一種快速響應直流限流器拓撲結構與參數設計

袁佳歆 陳鶴沖 陳 凡 張哲維

一種快速響應直流限流器拓撲結構與參數設計

袁佳歆 陳鶴沖 陳 凡 張哲維

（武漢大學電氣與自動化學院 武漢 430072）

配合限流器使用的限流式直流斷路器將成為直流斷路器往高遮斷容量發展的新趨勢，然而原先提出的永磁飽和型故障限流器存在延長故障電流下降時間的問題。對此該文在原先提出的永磁飽和型故障限流器的基礎上進行拓撲優化，提出一種新型快速響應直流限流器。其在原有限流器的拓撲結構中通過磁耦合引入一條輔助支路，消除原有限流器在直流斷路器故障開斷時延長故障電流下降時間的負面影響，加速開斷進程，同時能夠極大程度地減小斷路器的吸能應力，一定程度上降低過電壓應力。該新型限流器能全程自適應動作，無需觸發控制裝置，響應直接迅速，且二極管處于低壓側，降低了對地絕緣成本。通過理論分析，介紹該新型快速響應直流限流器的工作原理，通過數學推導，分析其主要電磁參數設計要求；通過磁路有限元仿真與電路仿真計算相結合，驗證該新型限流器的可行性；設計一臺小容量實驗樣機，通過現場實驗與小容量仿真對比驗證了該新型快速響應限流器能有效提升電流下降速度。

永磁飽和型故障限流器 直流斷路器 吸能應力 磁耦合 快速響應

0 引言

我國高壓多端直流系統仍在起步階段，隨著電能需求的不斷增加，多端直流輸電逐漸成為未來發展趨勢。近年來，基于半橋型模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構的換流器廣泛應用于柔性直流輸電中[1-2]。受制于其結構，直流短路故障電流峰值較高、上升速度快，因此對直流斷路器的遮斷容量以及開斷速度提出了較高的要求[3-5]。

現階段直流斷路器（DC Circuit Breaker, DCB）可分為機械式、固態式、混合式。其中，機械式斷路器[6]通態損耗小、成本低，但其遮斷容量較低、開斷時間較長，適合低電壓等級、小故障電流的直流系統；固態斷路器利用大量全控型器件串聯，遮斷容量高、開斷速度快，適用于高壓等級系統，然而其通態損耗較大，且成本過高；混合式直流斷路器綜合了前兩者的優勢，采用機械與固態支路混合的方式，具備遮斷容量高、通態損耗小的優勢，是當今研究的熱點。迄今各科研機構已提出多種混合式直流斷路器方案[7-11]，實際直流工程中亦有少量應用[12-13]，驗證了方案的可行性。但隨著多端直流電壓等級的升高，故障電流升高，直流斷路器存在電流峰值、過電壓峰值、泄放能量等分斷應力較大的問題，過電壓較高會導致串聯的大量IGBT的耐壓成本提升，且增大了其損壞的風險；過大的泄放能量將對避雷器組的吸能要求更高，這些均將增加DCB的制造成本及技術要求。

為減小DCB分斷應力，采取故障限流器配合直流斷路器完成直流開斷的限流式直流斷路器（Current Limiting DC Breaker, CLDCB）是未來發展的趨勢。文獻[14]中采用平波電抗器作為限流器，然而由于電感值較小，其限流能力有限。文獻[15]對直流系統中的平波電抗器值進行了研究，提出穩態運行時過大的電感值會影響直流系統的穩定性。因此系統中的固定電感值不宜過大。文獻[16-18]提出采用正常時多個電感并聯、故障時將電感改為串聯的方法，在故障時增大回路電感以限制故障電流的上升速度和電流峰值。但該方法需要檢測故障電流，然后才能觸發外部控制系統，導致響應時間相對較長，影響了直流故障電流抑制效果，直流斷路器分斷應力降低不顯著。文獻[19]提出一種利用晶閘管和電容電感組成的限流器，引入了能量吸收支路，能在限流的同時有效減輕斷路器吸能支路壓力，并縮短電流下降時間。然而該方法同樣需要外部觸發控制系統，響應速度較慢，且晶閘管位于高壓側，增加了成本。

文獻[20-21]提出了一種用于直流系統的永磁飽和型故障限流器（permanent magnet saturation Fault Current Limiter, FCL），具有電感變化范圍大和無需外部觸發等優點，可以有效抑制直流故障電流上升速率。但文中將直流斷路器視為理想開斷器件，并未考慮在DCB進行開斷過程中，電流下降也需要一定時間，具有較大電感值的故障限流器會嚴重抑制故障電流下降速率，延長故障電流作用在電力系統中的時間，這對于直流系統中的換流器等易損設備是極為不利的。

本文基于以上研究現狀，提出一種用于限流式直流斷路器的新型快速響應故障限流器（New type of fast response Fault Current Limiter, NFCL）。該限流器利用磁耦合的方式，引入一條輔助支路，能在系統正常時處于小電感值，替代平波電抗器使用。故障發生時能變成大電感有效限流，在故障電流下降時，輔助支路通過磁耦合并聯進NFCL主支路，消除大電感限流器延長故障電流下降時間的負面影響，提升電流下降速度。其全過程自適應動作，無需外部檢測觸發裝置，響應速度快；同時能有效降低DCB上的電流峰值、過電壓峰值、避雷器泄放能量等各項分斷應力，從而降低直流斷路器制造成本及技術要求。且NFCL不存在二極管位于高壓端的問題，降低了對地絕緣成本。本文介紹了NFCL的新型拓撲結構，理論分析其工作原理。推導各項電磁參數設計要求，建立相關參數間的約束條件。對NFCL進行對比仿真驗證。設計了一臺小容量實驗樣機，通過實驗與小容量仿真對比驗證了NFCL能有效提升電流下降速度。

1 拓撲結構及工作原理

1.1 拓撲結構

與NFCL相配合的限流式直流斷路器電路拓撲結構如圖1所示。其中，B1為載流支路，正常通流時電流流經該支路，Q1為電流轉換開關，由少量IGBT和反并聯二極管構成。S1為快速機械開關，在電流換流至主開斷支路后作為Q1的隔離絕緣保護。S2為隔離開關，在DCB完成分斷后切斷系統中的殘余電流。B2為主開斷支路，Q2為大量串聯的IGBT構成的主開關，用于開斷故障電流，為并聯在IGBT上的緩存電容，用于抑制IGBT開斷時兩端產生的恢復過電壓的上升速度。B3為吸能支路，MOA為避雷器組，用來限制B2開斷后的過電壓并泄放系統中的電感儲存的能量[22]。dc為直流電源電壓，dc為直流系統等效電阻。

圖1 限流式直流斷路器電路拓撲結構

采用NFCL的磁路拓撲結構如圖2所示，其鐵心上下端嵌入釹鐵硼永磁體[21]，永磁體勵磁方向與直流繞組勵磁方向相反，鐵心采用硅鋼片材料，其等效電路拓撲結構如圖3所示。以鐵心的飽和狀態配合二極管來控制輔助支路能否通過磁耦合并聯進主支路中。

1.2 工作原理

NFCL配合DCB的故障電流開斷時序如圖4所示，其與現有的混合式DCB開斷時序相同[3, 22]，NFCL中簡化的鐵心與永磁體簡化-曲線如圖5所示。

具體工作過程如下：

（1）正常工作階段0。S1、S2閉合，電流流經B1。由于S1、S2均為機械開關，而Q1僅由少量IGBT串聯，通態損耗較小。此時NFCL鐵心工作在圖5中P點處，鐵心處于磁飽和態，輔助支路無法通過磁耦合并聯進NFCL主支路中。此時電感值與磁導率[20-21, 23]滿足

圖2 新型快速響應故障限流器磁路拓撲結構

圖3 新型永磁飽和型故障限流器等效電路拓撲結構

圖4 限流式直流斷路器開斷時序

式中，s為限流器飽和狀態電感值；為繞組匝數；e為限流器鐵心柱高度；e為鐵心截面積；m為永磁體厚度；m為永磁體截面積；s為鐵心飽和態的磁導率；m為永磁體磁導率。

此時s值較小，故由式（1）可知，NFCL的電感值較小，與平波電抗器相當，不影響系統動態響應性能，故可替代常規的平波電抗器使用。由于系統正常運行時電流存在小幅度的波動，故給NFCL的飽和轉折點Q設置一個裕度，當系統電流達到N時，NFCL工作點到達Q點，其中，0＜＜1。

圖5 鐵心與永磁體簡化B-H曲線

（2）故障發生階段1。故障發生后，當系統電流上升至設定閾值N，此時由于保護檢測裝置的檢測判定延時，DCB尚未動作。但由于NFCL已工作至Q點，鐵心迅速退出磁飽和狀態，此時電感值與磁導率[20-21, 23]滿足

由于此時鐵心已進入非磁飽和區，um，故式（2）可簡化為

可見NFCL電感值顯著增大，從而發揮限流作用抑制電流上升的速度。此時DCB尚未動作，電流持續增大，有

式中，(∞)為最大故障電流，(∞)=/dc。此時限流器鐵心雖進入非磁飽和區，但此時限流器的電源側電位高于斷路器側電位，由于二極管的單向導電性，輔助支路依舊無法導通。

（3）DCB載流支路動作階段（2,3）。2時刻DCB開始動作，此時Q2提前開通，Q1關斷，電流將轉移到支路B2上。此時在小電流或零電流狀態下使S1分閘，即可實現無弧分斷。由于各支路間的換流時間是由支路中的雜散電感所決定，通常為百ns級別，遠低于斷路器動作時間的ms級別，故為簡化分析，可將換流時間忽略，視作瞬間完成。

（4）斷路器主開斷支路動作階段（3,4）。當電流完全換流至B2支路時，于3時刻關斷Q2，此時電流將換流至并聯在Q2兩端的緩沖電容支路上，同時在B2支路上形成過電壓，電壓與時間的關系為

式中，c為電流換流至緩沖支路的時刻；m為緩沖支路的電壓達到避雷器動作電壓閾值的時刻。由式（5）可見，NFCL通過增大電感值能有效限制斷路器上的過電壓水平。

（5）斷路器吸能支路動作階段（4,5）。當緩沖電容上的電壓達到MOA動作電壓后，電流將換流至吸能支路B3，此時避雷器MOA動作，將系統能量泄放，電流持續減小直到零。避雷器開始動作后，故障電流開始下降，鐵心處于非磁飽和狀態，此時由于NFCL的斷路器側電位高于電源側電位，輔助支路二極管自動導通，輔助支路通過磁耦合自動并聯進NFCL主支路，無需任何觸發裝置，此時的等效電路如圖6所示。將避雷器視作一個內阻非線性變化的電壓源，當內阻由0變為無窮大時，電壓源電壓由殘壓下降至斷路器斷口間的正常電壓。

圖6 斷路器吸能階段的等效電路

由KCL和KVL，各電壓電流關系分別為

式中，為輔助支路電阻；U為限流器電壓；MOA為避雷器電壓。

由式（6）可得，系統電流3下降速度d與各參數間的關系為

定義為加速因子，為常規電流下降速度，有

故d，可見不引入輔助支路的常規拓撲，加速因子=0，故障電流下降較慢。而新型拓撲通過磁耦合引入輔助支路的方法，在常規下降速度的基礎上引入了加速因子，極大地提升了電流下降速度。

避雷器上的吸能為

由于輔助支路通過磁耦合引入了加速因子，使得避雷器上吸能的時間54縮短，并將大部分電流引入輔助支路中，從而極大程度地降低了避雷器吸能應力。

在5時刻避雷器動作完成，恢復至高阻態，系統電流衰減至近零點，由于避雷器阻抗非理想無窮大且存在緩沖電容支路，系統中仍存在殘余電流，但該電流遠低于系統額定電流N，故可將隔離開關S2分閘，切斷殘余電流，完成整個電流的分斷過程。

2 限流器電磁參數設計

2.1 電參數設計

2.1.1值的確定

可見，為保證電流下降加速效果明顯，V應顯著大于1，V越大，越小，但不能過小，因為當隔離開關S2斷開后，NFCL和輔助支路會形成獨立環路，如圖7所示。其中仍存在大量電流。對該回路列寫微分方程，可得

圖7 限流器獨立環路

由此可得該電流衰減時間與的關系為

由于當直流故障排除后斷路器需要二次重合閘，該時間設為r，需要在重合閘時NFCL保持飽和區的小電感運行，這樣才能替代平波電抗器正常使用，所以t≤r。故還應滿足

2.1.2 二極管參數的確定

在NFCL處于非磁飽和區發揮限流作用時，輔助支路通過磁耦合并聯進主支路，NFCL的電源側電位將高于斷路器側電位，為使正常限流階段輔助支路不被導通，對二極管的最高反向工作電壓RM提出要求。考慮繞組折算，RM應滿足

由式（16）可見，由于二極管處于低壓側，從而對其最高反向工作電壓的要求降低，降低了二極管成本。在隔離開關S2開斷，系統中故障電流下降至零后，輔助支路通過磁耦合與限流器形成一個獨立環路，如圖7所示，該回路中依然存在較大的故障電流，對二極管的最大通流電流fm提出要求，有

可見，NFCL對二極管的通流能力要求較高，對反向耐壓能力要求較低。

2.2 磁路參數設計

NFCL處于磁飽和下的等效磁路如圖8所示，可將永磁體等效為一個磁壓降為cm的磁壓源與磁阻m串聯，NFCL結構尺寸如圖9所示。

圖8 限流器磁飽和下的等效磁路

圖9 限流器磁路結構尺寸

鐵心磁飽和狀態下由安培環路定理[20-21, 23]可得

式中，c為永磁體矯頑磁力；m為磁通；s為鐵心飽和狀態下的磁阻。

鐵心飽和狀態下與非飽和狀態下的磁阻以及永磁體的磁阻與磁路結構尺寸關系為

式中，由于um，近似計算時可將其視為0。

NFCL存在一個最小限制電流min，處于圖5飽和點Q處，若系統電流小于min，則NFCL工作點將回到飽和區，無法發揮限流作用。同時NFCL存在一個最大限制電流max，處于圖5中點，若系統電流超過max，則系統的直流勵磁將大于永磁體的勵磁，即鐵心工作點超過點，將使得永磁體承受反向磁通，從而導致永磁體存在退磁的風險，且電流若繼續增大，鐵心工作點將至反向飽和區，限流器將失去限流效果，因此在限流器的尺寸設計方面，應規避該情況發生[23]。聯立式（18）和式（19）可得

定義磁飽和深度s表示永磁體的磁偏置導致鐵心發生磁飽和的飽和深度[23]，有

定義限流器電感變化率表示限流器退飽和時的電感值相較于飽和狀態時的變化程度，有

聯立式（1）～式（3）及式（18）～式（22），可得出NFCL的各項磁路結構參數需與其余各項電磁參量滿足

同時考慮鐵心兩臂之間的絕緣要求[24]，鐵心的窗口寬度m需滿足一定的絕緣距離，有

式中，U為NFCL主支路所受電壓；a為空氣擊穿場強；r為線圈繞組的直徑。綜上提出了NFCL的基本電磁參數設計要求。

3 仿真分析

3.1 磁特性仿真

為驗證NFCL輔助支路的自動磁耦合特性，根據第2節對各主要電磁參數的推導，在ANSYS有限元分析軟件中建立了NFCL的有限元模型[25]。該模型中的主要參數見表1。

表1 限流器相關參數

Tab.1 Relevant parameters of NFCL

短路故障于第30ms發生，斷路器吸能支路于35ms動作，NFCL在正常工作狀態（磁飽和態）下及故障發生狀態下以及電流開始下降（退飽和）階段的磁場強度分布特性如圖10所示，輔助支路電流及NFCL鐵心狀態隨時間的變化如圖11所示。

由圖10及圖11可以看出，在正常工作階段，NFCL的鐵心由于永磁體的反向勵磁處于磁飽和狀態，電感值較小為100mH，輔助支路無法與主支路建立磁耦合，因此輔助支路中電流為0。在30ms故障發生時，由直流線圈產生的直流勵磁開始抵消永磁體的反向勵磁，鐵心開始退飽和，NFCL呈現大電感300mH開始限流，但此時NFCL電源側電壓高于斷路器側，由于二極管的單向導電性，輔助支路仍舊無法導通。在35ms斷路器吸能支路動作，電流開始下降時，鐵心處于非飽和狀態，NFCL電源側電壓低于斷路器側，因此輔助支路能夠通過磁耦合有效并聯進主支路中，并引入電流，此時輔助支路導通，如圖11所示。整個過程無需任何控制裝置，利用鐵心的磁飽和狀態與二極管的單向導電性配合，實現了該低壓輔助回路的自動投入耦合，由此結果證明了該新型拓撲的磁路可行性。

圖10 限流器各階段的磁場強度分布特性

圖11 輔助支路電流狀態

3.2 電特性仿真

為驗證NFCL的電特性，在Simulink中以張北500kV直流輸電工程線路為例，搭建電路仿真模型，其中，NFCL以非線性電感來模擬，其外特性可以表示為

式中，fcl為限流器兩端電壓；為鐵心中磁鏈；0為初始磁鏈；為電流與磁鏈間的關系，第3.1節中通過ANSYS的有限元仿真計算得到。電路模型參照圖1，電力系統仿真參數見表2。

表2 電力系統仿真參數

Tab.2 Power system simulation parameters

選擇100mH固定平波電抗、300mH定值限流器與傳統FCL和NFCL進行對比仿真，直流系統在30ms發生短路故障，于35ms換流至直流斷路器吸能支路，故障電流開始下降，四種限流器的系統電流與時間的仿真結果如圖12所示。

圖12 四種限流器對故障電流的限流作用

斷路器上產生的過電壓峰值及避雷器吸能如圖13所示。電流分斷過程中各項分斷應力見表3，分斷應力比較如圖14所示。表3中，DCB為斷路器過電壓，max為電流峰值，MOA為避雷器吸能，off為電流下降時間。

圖13 斷路器上產生的過電壓峰值及避雷器吸能

表3 電流分斷過程中各項分斷應力

Tab.3 Electrical stress during DCB breaking

由表3及圖14可以看出，傳統FCL雖然相較100mH的平波電抗器限流時抑制電流上升效果明顯，但也增加了關斷時間，這對于整個直流系統而言極為不利；而本文所采用的NFCL只在發生短路故障時有較大電感，限流效果與300mH定值電抗器相當；在電流下降階段由于輔助支路通過磁耦合并聯進主支路中，這有利于電流更快衰減，極大程度地減少分斷時間，消除了傳統FCL延長故障電流下降時間的負面影響。

圖14 分斷應力比較

同時由表3和圖14可以看出，本文提出的NFCL由于引入了輔助支路，相較于傳統FCL，降低了開斷過程中在直流斷路器上產生的過電壓峰值24.9%，降低了直流斷路器中避雷器吸能99.1%，減少了故障電流下降時間71.6%。可見配合NFCL能極大程度地減輕DCB吸能應力，提升開斷速率，并能在一定程度上減輕過電壓峰值。

4 實驗驗證

4.1 實驗平臺搭建

為驗證本文提出的NFCL拓撲結構的可行性及其限流及加快電流下降速度的快速響應特性，設計并制造了一臺小容量的樣機進行實驗。該實驗主要目的是為驗證所提出的NFCL的兩大特性：①在故障電流上升階段的良好自動限流性能；②電流下降階段，能加速系統故障電流下降。大容量限流器實際上也是小容量的尺寸參數按照一定的設計比例進行放大，而基本的限流原理低壓小容量與高壓大容量都是相同的。且無論是高壓還是低壓，其短路故障電流在上升階段與下降階段的趨勢是相同的。因此小容量的實驗同樣能夠證明實際大容量應用中NFCL性能的優越性。但高壓大容量與小容量的限流器在鐵心尺寸、永磁體的大小和絕緣結構等方面存在不同，還需要進一步深入研究。該臺樣機的參數見表4，實驗現場及接線原理如圖15所示。

表4 實驗限流器樣機參數

Tab.4 Parameter of FCL prototype

圖15中，三相交流電源經三相調壓并整流輸出的直流電壓為40V，線路中的總負載為20W，K1為線路總開關，K2為故障短路開關，K2閉合，線路發生短路后，線路的總負載為2W，限流器內阻為1W，將示波器并聯在觀測電阻1兩端，由所測得的電壓來反映線路中的電流變化情況。

圖15 實驗現場及接線原理

為研究NFCL的限流及快速響應特性，選擇不串入限流器、串入60mH小電感值的定值電抗器、串入傳統FCL以及NFCL四種方式進行對比實驗。采取K2閉合模擬直流短路故障發生的電流上升階段，K2快速開斷模擬直流短路故障切除回復的電流下降階段。同時按照實驗電路原理（見圖15），搭建1:1的等比小容量仿真電路模型，用于對比驗證。

4.2 實驗及仿真結果對比分析

四種限流器下的故障電流實驗及仿真結果的對比波形如圖16所示，實驗及仿真中的故障電流的上升及下降時間見表5。

由實驗結果可見，在不接電感時，系統中的紋波十分明顯，NFCL能作為平波電抗器有效地抑制系統中的紋波，而由于仿真中直接采用理想直流源，因此得到的波形均為無紋波的平滑波形。

1）故障電流上升階段。NFCL與傳統FCL限流效果相當，仿真結果與實驗結果大體相同。仿真中的限流效果較實驗略好的原因推測是仿真中NFCL的-曲線采用的是理想曲線，電感的突變十分明顯。而實際NFCL樣機的-曲線變化是漸變過程，故較理想曲線的限流效果略差。

圖16 四種限流器下的故障電流波形

表5 故障電流的上升及下降時間

Tab.5 Rise and fall time of fault current（單位: ms）

2）故障電流下降階段。實驗結果與仿真結果大體一致。仿真較實驗的故障電流下降更快的原因推測是仿真是采用的理想的-曲線，而實際中NFCL存在磁滯現象，導致電流下降階段的電感變化與上升階段并非呈反向對稱關系，電感值較不考慮磁滯現象時略大，導致實驗結果的電流下降時間更長。實驗結果中，NFCL較傳統FCL的故障電流下降速度提升了47%，這與仿真中NFCL能較傳統FCL極大程度提升故障電流下降速率相吻合。然而實驗結果并沒有如仿真結果中提升71.6%那么明顯，推測存在差距的原因主要有兩點：①輔助支路中實際存在雜散電感；②該輔助支路中的電阻值不夠小，從而折算到NFCL的主支路一次側時的電阻值更大，一定程度上影響了電流下降速度。

綜上所述，根據實驗、理論、仿真對比分析，實驗結果與前述理論分析與仿真結果基本一致，可得NFCL在保證傳統FCL限流性能的同時能夠有效提升電流下降速度。

5 結論

本文提出了一種用于限流式直流斷路器的新型故障限流器。通過理論計算、仿真分析和實驗驗證得到以下結論：

1）NFCL通過磁耦合的方法能夠實現系統正常狀態下代替平波電抗器維持小電感運行，在故障狀態下能快速退飽和變成大電感限流，同時能消除大電感延長電流下降時間的負面影響。全程自適應動作，無需觸發裝置，響應速度快。在±500kV的直流系統中較傳統FCL減小電流下降時間71.6%。

2）NFCL相較于傳統FCL能夠明顯降低DCB的吸能應力，并且能一定程度上降低DCB的過電壓峰值。在±500kV的直流系統中能較傳統FCL降低DCB的過電壓峰值24.9%，降低了DCB吸能99.1%。

3）NFCL解決了二極管位于高壓側承受高壓的問題，降低了對地絕緣制造成本。

4）對NFCL的主要電磁參數提出了設計要求，設計出一臺小型樣機，并通過實驗驗證其可行性。

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Topology and Parameter Design of a Fast Response DC Current Limiter

（School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

The current limiting DC circuit breaker combined with fault current limiter will become a new trend of the development of DC circuit breaker towards high breaking capacity. However, the current permanent magnet saturated fault current limiter has the problem of prolonging the falling time of fault current. In this paper, a new type of fast response DC current limiter is proposed based on the topology optimization of the permanent magnet saturated fault current limiter. This paper proposes an auxiliary branch by magnetic coupling with the topology of the original current limiter, which can eliminate the negative effect that prolongs the falling time of fault current when the current limiter is disconnected and accelerate the breaking process. Moreover, it can reduce the peak value of over-voltage in the process of breaking, thereby protecting the fully controlled power electronic devices of high cost in the DC circuit breaker. At the same time, it can greatly reduce the energy absorption stress of the DC circuit breaker energy absorption branch and further reduce the manufacturing cost of the DC circuit breaker energy absorption branch. The new type of current limiter can operate adaptively in the whole process without triggering the control device, and its response is also more direct and rapid than the traditional current limiter. The diode is on the low-voltage side, which reduces the insulation cost. The working principle of the new current limiting DC circuit breaker is introduced through theoretical analysis, and the design requirements for the main electromagnetic parameters are analyzed by mathematical derivation. The feasibility of the scheme is verified by the combination of magnetic circuit finite element simulation and circuit simulation. A small capacity test prototype is designed. The comparison between the field test and the small capacity simulation shows that the new fast response current limiter can effectively improve the current drop speed.

Permanent magnet saturation type fault current limiter, DC circuit breaker, energy absorption stress, magnetic coupling, fast response

TM561

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200135

國家重點研發計劃項目（2017YFB0902904）、湖北省杰青項目（2020CFA098）和湖北省重點研發計劃項目（2020BAB111）資助。

2020-04-14

2020-05-14

袁佳歆 男，1981年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為高壓智能磁控電抗技術、電能質量控制技術和電網無功電壓控制技術。E-mail: yjx98571@163.com

陳鶴沖 男，1994年生，博士研究生，研究方向為直流限流器及直流斷路器。E-mail: 616639023@qq.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）