摘 要：最近，故障电流限制器已成了与电源可靠工作相关联的热门课题。M·Shima等人曾报道过使用永磁体和C型磁心的故障电流限制器的技术特性。本文通过数字分析并考虑到涡流效应，研究了使用E型磁心的故障电流限制器的技术性能。数字分析是依据故障电流限制器的磁心尺寸比例完成的。结果显示，磁心的尺寸比值会严重影响器件的技术性能。实验结果证明，它与分析数据很吻合。 关键词：故障电流限制器（FCL） 永磁体 E型磁心尺寸比例 等效电路 1引言 近年来随着电力系统容量的增大，越来越要求适时稳定地供给电能。另一方面，要电力系统不出故障是很难的，办法之一，就是设法提高当时故障电流的屏蔽能力。这样，需要瞬时抑制故障电流，以避免造成对系统设备的影响。 在目前这种状况下，希望能够开发故障电流限制器。已研究过利用超导体的大容量故障电流限制器。为了开发出适用于10KVA左右的低压配电系统等小电力系统的全无源型故障电流限制器，Shima等人最近就使用永磁体和软磁磁心的单相故障电流限制器的结构进行过探索。 为了便于改变器件的规格，有利于永磁体的小型化，这里介绍用E型磁心代替C型磁心，并进行数字模拟，以弄清楚磁心和永磁体的物理尺寸对器件限流特性的影响。另制作了器件模型，研究器件的工作特性及磁心形状引起性能差异，以改善故障电流限制器的技术特性。 2电流限制器构成与工作原理 2.1故障电流限制器的构成 电流限制器是串联在系统电源到电器设备等负载的线路中，可以抑制发生故障时的故障电流，从而保护电源和设备的器件。器件的电压——电流特性如图1（a）曲线所示。系统中的电流达到Ilinek值时几乎没有电压降，希望器件具有抑制超过Ilinek的电流特性。 本文研究的故障电流限制器结构如图1（b）所示，它仅使用磁心和永磁体（Nd-Fe-B系合金）并绕上线圈构成。磁心为取向硅钢片Z-8，厚0.3mm；Nd-Fe-B永磁体用高矫顽力合金，可使磁心充分磁化至饱和。这种结构很简单，勿需任何偏置电源和冷却设备等附加设施。 2.2故障电流限制器的工作原理 用作故障电流限制器的磁心，其磁化特性虽具有磁滞曲线，若扩宽磁场的利用范围，在考虑该器件的工作时，可将磁化特性分为饱和与未饱和两个区域，用双折线近似表示出来。即象图1（b）那样，当构成器件时，磁心的磁化特性被永磁体偏磁，于是，图1（b）中的电流I为正时就具有图2（a）那种特性，为负时就会象图2（b）那样，整个器件的磁化特性就变成图 2（c）那样。也就是说，这种器件在系统工作正常时，磁心在饱和区域（area2）内运行，其电压降变小；一旦系统发生故障，过电流就使磁心进入未饱和区（area1，3）工作，于是电压降就增大，从而达到了限流的作用。不过在设计中，过电流不能超过area1，3，进入饱和区。 3用数字模拟分析故障电流限制器的工作 3.1使用E型对接磁心的故障电流限制器 岛昌浩等人曾经报告，在使用C型磁心设计的故障电流限制器（图3(a)）中，增大尺寸d虽可以提高限流性能，但相应地需要增大永磁体的尺寸。使用体积大的永磁体，在器件加工和成本方面都存在问题。故希望能够不用大型永磁体，也能改善器件的性能并提高屏蔽能力的结构设计。另外，如图3（a）所示，在使用C型磁心时，还存在着绕组、封装等问题。解决这些问题的办法就象图3(b)那样，采用使磁心伸到永磁体上下部位的结构设计。这样，在实际制作器件时不用功除E型磁心的中心脚，且可将永磁体插入该部位。 3.2等效电路 设计故障电流限制器时，需要先定量地预测其工作性能，为此，必须进行高精度的分析。要进行工作分析，首先应当研究图4那样的模拟电路。这里，应考虑到影响其性能的磁心非线性特性，并想到块状图5 涡流模型（含趋肤效应）永磁体中存在的涡流。故而考虑到分析精度和计算时间的长短，象图5那样，将永磁体涡流电路的截面积三等分，以研究包括趋肤效应在内的涡流的影响。此外，若不考虑漏磁通，可将图4中的电路变换成图6那种等效电路。在这个等效电路中，由属于电源的电路、属于磁力源的磁路和属于电源的涡流的回路组合而成。 3.3采用列表法的数字模拟 对图6中的等效电路导出电路方程式，并以表格形式排列起来，表示一个行列式，进行解算、分析。这种分析方法称作列表法。为使结构简单化，多采用计算机模拟。用后向差分法，使得到的行列微分方程式离散化，便得到（1）式。在（1）式中，Ze为阻抗行列，Rm—磁阻行列，Zedo、Zedm和Zedi—涡流阻抗行列，i—支路电流矢量，μe—节点磁通势矢量，Φ—支路磁通矢量，iedo、iedm、iedi—支路涡流矢量；Ae、Am和Aed分别系电路、磁路和涡流电路的规约接续行列；另外，Cem、Cmdo、Cmdm和Cmdi分别为电路、磁路、磁路与涡流电路的组合行列。（1）式中的解，根据定点原理，用牛顿——拉夫逊法（潮流计算）求得。在计算过程中须判定磁心磁化的饱和与未饱和，根据其结果变更相对磁导率等特性参数的数值。△t—离散宽度。 4磁心的形状与限流特性 4.1使用C型和E型对接磁心的故障电流限制器性能分析 故障电流限制器的工作性能，会因器件的材料的参数不同而发生很大的变化。这些参数包括永磁体和磁心尺寸的大小，磁心磁化饱和与未饱和时的相对磁导率，线圈的匝数等。在设计故障电流限制器之前，事先要了解各个参数对器件性能会发生什么样的影响。另外，还需采用列表法，就故障电流限制器的参数对其工作性能的影响进行数字分析研究。分析所用的电器和器件的基本参数列于下表中。此外，E型磁心的尺寸用a~f表示，为了形状的通用化，以尺寸a为基准，将尺寸比α~ζ表示为图7。 （1）永磁体内的磁通、涡流分析表、电路和器件的基本参数 分析了限流工作时永磁体内磁通的分布情况。图8（a）是永磁体内磁通的分布，它比磁体外的磁通大。与这个磁通分布相应的涡流如图8（b）所示。其中的Ieddyo、Ieddym和Ieddyi分别代表流经永磁体外、中部和内部的涡流，知道越到磁体内部的涡流越小，故分析时考虑到了涡流与其趋肤效应。另外，计算出了有和无涡流引起的性能差异，如图8（c）所示，涡流对限流特性产生的影响是很微小的。但是，由永磁体产生的涡流导致的温升是不可忽视的，故须了解温升引起永磁体性能的下降。 （2）负载特性 在使用相同容量的C型和E型磁心时，对它们各自的负载特性做了对比，其结果示于图9。在正常情况下，两者的特性没有多少差别，但随着负载减小，用E型磁心时，显示对电流的抑制能力要大些。另外，对系统短路时的电流，和不用限流器相比，用C型磁心约可抑制到1/7，而用E型磁心则可抑制到1/8左右。其原因是：在进行限流工作时，永磁体上下磁心部分的磁阻使通过永磁体的磁通减小，通过其他磁心部位的磁通增多。本文虽未详述，但根据分析结果得知，用E型磁心时，通过永磁体的交流分量的磁通要少10%左右。 4.2用E型磁心故障电流限制器的尺寸比特性 现在讨论磁心的尺寸比值对器件工作性能的影响。图10（a）~（d）中给出了不同尺寸比值引起工作性能变化的计算结果，其中的ILinek、ILinep分别为间歇电流值和短路时的电流值。 （1）尺寸比α 从图10（a）看出，α愈小愈能抑制短路时的电流，，它引起性能的变化不太大。因此，α的设计自由度大。 （2）尺寸比β 关于尺寸比β，以ξ=0.5（恒定）进行解析。从图10（b）看到，β值越小，抑制短路时电流的能力越大。可见，β的变化对器件工作性能的影响也大。但是，绕线的窗口面积要与永磁体产生的磁动势相融，故β值的设计自由度不大。 （3）尺寸比γ 从图10（c）看出，γ值愈大，抑制短路时电流的能力愈大。不过，和使用C型磁心的情形一样，若增大γ值，就需增大永磁体的体积。 （4）ξ=f/c 图10（d）显示，ξ值小，可有效抑制短路电流。减小间歇电流，能在大范围内改变器件的规格。可是，ξ值与永磁体充磁方向的长度有关，故为了使磁心磁化至饱和，在设计上须保持有充分的磁动势。 4.3故障电流限制器工作性能的测试结果 根据分析计算的结果，实际设计并制作出故障电流限制器，并测试过它的工作性能。用E型对接磁心，测定了工作波形与负载特性。 （1）故障电流限制器的工作 使用a=10mm，α=8.0、β=8.5、γ=5.0、ξ=0.48的E型磁心，绕线匝数N=200。在图4中，即使电流在正常工作范围内流过，一旦进入SW，工作波形就会发生类似短路故障时的电压，电流波。从图11看出，当SW合闸时，就会给限流器加上瞬时高电压，短路电流的有效值为23.8A（峰值30.6A）。若器件不具备非线性，其阻抗是1.7，当电源电压为100V时，可算出电流值为58.8A（峰值82.9A），短路电流大约能抑制到2/5。 （2）对ξ特性的影响 ξ系与永磁体充磁方向有关联的尺寸比，制作其值分别为0.12、0.24、0.48的故障电流限制器。并测定它们的伏—安特性曲线。从图12（a）可知，尺寸比ξ小，在限流工作中的阻抗大，从而使短路电流变小；但在正常工作状态下，ξ值愈大，阻抗愈小。此外，若减小永磁体充磁方向的尺度，减小尺寸比ξ，就不能够获得使磁心充分饱和的磁动势。如图12（b）所示，随着ξ值减小，磁心尺寸a必然会变小，可见ξ会将a限定在某个范围以内。 参考文献： 岛昌浩等，日本应用磁学会杂志，2001，25（4-2）：1031~1034