CN102623158B - 一种超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导可控电抗器，包括第一、第二分段磁轭，工作线圈，超导励磁线圈组和低温杜瓦；第一分段磁轭为铁芯，第二分段磁轭包括励磁铁芯组和二个相同弧形的铁芯，励磁铁芯组由等弧度分布夹含在第二分段磁轭的两个弧形铁芯中的多个励磁铁芯构成，在每个超导励磁线圈上套有一个励磁铁芯，各超导励磁线圈电感值相等，且串联构成超导励磁线圈组，所有相邻的两个超导励磁线圈均是按同名端和异名端轮流依次连接；超导励磁线圈和励磁铁芯的个数相同，均为偶数，各超导励磁线圈及各励磁铁芯均放置于非导磁低温杜瓦中。本发明可以大容量连续可调的补偿电网的无功功率，实现无功平衡，改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。

Description

一种超导可控电抗器

技术领域

本发明属于电抗器技术，具体涉及一种超导可控电抗器。

背景技术

发展高压、特高压输电是我国电力工业发展的必然趋势，特高压、超高压输电对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。电网中的无功补偿与无功平衡，可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。目前在电网中应用最广泛的无功补偿装置之一是可控电抗器。可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压电抗器。通过对传输线路负荷的电抗进行调节来提供连续的无功补偿，这样就可以降低传输线路的损耗，同时提高传输的有功容量。

传统意义上的高压、特高压可控电抗器都是利用常导材料制成的，目前国内外的传统意义上的可控电抗器发展比较成熟，主要包括调电路式和调磁路式以及TCR型三种。其中以调磁路式的磁阀式可控电抗器和磁饱和式可控电抗器应用最广。超导可控电抗器是基于超导材料的超导电特性制成的，在低温下运行的超导可控电抗器和传统意义上的可控电抗器相比，具有体积小、重量轻，效率高，阻燃，谐波小等优点，大大降低了装置的成本和空间，提高了系统的稳定性。

基于超导材料的超导可控电抗器对电抗的调节主要包括两种方式，一种方式就是不失超型超导可控电抗器，即在电抗器的调节过程中，超导材料不失超，在液氮低温区完成调节；另外一种就是失超型超导可控电抗器，也就是传统意义上的超导故障限流器。

失超型超导可控电抗器是利用超导体的超导态（S）/正常态（N）转变特性。线路正常时，超导体处于超导态，其电抗值非常小；在发生故障时，它转为正常态，也即失超，此时超导电抗器具有很大的电抗，也就实现了电抗的可调。失超型超导可控电抗器在实际中常用来限制故障电流。但失超型超导电抗器的缺点是电抗不能连续可调，而且存在失超保护和失超后的恢复问题，在实际应用中控制起来比较复杂。

不失超型超导可控电抗器目前应用的不多，可分为可连续可调型超导可控电抗器和不可连续可调型超导可控电抗器。目前国内外研究最深入的不连续可调的超导可控电抗器是饱和铁芯型的超导可控电抗器。而连续可调不失超型超导可控电抗器的研究目前还是本学科的前沿研究课题，特别是高压、特高压不失超型可连续可调的超导可控电抗器的研究，在理论和工程实践方面都具有很强的挑战性，目前已初步取得了一些理论成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导可控电抗器，目的在于大容量连续可调的补偿电网的无功功率，实现无功平衡，改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。

本发明提供一种超导可控电抗器，其特征在于，它包括第一分段磁轭、第二分段磁轭、工作线圈、超导励磁线圈组和低温杜瓦；

第一分段磁轭为铁芯，第二分段磁轭包括二个弧形铁芯和一个励磁铁芯组，二个弧形铁芯结构相同，且并行布置，励磁铁芯组由夹含在第二分段磁轭的两个弧形铁芯中的多个励磁铁芯构成，励磁铁芯在弧形铁芯上成等弧度分布，第一分段磁轭和第二分段磁轭无缝连接在一起，共同构成电抗器的磁体部分；

在每个励磁铁芯上都绕有一个超导励磁线圈，各超导励磁线圈电感值相等，且串联构成超导励磁线圈组，所有相邻的两个超导励磁线圈均是按同名端和异名端轮流依次连接；超导励磁线圈和励磁铁芯的个数相同，均为偶数，

各超导励磁线圈及各励磁铁芯均放置于非导磁低温杜瓦中。

本发明利用超导励磁线圈来控制磁轭调节段的磁饱和程度，进而调节工作线圈磁路的磁阻，实现对工作线圈电感值的调节。超导励磁线圈的电流由可控直流源提供，在可控电抗器的工作区段，工作线圈的电感值与励磁电流值一一对应。磁体的对称结构目的在于消除了现有可控电抗器励磁线圈与工作线圈之间的互感，避免了由此而产生的磁体过电压问题。电抗器的磁轭采用分段结构，工作段横截面面积较大，始终工作于磁特性曲线的线性段，相对磁导率较为恒定；而调节段横截面积较小且与主铁芯磁场联系较弱，在励磁线圈调节下铁芯材料可以在不同饱和状况下自由转换，且相对磁导率主要受励磁线圈控制，受工作线圈的影响较小，这种设计基本解决了现有饱和铁芯式可控电抗器工作线圈电感值不稳定的问题。另外，励磁部分采用高温超导磁体，大幅提高了励磁回路的励磁能力，与励磁线圈配合的铁芯（励磁铁芯）横截面积较大，主要工作于非饱和状态，其功能是增强励磁线圈励磁能力，以及降低超导材料表面的磁场强度，提高超导材料的导电能力。本发明工作电路与励磁电路之间零磁场耦合，无感应过电压问题，工作线圈电感值稳定，励磁线圈损耗低，可以优质而有效的对电网进行大容量连续可调感性无功补偿。

附图说明

图1为超导可控电抗器3D模型图（磁体部分）

图2为超导可控电抗器原理图；

图3为超导可控电抗器实例的工作特性曲线，横坐标为励磁线圈的励磁电流值，纵坐标为工作线圈的电感值，其中曲线显示了工作线圈电流密度为0.1～1A/mm²范围内变化时，工作线圈电感值的变化趋势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，本发明包括第一、第二分段磁轭1,2，工作线圈3，超导励磁线圈组，以及低温杜瓦。

如图2所示，工作线圈3与电网直接连接，其电感值可以根据电网对无功功率的需求值进行调节。工作线圈3电感值的调节是通过调节磁轭的饱和度来实现。

如图2所示，第一分段磁轭1为一铁芯（其形状可以是矩形、弧形或半圆形等），工作线圈3绕在该铁芯上。第二分段磁轭2由两个同弧形并行布置的铁芯以及励磁铁芯组共同构成，第一分段磁轭和第二分段磁轭无缝连接在一起，共同构成电抗器的磁体部分。

励磁铁芯组由夹含在两个同弧形并行布置的铁芯中的多个励磁铁芯8构成。励磁铁芯8在弧形铁芯上成等弧度分布。

励磁线圈组由第一至第四励磁线圈4,5,6,7串联连接，每个励磁线圈套在一个励磁铁芯上，并且第一励磁线圈4与第二励磁线圈5异名端相连，第二励磁线圈5与第三励磁6同名端相连，第三励磁线圈6与第四励磁线圈7异名端相连，第一励磁线圈4与第四励磁线圈7，第二励磁线圈5与第三励磁线圈6位置对称，且电感值相同。这种结构使得由励磁线圈4,5,6,7和励磁铁芯8以及磁轭2构成的励磁回路的总电感值为零。励磁线圈均由超导材料绕制而成。励磁线圈的励磁电流由外加独立的可控直流源提供。励磁铁芯8在弧形铁芯上成等弧度分布，可以消除现有可控电抗器励磁线圈与工作线圈3之间的互感，避免了由此而产生的磁体过电压问题。根据结构和功能的不同，超导可控电抗器磁体的磁轭可以分为工作段和调节段两部分。工作段（工作线圈3所在处）横截面面积较大，始终工作于磁特性曲线的线性段，相对磁导率较为恒定；而调节段（励磁线圈所在处）横截面积较小，且为多层结构，在励磁线圈调节下铁芯材料可以在不同饱和状况下自由转换，而且相对磁导率主要受励磁线圈控制，受工作线圈3的影响较小。这种设计基本解决了现有饱和铁芯式可控电抗器工作线圈3电感值不稳定的问题。

在实际工作中，工作线圈3与电网串联连接，工作线圈3与励磁线圈4的互感值等于与励磁线圈7的互感值，工作线圈3与励磁线圈5的互感值等于与励磁线圈6的互感值，工作线圈3与励磁线圈组的总互感值为零。

励磁线圈组及励磁铁芯组均放置于非导磁低温杜瓦中，采用66～70K低温液氮提供制冷，励磁线圈及励磁铁芯与工作线圈3之间由杜瓦壁提供绝热隔离。通过调节励磁回路的电流值，可以改变工作磁路的磁阻，改变工作磁路的电感值，从而实现对电网感性无功功率的调节。它的结构紧凑，励磁的精度高、稳定性好，控制回路无过压问题，它可广泛地用于对电网的连续可调的感性无功补偿。

本例中只列出了只含有四个超导线圈的超导励磁线圈组和只含有四个超导励磁铁芯的励磁铁芯组，在实际的产品设计中，可以根据超导可控电抗器的具体应用的电力系统的容量、电压等级等来具体设计超导励磁线圈组的励磁线圈个数和相应的励磁铁芯的个数，但为了实现本电抗器的所需要的效果，励磁线圈和励磁铁芯的个数均应为偶数，且两者的个数必须相同。在各种情况下励磁铁芯均应布置于励磁线圈内部起导磁作用。励磁铁芯在弧形铁芯上要等弧度分布。另外，同只含有四个超导线圈的例子一样，所有的相邻的两个超导励磁线圈均是按同名端和异名端轮流依次连接。

本发明工作电路与励磁电路之间零磁场耦合，无感应过压问题，工作线圈电感值稳定，励磁线圈损耗低，可以优质而有效的对电网进行大容量连续可调感性无功补偿。

实例：

以35kV/5Mvar方案为实施例对本发明加以介绍，设计要求电抗器无功变化范围为50%-100%。电抗器的电抗值和电感变化范围计算方法如下：

无功功率由式（1）计算。

$Q=\frac{{(U_L/\sqrt{3})}^2}{X}---\left(1\right)$

在最大输出无功容量，即Q＝5Mvar时，电抗值X_100%为

$X_{100\%}=\frac{{(U_L/\sqrt{3})}^2}{Q}=\frac{{(35/\sqrt{3})}^2}{5}\mathrm{\Ω}=81.6\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

电感值L_100%为

$L_{100\%}=\frac{X}{2\mathrm{\πf}}=\frac{81.6}{2\×3.14\×50}H=0.26H---\left(3\right)$

在输出50%无功容量，即Q＝2.5Mvar时，电抗值X_50%为

$X_{50\%}=\frac{{(U_L/\sqrt{3})}^2}{Q}=\frac{{(35/\sqrt{3})}^2}{2.5}\mathrm{\Ω}=163.2\mathrm{\Ω}---\left(4\right)$

电感值L_50%为

$L_{50\%}=\frac{X}{2\mathrm{\πf}}=\frac{163.2}{2\×3.14\×50}H=0.52H---\left(5\right)$

工作绕组电流

$I=\frac{Q}{U/\sqrt{3}}=\frac{5000000}{35000/\sqrt{3}}=247A---\left(6\right)$

由此可见，当电抗器的无功功率在50%-100%之间变化时，其电感值的变化范围是0.52H-0.26H，电抗值的变化范围为163.2Ω-81.6Ω。设计方案结构同样如图1所示，其中工作线圈的总匝数为250匝，每个励磁线圈的匝数为500匝。由于工作线圈的磁场密度较低，因此条形铁芯始终工作于磁特性曲线的线性段，相对磁导率较为恒定。而励磁线圈由于采用了超导材料，可以产生很高的磁场密度，可以使弧形铁芯工作于线性段到饱和区得各种情况下，而且由于弧形铁芯的磁场主要由励磁线圈提供，因此其在各种情况下的相对磁导率都基本保持恒定，这样一来在不同工况下，可控电抗器都将拥有稳定的电感值。图3为超导可控电抗器的工作特性曲线，横坐标为励磁线圈的励磁电流值，纵坐标为工作线圈的电感值，其中曲线显示了工作线圈电流密度为0.1～1A/mm²范围内变化时，工作线圈电感值的变化趋势。图3证明了超导可控电抗器的可行性及可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超导可控电抗器，其特征在于，它包括第一分段磁轭、第二分段磁轭、工作线圈、超导励磁线圈组和低温杜瓦；

第一分段磁轭为铁芯，第二分段磁轭包括二个弧形铁芯和一个励磁铁芯组，二个弧形铁芯结构相同，且并行布置，励磁铁芯组由夹含在第二分段磁轭的两个弧形铁芯中的多个励磁铁芯构成，励磁铁芯在弧形铁芯上成等弧度分布，第一分段磁轭和第二分段磁轭无缝连接在一起，共同构成电抗器的磁体部分；

在每个励磁铁芯上都绕有一个超导励磁线圈，各超导励磁线圈电感值相等，且串联构成超导励磁线圈组，所有相邻的两个超导励磁线圈均是按同名端和异名端轮流依次连接；超导励磁线圈和励磁铁芯的个数相同，均为偶数，所述超导励磁线圈用于控制磁轭调节段的磁饱和程度，以调节工作线圈磁路的磁阻，实现对工作线圈电感值的调节；

各超导励磁线圈及各励磁铁芯均放置于非导磁低温杜瓦中。

2.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，超导励磁线圈和励磁铁芯的个数均为4个。

3.根据权利要求1或2所述的超导可控电抗器，其特征在于，第一分段磁轭为矩形、弧形或圆形铁芯。