CN102682956A - 垂直双激励可控电抗器 - Google Patents

Abstract

垂直双激励可控电抗器，包括绝缘套筒、铁芯圆筒、交流线圈绕组和直流偏置绕组，直流偏置绕组缠绕在铁芯圆筒的内外，连接直流偏置电流，铁芯圆筒套在交流线圈绕组内，交流线圈绕组作为工作绕组串接在交流工作回路中，其中，交流线圈绕组和直流偏置绕组互相垂直并分别通以交流和直流电流，通过交直流磁场的相互作用改变电抗器铁芯的张量磁导率，改变电抗器的电抗值。本发明提供的垂直双激励可控电抗器具有自身谐波小，安全系数高，电抗器体积小的优点，可用于高压直流输电，也可在电力系统中作调谐滤波电感、无功补偿电感或消弧线圈高次谐波滤波器。

Description

垂直双激励可控电抗器

技术领域

本发明涉及一种电力设备及新材料应用领域，尤其涉及一种可控电抗器。

背景技术

可控电抗器作为电力系统中不可或缺的设备，其应用非常广泛，技术升级潜力巨大。下面简要列举其典型的应用和功能。

(1)在超高压电网中作调相调压设备

可控电抗器由于可做成任何电压等级，直接并入超高压电网，因此具有显著的技术优势和经济性。在超高压电网的枢纽站和大型终端站，为了补偿地区所需无功以调整电压和维持系统稳定，以及对于今后在更多地区兴建坑口电站和大型水电站(如三峡水电站)，为改善系统的稳定性能和减少输电损耗，使受端所需无功进行自我补偿，都需要很大的调相容量。可控电抗器将为我国今后解决这一矛盾提供一个理想的途径。

(2)在远距离输电系统中，在轻载时由于法拉第效应会在线路末端产生电压升高现象。假如送端系统较弱，则送端电压也会有所升高。由于超高压系统的绝缘水平只有少量裕度，所以此种稳态工频过电压就成了安全运行的严重威胁。以往是靠装设固定联接的并联电抗器来吸收过剩无功，以抑制工频过电压。但是固接的大容量并联电抗器带来了以下不利影响：(a)增大了等效波阻抗，减少了自然功率值和线路传输能力；(b)在重载输电时，仍需给电抗器提供大量无功，这就要求受端系统增大容性补偿无功和相应投资；(c)因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。可控电抗器能直接接在超高压线路侧(开关在内)，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。除了可限制上述工频过电压外，可控电抗器还能大幅度地限制因线路开关操作而产生的操作过电压，从而可望取代现有的限压装置(如合闸并联电阻)。除抑制系统过电压外，由于可控电抗器有快速的动态响应能力，可以在系统受到某种大的干扰时，自动保持甚至提高端点电压，这样就提高了系统的稳定性，增大了输电能力。此外，在远距离输电系统中，由于可控电抗器能快速补偿无功、稳定电压，因此它是抑制系统功率振荡的有效设备。

(3)在直流输电系统中，可控电抗器配合电容器组可解决高压直流输电需要解决的以下重要问题(a)补偿无功：整流站及送变站各需提供直流输送功率的50％至60％的补偿无功；(b)调整电压；(c)抑制过电压，降低绝缘要求。

(4)在有冲击负荷的电力用户和变电站中，可控电抗器可用来抑制电压闪变、补偿用户无功、提高功率因素以及平衡负载。

(5)在谐振接地配电网中，应用可控电抗器原理制作的可调消弧线圈具有可靠性高、响应速度快、谐波小的优点，

(6)单相可控电抗器接入三相整流电路的零序回路中，根据负荷变化而自动调节，可使系统功率因素接近1.0，而高次谐波分量大大减少。

目前，根据可控饱和原理工作的可控电抗器，最有代表性的是两种：磁阀式可控电抗器和裂芯式可控电抗器。这两种可控电抗器都通过改变铁芯控制绕组中的直流电流大小来改变铁芯的磁饱和度，从而改变电抗器的电抗值。磁阀式可控电抗器的绕组中同时通过交流工作电流和直流控制电流，利用电力电子装置来改变直流控制电流的大小，从而改变电抗器在磁化曲线上的工作点，即铁芯的饱和度(即工作点)，达到平滑调节电抗值的目的。裂芯式可控电抗器的调节原理与磁阀式大体相同，只是它的直流控制绕组是单独的，并且需单独提供激励电源，但直流控制绕组与工作绕组仍共用一个铁芯。这两种可调电抗器的直流主磁通与交流主磁通相互平行，且都以铁芯为磁路，所以它们都属于接触式可控电抗器。这类接触式可控电抗器都工作在磁化曲线接近饱和的区域，其非线性特性使可控电抗器在工作时会产生不容忽视的谐波。应用在高电压线路中时，接触式可控电抗器的控制绕组会产生很高的感应电势，这就对绕组的绝缘水平提出了更高的要求，从而使成本上升，相应地也增大了电抗器的体积。B-H段非线性部分导致的谐波及对绝缘水平的要求较高是现有接触式可控电抗器存在的明显不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种垂直双激励可控电抗器，将直流偏置绕组与交流线圈绕组在空间上彻底分开，通过改变直流偏置绕组的磁通密度来改变工作绕组的磁通，从而改变电抗值。

垂直双激励可控电抗器，包括绝缘套筒、铁芯圆筒、交流线圈绕组和直流偏置绕组，直流偏置绕组缠绕在铁芯圆筒的内外，连接直流偏置电流，铁芯圆筒用作电抗器交直流磁通的主要作用区，套在交流线圈绕组内，交流线圈绕组作为工作绕组串接在交流工作回路中；交流线圈绕组和直流偏置绕组互相垂直并分别通以交流和直流电流，通过交直流磁场的相互作用改变电抗器铁芯的张量磁导率，改变电抗器的电抗值。

本发明采用的直流偏置绕组可以为非晶纳米晶环状螺线管，非晶纳米晶环状螺线管的轴线与交流线圈绕组的中心轴线重合，非晶纳米晶环状螺线管由单独的直流激磁电源供电，通过调节直流电流，使铁芯工作点在B-H面中不同斜率的线性段，并通过改变直流电源的大小改变铁芯张量磁导率，改变整个电抗器的电抗值。由于采用非晶纳米晶环状螺线管与交流线圈绕组垂直放置，其产生的直流控制磁通与交流工作主磁通正交，故即使应用在高电压线路中也不会在控制绕组中产生很高的感应电势，从而大大降低了控制部分对绝缘性能的要求，相应地，绝缘投入成本降低，电抗器的体积也能得到控制。由于直流磁通与交流磁通正交，在磁路上无匝链，所以直流磁通不影响交流工作电流，这样就大大降低了在工作绕组上产生的谐波。磁路上，由于环状螺线管的控制磁通沿铁芯圆筒闭合，所以直流激磁并不需要很大的功率。

本发明提供的可控电抗器还可以包括包围铁芯圆筒的铁轭，通过铁轭形成铁芯圆筒外围的交流磁通路。铁轭可以为三层结构，中间层的铁轭内高为铁芯圆筒的高度，内外两侧铁轭覆盖了铁芯圆筒的两侧面积，高度比中间层高度高出2倍于直流偏置线圈的线径，这样安排的效果，既保留了铁芯圆筒上的交流磁通能无缝地通过中间铁轭层形成回路，又可以通过另外两个铁轭将铁芯筒上的交流磁通的泄流减小的最小，可以明显改善电抗器磁泄露，提高电抗器效率。

本发明的可控电抗器具有自身谐波小、对控制绕组的绝缘要求低的优点。而且从制作工艺上看，与传统可控饱和可控电抗器相比，本可控电抗器制造工艺简单，便于制造。因此，无论是从电抗器的工作性能还是从生产成本来看，这种新型可控电抗器都具有十分广泛的应用前景。

附图说明

图1为垂直双激励可控电抗器结构示意图；

图2为铁轭的三层结构剖面图；

图3为传统可控饱和电抗器工作区在B-H非线性段示意图；

图4为垂直双激励电抗器工作于B-H面上的各线性段示意图；

图5为垂直双激励电抗器的控制特性图；

图6为垂直双激励电抗器的谐波特性图；

图7为垂直双激励电抗器铁芯圆筒的磁场分布图。

图1中：铁轭1、绝缘套筒2、铁芯圆筒3、非晶纳米晶环状螺线管4、交流线圈绕组5、外层6、中间层7、内层8。

具体实施方式

如图1所示，垂直双激励可控电抗器，包括铁轭1、绝缘套筒2、铁芯圆筒3、非晶纳米晶环状螺线管4和交流线圈绕组5，非晶纳米晶环状螺线管内套有铁芯圆筒，铁芯圆筒用作电抗器交直流磁通的主要作用区，交流线圈绕组作为工作绕组串接在交流工作回路中，非晶纳米晶环状螺线管缠绕在铁芯圆筒的内外，作为偏置绕组连接直流偏置电流，包围铁芯圆筒的铁轭可以为三层结构，如图2所示，包括外层6、中间层7和内层8，中间层的铁轭内高为铁芯圆筒的高度，内外两侧铁轭覆盖了铁芯圆筒的两侧面积，高度比中间层高度高出2倍于直流偏置线圈的线径，由铁轭形成铁芯圆筒外围的交流磁通路。其中，交流线圈绕组和非晶纳米晶环状螺线管互相垂直并分别通以交流和直流电流，通过交直流磁场的相互作用改变电抗器铁芯圆筒的张量磁导率，改变电抗器的电抗值。由于交流线圈绕组与非晶纳米晶环状螺线管的磁通相互正交，因此，交直流磁通互不影响，直流控制绕组上不会感应出交流电压。此外，直流磁路为闭合的铁芯圆筒结构，产生较强的直流控制磁场所需的直流功率较小。

传统的磁阀式和裂芯式可控电抗器的工作点都选在接近饱和段附近的非线性区域，如图3所示，电抗器在这一区域工作保证了可以通过较小的直流偏置获得较大的电感变化量。但这一非线性区域也使电抗器的输出电流不可避免地产生谐波，当产生的谐波超过了国家谐波标准时，将对电力系统造成危害，严重时甚至使电抗器无法投运。

本发明利用非晶纳米晶的各向异性特点，通过在铁芯圆筒的铁芯环向上施加直流磁场，使铁芯圆筒的轴向磁导率脱离非线性区，进入B-H面的各线性区，如图4所示。

整个磁化过程的机理是：在非晶纳米晶材料中，自发磁化矢量总是处于最低能量状态，即磁畴处于平衡稳定状态。当逐渐增加磁场时，磁化矢量与磁场方向最靠近的那些磁畴通过畴壁移动吞并相邻磁畴而长大，磁场继续增大时，依靠畴壁移动已长大的磁畴和尚未被吞掉的磁畴发生转动，使磁化矢量与磁场方向相平行。在交变磁场的情况下，磁导率将不再是实数而是复数，此时，由于还有恒定磁场的同时作用，所以磁导率成为一张量，即环向直流激磁不仅能产生环向上的磁化强度或磁感应强度，同时还能产生轴上的磁化强度或磁感应强度。

非晶纳米晶环状螺线管内的铁芯圆筒的张量磁导率按分量可表述为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{B\β}}_1={\mathrm{\μ}}_{11}{H}_1+{\mathrm{\μ}}_{12}{H}_2+{\mathrm{\μ}}_{13}{H}_3\\ B_2={\mathrm{\μ}}_{21}{H}_1+{\mathrm{\μ}}_{22}{H}_2+{\mathrm{\μ}}_{23}{H}_3\\ B_3={\mathrm{\μ}}_{31}{H}_1+{\mathrm{\μ}}_{32}{H}_2+{\mathrm{\μ}}_{33}{H}_3\end{array}\right.$

由于径向上无激磁，忽略该方向上的磁场强度和磁感应强度，则张量磁化率又可表示为：

$\mathrm{\μ}=1+x=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\μ}& -i{\mathrm{\μ}}_a& 0\\ i{\mathrm{\μ}}_a& \mathrm{\μ}& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right)$

通过控制环向磁化电流，使铁芯圆筒进入如图4所示的不同磁导率的线性区间。

本发明用的非晶纳米晶环状螺线管使用了50匝和100匝两组，激磁电流从0A到3A可调。图5为垂直双激励电抗器的控制特性图，图中棱形表示初始电流为2.147A开始测试，方形表示初始电流为1.373A时开始测试，三角形表示初始电流为774.7mA时开始测试。可以看出，电抗器的变化量为12％，且有较好的线性度。图6为垂直双激励电抗器的谐波特性图，在直流电流0～3A范围内变化时，电抗器工作电流的THD维持在3％之内，自身谐波非常小。

图7为垂直双激励电抗器铁芯圆筒的磁场分布图，在工作绕组施加一正弦电压，改变控制绕组的直流控制电流，同时测量对应的工作绕组的电流，通过对工作电流进行频谱分析，可以看出，非晶纳米晶环状螺线管控制绕组的电抗器工作谐波总畸变率与直流控制电流的大小几乎无关，即直流控制电流并不影响电抗器的线性特性，THD始终维持在3％之内。实际上，正是因为直流控制绕组与交流绕组正交，直流磁通不与交流磁通匝链，从而使得直流控制电流不影响交流工作绕组的线性特性。

计算机仿真以及实验室装置的物理实验结果均证明上述方法可以达到预期目的。

Claims (5)

1.垂直双激励可控电抗器，包括绝缘套筒(2)、铁芯圆筒(3)、交流线圈绕组(5)和直流偏置绕组(4)，其特征在于，所述的直流偏置绕组缠绕在铁芯圆筒的内外，连接直流偏置电流，铁芯圆筒用作电抗器交直流磁通的主要作用区，套在交流线圈绕组内，交流线圈绕组作为工作绕组串接在交流工作回路中；交流线圈绕组和直流偏置绕组互相垂直并分别通以交流和直流电流，通过交直流磁场的相互作用改变电抗器铁芯的张量磁导率，改变电抗器的电抗值。

2.根据权利要求1所述的垂直双激励可控电抗器，其特征在于，所述的直流偏置绕组为非晶纳米晶环状螺线管，由单独的直流激磁电源供电。

3.根据权利要求2所述的垂直双激励可控电抗器，其特征在于，所述的非晶纳米晶环状螺线管的轴线与交流线圈绕组的中心轴线重合，直流激磁电源为可调直流电源。

4.根据权利要求1或2所述的垂直双激励可控电抗器，其特征在于，所述的可控电抗器还包括套在铁芯圆筒外的铁轭(1)，所述的铁轭为铁芯圆筒上的交流主磁通提供低磁阻回路。

5.根据权利要求4所述的垂直双激励可控电抗器，其特征在于，所述的铁轭采用三层结构，中间层(7)的铁轭内高为铁芯圆筒的高度，内、外(6、8)两层铁轭覆盖铁芯圆筒的两侧面积，高度比中间层高度高出2倍直流偏置线圈的线径。

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