磁控超導限流器直流繞組結構改進方法仿真研究

耿 延， 姚 磊， 常路宇

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，分布式能源持續(xù)增長，故障電流水平也在不斷增長，逐漸超過傳統(tǒng)斷路器的額定容量，對電力系統(tǒng)的安全產生重要影響。在已有的限制故障電流的方法中，故障限流器[1]正逐漸成為限制故障電流最有效的措施之一。近年來飽和鐵心型限流器是目前一個研究熱點。目前磁控限流器[2]有多種，采用傳統(tǒng)線圈做直流偏置的限流器，其正常運行時產生的損耗仍有可能影響系統(tǒng)正常運行，且暴露出直流偏置能力較弱的問題。近年來出現了采用永磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流偏置線圈的限流器[3]，但其仍然局限于低電壓范圍，有退磁速度慢等問題。超導限流器是將直流線圈替代為超導線圈，具有偏置能力強、無損耗的優(yōu)點。近年來，隨著二硼化鎂(MgB2)超導材料[4]的應用，超導限流器也開始受到廣泛關注。它具有比重小、易制備、易繞制等優(yōu)點，可以被液氫燃料冷卻到20 K工作，解決了常規(guī)低溫超導材料制備困難、價格昂貴的缺點。

本文所研究的限流器采用松耦合結構飽和鐵心型，其主要問題是限流器漏磁大[5]，到達交流柱的磁通少，在穩(wěn)態(tài)時，交流柱處于欠飽和運行，在穩(wěn)態(tài)運行時產生阻抗，會對限流器穩(wěn)態(tài)運行產生不利影響[6]；另一方面，直流超導繞組在限流器運行時，若分布在直流繞組的磁場過大，超導線材會失去超導性，轉入正常態(tài)。為了維持超導繞組的運作，必須減少繞組上分布的磁場強度。為增大限流器穩(wěn)態(tài)運行的穩(wěn)定性，采用通流能力強的超導繞組代替一般繞組能有效提高設備利用率，降低成本，不僅能在正常運行時減小運行阻抗，提高電力系統(tǒng)電能質量和穩(wěn)定性，還可在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時實現快速的限流，對維護電力系統(tǒng)安全具有重要的理論意義及研究價值[7]。

本文在研究超導限流器時，分析了開氣隙結構限流器輸出電抗合理計算方法[8]。借鑒文獻[9]的參數設計方法對磁控電抗器參數進行了詳細的設計。根據鐵心結構及超導材料對磁場的影響分析，掌握直流繞組的結構和不同位置的匝數對磁控電抗器磁場分布的影響是確保超導繞組正常工作的依據；通過改變鐵心及直流繞組的結構，實現鐵心中的磁通最大，同時超導繞組上的磁感應分布強度最小。

1 磁控電抗器工作原理

本文提出的限流器，其核心器件為磁控電抗器。對傳統(tǒng)的磁飽和型限流器分析，可簡單地認為其工作狀態(tài)分為飽和段和未飽和段兩個區(qū)域，分別對應零阻抗和高阻抗兩種狀態(tài)[10]。鐵心B-H曲線如圖1所示。其中OA1為未飽和段，鐵心磁導率較高，交流繞組感抗較大;A1B1為飽和段，鐵心磁導率較低，對應的感抗接近空心線圈感抗。正常通流時，直流繞組提供較強的偏磁磁勢使鐵心始終工作在A1B1段(即交、直流磁勢方向相反時，鐵心仍處于A1B1工作段)，此時，交流繞組感抗很小，對正常輸電無影響。短路故障發(fā)生時，短路電流的反向磁勢會遠大于直流勵磁磁勢， 鐵心退飽和進入OA1段工作， 這導致交流繞組的感抗陡然增加，在交流正負半周交替發(fā)揮限流作用。

圖1 鐵心B-H曲線圖

2 MgB2 直流超導繞組新型物理模型

MgB2超導線材采用Fe作為包套拉制而成，外面再用玻璃纖維及環(huán)氧樹脂膠粘劑絕緣固化(如圖2所示)，Fe為導磁材料，對磁場的分布具有較大的影響，Fe屏蔽了外磁場，使得線材MgB2芯的磁場減小，和傳統(tǒng)的高溫飽和鐵心型超導限流器有很大不同。此外，相對于高溫超導材料，MgB2超導材料的各向異性較小[11]，磁體的磁場和垂直磁場對線材的約束條件不同，由此引起的超導繞組的結構有所不同。采取Fe包套直流超導繞組，利用磁屏蔽作用，能減少直流超導繞組分布的磁場強度，增大其通流能力[12]；而采用彎曲繞組結構，可以在一定程度上規(guī)避漏磁嚴重區(qū)域，也可從一定程度上減少直流線圈分布的磁場強度。

圖2 直流超導繞組物理模型

3 直流回路控制策略

圖3為限流器原理模型。本文采用主動式限流，如圖4所示。在故障時，通過快速開關，使限流器在短路時切斷直流勵磁，通過ZnO壓敏電阻[13]快速釋放直流電流，交流柱產生的磁通在直流柱中可以相互抵消，減少出現直流側感應高壓的情況，另一方面兩鐵心均退飽和，均參與限流，成倍增大限流效果[14]。

圖3 限流器原理模型

圖4 主動式限流磁通變化

4 限流器參數設計

鐵心材料選擇日本JFE鋼鐵株式會社的35JN300型號硅鋼。對飽和鐵心型限流器參數設計的主要任務包括[15]：限流器鐵心尺寸的計算(鐵心截面S和磁路長度l);交流限制線圈匝數Idc;直流超導偏置線圈匝數Idc。

(1)電網發(fā)生短路故障時，設鐵心中的磁通為Φ(t)=Φmsinωt=BxSsinωt，則根據法拉第電磁感應定律：

(1)

式中：交流頻率為f；Nac表示交流匝數；S為鐵心截面積；B為磁感應強度。這里假定漏磁為0。

(2)短路故障時對短路電流限制應在在斷路器可正常工作的電流范圍，這里引入限制電流系數kI。則感抗值應滿足：

(2)

式中：μ2為交流柱鐵心磁導率；l為交流柱磁路長度。

(3)

這是在額定條件下工作時使鐵心始終處于飽和臨界的條件，考慮到超導材料的超導態(tài)臨界電流值，可引入超導帶材安全運行電流系數KS來滿足這一要求。對式(3)取不等號便得到計算限流器參數的第4個公式：

(4)

(5)

根據已知220 V限流器已知條件求解出滿足上述4個等式的參數S,I,Nac,Ndc。具體數值可見表1。

表1 限流器仿真模型參數

5 基于ANSOFT平臺實驗仿真實現

根據上述設計所得參數及結構，在ANSOFT軟件中搭建限流器模型，如圖5和圖6所示。模型側柱為交流繞組，中柱為直流超導繞組。

圖5 限流器3D模型

圖6 限流器2D模型(XZ面)

超導繞組模擬MgB2超導線材實體構造。其最內側為MgB2，采用Fe作為包套拉制成，最外側用絕緣材料固化(如限流器模型所示)。由于計算機性能有限，只用一列線圈近似模擬直流繞組結構。

在ANSOFT軟件中，鐵心的磁導率按照圖7所示的日本株式會社35JN300基本磁化曲線設定。

圖7 35JN300磁化曲線圖

5.1 直流線圈結構對直流繞組磁場的影響

直流柱漏磁在Y方向上的變化大致如圖8所示，直流柱漏磁強度分布為上下兩端大，中間小。

圖8 沿直流柱方向漏磁分布

0～0.04 s為穩(wěn)態(tài)運行，0.04～0.14 s為故障時間(直流已切除)，兩端線圈與中間線圈的磁場強度分布如圖9所示，可以看出，此結構下DC場強分布主要受DC直流影響，故分析DC線圈在非故障情況下(取0.005 s，漏磁最多時刻)的磁場強度分布，如圖9所示。

圖9 穩(wěn)態(tài)情況下直流線圈磁場強度分布

利用ANSOFT進行模型搭建時，設計直流繞組結構為：(1)無Fe包套垂直結構，(2)有Fe包套垂直結構，(3)有Fe包套彎曲結構，分別搭建不同直流結構故障限流器，觀察磁場在DC超導線圈上的分布情況。

從圖10可知，圖10(a)為無Fe包套時，DC超導線圈上磁場分布受DC繞組漏磁通影響較大(尤其在繞組兩端線圈處)，取上下兩端DC線圈，得上端繞組最大場強為108 mT，下端繞組最大場強為 106 mT。圖10(b)為當有Fe包套時，由于Fe的電磁感應及磁屏蔽作用，DC超導繞組上的場強分布呈現四周高中間低的趨勢，上端線圈最大場強為80 mT,下端線圈最大場強為78 mT。圖10(c)適當彎曲上下端線圈進行繞制，避開漏磁嚴重的區(qū)域，上端線圈最大場強為68 mT,下端線圈最大場強為67 mT。采取此結構，比傳統(tǒng)直流繞組分布的場強約減少37%。

利用Fe的磁屏蔽作用，采用Fe包套直流超導繞組，有效降低超導繞組分布的磁場強度，彎曲繞制能避開漏磁嚴重區(qū)域，對磁場強度減小具有一定作用。

圖10 直流線圈磁場分布

5.2 直流繞組不均勻繞制對交流繞組磁場的影響

由于直流柱在兩端漏磁較多，為增大AC側的交流磁通，對Fe包套彎曲繞制的DC線圈進行不均勻繞制，將線圈自上而下分為5組，各組按如下3種方式進行繞制。

圖11 直流繞組繞制示例

方式1：按125∶100∶50∶100∶125進行繞制；

方式2：按150∶75:50:75∶125進行繞制；

方式3：按175∶50:50:50∶175進行繞制。

圖11為直流繞組繞制示例，不均勻繞制交流柱磁鏈如圖12所示。

圖12 交流柱磁鏈

具體結果如表2所示。

表2 交流柱磁鏈

由于AC柱截面半徑僅為40 mm，磁鏈變化不明顯，按式(6)將其轉化為平均磁場強度對比，結果如表3所示。

(6)

式中：ψ為AC柱磁鏈；N為AC柱線圈匝數；S為AC柱截面積。

表3 交流柱平均磁場強度

隨著線圈向兩端繞制，直流柱會在線圈激磁的作用下減少漏磁，交流柱將會獲得很多磁通，但隨著鐵心的飽和程度增加，交流柱磁通增加速度越來越慢。

5.3 運行效果分析

采用圖5所示結構，利用ANSOFT軟件對運行狀況進行分析，軟件設定在0.04 s處時發(fā)生短路，斷開直流勵磁電流，直流線圈接入電阻回路泄流。

如圖13所示，鐵心處于深度飽和，鐵心磁導率近似于真空磁導率，產生的電抗小，對系統(tǒng)正常運行基本無影響。發(fā)生短路故障后，限流狀態(tài)鐵心磁場分布如圖14所示。

圖13 穩(wěn)態(tài)運行下鐵心磁場分布

圖14 故障狀態(tài)下鐵心磁場分布(0.5 s)

在0.04 s短路，并切斷直流側電流，短路電流將在半個周期后(即0.05 s)達到峰值，限流器兩個交流柱將會退出飽和運行，限流器對外呈現一定阻抗，降低短路電流幅值。限流效果如圖15所示。

由圖15的限流效果可以看出，短路電流從峰值520 A限流到250 A，降低了約53%，本文所設計限流器能夠達到預期限流效果。

圖15 限流波形

6 結論

本文對以MgB2超導材料為基礎的飽和鐵心型限流器進行參數的設計研究。從核心元件磁控電抗器出發(fā)，兼顧限流要求對參數進行設計，并得出符合要求的設備鐵心面積、匝數、電流具體參數。探究了如何在不增大直流勵磁的情況下增大交流磁柱的飽和程度，減小穩(wěn)態(tài)運行時對系統(tǒng)的影響，采用不等截面積設計，并利用主動式限流方式減小直流磁柱中磁通的變化，防止在直流磁柱側出現感應高壓。對直流超導繞組采取彎曲及不均勻繞制方式，可以避開直流磁柱漏磁嚴重區(qū)域，減小直流繞組分布的磁場強度，增大其通流能力，不均勻繞制可以在一定程度上增大交流磁柱飽和程度，保障限流器穩(wěn)態(tài)運行。

限流仿真結果表明，本限流器可滿足一般情況下抑制短路電流的要求，具體對限流器的調校和測試還待進行進一步研究。