1引言 电力系统如果出现短路故障或任何其它异常情况就会流过大的故障电流。在共模耦合情况下，系统的短路比率增大，故障的严重性也增大。与故障电流通路串联的系统或器件都要经受故障电流，因此，元件设计必须考虑预测的最大故障电流。器件选择要根据高浪涌电流与额定电流之比，决定器件的浪涌电流值。为了降低元件额定值，从而降低基本成本和改善保护协调状况，就必须对故障电流进行限制。 近几年来，有人开发出无源磁限流器。限流器由轴向磁化的Nd-Fe-B永磁件、磁通导向磁心、饱和磁心和电流绕组构成。饱和磁心可由具有低饱和磁通密度和低饱和磁导率的铁氧体、非晶、硅钢和任何其它磁性材料构成。两个组件串联，磁极面相反就构成双极故障电流限制器（FCL）。限流器串联在电源和负载之间。 2磁限流器结构 磁限流器的物理结构可根据以下三个参数设计：偏置方式、磁心材料、电力系统相数。下面分别讨论根据这三个参数的限流器设计。 2.1根据偏置方式的设计 磁件可以按串联或并联偏置方式配置。图1按串联偏置方式的磁件既经受磁体本身的直流磁通，也经受由线圈电流产生的交流磁通。串联偏置方式的缺点是磁件中会产生涡流损耗，而且不可避免可能有很高的超时退磁风险。用实验室中小规模制作的串联偏置限流器模型进行了实验。图2中的限流器由两组极对极放置，用磁体隔开的铁氧体C形磁心构成。因此，这种配置的可饱和磁心部分和磁轭连成一块，而不是分成两部分。串联偏置方式的缺点是低电感状态和高电感状态之间的软转变。 遗憾的是由于材料的不兼容性，不能设计出硅钢磁轭器件来满足技术要求，因此拐点电流太低。适当地选择材料和几何尺寸可解决这个问题。 相反，并联偏置方式的磁体只经受磁体本身的直流磁通，因此，退磁问题或涡流损耗作用不大。另一方面，并联偏置方式的不饱和电感与饱和电感之比较低，因此，允许通过的峰值电流较高。并联偏置方式的示意图如图3；实验模型图如图4。 2.2根据磁心材料的设计 磁心材料特性对磁限流器的性能影响很大。磁心应具有矩形BH曲线，工作频率下磁滞损耗低。选用饱和磁通密度较低的材料，或者减小磁心截面积，可使磁心磁饱和。 图2是用铁氧体磁心制作的实验模型，其中磁心横截面积与磁体的相同。由于硅钢磁心的饱和磁通密度大于永磁体的剩磁磁通密度和线圈电流产生的峰值磁通密度，在正常工作条件下，硅钢磁心决不会被强制饱和。硅钢磁心必须减小其一部分的面积。 图5是半组装件的硅钢磁心磁限流器示意图，磁心一部分截面积已减小。硅钢磁心的#1部分的饱和磁通密度大于永磁体的剩磁磁通密度和线圈电流产生的峰值磁通密度之和。因此，#1部分决不会被强制饱和。截面积比永磁体小的#2部分在正常情况下工作在饱和状态；在故障情况下则脱离饱和状态。图6是硅钢磁心磁限流器半组装件的实验模型。其中磁心截面积减小的部分被线圈罩住了，看不到。 为了用低饱和磁通密度材料设计磁限流器，饱和磁心可用一段具有低饱和磁通密度和较高的不饱和磁导率的材料构成。铁氧体或特殊设计的非晶材料可用作这样的材料。 2.3根据电力系统相数的设计 三相电力系统中，有两种选择，采用一个三相限流器，或者采用三个单相限流器。三相限流器中，所有闭合磁心对称地沿圆周配置，三个磁心共用一个公共环形永磁体。例如，在三相系统中，三个磁心沿环形永磁体彼此相隔120°配置。图7是示意图；图8是三相双极限流器的实验模型。磁心采用铁氧体材料。 3防真结果 用图表法仿真磁限流器的性能。这种方法最适用于解决耦合电路和磁路中的瞬变响应问题。 图9是分析单相电力系统模型的简单电路；图10是三相系统模型性能评估的电路。为了用图表法仿真磁限流器的性能，由电路方程、磁路方程和涡流方程组成的电磁电路方程整理成矩阵形式，并用牛顿拉弗森和高斯消去法求解。 图11是单相系统用铁氧体磁心制作的模型，在典型的工作条件下仿真和实验结果的比较。用开关SW将负载电阻短路以模拟故障。可以看出，仿真和实验结果彼此相符得很好；即使正常工作条件下，限流器两端的实验电压波形Vfcl上有尖脉冲。观测结果和仿真结果之间的差异，原因在于磁心中磁通分布的不均匀性。在集中参数式电路模型中，这一影响是不可能考虑进去的。 用图表法仿直设计参数为100V、3相、60Hz、额定电流10A的三相电力系统限流性能。图12是限流器一相的均方根电压随通过该相的均方根电流的变化关系。可以看出，当电流超过12A时；曲线斜率发生变化。图13和图14是在典型的故障情况下限流器三相的瞬变电流波形和电压波形。故障后的波形失真是由于磁心的工作磁通密度从饱和状态的摆动造成的。仿真中，磁心BH曲线用两条直线表示：一条表示磁导率为μs的饱和区；另一条表示磁导率为μu的不饱和区。 4实验结果 对制作的单相模型用图9实验电路进行实验。图15是在典型的故障情况下Fel两端电压Vfcl、线路电流Iline和负载电压VL的瞬变波形。实验中采用并联偏置方式。 用图10实验装置对三相限流器模型进行实验。图16是在正常工作条件下u相的源电压Vs，u流过u相的电流iu、限流器两端电压Vfcl和u相负载电压Vload，u的实验波形。图17是在三相故障情况下三相电流波形和u相负载两端的电压Vload，u。故障是用关闭开关SW1~SW3引起的。电流比正常工作电流明显增大；但仍比无限流器时观测到的峰值电流小。峰值故障电流之间的差异所造成的原因在于故障的开关角和限流器的非线性耦合。 还研究了串联偏置型FCL用于较低电压电力电子系统中保护功率半导体器件。图18是其中的一例：如果二极管短路，或者二极管电桥短接，FCL可抑制二极管电桥中的峰值电流。当直流母线电容器从放电状态开始充电，或者如果电容器短路，就会出现二极管电桥短接。 受实验装置所限，只考虑了一个低电压系统，技术参数是：单相60V（均方根值）、60Hz、30A（额定峰值电流）、在额定条件下，最高阻抗为10%。对一个逆变器来说，这个阻抗数值是很低的。故障电流的峰值不会超过额定峰值电流的200%。试验中采用下列元件：二极管东芝12CD12、电容器500μF和负载电阻187.5Ω。 从起始放电状态开始对电容器进行充电实验，记录电路中有无FCL时的线路电流Iline和电容器两端的电压Vcap。相应波形如图19。可以看到，无FCL时，峰值起始充电电流达到约95A。相反，有FCL时峰值电流为55A，小于额定峰值电流的200%。 5结论 本文阐述了构成无源磁限流器的不同拓朴结构，介绍采用图表法的仿真结果和对小规模实验室制作模型的实验结果。这种FCL可设计用来保护较低电压电力系统中的电力电子器件。为此考虑了一个输入整流器后跟随一个直流链接电容器和一个等效负载。采用较好的磁性材料（矩形BH曲线、饱和磁通密度很低）可改进限流器性能。 参考文献 International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2000年，11期 245～254页