本课题组在永磁偏置式限流拓扑、磁材料选型与深度饱和磁特性、仿真建模、实验研究以及大容量化等方面开展了较充分的前期预研究工作。对多种软磁和硬磁材料的力学性能、磁性能和经济性作了比较分析，提出了永磁偏置饱和式限流拓扑中软磁铁心和永磁体的选材准则。对现有的多种永磁限流拓扑进行了比较分析，得到了初步的等效磁路模型。课题组还设计多种较小容量的限流拓扑进行了220V低压物理模拟实验，获得了半波和全波限流的特性曲线，如图5-29所示。

图5-29 较小容量限流拓扑实验研究

在此基础上，针对应用前景较好的几种限流拓扑结构，研制了较大容量的千伏级实验样机，如图5-30所示。综合制造工艺、限流特性、预期成本等方面而言，ZX-Ⅱ型限流拓扑的磁路性能优异且经济实用，是一种面向大容量化应用的理想限流拓扑。结合磁特性测试技术，针对ZX-Ⅱ型限流拓扑进行了半波限流实验，如图5-31所示。藉此详细评估了正常工作时软磁铁心饱和深度、故障限流时铁心内部磁感应强度B随电流I的变化规律，已找到提高永磁体偏置能力和改善限流性能的有效技术途径，为永磁偏置饱和式故障限流器的大容量化研究提供了实验支撑与基础依据。

图5-30 较大容量限流拓扑结构

图5-31 ZX-Ⅱ型拓扑的半波限流实验研究

基于提出的新型PMFCL拓扑，通过有限元分析研究了永磁体结构参数对铁心饱和深度比的影响，并进行了实验验证，如图5-32所示。工频试验电压源的内阻R₀为2.5Ω，负载电阻为40Ω，可限制正半波电流的PMFCL串联在线路中，开关K在0.03s将负载短路。铁心选择R2KW铁氧体（饱和磁感应强度为B_s=0.39T，饱和磁场强度H_s=1194A/m），截面积S_u=16cm²，等效磁路长度l_u=32cm；绕组匝数为580匝，导线外径为3mm；永磁体采用N35钕铁硼（剩余磁感应强度B_r=1.22T，矫顽力H_c=8.68×10⁵A/m）。

此外，对于不同结构参数的限流器，调节试验电压源U_s的幅值，使开关K闭合时铁心的工作点刚好进入反向饱和区域，则此时通过绕组的短路电流即为限流器能够限制的最大短路电流。比较最大短路电流I_max的大小，即可验证所提出的两种提高铁心饱和深度比方法的正确性。

图5-32 实验现场图

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图5-33 绕组电流波形

（U_s=60V，l_m=2.5×2cm=5cm，S_m=16cm²，K_s=11.57%）

图5-34 绕组电流波形

（U_s=75V，l_m=2.5×3cm=7.5cm，S_m=16cm²，K_s=21.38%）

图5-33～图5-35分别为仿真与小容量实验得到的绕组电流波形。相比图5-33的实验条件，图5-34对应的永磁体截面积没有改变，只是厚度增加了，铁心的饱和深度比从11.57%提高到21.38%，可限制的最大短路电流从14A提高到21A，验证了提出的第一种方法（即增加永磁体厚度）的有效性，可显著提升PMFCL的限流能力。

图5-35 绕组电流波形

（U_s=100V，l_m=2.5×3cm=7.5cm，S_m=16cm×2cm=32cm²，K_s=35.05%）

图5-35与图5-34相比，永磁体的厚度没有变化，而只是增加了截面积，铁心的饱和深度比从21.38%提高到35.05%，可限制的最大短路电流从21A提高到40.5A，验证了提出的第二种方法（即增加永磁体的截面积）的有效性，也可显著提升PMFCL的限流能力。

综上所述，通过增加永磁体的厚度与截面积均可获得较优的铁心饱和深度比，为PMFCL的高压大容量化提供了技术依据。