饱和铁心型超导限流器的工作原理

1.交直流磁场作用下的铁心磁特性

铁心在交直流共同励磁下，磁滞回线是不对称的，有公式：

H=H_k+H_msinωt（4-1）式中，H_k为直流励磁磁场强度，H_m为交流励磁磁场强度幅值，相当于在直流H_k上叠加一个正弦交变磁场强度H_msinωt。铁心上半波饱和度高，下半波饱和度低，当直流励磁磁场强度增大时，铁心工作区域向正饱和方向移动，当H_k＞＞H_m时，铁心饱和，如图4.1所示的不对称局部回线。

保持交流励磁不变，增加直流励磁，磁滞回线包围的区域就越小，交直流作用下铁心磁滞回线簇如图4.2所示。限流器稳态下就工作在磁滞回线包络很小的区域，由于已经超饱和，磁滞回线已经被压缩为近乎一条线，此时铁心的磁滞损耗几乎为零。

图4.1　交直流作用下铁心磁滞回线

图4.2　交直流作用下铁心磁滞回线簇

利用基本磁化曲线无法同时表示有交流与直流励磁时的铁心特性。为了计算和分析方便，这种励磁情况的磁特性以交直流同时磁化曲线簇B_m=f（H_k，H_m）表示，如图4.3所示。

图4.3　交直流同时磁化曲线簇B_m=f（H_k，H_m）

从交流与直流同时励磁时铁心磁滞回线的特点来看，可以说明交流与直流同时磁化曲线簇的形状。图4.4给出了B（ωt）、H（ωt）以及相应的B=f（H）曲线（包括H_k=0，H_k=常数，H_m由小到大三种情况）。

限流器的限流状态如图4.4a所示。没有直流励磁时，铁心的磁特性可用图中H_k=0的曲线表示。当H_m足够大时，铁心磁状态沿着极限磁滞回线变化，正负方向均能达到饱和状态，磁感应变化量最大，ΔB=2B，这时，交流线圈上的感应电动势最大，即限流器的限流状态。

限流器的稳态如图4.4b所示，直流励磁大于交流励磁幅值，磁滞回线在一个交流周期内的变化范围很小，B的变化也很小，交流线圈上的感应电动势就很小，直流励磁远远大于交流励磁时，铁心进入超饱和状态，交流线圈上体现出的阻抗就接近交流线圈的空心阻抗，即限流器的稳态。

限流器的暂态过程如图4.4c和d所示，交流励磁幅值大于直流励磁，当系统发生短路后，直流没有退出运行。当短路电流峰值稍大于直流励磁时，磁特性如图4.4c所示；交流励磁幅值远大于直流励磁时，如图4.4d所示。

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图4.4　同时有直流与交流激磁的铁心磁化过程

2.交流线圈的伏安特性

限流态下，当交流侧为正弦波形的电压源时，限流器交流侧的电流波形表现为尖顶波，相当于普通变压器过励磁时的励磁电流，如图4.5所示。

图4.5　限流态电压正弦波时电流波形

由于稳态下铁心超饱和，铁心被限制在线性段，稳态下的交流线圈电流电压均为正弦波形。

3.交流线圈的阻抗特性

阻抗特性曲线为切除直流与不切除直流两种，如图4.6所示。限流器稳态运行在直流不切除交流电流较小的位置，当发生短路或者线路潮流变化，交流侧电流增大，限流器阻抗也随之发生变化。在电流增大到一个拐点之后，直流切除与不切除阻抗基本相等，并随着电流增大阻抗接近。

图4.6　阻抗特性曲线

铁心柱截面积会引起阻抗特性变化。在限流条件下，阻抗特性曲线的峰值阻抗之后，铁心截面积与阻抗成正比，如图4.7所示。

图4.7　铁心柱截面积阻抗特性曲线簇

线圈匝数也会引起阻抗特性变化。在稳态条件下，线圈阻抗和匝数二次方成正比，限流条件下，阻抗只和匝数成正比。