CN102903494A - 新型正交磁化直流助磁可调电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的正交磁化可调电抗器，其包括电抗器铁心，绕制在所述电抗器铁心柱上的电抗器交流工作绕组以及直流控制单元；所述电抗器铁心柱包括至少一个铁心段，在所述电抗器的每相铁心柱中的至少一个铁心段的位置置换为一直流控制单元。本发明解决了现有直流助磁式可调电抗器结构复杂，绕组和芯柱数量多，制造困难的问题。本发明所述电抗器具有结构简单、便于制造，工作中仅直流控制单元铁心处于饱和状态，其余铁心中磁密低，损耗小，谐波含量减小。直流控制单元仅占电抗器铁心中一个铁心段位置，其铁心和绕组体积小，控制单元与电抗器交流绕组之间不需要绝缘处理，大大降低了成本，适于低压、高压、超高压电网中应用。

Description

新型正交磁化直流助磁可调电抗器

技术领域

本发明涉及一种电抗器，特别是涉及一种直流助磁可调电抗器。 

背景技术

电抗器是一种被广泛应用的电感器件，传统结构有空芯和铁心两种。图1是铁心电抗器的结构原理图，其中1-铁轭；21-芯柱铁心段；3-交流工作绕组；4-气隙垫块。该传统电抗器在额定电流下的电感是固定的，如需调节电感只有两个途径，一是改变匝数，调节是有级的，二是改变气隙大小，要连续调节气隙，需要有精密的机械传动装置，响应慢，噪声大。 

为提高电力系统运行性能和可靠性，对电感连续可调的电抗器需求日益增加，为此我国已经把新型可调电抗器的研究列入“九五”科技攻关项目。在现有各种类型可调电抗器中，占多数的是直流助磁可调电抗器，它是通过外加直流助磁来改变铁心的磁饱和程度，即改变铁心的磁阻(或磁导)来改变电感。 

按照电抗器铁心中直流(控制)磁场和交流(工作)磁场在空间方向上的关系，现有直流助磁可调电抗器分为纵向磁化和横向磁化二种类型的可调电抗器。 

纵向磁化可调电抗器中，直流(控制)和交流(工作)绕组轴线在空间方向上是重合的，二者产生的磁通的方向也都沿芯柱的纵向轴线。以单相四柱为例，其结构原理图示于图2A、图2B和图2C。图2A、图2B都是直流它助磁可调电抗器。其中：20-主铁心；3-交流工作绕组；53-直流控制绕组，6-旁轭。它助磁可调电抗器有单独的直流控制绕组53，它和交流工作绕组3间没有电气连接，只有磁的耦合，而二者的区别就在于前者(图2A)由外接直流电源U＝提供直流控制电流；而后者(图2B)由直流控制绕组53自身通过二个晶闸管T在一个工频周期内轮流导通形成直流控制电流，D是续流二极管。图2C是直流自助磁可调电抗器，它将直流和交流工作绕组合二为一，由交流工作绕组3自身通过晶闸管T轮流导通产生可控的直流电流。可调电抗器由两个等截面的主铁心20和为使电抗器的电流正负半波对称的二个旁轭6组成，交流控制磁通Φ～通过轭部形成回路，直流控制磁通Φ＝通过二个主铁心20闭合，为使主铁心20易饱和，主铁心柱20的截面小于旁轭6截 面。也可在主铁心20芯柱中增加一段或二段小截面段A1、A2，如图2D所示。小截面A1段犹如磁路的阀门，在调节范围内，大面积铁心段的工作状态始终处于磁路未饱和线性区，而小面积段处于逐渐饱和的曲线区，当小截面段完全饱和时，磁阻很大，犹如磁阀门关闭；反之当小截面段处于未饱和线性区，磁阻十分小，磁力线几乎完全从中通过，犹如磁阀门打开，故这种有小截面的可调电抗器又称为磁阀式可控电抗器。此外，当我们将四柱可调电抗器中二个旁轭合在一起时就成为三柱结构的可调电抗器，取消旁轭，就成为二柱可调电抗器。从图2A-2C图中可以看出直流(控制)和交流(工作)绕组产生的磁通Φ＝、Φ～的方向都是沿芯柱的纵向，故称为纵向磁化可调电抗器。 

横向磁化的可调电抗器尚处在研究阶段，其中一种试验样品如图2E所示，直流(控制)绕组和交流(工作)绕组轴线在空间方向上是垂直的，二者产生的磁通相互垂直，交流控制磁通Φ～沿铁心纵向，则直流控制磁通Φ＝沿铁心横向流通。改变直流(控制)电流，即可改变铁心的饱和程度，调节电感。 

以上各种可调电抗器均与传统的铁心电抗器相去甚远，结构复杂，芯柱和绕组数量多，尤其是三相可调电抗器芯柱数量多达六柱。在纵向磁化的电抗器中，交流高压和直流低压绕组套在同一芯柱上，为保证绝缘可靠增加了尺寸和重量。而自助磁电抗器中，虽然将交流和直流绕组有机地结合在一起，无需外加励磁，结构简化，损耗降低，但用于高压电网对晶闸管，续流二极管均处在高压电路中控制、隔离和元件保护等变得复杂，成本增加。在以上直流助磁电抗器中，为调节电感，铁心饱和程度逐渐增加，损耗和谐波含量也随之增加。横向磁化的电抗器结构复杂难以制造。 

发明内容

本发明的目的在于解决现有的直流助磁式可调电抗器结构复杂，绕组和芯柱数量多，制造困难的问题，以及减少现有的直流助磁式可控电抗器谐波大的问题。 

本发明的另一个目的是解决现有的直流助磁式可调电抗器中直流绕组与交流绕组之间需要额外的绝缘处理的问题。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其包括电抗器铁心，绕制在所述电抗器铁心柱上的电抗器交流工作绕组，以及直流控制单元；其特征在于：所述电抗器 铁心柱包括至少一个铁心段，在所述电抗器的每相铁心柱中的至少一个铁心段的位置置换为一直流控制单元；所述直流控制单元产生与该直流控制单元所在电抗器铁心柱中的交流磁通方向同向和垂直的正交直流磁通。 

其中，所述的直流控制单元包括直流控制铁心和直流控制绕组。 

其中，所述直流控制铁心包括直流控制铁轭和直流控制铁心柱，所述直流控制绕组绕制在直流控制铁心柱上；所述直流控制铁心柱与电抗器铁心柱垂直或平行设置。 

作为优选，所述直流控制单元的横向宽度不超过所述电抗器铁心柱的宽度。如此设计，可以使直流绕组与交流绕组之间的绝缘不需要特殊处理。 

作为优选，所述直流控制单元，可根据控制特性要求设置至少一个气隙垫块。 

为了直流控制单元安装以及接线方便，所述直流控制绕组最好设在所述电抗器铁心柱的上或/和下端。 

作为优选，在所述电抗器铁心段与电抗器铁轭之间、或所述电抗器铁心段之间、或所述电抗器铁心段与直流控制单元之间设有气隙垫块。 

应说明的是，本发明所述的正交磁化是指：直流控制单元既产生与交流工作绕组的纵向磁通方向相同的纵向磁化，也产生与交流工作绕组的纵向磁通方向垂直的横向磁化，即产生正交直流磁通。 

本发明由于采用上述结构，将电抗器铁心柱中的至少一个铁心段的位置置换为一个直流控制单元，直流控制单元既能对交流工作绕组产生纵向磁化，即直流控制绕组的磁通与所述电抗器交流工作绕组的磁通方向均沿主铁心柱的纵向；也可以产生横向磁化，即直流磁通垂直于交流磁通；即形成本发明所述的正交磁化。因而，可以通过改变直流控制绕组中的电流大小来改变电抗器铁心中的磁饱和程度，进而达到控制电抗的目的。最重要的是，本发明所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器与现有的直流助磁可调电抗器相比具有如下优点： 

1.本发明所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器是在传统的电抗器的结构基础上，仅仅将电抗器的一个或几个铁心段置换为直流控制单元，也就是本发明将直流控制单元设计为一个铁心段的外形，减少了现有的横向磁化直流可调电抗器的结构复杂、绕线复杂的问题。 

2.本发明所述的电抗器，将直流控制单元直接设在电抗器交流绕组的铁心柱 内，其结构与传统铁心电抗器无异，控制单元的铁心和绕组体积小，整体结构简单，易于加工，其直流绕组匝长减小，可节约导线材料。 

3.本发明所述的直流控制单元的磁路短，控制电流小，控制功率低。 

4.本发明所述的电抗器，对于三相可调电抗器的制造也十分容易，与传统的三相电抗器的结构相同，与现有直流自助磁可调电抗器相比不需要采用三个单电抗器或采用三相六柱等结构。 

5.本发明所述的电抗器，由于工作中仅直流控制单元铁心处于饱和状态，其余铁心中磁密数低，从而减小损耗，降低可调电抗器的谐波成份。 

6.本发明所述的电抗器的三相工作绕组接成三角形时，三次谐波不可能进入电网，高次谐波在全部范围内不超过3％。 

7.本发明所述的直流控制单元置于接地铁心段内，用于高压系统也不存在绝缘的问题。 

通过在直流控制单元的铁心柱中放置一定大小的气隙垫块，可以调整外加控制电流的大小，适应使用现场的条件，气隙大时，所需的控制电流大，气隙小时，所需的控制电流很小即可达到电抗器的调整范围；因此可以根据客户的调整电流大小的需要，调整气隙的大小和多少。 

本发明将直流控制单元设在电抗器的接地的铁心柱里面，铁心柱接地，直流绕组电压很低，且控制直流控制单元横向(幅向)尺寸上不超出电抗器的铁心柱的尺寸，不仅减小了直流绕组的尺寸，即使用于高压系统直流绕组与交流绕组间的绝缘不需要特殊处理，大大节省了成本。 

附图说明

图1是现有传统铁心电抗器的结构示意图。 

图2A是现有具有单独直流电源的它助磁单相可调电抗器。 

图2B是现有自身供电的它助磁单相可调电抗器。 

图2C是现有直流自助磁单相可调电抗器。 

图2D是现有直流自助磁单相可调电抗器的磁阀结构原理图。 

图2E是现有横向磁化的可调电抗器的原理图。 

图3是本发明所述新型正交磁化直流助磁可调电抗器的实施例一的结构示意图。 

图4是本发明所述新型正交磁化直流助磁可调电抗器实施例二的结构示意图。 

图5A～图5H是本发明所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器的直流控制单元的结构示意图。 

图6是本发明所述新型正交磁化直流助磁可调电抗器实施例三的结构示意图。 

图7是本发明所述新型正交磁化直流助磁可调电抗器实施例四的结构示意图。 

具体实施方式

实施例一，参见图3，图中展示了本发明的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，该电抗器为单相电抗器；其包括由电抗器铁轭1和电抗器铁心柱2构成的电抗器铁心，以及绕制在所述电抗器铁心柱2上的电抗器交流工作绕组3，本实施例中电抗器铁心柱2是由3个铁心段构成，在各电抗器铁心段与铁轭1之间设有气隙垫块4；本发明的特点是：将所述电抗器的每相铁心柱2中的两个铁心段分别由一个直流控制单元5代替，本实施例中，采用两个直流控制单元5替代两个电抗器铁心柱2上的最上和最下面的两个铁心段，这样便于直流控制单5元的安装。直流控制单元5能产生与该直流控制单元5所在电抗器铁心柱2中的交流工作绕组3的磁通方向Φ～同向和垂直的正交直流磁通，即正交磁化。 

参见图5A，其中，直流控制单元5包括由直流控制铁心柱52和铁轭51构成的直流控制铁心和直流控制绕组53，直流控制铁心是壳式铁心。在铁心柱52和铁轭51间形成两个环绕的直流控制磁通Φ＝，其方向为：在直流控制铁心的铁心柱52上的直流控制磁通Φ＝为横向，与电抗器交流工作绕组3的产生的纵向磁场方向垂直；在直流控制铁心的铁轭51段上的直流控制磁通Φ＝为纵向，与电抗器交流工作绕组3的产生的纵向磁场方向相同；即本发明所述的直流控制单元5既产生纵向磁化，也产生横向磁化，即本发明所述的正交磁化。本发明如此设置直流控制单元5，使电抗器的铁心饱和仅出现在该段内，能减少电抗器铁心损耗和电抗器谐波成分。而且，最好直流控制单元5的横向宽度不超过所述电抗器铁心柱2的宽度，这样可以不需要对直流控制单元5与交流绕组3之间另作绝缘处理，从而降低电抗器的生产成本。 

实施例二，参见图4，图中展示了本发明另一种不同结构的可调电抗器。其为三相电抗器，与单相电抗器(实施例一)的区别仅是增加了一个铁心柱2，交流工作绕组3、直流控制单元5的设置完全相同。 

实施例三，参见图6，电抗器的结构显然不限于上述两个实施例中的结构，与 实施例二不同之处是：其中图6所示电抗器的铁轭为“一”字形铁轭，铁心柱2包括四个铁心段，其中上面的第2个铁心段置换为直流控制单元5。参见图5C，其中直流控制单元的5的铁心为二柱式结构，直流控制绕组53分别绕在二个直流控制铁心柱52上，为满足控制特性的要求，可在直流控制单元5中放置气隙，在直流控制铁心柱52和直流控制铁轭51之间设有气隙垫块54，在铁心柱52和铁轭51间形成环绕的直流控制磁通Φ＝。该直流控制单元5在铁心柱52上的直流控制磁通Φ＝与电抗器交流工作绕组3的产生的纵向磁场方向相同，在铁轭51上的直流控制磁通Φ＝与电抗器交流工作绕组3的产生的纵向磁场方向垂直。 

实施例四，图7展示的电抗器的上、下铁轭为山字型；每相铁心柱2中有两个铁心段，上面的铁心段被一直流控制单元5置换，参见图5B，该直流控制单元5的铁心为壳式铁心，中间的直流控制铁心柱52上设有直流控制绕组53，在铁轭51和直流控制铁心柱52之间设有气隙垫块54，在铁心柱52和铁轭51上形成两个矩形的直流控制磁通Φ＝，既产生与电抗器交流工作绕组3的磁通Φ～相同纵向磁化；也产生与工作绕组3的磁通Φ～垂直的横向磁化。 

参见图5D～图5H，图中展示了与上述实施例不同的直流控制单元5的结构形式，其包括直流控制铁轭51、直流控制铁心柱52和直流控制绕组53，铁心51是三柱式(图5E～图5G)，也可以是二柱式(图5D、5H)或其它结构。为满足用户对控制特性的要求，也可在控制单元铁心51中放置一定大小的气隙垫块54，如图5E-5H所示。 

参见图3、4，图中展示了可调电抗器的原理，电抗器铁心柱中两个交流工作绕组3产生沿芯柱纵向的交流控制磁通Φ～中，直流控制单元5在铁心柱2中产生直流控制磁通Φ＝，其方向既有与交流控制磁通Φ～相同的纵向磁通，又有垂直交流控制磁通Φ～的横向磁通，当增加直流电流时，直流控制单元5的铁心逐渐饱和，磁阻增加，对于交流工作绕组3而言相当于电抗器铁心柱2气隙增加，所以电抗器电感值减小；相反，当减小直流控制单元5的电流时，电抗器电感值增大。 

应说明的是，本发明所述的电抗器，根据电抗器的电抗值调整的范围不同，直流控制单元5数量也可不同。当电抗值调整范围较小时，可在电抗器每相铁心柱2中放置一个直流控制单元5，当电抗值调整范围较大时，可在电抗器每相铁心柱2中放置二个或多个控制单元5。而且，直流控制单元5所在的位置也可上下调整， 放在电抗器铁心柱2的上下任何位置均可，可以根据需要选择不同的适宜位置设置直流控制单元5。 

上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，在本发明构思之下，还存在很多的等效替换方式，本发明旨在提供一种新型正磁化直流助磁可调电抗器，其特点是直流控制绕组置换电抗器铁心柱中的铁心段位置，其有效解决了现有直流控制电抗器中直流控制绕组和交流工作绕组相互影响的问题，能有效降低电抗器的谐波成分。本领域技术人员在此基础上的变化，例如，改变交流工作绕组的铁心和直流控制单元的直流控制铁心的横截面，例如矩形、圆形、椭圆形、长圆形，改变电抗器铁心的气隙数量等，均应在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其包括电抗器铁心，绕制在所述电抗器铁心柱上的电抗器交流工作绕组，以及直流控制单元；其特征在于：所述电抗器铁心柱包括至少一个铁心段，在所述电抗器的每相铁心柱中的至少一个铁心段的位置置换为一直流控制单元；所述直流控制单元产生与该直流控制单元所在电抗器铁心柱中的交流磁通方向同向和垂直的正交直流磁通。

2.根据权利要求1所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：所述的直流控制单元包括直流控制铁心和直流控制绕组。

3.根据权利要求2所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：所述直流控制铁心包括直流控制铁轭和直流控制铁心柱，所述直流控制绕组绕制在直流控制铁心柱上；所述直流控制铁心柱与电抗器铁心柱垂直或平行设置。

4.根据权利要求1-3其中任一项所述的正交磁化型可调电抗器，其特征在于：所述直流控制单元的横向宽度不超过所述电抗器铁心柱的宽度。

5.根据权利要求1-3其中任一项所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：所述直流控制单元中至少设有一个气隙垫块。

6.根据权利要求4所述的正交磁化型可调电抗器，其特征在于：所述直流控制单元中至少设有一个气隙垫块。

7.根据权利要求1-3其中任一项所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：所述直流控制绕组设在所述电抗器铁心柱的上或/和下端。

8.根据权利要求1-3其中任一项所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：在所述电抗器铁心段与电抗器铁轭之间、或所述电抗器铁心段之间、或所述电抗器铁心段与直流控制单元之间设有气隙垫块。

9.根据权利要求4所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：在所述电抗器铁心段与电抗器铁轭之间、或所述电抗器铁心段之间、或所述电抗器铁心段与直流控制单元之间设有气隙垫块。

10.根据权利要求5所述的新型正交磁化直流助磁可调电抗器，其特征在于：在所述电抗器铁心段与电抗器铁轭之间、或所述电抗器铁心段之间、或所述电抗器铁心段与直流控制单元之间设有气隙垫块。

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