CN101299384B - 跃变电抗限流器 - Google Patents

Abstract

本发明跃变电抗限流器由跃抗器、消磁电路和防止跃抗器铁芯振动的电路组成；其中跃抗器设有主线圈(1)、消磁线圈(2)、固定铁芯(3)、活动铁芯(6)和位于两铁芯之间的弹簧(5)，主线圈与供电线路主回路串连构成串联回路；消磁电路由消磁线圈、消磁开关(9)、行程开关(10)、行程压杆(11)构成；消磁线圈缠绕在与主线圈相同磁路铁芯的绕线架(8)上，且当消磁电路接通时，两线圈的磁势接近相等和反相位；在串联回路无短路电流时两铁芯之间有空气间隙(12)，跃抗器为微阻抗；在串联回路有短路电流时两铁芯闭合，跃抗器跃变为高阻抗。本发明作为主动式保护的关键器件，可以广泛用于高、中、低电压等级的电力系统和用电器。

Description

跃变电抗限流器

技术领域

本发明涉及电抗器件，特别是涉及一种跃变电抗限流器，其为电磁式无电气切换的组合电抗器件，因其核心器件跃抗器在额定运行电流以内为低电抗、过载电流情况下跃变为高电抗，故称跃变电抗限流器。

背景技术

在现有的限流技术和结构技术当中，存在着如下问题：

1.固定阻抗和半导体元件的限流作用越大，则在正常工作时的损耗比例越大；

2.半导体元件限流时，改变电源的波形；

3.在电气回路短路的状态下，传统技术有通过开关切换，将限流电阻串入该回路的方案，其问题是：必须先断开主短路回路，从而要求断路器具有较大的短路电流遮断容量。

4.超导限流器有良好的限流效果和超导恢复特性，但需要超低温的运行环境，投资和运行维护成本高；并且其为电阻性限流，有功损耗大，温度上升快，限流时间受局限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种跃变电抗限流器，其在正常运行时为低无功损耗，而在电气过载和短路时能够迅速、大幅度、持续地跃变为限流感抗，限制短路电流至设计值，明显减轻电气故障损害程度；对于瞬时性故障，可以在不断开被保护线路的情况下让故障自动消失和自动恢复电压；与电气回路的断路器配合使用，可以明显减轻断路器切断故障电流的负担。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明提供的跃变电抗限流器，由跃抗器、消磁电路和防止跃抗器铁芯振动的电路组成。

跃抗器：设有主线圈、消磁线圈、固定铁芯、活动铁芯和位于两铁芯之间的弹簧，主线圈与供电线路主回路串连构成串联回路；在串联回路无短路电流时两铁芯之间有空气间隙，在串联回路有短路电流时两铁芯闭合。

消磁电路由消磁线圈、消磁开关、行程开关、行程压杆构成。消磁线圈缠绕在与主线圈相同磁路铁芯的绕线架上，且当消磁电路接通时，两线圈的磁势接近相等和反相位。

防止跃抗器铁芯振动的电路是阻容电路，消磁开关和阻容电路与消磁线圈的出线端并连。

本发明提供的跃变电抗限流器在单相电源、三相电源和三相四线电源中的用途。

本发明与传统的电抗器件相比，具有以下的主要效果：

其一.在正常工作电流状态下为低电抗、低无功损耗；而在受短路电流冲击后变为高感抗、高限流，并且容许的限流时间较长；

其二.限流时，不改变电源的波形；

其三.在主回路为额定电压、额定电流的条件下，可使铁芯恢复原始状态；

其四.在回路发生永久性短路故障时，仅要求断开被限制在略大于额定电流值的故障回路，要求断路器的遮断容量较小；

其五.在回路发生瞬时性短路故障时，可以在不断开被保护线路的情况下让故障自动消失和自动恢复电压；

其六.可广泛用于各种电压等级的交流输电线路、供电线路、配电线路、用电线路和各种使用交流电源的电阻性与电感性器件的过载保护电路；特别是可以与各种交流电路上的电气保护装置配合使用。

附图说明

图1是本发明处于正常运行时的结构示意图。

图2是本发明处于短路故障时过渡过程的铁芯运动和磁通量增大的趋势示意图。

图3是本发明处于铁芯吸合后的结构和磁通量已经跃变增大的示意图。

图4是本发明故障消除和消磁后磁通量减小、铁芯分离趋势的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一.跃变电抗限流器

其结构如图1所示：由跃抗器、消磁电路和防止跃抗器铁芯振动的电路组成。

跃抗器：设有主线圈1、消磁线圈2、固定铁芯3、活动铁芯6和位于两铁芯之间的弹簧5，主线圈1与供电线路主回路串连构成串联回路。在串联回路无短路电流时两铁芯之间有空气间隙12，跃抗器为微阻抗，使串联回路的有功损耗增加微小；在串联回路有短路电流时两铁芯闭合，跃抗器跃变为高阻抗，可有效限制短路电流；而在瞬时性短路故障时消失时，闭合消磁开关9，接通消磁电路，两铁芯之间的空气间隙12恢复，跃抗器又跃变恢复至微阻抗，使被保护线路在不断开的情况下自动恢复正常供电。

消磁电路：由消磁线圈2、消磁开关9、行程开关10、行程压杆11构成。消磁线圈缠绕在与主线圈相同磁路铁芯的绕线架8上，且当消磁电路接通时，两线圈的磁势接近相等和反相位。防止跃抗器铁芯振动的电路是阻容电路14，消磁开关9和阻容电路14与消磁线圈2的出线端并连。

上述弹簧5有两个或四个，对称分布，或依据实际需要而定；其上端与固定在活动铁芯6上的弹簧座7一一对应接触，其下端由底座4与固定铁芯3固定相连。

弹簧座7由与之连为一体的支架跨接在活动铁芯6上。

行程开关10有一至四个，可以装于底座4上表面；行程压杆11上部与弹簧座7固定连接，其下端头在铁芯闭合时与行程开关10的弹性触头压接。

空气间隙12的间距为1～10毫米，或依据实际需要而定。

自感电势泄放电路13由两级泄放电路组成。如图4所示，其中低级泄放电路的阻值较大、击穿电压可为30～50％电源电压；高级泄放电路的阻值较小、击穿电压可为70～100％电源电压。

在消磁线圈出线上并联阻容电路14，在铁芯闭合后形成较小的互感容性电流，来消除电磁振动，如图1～4中的自感电势泄放电路13所示。取阻容电路14中电阻两端的电压信号，作为与本跃变电抗限流器配套使用的控制单元的模拟信号之一。

低至高阻抗的跃变过程：在串联回路无短路电流时，两铁芯在弹簧5的张力作用下分开，其磁通回路保持设定的空气间隙12，使跃抗器的导磁率和感抗值很小；在串联回路发生短路故障时，两铁芯之间的电磁引力陡然增大、铁芯闭合，此时交变磁通量和线圈的感抗值跃变增大，限制串联回路电流至设定值以内。

高至低阻抗的跃变过程：在发生瞬时性短路故障时，本跃抗器跃变为高阻抗，短路故障随即消失，合上消磁开关9，用消磁线圈2流过的感应电流所产生的磁势，抵消主线圈电流所产生的磁势，使跃抗器铁芯内的磁通量接近消除，在弹簧5的张力或其他外力的作用下，跃抗器的活动铁芯与固定铁芯之间恢复至分离状态，其电抗值跃变为低电抗，使被保护线路的电压自动恢复正常。

下面简述本发明的工作过程：

1.正常运行状态：见图1，活动铁芯6在弹簧5的张力作用下与固定铁芯3保持分体状态。足够的空气间隙12使得导磁率很低，主线圈1被穿过很少的交变磁通量15，其电抗值很小，电压降和无功功率损耗也小。

2.短路初始状态：见图2，当本跃抗器串联回路出现短路故障时，初始的短路电流大于本跃抗器的跃变启动电流值，该电流立即通过主线圈转变为强大的磁功率，使得穿过铁芯和空气间隙的磁通增大到磁通量16，此磁通量可克服弹簧5的张力，瞬时将分体的铁芯吸合为一体。在铁芯吸合过程中，故障电流迅速减小，综合导磁率和线圈电抗迅速增大，回路电流相应受限减小。

3.短路限流状态：见图3，在两铁芯吸合为一体后，空气间隙12消失，导磁率跃变至最大，主线圈1被穿过最大的交变磁通量17，其电抗值则跃变至最大，短路电流就被持续地限制在设定值上。铁芯吸合后，行程压杆11使行程开关10的常开接点闭合，常闭接点打开，此接点的状态信号通过导线引至保护控制器件，作为逻辑控制或保护动作的必要条件之一。对于永久性故障，在切除故障电流回路的过程中，自感电势泄放电路13可以减小或者消除本电抗器主线圈的破坏性自感电势。

4.瞬时性短路处理：在本跃变电抗限流器跃变为高阻抗后，该故障因电压降至很低而自动消除，电气主回路维持接通状态；在瞬时性故障消除后，合上消磁开关9，接通消磁线圈2的回路，形成感性电流；此感性电流的磁势将抵消主线圈1的磁势，使上述两铁芯中的综合磁通量18所产生的磁引力小于弹簧张力和自重的综合作用力，两铁芯立即由图4所示闭合状态复位至图1所示分开状态。

二.跃变电抗限流器的应用

本发明提供的跃变电抗限流器适用于单相、三相和三相四线电源的用电线路和用电器；可以广泛用于高、中、低电压等级的电力系统。

三.跃变电抗限流器的主要技术参数

由电磁学可知，用交流有效值计算的电感线圈的感抗

X_L＝4.44fN²Sμ/l                                   (公式1)

其中：f为频率；N为线圈匝数；S为线圈截面积；

μ为主磁通回路实际介质的导磁率；l为主磁通回路的长度。

又因空气的导磁率：

μ₀＝4π×10^-7(wb/A·m)                            (公式2)

硅钢片铁芯的导磁率为：

μ_C≥(2000～6000)μ₀                               (公式3)

考虑到主磁通回路所穿过导磁介质实际长度的影响系数k，故由以上公式可以推出：

X_LC≥(2000～6000)kX_L0                              (公式4)

公式1、2、3和4说明，在频率f和线圈匝数N保持不变的条件下，用硅钢片作为主磁通回路导磁介质所实现的感抗可以达到用空气作为导磁介质所成感抗的2000k倍以上。

下面分析在硅钢片分体铁芯的磁通回路含有空气间隙所实现的感抗：

因导磁系数μ₀和μ_C的大小与主磁通回路所穿过介质的长度成反比，其中冷轧硅钢片的相对导磁率取为6000倍，则两种介质的综合导磁系数μ_Z的计算公式为：

1/μ_Z＝l₀/μ₀+l_C/μ_C

μ_Z＝1/(l₀/μ₀+l_C/μ_C)＝1/(l₀/μ₀+l_C/6000μ₀)＝μ₀/{[1+(l_C/l₀)/6000]l₀}

由此，本跃抗器在任意状态的电抗值为：

X_LZ＝4.44fN²Sμ_Z＝4.44fN²S/(l₀/μ₀+l_C/μ_C)＝4.44fN²Sμ₀/{[1+(l_C/l₀)/6000]l₀}

                                                         (公式5)

设主磁通回路的分体铁芯的长度l_C与空气间隙的长度l₀之比为l_C/l₀＝n，则有：

μ_Z＝μ₀/{[1+n/6000]l₀}                                  (公式6)

在实际设计中，在考虑短路故障状态下本跃抗器有恰当的跃变启动电流的同时，应当恰当设定正常运行状态时主磁通回路的空气间隙，使得n/6000相对很小；此时，综合导磁系数几乎全由空气间隙决定，其值近似为：

μ_Z＝μ₀/l₀                                              (公式7)

由公式5、6可以得出如下结论：

在有硅钢片铁芯和适当比例空气间隙的磁通回路，该磁通所穿过线圈的电感的量值可以很小，该线圈的电抗值约为：

X_LZ＝4.44fN²Sμ_Z1/l＝4.44fN²Sμ₀/l₀                      (公式8)

而在无空气间隙的同样的硅钢片铁芯的磁通回路，同样线圈的电感的量值可以很大，该线圈的电抗值约为：

X_L＝4.44fN²Sμ_Z2/l＝6000×4.44fN²Sμ₀/l_C                      (公式9)

上述公式5、公式8和公式9是本发明的具体实施的理论依据。

公式10、公式11和公式12分别为磁密计算公式、跃变启动电流值计算公式和跃变返回电流值计算公式，即

$B_m=\sqrt{\frac{16\mathrm{\πF}}{S}\×{10}^{-7}}$ (公式10)

$I_q=\frac{B_m\mathrm{\δ}}{\sqrt{2}N{\mathrm{\μ}}_0}$ (公式11)

$I_h<\frac{B_m{l}_C}{\sqrt{2}N{\mathrm{\&mu;}}_C}$ (公式12)

在实际运用时，通过调整公式10、公式11中弹簧5的张力F、两铁芯的截面积S、线圈匝数N以及气隙δ，可以获得恰当的跃变启动电流值I_q和跃变返回电流值I_h，从而得到公式8和公式9中恰当的X_LZ值和X_L值。

Claims (7)

1.一种跃变电抗限流器，其特征是由跃抗器、消磁电路和防止跃抗器铁芯振动的电路组成，其中：

跃抗器：设有主线圈(1)、固定铁芯(3)、活动铁芯(6)和位于两铁芯之间的弹簧(5)，主线圈(1)与供电线路主回路串连构成串联回路；在串联回路无短路电流时两铁芯之间有空气间隙(12)，在串联回路有短路电流时两铁芯闭合；

消磁电路由消磁线圈(2)、消磁开关(9)、行程开关(10)、行程压杆(11)构成；消磁线圈缠绕在与主线圈相同磁路铁芯的绕线架(8)上，且当消磁电路接通时，两线圈的磁势接近相等和反相位；行程压杆(11)上部与弹簧座(7)固定连接，该行程压杆下端头在铁芯闭合时与行程开关(10)的弹性触头压接；弹簧(5)的上端与固定在活动铁芯(6)上的所述弹簧座(7)对应接触，其下端由底座(4)与固定铁芯(3)固定相连；

防止跃抗器铁芯振动的电路是阻容电路(14)，消磁开关(9)和阻容电路(14)与消磁线圈(2)的出线端并连。

2.根据权利要求1所述的跃变电抗限流器，其特征在于：弹簧(5)有两个或四个，对称分布。

3.根据权利要求2所述的跃变电抗限流器，其特征在于：行程开关(10)有一至四个，装于底座(4)上表面。

4.根据权利要求1所述的跃变电抗限流器，其特征在于所述的阻容电路(14)，其电阻两端的电压信号为主回路电流测量的间接信号源。

5.权利要求1至4中任一权利要求所述的跃变电抗限流器在单相电源中的用途。

6.权利要求1至4中任一权利要求所述的跃变电抗限流器在三相电源中的用途。

7.权利要求1至4中任一权利要求所述的跃变电抗限流器在三相四线电源中的用途。

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