CN102074331B

CN102074331B - 一种磁饱和电抗器

Info

Publication number: CN102074331B
Application number: CN2010105840411A
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: CN102074331A

Abstract

本发明涉及一种在满足性能要求条件下能减小磁饱和电抗器体积与重量；在磁饱和状态下，能降低磁饱和电抗器电抗值的磁饱和电抗器。它包括：一个日字型结构磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯一侧分别安装电抗线圈L1和直流线圈L2；磁饱和电抗器铁芯另一侧分别安装电抗线圈L3和直流线圈L4；电抗线圈L1的同名端为磁饱和电抗器交流回路的其中一个交流端子I，电抗线圈L1的异名端与电抗线圈L3的同名端连接，电抗线圈L3的异名端为磁饱和电抗器交流回路的另一个交流端子II；直流线圈L2的同名端与直流线圈L4的同名端连接，直流线圈L2的异名端为磁饱和电抗器直流回路的其中一个直流端子I，直流线圈L4的异名端为磁饱和电抗器直流回路的另一个直流端子II。

Description

一种磁饱和电抗器

技术领域

本发明涉及电力系统送变电领域，特别涉及一种磁饱和电抗器。

背景技术

随着电力系统的不断发展，发电容量的不断上升，电力系统发生短路引起的短路电流很大。电力系统发生短路引起的短路电流对电力系统的危害是很大的。继电保护装置在电力系统发生短路时，发出跳闸命令，使断路器跳闸，切断短路电流。断路器切断短路电流的能力有限制，短路电流超过断路器最大切断电流值时，断路器无法切断短路电流。因此，减小短路电流，可使断路器能够切断短路电流，减小电力设备在短路时的损害程度，提高电力系统的稳定性。

近年来研究限制短路电流的方法与装置（也称电流限制器）成为热门课题。

利用磁饱和电抗器铁芯的饱和特性构成电流限制器。在磁饱和电抗器铁芯上增加一组直流线圈，电力系统正常运行时，直流电源给直流线圈提供直流电流，使磁饱和电抗器的铁芯深度饱和。磁饱和电抗器的铁芯深度饱和时，磁饱和电抗器呈现小电抗；串联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，控制模块切断直流线圈的直流电流，磁饱和电抗器的铁芯脱离饱和；磁饱和电抗器呈现很大电抗。串联在输电线路中的磁饱和电抗器对短路电流起限制作用，减小短路电流。

专利号2008101604501的“一种磁饱和电抗器短路电流限制装置”和专利号2008101592788的“短路电流限制装置及方法”是这方面的研究结果之一。磁饱和电抗器是磁饱和电抗电流限制器的核心设备，也是最贵重的设备，它的特性直接影响电流限制器的性能指标。现有磁饱和电抗电流限制器用的饱和电抗器的结构存在缺点。在满足性能要求条件下如何减小磁饱和电抗器的体积与重量，在磁饱和状态下，如何降低磁饱和电抗器的电抗值是研究方向之一。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种在满足性能要求条件下能减小磁饱和电抗器的体积与重量；在磁饱和状态下，能降低磁饱和电抗器的电抗值的一种磁饱和电抗器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁饱和电抗器，它包括：

一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯为日字型结构；磁饱和电抗器铁芯一侧分别安装电抗线圈L1和直流线圈L2；磁饱和电抗器铁芯另一侧分别安装电抗线圈L3和直流线圈L4；电抗线圈L1与电抗线圈L3结构、匝数、绕制方法的工艺要求相同；直流线圈L2与直流线圈L4结构、匝数、绕制方法的工艺要求相同一样；

电抗线圈L1的同名端为磁饱和电抗器交流回路的其中一个交流端子I，电抗线圈L1的异名端与电抗线圈L3的同名端连接，电抗线圈L3的异名端为磁饱和电抗器交流回路的另一个交流端子II；

直流线圈L2的同名端与直流线圈L4的同名端连接，直流线圈L2的异名端为磁饱和电抗器直流回路的其中一个直流端子I，直流线圈L4的异名端为磁饱和电抗器直流回路的另一个直流端子II。

所述磁饱和电抗器铁芯日字型结构以中间铁芯中线为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环；两侧铁芯形成第三个磁通闭环；两侧铁芯的截面积相等；中间铁芯的截面积大于或等于其中一侧铁芯的截面积，但小于或等于2倍其中一侧铁芯的截面积。

所述磁饱和电抗器电抗线圈L1和直流线圈L2层次绕制；磁饱和电抗器电抗线圈L3和直流线圈L4层次绕制。

所述电抗线圈L1和电抗线圈L3为交流通路；直流线圈L2和直流线圈L4为直流通路。

本发明提供了提供一种在满足性能要求条件下减小磁饱和电抗器的体积与重量；在磁饱和状态下，降低磁饱和电抗器的电抗值的一种磁饱和电抗器结构及连接方式。

本发明的有益效果是：在满足性能要求条件下磁饱和电抗器的铁芯、线圈匝数、重量减小；在磁饱和状态下，磁饱和电抗器的电抗值更低。本发明磁饱和电抗器用于电流限制器，电力系统正常导通运行时，磁饱和电抗器两端的电压损失减小30%。

附图说明

图1表示磁饱和电抗器结构及连接方式；

图2表示磁饱和电抗器电抗线圈和直流线圈内外层次结构；

其中，1. 交流端子I，2. 交流端子II， 3. 直流端子I，4. 直流端子II，5. 磁饱和电抗器铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

磁饱和电抗器结构及连接方式如图1所示。装置交流端子I1与交流端子II2串连接入交流输电回路；装置直流端子I3与直流端子II4串连接入直流供电回路。

由于电抗线圈L1的同名端为磁饱和电抗器交流回路的交流端子I1，电抗线圈L1的异名端与电抗线圈L3的同名端连接，电抗线圈L3的异名端为磁饱和电抗器交流回路的交流端子II；又由于电抗线圈L1与电抗线圈L3结构、匝数、绕制方法工艺要求相同；所以，在电抗线圈L1流过的交流电流在铁芯中产生的磁通Φ1与电抗线圈L2流过的交流电流在铁芯中产生的磁通Φ2，大小相等，方向相反。交流磁通只会在磁饱和电抗器日型结构两侧铁芯形成的第三个磁通闭环流动，不会从磁饱和电抗器日字型结构的中间铁芯流动。目前，已经使用的磁饱和电抗器结构为双口字型结构，交流磁通在两个口字型结构中流通。本发明的交流磁通路径比目前已经使用的双口字型结构磁饱和电抗器交流磁通路径短。相同励磁电流条件下，本发明的磁饱和电抗器的铁芯和线圈匝数可减少。

如果磁饱和电抗器的直流线圈L2、直流线圈L4直流电流为零；磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态，串联在输电回路中的电抗线圈L1、电抗线圈L3的电抗很大。

直流线圈L2的同名端与直流线圈L4的同名端连接，直流线圈L2的异名端为磁饱和电抗器直流回路的其中一个直流端子I3，直流线圈L4的异名端为磁饱和电抗器直流回路的直流端子II4。电抗线圈L1在磁饱和电抗器铁芯中产生工频磁通，该工频磁通在直流线圈L2产生感生电动势；电抗线圈L3在磁饱和电抗器铁芯中产生工频磁通，该工频磁通在直流线圈L4产生感生电动势；由于直流线圈L2与直流线圈L4结构、匝数、绕制方法的工艺要求相同，直流线圈L2的工频感生电动势与直流线圈L4的工频感生电动势相减为零，电抗线圈L1、电抗线圈L3的交流电流对直流回路不产生影响。

直流线圈L3中流过直流电流时，中间铁芯与直流线圈L3所在一侧铁芯形成磁通闭环；直流线圈L4中流过直流电流时，中间铁芯与直流线圈L4所在一侧铁芯形成磁通闭环；这两个磁通回路，完全覆盖交流磁通的磁通回路。所以，直流磁通使所在铁芯饱和时，交流磁通的铁芯也同时是饱和的。磁饱和电抗器铁芯处于饱和状态，串联在输电回路中的电抗线圈L1、电抗线圈L3的电抗很小，对输电系统没有影响。

直流线圈L3中流过直流电流时，在铁芯中产生的磁通Φ3；直流线圈L4中流过直流电流时，在铁芯中产生的磁通Φ4。Φ3与Φ4大小相等，方向相同；Φ3与Φ4同时流过磁饱和电抗器日字型结构的中间铁芯。磁饱和电抗器铁芯日字型结构以中间铁芯为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环，两侧铁芯形成第三个磁通闭环。两侧铁芯的截面积相等；当中间铁芯的截面积等于2倍其中一侧铁芯的截面积时，如果中间铁芯没有饱和，则两侧铁芯也不会饱和；如果中间铁芯饱和，则两侧铁芯也同时饱和；直流线圈L3、直流线圈L4的安匝数得到充分利用。当中间铁芯的截面积小于2倍其中一侧铁芯的截面积时，如果中间铁芯没有饱和，则两侧铁芯也不会饱和；如果中间铁芯饱和，则两侧铁芯不一定饱和；如果两侧铁芯饱和，则中间铁芯一定饱和；直流线圈L3、直流线圈L4的安匝数没有得到充分利用。在中间铁芯饱和，而两侧铁芯没有饱和条件下，需要增加直流电流使两侧铁芯饱和；或不增加直流电流，增加直流线圈匝数的方法，使两侧铁芯饱和。中间铁芯的截面积小于2倍其中一侧铁芯的截面积，减小了铁芯重量。如果中间铁芯的截面积小于其中一侧铁芯的截面积，则增加直流线圈匝数较多，得不偿失。所以，中间铁芯的截面积大于或等于其中一侧铁芯的截面积，但小于或等于2倍其中一侧铁芯的截面积。

直流线圈L3与直流线圈L4可用一个绕制在磁饱和电抗器日字型结构中间铁芯上的线圈代替，这样做的优点是节约一个线圈，减小功耗；缺点是直流线圈与电抗线圈的耦合不够密切，直流线圈流过直流电流时，串联在输电回路中的电抗线圈L1、电抗线圈L3的电抗下降还不够好。

目前已经使用的磁饱和电抗器的交流线圈与直流线圈都分别绕制在不同的铁芯柱上。因为，直流线圈对地电位低，交流线圈与直流线圈之间的电压差大；如果交流线圈与直流线圈绕制在相同的铁芯柱上，就有可能发生交流线圈与直流线圈之间的短路，损坏连接直流线圈的设备。本发明的磁饱和电抗器是发明专利号为：2010105753926的“具有柔性开关特性的电流限制装置及方法”的配套设备，在该发明中，直流线圈对地电位高，交流线圈与直流线圈之间的电压差小；交流线圈与直流线圈绕制在相同的铁芯柱上，发生交流线圈与直流线圈之间短路的概率下降。在该发明中，连接直流线圈的设备的电位将随着交流线圈电位的升高而自动升高，连接直流线圈的设备对地有高压绝缘措施，即使发生交流线圈与直流线圈之间短路，也不会损坏连接直流线圈的设备。所以，由于应用环境的改变，决定了磁饱和电抗器的结构可以不同，可以发明性能更为优越的磁饱和电抗器结构。本发明的磁饱和电抗器的交流线圈与直流线圈层次绕制在相同的铁芯柱上，加强了交流线圈与直流线圈的磁耦合。直流线圈的直流电流使铁芯饱和，在铁芯饱和条件下磁饱和电抗器交流线圈的电抗下降的更小，对电力系统正常输电的不利影响更小。

图2表示磁饱和电抗器电抗线圈和直流线圈的一种内外层次结构。可以磁饱和电抗器电抗线圈L1（L3）在外层，直流线圈L2（L4）在内层；也可以磁饱和电抗器电抗线圈L1（L3）在内层，直流线圈L2（L4）在外层；还可以磁饱和电抗器电抗线圈L1（L3）与直流线圈L2（L4）交替层次。

所述一种磁饱和电抗器结构及连接方式的各部件可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。

Claims

1. 一种磁饱和电抗器，其特征是，它包括：

一个磁饱和电抗器铁芯；磁饱和电抗器铁芯为日字型结构；磁饱和电抗器铁芯一侧分别安装电抗线圈L1和直流线圈L2；磁饱和电抗器铁芯另一侧分别安装电抗线圈L3和直流线圈L4；

直流线圈L2的同名端与直流线圈L4的同名端连接，直流线圈L2的异名端为磁饱和电抗器直流回路的其中一个直流端子I，直流线圈L4的异名端为磁饱和电抗器直流回路的另一个直流端子II；所述磁饱和电抗器铁芯日字型结构以中间铁芯中线为轴，两侧对称；中间铁芯与其中一侧铁芯形成磁通闭环，中间铁芯与另一侧铁芯形成另一个磁通闭环；两侧铁芯形成第三个磁通闭环；两侧铁芯的截面积相等；中间铁芯的截面积大于或等于其中一侧铁芯的截面积，但小于或等于2倍其中一侧铁芯的截面积；所述电抗线圈L1和电抗线圈L3为交流通路；直流线圈L2和直流线圈L4为直流通路；交流线圈与直流线圈层次绕制在相同的铁芯柱上；在电抗线圈L1流过的交流电流在铁芯中产生的磁通Φ1与电抗线圈L3流过的交流电流在铁芯中产生的磁通Φ2，大小相等，方向相反；交流磁通只会在磁饱和电抗器日型结构两侧铁芯形成的第三个磁通闭环流动，不会从磁饱和电抗器日字型结构的中间铁芯流动。

2.如权利要求1所述的一种磁饱和电抗器，其特征是，所述磁饱和电抗器电抗线圈L1和直流线圈L2层次绕制；磁饱和电抗器电抗线圈L3和直流线圈L4层次绕制。

3.如权利要求1所述的磁饱和电抗器，其特征是，其特征是，所述电抗线圈L1与电抗线圈L3结构、匝数、绕制方法工艺相同；直流线圈L2与直流线圈L4结构、匝数、绕制方法工艺相同。