]。但传统的SICFCL仍存在限流阻抗与稳态阻抗的比值较小、限流效率不高、单边效应导致体积和重量过大等缺点。

仿真技术作为一种新型的科技手段已深入于教学和科研中[16-21]，由于大型电力

系统设备的设计与现场实验成本高、实现困难，常使用仿真技术进行仿真分析后，再投入样机的生产和试运行。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的计算机辅助

工程软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元仿真

分析软件。SICFCL的建模与仿真涉及电场、磁场、热力场等多物理场，以及电路、磁路、结构等的耦合关系，适合采用ANSYS有限元软件进行建模和仿真。ANSYS可以很轻松地将仿真结果导出成数据文本，并导入到MATLAB或其他数

据分析软件中进行多组数据的叠加与综合分析。

本文针对传统SICFCL存在的缺点进行改进，并通过建立ANSYS有限元仿真模型，验证了改进的SICFCL原理的正确性和可行性，为SICFCL的实际生产和应用提供

了新的思路。

1 饱和铁心型限流器的基本原理

1.1 传统SICFCL

传统SICFCL的结构如图1所示。SICFCL由铁心、2个交流绕组和1个直流超导

绕组组成；其中铁心由2个“口”字形铁心组成；交流绕组为2个常规导体绕制

的线圈，串联在电网中，分置于不同的铁心上，线圈产生的磁场方向相同；直流超导绕组由直流电源提供直流励磁电流[22]。图2为传统SICFCL工作原理。

图1 传统SICFCL结构Fig.1 Structure of traditional SICFCL

HDC—直流偏置工作点；iac—交流电流；B—磁通密度；H—磁场强度；μ—磁导率；t—时间。图2 传统SICFCL工作原理Fig.2 Working principles of traditional SICFCL in two states

正常运行时，如图2(a)所示，直流励磁电源为直流绕组提供直流励磁电流，产生1个偏置磁场，使铁心处于深度饱和状态，铁心工作于直流偏置工作点HDC。此时，交流电流iac所产生的交流磁场不足以使铁心脱离饱和区，铁心的稳态电抗很小。当短路故障发生时，如图2(b)所示，短路的交流电流增大，使铁心脱离饱和区进

入非饱和区，此时铁心磁导率迅速增大，使得限流器的限流阻抗呈现较大值，从而自动限制了电网的短路电流。传统SICFCL的2个铁心在1个周期内交替退出饱和，由此可以在正半周和负半周分别限制短路电流。当其中一个铁心退出饱和时，另一

个铁心的饱和程度加深。从根本上说，SICFCL是利用铁心材料磁导率的非线性变化特性来限制短路电流。

1.2 传统SICFCL的优缺点

传统SICFCL与其他类型的FCL相比，在系统故障限流期间超导线圈不失超，不存在失超恢复时间问题，并有多次自动启动能力，适于多次重合闸运行。超导线圈偏置电流是直流的，所需的直流超导电缆较易制造，过电压小。根据系统需要，可以在一定的范围内调整直流偏置电流的大小，从而调整预定的最大限流系数。

但是，传统SICFCL也存在如下缺点。

a)限流时，随着故障电流增大，铁心从饱和区进入到非饱和区，从稳态阻抗过度到限流阻抗的速度较慢，且并没有充分利用非饱和区，导致限流阻抗与稳态阻抗的比值较小；

b) 限流器的单边效应(即处于增磁状态的限流电抗器不参与限流)使得铁心和绕组材料用量要按2倍故障功率设计，增加了体积、重量和损耗。

1.3 改进的SICFCL

图3为改进的SICFCL的结构。在传统SICFCL的基础上，改进的SICFCL在直流超导绕组的一侧增加了1个高速直流灭磁开关和1个磁能释放回路，同时去除了1个“口”字形铁心。磁能释放回路可以是常用的非线性氧化锌灭磁电阻，也可以由专门设计的励磁电感灭磁回路组成[23]，其功能为在保证直流绕组两端电压不超过限定值的情况下，迅速消耗或转移直流绕组中的能量，使直流绕组的电流迅速下降。这种改进的结构减少了铁心和绕组材料的用量，也减小了SICFCL的体积、重量和损耗。

图3 改进的SICFCL结构Fig.3 Structure of improved SICFCL

改进的SICFCL工作原理是：正常运行时，高速直流灭磁开关闭合，直流电源提供直流励磁，使铁心处于深度饱和状态，限流器呈现低阻抗，如图2(a)所示。当短