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直线式永磁偏置限流拓扑的磁特性优化与建模方法研究

邹亮  
【摘要】:随着中国电网的快速发展以及用电负荷的迅速增加,短路电流水平不断提高,已严重威胁到电力系统的安全、可靠与稳定运行,研制高压大容量化故障限流器势在必行。作为经济型故障限流技术的一种有效实现途径,基于磁材料和磁拓扑的永磁偏置型故障限流器(Permanent-magnet-biased Saturation Based Fault Current Limiter, PMFCL)以其优异的特性受到更多关注,在高压电力系统中的应用前景广阔。 本文旨在发展基于永磁偏置饱和原理的故障限流技术,以直线式PMFCL拓扑为例开展面向高压大容量化的相关理论探索与技术创新研究。研究内容包括以下几个方面:新型PMFCL的拓扑设计与磁性材料选型;直线式PMFCL中的永磁体稳定性实验研究;考虑漏磁效应的直线式PMFCL磁路建模与实验研究;面向大容量化的PMFCL结构参数设计与优化,涉及饱和深度比对结构参数的影响,及大容量化参数设计与优化研究。 提出一种结构参数可调节的直线式PMFCL限流拓扑;基于永磁体和铁心工作点的配合关系,分析了PMFCL在不同工况下的工作原理。基于对多种磁性材料的磁性能和机械性能参数的综合分析,提出一套关于PMFCL中永磁材料和软磁材料的选型原则。所做工作为开展大容量等级PMFCL的工程实用化研究奠定理论基础。 永磁体磁性能的稳定性,直接关系到整个限流器工作性能的可靠性,须从时间、温度和外磁场三个方面开展直线式PMFCL中的N35钕铁硼永磁体稳定性实验研究。所做工作可为钕铁硼永磁体在PMFCL中的工程应用提供实验依据。 以铁心磁通的工作零点作为分界,分析了直线式PMFCL两个阶段的限流机理。基于磁场分割原理计算两类等效磁路模型的总漏磁导和漏磁系数,建立考虑漏磁效应的PMFCL等效磁路模型。针对拟圆环截面磁通管的漏磁导,提出基于曲线拟合以改变积分变量的求解方法。所做工作可为实现永磁偏置型故障限流器的高压大容量化提供基础依据。 提出“饱和深度比”的概念,分析了直线式PMFCL结构参数与铁心饱和深度比的数量关系,通过有限元法仿真和实验相比较,研究了通过改进永磁体结构参数以改善铁心饱和深度比的可行性。所做工作为永磁偏置型故障限流技术的大容量化研究奠定基础并指明方向。 基于等效磁路法建立了以饱和深度比、电感比与电感和三个独立变量的直线式PMFCL结构参数设计算法,并通过分析铁心工作点的变化规律,将结构参数优化转化为对三个独立变量的优化,即对铁心i-B。曲线上三个工作拐点的优化问题。该研究为大容量PMFCL结构参数的综合优化奠定算法基础。 本文的研究结果将进一步丰富经济型故障限流技术的基础理论、分析方法与创新技术,具有重要的理论意义和应用价值。


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