CN102227787B - 感应设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将与高压输电系统相关联地使用的感应设备，其具有至少一个绕组、至少一个磁芯框以及设置在所述磁芯框中的至少一个磁芯柱。所述磁芯框包括多个磁芯间隙(其中包括多个间隔物)以及多个磁性材料的磁芯段。所述磁芯段通过至少其中一个所述磁芯间隙分开，并且所述绕组使得电磁吸引力作用在所述磁芯间隙中。所述感应设备还包括设置在所述磁芯间隙其中一个中的至少一个压电元件以及连接到所述压电元件的控制单元。所述控制单元被设置成提供用于感生出所述压电元件的振动的电信号，所述振动抵抗作用在所述磁芯间隙中的所述电磁吸引力。

Description

感应设备

技术领域

本发明涉及一种将与高于1kV的高压输电系统相关联地使用的感应设备。本发明特别适合于用在电力系统中的并联电抗器，其被调用来提供大约几十MVA的功率，以便例如补偿通常为高压电力线或扩展电缆系统的长电力传输线的电容性电抗。

背景技术

并联电抗器的功能通常是为了提供对于高压输电线或电缆系统中的电力线电压控制和稳定性所必需的必要电感补偿。并联电抗器的主要必需条件是保持并管理高电压，以及在操作感应范围内提供恒定的电感。与此同时，并联电抗器应当具有低型面尺寸和重量、低损耗、低振动和噪声以及良好的结构强度。

并联电抗器通常包括由一个或更多个磁芯柱(其也被称为磁芯柱体)构成的磁芯，所述磁芯柱通过磁轭相连，这些磁轭一起形成一个或更多磁芯框。此外，并联电抗器被制作成使得线圈环绕所述磁芯柱。此外还公知的是，并联电抗器的构造方式类似于磁芯式电力变压器，即二者在磁芯的磁轭部分中都使用高磁导率、低损耗晶粒取向电钢片。但是二者的显著不同之处在于，并联电抗器被设计成在操作感应范围内提供恒定的电感。在传统的高压并联电抗器中，这是通过在磁芯的磁芯柱部分中使用一定数目的大气隙而实现的。所述磁芯柱是由磁性材料(比如电工钢片条)的磁芯段(其也被称作磁芯包)制成的。所述磁芯段由高质量的径向层压钢片制成，所述钢片被分层并粘合以形成大的磁芯元件。此外，所述磁芯段被层叠并且用环氧树脂粘合，从而形成具有高弹性模量的磁芯柱。所述磁芯柱是通过将磁芯段与陶瓷间隔物交替以提供所需气隙而构造的。所述磁芯段通过至少其中一个所述磁芯间隙彼此分开，并且所述间隔物通过环氧树脂粘合到所述磁芯段上，从而形成圆柱形磁芯元件。此外，所述间隔物通常由诸如滑石的陶瓷材料制成，其是一种具有高机械强度、良好电属性以及小损耗因数的材料。

所述磁芯被容纳在箱中，所述箱包括箱基板和箱壁以及支撑所述储箱的底座。此外还公知的是，诸如并联电抗器的感应设备被浸入到诸如油、硅酮、氮或者碳氟化合物的冷却介质中。

众所周知的问题是磁芯是诸如变压器和电抗器的电感应设备中的噪声源，从电抗器发出的这种噪声(其也被称作交流声(hum))必须受到限制，以免干扰周围区域。电流流经围绕磁芯的电绕组，从而生成磁场。因此将会发生磁芯的交变磁化，从而所述磁芯段会发生周期性膨胀及收缩，这是由于如下事实：经受磁场的铁磁性材料在被电抗器绕组中流动的电流磁化及去磁化时改变其形状(这也被称作磁致伸缩现象)。因此所述磁芯将充当100Hz或者电抗器振动的操作频率及其谐波的两倍的源。随着通过磁芯的磁场发生交变，所述磁芯段将反复膨胀及收缩，从而导致振动。通过向电抗器施加电压的磁化动作在磁芯中产生磁通量或磁力线。磁通量的程度将决定磁致伸缩的量，从而将决定噪声水平。所述振动产生声波，该声波产生电抗器的显著交流声。

此外，磁通量将从其穿过的前面提到的填充有间隔物的磁芯间隙是导致噪声的振动源。这是由于当所述磁通量发生交变时，其趋于对所述陶瓷间隔物进行压缩/减压，从而导致磁芯中的振动。动态的电磁芯间隙力将导致作为主要噪声源的磁芯振动。现在基本上有两种方式来减小由所述磁芯间隙力导致的振动的幅度，例如通过减小磁芯间隙力或者通过增大磁芯间隙硬度。由于磁芯间隙力的幅度与所述感应设备的额定功率有很强相关性，因此最为高效的减小噪声的方式是增大磁芯间隙的硬度。

在美国，干线电压每秒钟交变60次(60Hz)，因此所述磁芯段每秒钟膨胀及收缩120次，从而产生在120Hz及其谐波的音调。在欧洲，干线供电是50Hz，因此所述交流声更接近100Hz及其谐波。

由磁芯连同所述磁芯和磁芯组件的重量生成的振动可能会迫使电抗器外壳下方的刚性基底结构发生振动。所述外壳侧壁可能刚性地连接到所述基底结构，从而可能被坚硬的基底部件驱动而发生振动并且传播噪声。

在本发明所涉及的浸入油中的感应设备中，所述磁芯被放置在箱内，并且振动通过箱基底和油传播到箱壁从而导致噪声。

发明内容

本发明试图提供一种改进的感应设备，其可以减小电抗器磁芯柱中的振动，从而降低从电抗器发出的噪声水平。

本发明的目的可以通过如权利要求1所限定的感应设备来实现。所述设备的特征在于，所述感应设备包括设置在磁芯间隙其中一个内的至少一个压电元件以及连接到所述压电元件的控制单元，所述控制单元被设置成提供用于感生所述压电元件的振动的电信号，其相位与作用在所述磁芯间隙中的电磁吸引力相反。其想法是借助于影响所述压电元件的电场来对抗并停止由电磁力在磁芯柱中导致的振动。当受到电场影响时，所述压电元件的尺寸将由于反压电效应而改变，从而所述磁芯间隙的填充度将提高。相应地，由于压电效应是可逆的这一事实，因此所述磁芯柱将在所施加的电场减小时解压，从而所述压电元件的尺寸将减小。当把电场(100-120V)馈送到所述压电元件时，所述磁芯柱将在纵向上膨胀，从而导致所述元件在纵向上膨胀，因此所述磁芯柱中的振动将减小。所述压电元件的膨胀将对抗发生在磁芯柱中的压缩，以便保持所述磁芯柱的长度。因此，从磁芯柱传递到磁芯框的振动更少，从感应设备发出的噪声也更少。

根据本发明的一个实施例，所述多个磁芯间隙包括间隔物，并且所述压电元件被设置在所述间隔物与磁芯段之间或者被设置在所述间隔物与磁芯框之间。因此有可能令磁芯柱符合使得从所述磁芯柱传递到磁芯框的振动最小的情况。

根据本发明的另一个实施例，所述多个磁芯间隙包括多个间隔物，并且所述压电元件被设置在所述间隔物与磁芯段之间以及被设置在所述间隔物与磁芯框之间。因此，压电元件将在磁芯柱中以及在所述磁芯柱与磁芯框之间的附着点中起到减小振动的作用，从而减小振动并且防止振动传递到磁芯柱中。

根据本发明的一个实施例，设置至少一个传感器来测量磁芯柱中的振动。所述传感器被配置成向控制单元发送测量值，所述控制单元被配置成基于所述测量值生成电信号。这样将会平滑且高效地消除在磁芯柱中生成的振动，并且将有可能减小从所述感应设备发出的噪声。

根据本发明的另一个实施例，所述传感器被配置成测量从感应设备发出的声音。因此将有可能把所述传感器设置在感应设备外部。

根据另一个实施例，所述感应设备是并联电抗器。

下面将在根据本发明的感应设备的一个优选实施例的详细描述中给出本发明的其他特征和优点。

附图说明

通过下面结合附图所做的详细描述，本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

图1是通过根据本发明的一个实施例的感应设备的纵向截面图。

图2是通过图1中所示的感应设备的磁芯柱的截面图A-A。

图3是根据本发明的上端面附着有压电元件的间隔物的纵向截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的感应设备1。感应设备1被设置成与高压输电系统相关联地使用。感应设备1被用于补偿通常为高压电力线或扩展电缆系统的长电力传输线的电容性电抗。感应设备1可以永久性地投入运行以稳定电力传输，或者只在轻负载条件下被切换用于电压控制。

感应设备1包括磁芯框3、绕组2以及被设置在磁芯框3中的磁芯柱6。磁芯柱6包括多个由磁性材料制成的磁芯段11a-11g。磁芯段11a-11g通常由高质量的径向层压钢片制成，所述钢片被分层并粘合以形成大的磁芯元件，并且所述磁芯段11a-11g具有圆形截面，其具有如沿着磁芯柱6的纵向所见的上端面和下端面。此外，磁芯段11a-11g被堆叠并且用环氧树脂粘合，从而形成具有高弹性模量的磁芯柱。磁芯段11a-11g的每个被设置成在沿着磁芯柱6的纵向上彼此相距预定的距离。如前所述的预定距离构成多个磁芯间隙9a-9h。在每一个磁芯间隙9a-9h中设置多个具有上端面和下端面的间隔物(为了简单起见把所有间隔物都标记为数字7)，以便保持磁芯段11a-11g之间的预定距离。沿着磁芯柱6的纵向看去，所述上端面和下端面的间隔物截面外观的形状例如是多边形、圆形或椭圆形。

在其中一个或更多个磁芯间隙9a-9h中设置压电元件5a-5j，其中沿着磁芯柱6的纵向看去，每一个压电元件具有上端面和下端面，所述压电元件5a-5j处在间隔物7的端面与磁芯段11a-11g的端面之间。所述压电元件的上、下端面的形状对应于如前所述的间隔物的端面形状。磁芯柱6被设置成建立特定磁电阻(磁阻)，所述磁电阻又设定设备1的电感。磁通量的主要部分以交变磁属性穿过磁芯柱6，从而导致吸引力作用在磁芯间隙9a-9h中。因此所述吸引力将压缩磁芯柱6。间隔物7通常由诸如滑石的陶瓷材料制成。压电元件5a-5j由诸如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡或钛酸铅的材料制成。此外还可以使用诸如石英和电气石的材料(其是具有压电属性的自然形成的晶体材料)以及人工产生的压电晶体，比如Rochelle盐、磷酸二氢铵和硫酸锂。所述压电元件被设置成优选地沿着磁芯柱6的纵向(y)膨胀或缩小。

传感器15被设置成感测及测量磁芯柱中的振动，并且连接到控制单元13。传感器15可以被设置在感应设备1内部的任何位置处或者被设置在感应设备1外部并且与之邻近，以便测量在磁芯柱6中生成的振动，或者测量从磁芯柱6生成到感应设备1的箱壁的结构或基底结构的振动。另一种替换方案是把传感器15设置在感应设备1内部的任何位置处，或者被设置在感应设备1外部并且与之邻近，以便测量从感应设备1发出的噪声。另一种替换方案是设置多于一个传感器15以用于振动或声音测量。可以通过在感应设备1内部或感应设备1外部设置多于一个传感器15来实现关于振动或声音的测量的提高的精度。或者可以在感应设备1内部和感应设备1外部二者处设置传感器15。传感器15连接到控制单元13，所述控制单元13又连接到压电元件5a-5j。控制单元13包括存储器单元、处理设备、硬件以及软件。基于由传感器15测量的磁芯柱6中的振动，将所述软件配置成计算用于在压电元件5a-5j中感生出振动的可变电信号的强度并且提供所述可变电信号。所述可变电信号将抵抗作用在磁芯间隙9a-9h中的电磁吸引力。穿过磁芯框3和磁芯柱6垂直设置一个中心孔(未示出)以便能够抬起及运送感应设备1。传感器15是被设置成用于测量振动或声音的任何设备，比如加速度计、麦克风、全方向移动传感器、振动传感器、倾斜传感器或震动传感器。

可以通过磁芯间隙9a-9h中的许多不同配置来把压电元件5a-5j设置在磁芯柱6中。

从图1中可以看出，在间隔物7的上端面与磁芯框3之间的磁芯间隙9a中设置一个或更多压电元件5a。此外还可以在间隔物7的下端面与磁芯段11a的上端面之间设置一个或更多压电元件5b。

在磁芯间隙9h中，可以在间隔物7的下端面与磁芯框3之间设置一个或更多压电元件5j。此外还可以在间隔物7的上端面与磁芯段11g的下端面之间设置一个或更多压电元件5i。

在磁芯间隙9b、9c、9d、9e、9f中，可以在间隔物7的下端面与磁芯段11b、11c、11d、11e、11f的上端面之间设置一个或更多压电元件5c、5d、5e、5f、5g、5h。

关于磁芯间隙9b、9c、9d、9e、9f的另一种可能性是在间隔物7的上端面与磁芯段11b、11c、11d、11e、11f的下端面之间设置一个或更多压电元件5c、5d、5e、5f、5g、5h。

一种可能的设置是在有限数目的磁芯间隙9b、9c、9d、9e、9f中设置压电元件5c、5d、5e、5f、5g、5h。

关于磁芯间隙9b、9c、9d、9e、9f的另一种可能性是不在所述间隔物的端面与磁芯段11b、11c、11d、11e、11f的端面之间设置任何压电元件。因此，将仅在磁芯间隙9a、9h中设置一个或更多压电元件5a、5b、5i、5j。

另一种可能性是在间隔物7的端面的上侧与磁芯段11a-11f的端面的下侧之间以及在间隔物7的端面的下侧与磁芯段11b-11g的端面的上侧之间设置一个或更多压电元件。从而每一个磁芯间隙9b-9g将包括设置在间隔物7上端面和间隔物7下端面二者上的压电元件。

间隔物7的(纵向)长度可以根据压电元件5a-5i是否附着到其端面上而不同。

图2示出了通过图1中所示设备截面A-A中的磁芯间隙。间隔物21被设置在磁芯段22的上端面上，压电元件20被设置到间隔物21的上端面。中心孔24被设置成以纵向穿过磁芯段22。磁场(未示出)作用在穿过压电元件的纵向上。每一个压电元件20通过连接装置26、28连接到控制单元(未示出)。但是为了简单起见仅示出其中一个具有连接装置的压电元件。

图3示出了间隔物30，其中压电元件32附着到其上端面。压电元件32通过所示出的连接装置34、36连接到控制单元(未示出)。此外还示出了作用在穿过压电元件32的纵向上的磁场38。连接装置34、36可以被设置成通过使用所述中心孔或者通过使用磁芯框与磁芯柱之间的空间而连接到压电元件32。

Claims (7)

1.一种将与高压输电系统相关联地使用的感应设备，其具有：

-至少一个绕组；

-至少一个磁芯框；以及

-设置在所述磁芯框中的至少一个磁芯柱，其包括：

-多个磁芯间隙；以及

-通过所述磁芯间隙分开的多个磁性材料的磁芯段，其中

-所述绕组使得电磁力作用在所述磁芯间隙中，

其特征在于，所述感应设备还包括：

-设置在所述磁芯间隙其中一个中的至少一个压电元件；以及

-连接到所述压电元件的控制单元，其提供感生出所述压电元件的振动的电信号，所述振动抵抗作用在所述磁芯间隙中的所述电磁力。

2.根据权利要求1的感应设备，其特征在于，所述多个磁芯间隙包括多个间隔物，所述压电元件被设置在所述间隔物与所述磁芯段之间或者被设置在所述间隔物与所述磁芯框之间。

3.根据权利要求1的感应设备，其特征在于，所述多个磁芯间隙包括多个间隔物，所述压电元件被设置在所述间隔物与所述磁芯段之间以及被设置在所述间隔物与所述磁芯框之间。

4.根据权利要求1-3中任一项的感应设备，其特征在于，所述设备包括被设置成测量所述磁芯柱中的振动并且向所述控制单元发送测量值的至少一个传感器，所述控制单元被配置成基于所述测量值生成所述电信号。

5.根据权利要求4的感应设备，其特征在于，所述传感器是加速度计。

6.根据权利要求4的感应设备，其特征在于，所述传感器被适配成测量声音。

7.根据权利要求1的感应设备，其特征在于，所述感应设备是并联电抗器。