CN103077804B - 多级正交磁饱和式可控电抗器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级正交磁饱和式可控电抗器，其主体结构由上铁轭、下铁轭、导磁芯柱、旁轭、工作绕组组成，工作绕组套装在导磁芯柱上，其特征在于：所述导磁芯柱由多个正交磁控铁芯饼和不可控铁芯饼交错排列叠压组成；所述正交磁控铁芯饼由磁控铁芯和绕制在铁芯上的控制绕组构成，励磁电流流过控制绕组，在正交磁控铁芯饼内产生控制磁通，其方向和电抗器的交流主磁通的方向呈90度正交；所述不可控铁芯饼始终处于不饱和状态，正交磁控铁芯饼的磁饱和程度由励磁电流的大小控制。本发明的多级正交磁饱和式可控电抗器不仅可以实现无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
Description
技术领域
本发明涉及一种电抗器，是一种用于输电、供电和配电系统中的多级正交磁饱和式可控电抗器。
背景技术
可控电抗器作为电力系统中不可替代的重要设备，在补偿容性无功、限制过电压、改善电能质量、降低线路有功损耗等方面发挥着巨大的作用。可控电抗器种类繁多，其中，基于直流磁饱和控制原理的磁控电抗器在可控电抗器中占有相当重要的位置，它们具有可靠性高、控制容量小、电抗值连续可调等优势，但也存在着响应速度慢、谐波含量大的问题。
中国实用新型专利95223137.9“磁阀式可控电抗器”由外部铁心柱、分裂铁心柱、绕组、二极管、可控硅及触发控制装置组成，每相有四个绕组，套在双铁心柱上，每个铁心柱的两线圈分别与同相的另一铁心柱的线圈交叉连接，每柱铁心有一小截面段，起到磁阀的作用，通过抽头自耦接线提供内部电源，并经两个反向连接的可控硅在双铁心柱内产生直流磁通，控制可控硅的触发角可以改变铁心的磁饱和度，从而平滑调节电抗器的容量。其不足之处在于结构复杂，成本高，控制系统复杂，谐波特性差，响应速度慢。
中国发明专利200810011902.X“一种自身取能的快速响应可控电抗器”是一种用于高压电力系统的直流磁控电抗器，其主体部分线圈具有网侧绕组、控制绕组和第三绕组，第三绕组两端并联快速开关，该快速开关的开/闭状态由可控电抗器中控制单元的指令信号控制。该发明采用附加第三绕组的结构形式，通过用快速开关短接第三绕组的方式来满足可控电抗器在故障状态下的快速响应要求，属于该容量下的应急控制，在电抗器其他容量的调节过程中，响应速度仍然很慢，谐波大的问题依然存在。
有鉴于此，本发明提供用于输电、供电和配电系统中的多级正交磁饱和式可控电抗器，以满足工业应用需要。
发明内容
本发明的目的是：针对上述设计的不足，本发明要解决的问题是提供一种调节范围大、谐波特性好、能快速响应的多级正交磁饱和式可控电抗器。
本发明采用的技术方案是：一种多级正交磁饱和式可控电抗器，其主体结构由上铁轭、下铁轭、导磁芯柱、旁轭、工作绕组组成，工作绕组套装在导磁芯柱上，其特征在于：所述导磁芯柱由多个正交磁控铁芯饼和不可控铁芯饼交错排列叠压组成；所述正交磁控铁芯饼由磁控铁芯和绕制在铁芯上的控制绕组构成，励磁电流流过控制绕组，在正交磁控铁芯饼内产生控制磁通，其方向和电抗器的交流主磁通的方向呈90度正交；所述不可控铁芯饼始终处于不饱和状态，正交磁控铁芯饼的磁饱和程度由励磁电流的大小控制。
如上所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述正交磁控铁芯饼截面面积与不可控铁芯饼截面面积相等或不相等，正交磁控铁芯饼截面形状为圆环形、口字形、日字形或其他任意形状。
如上所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述正交磁控铁芯饼的组成除了包括磁控铁芯、绕在磁控铁芯上的控制绕组外，还包括相应的保护垫块，所述保护垫块由抗压非磁性材料制成，其厚度以保护控制绕组不受挤压并尽可能薄，大小形状不限。
如上所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述正交磁控铁芯饼具有三种工作状态：1.深度磁饱和状态，其特性接近于气隙，不会产生谐波；2.无励磁状态，对主磁通无任何影响，也不会产生谐波；3.“半饱和”连续调节状态，工作在这种状态下，电抗器会有谐波产生，但只要控制处于“半饱和”连续调节状态的可控铁芯饼的数量，就能够有效抑制谐波。
如上所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述可控电抗器采用如下控制方法：在具有多个正交磁控铁芯饼的导磁芯柱里只选择一个正交磁控铁芯饼，使其工作在“半饱和”连续调节状态，而其余的正交磁控铁芯饼则根据电抗器容量调节的需要，迅速调至深度磁饱和状态或无励磁状态，即能实现可控电抗器的无级平滑调节。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）谐波含量小。电抗器绝大部分容量调节通过导磁芯柱上正交磁控铁芯饼的深度饱和控制和无励磁控制来实现，这两种状态在理论上都不产生谐波，从而克服了直流磁控电抗器谐波大的固有缺点。
2）响应速度快，励磁容量小。采用正交磁化的方法，避免控制绕组与工作绕组之间的磁耦合作用，减小两者之间的能量交换，实现正交磁控段铁芯的快速饱和，从而达到很高的响应速度，它所需要的控制容量也较小。
3）与普通磁控电抗器相比，每相可以节省一柱铁芯，而且交流工作主磁路中（非磁控部分）无直流控制磁通，截面积可以减小，节省了材料成本，体积和重量也减小了，其材料用量与铁芯固定电抗器相当。
4）高可靠性，非常适合于高压大容量应用。电抗器控制回路与交流主回路无电气连接，无磁耦合，避免了交流工作绕组的高电压和大电流对控制回路的影响，减少了励磁容量，提高了电抗器的可靠性。
5）电抗值连续可调。采用多个正交磁饱和控制段，根据电抗器容量调节的要求，使其中一段正交磁控铁芯饼工作在“半饱和”连续调节状态，而其它正交磁控铁芯饼则工作在无励磁状态或深度磁饱和状态，使电抗器容量在设计的可调范围内连续调节。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的多级正交磁饱和式可控电抗器的结构示意图。
图2为图1中正交磁控铁芯饼的工作原理及磁场方向示意图。
图3为图1中导磁芯柱的结构及磁场方向示意图。
图4为本发明实施例二提供的多级正交磁饱和式可控电抗器的结构示意图。
图5为本发明实施例三提供的多级正交磁饱和式可控电抗器的结构示意图。
图6为本发明实施例四提供的多级正交磁饱和式可控电抗器的结构示意图。
图7为本发明实施例五提供的多级正交磁饱和式可控电抗器的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
附图中的符号说明：1-上铁轭；2-导磁芯柱；3-工作绕组；4-不可控铁芯饼；5-正交磁控铁芯饼；6-电抗器工作磁通方向；7-旁轭；8-下铁轭；51-磁控铁芯；52-控制绕组；53-控制磁通方向。
本发明所述多级正交磁饱和式可控电抗器实施例之一的结构示意图见图1，它是一种单相三柱式多级正交磁饱和可控电抗器。可控电抗器的主体结构由上铁轭1、下铁轭8、导磁芯柱2、两个旁轭7和工作绕组3组成，工作绕组3套装在导磁芯柱2上，导磁芯柱2由若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列叠压组成。
导磁芯柱2的结构示意图见图3，若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列，组成导磁芯柱，其中，电抗器工作磁通方向6和正交磁控铁芯饼5的控制磁通方向53呈90度正交关系，正交控制的优势在于：既能够达到改变电抗器工作磁路磁阻的大小，从而调节电抗器的容量的目的，又能够使控制绕组和工作绕组之间没有磁耦合效应，它们之间的互感很小，正交磁控铁芯饼5可以从无励磁状态迅速调节到深度磁饱和状态，实现电抗器容量的快速调节。不可控铁芯饼4始终处于不饱和状态，正交磁控铁芯饼5的磁饱和程度由励磁电流的大小控制。所述正交磁控铁芯饼5的数量有多个，也可以根据实际需求只有一个。
所述正交磁控铁芯饼5的原理图见图2，正交磁控铁芯饼5由磁控铁芯51和绕制在铁芯上的控制绕组52构成，励磁电流流过控制绕组52，在正交磁控铁芯饼5内产生控制磁通，其方向和电抗器的交流主磁通的方向呈90度正交。所述正交磁控铁芯饼5有三种工作状态：1.深度磁饱和状态，其特性接近于气隙，不会产生谐波；2.无励磁状态，对主磁通无任何影响，也不会产生谐波；3.“半饱和”连续调节状态。根据电抗器容量调节的要求，让其中一个正交磁控铁芯饼5工作在“半饱和”连续调节状态，其他正交磁控铁芯饼5则调至深度饱和状态或无励磁状态，不仅可以实现无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
所述正交磁控铁芯饼截面面积与不可控铁芯饼截面面积相等或不相等，正交磁控铁芯饼截面形状为圆环形、口字形、日字形或其他任意形状。
所述正交磁控铁芯饼的组成除了包括磁控铁芯、绕在磁控铁芯上的控制绕组外，还包括相应的保护垫块（图未示），所述保护垫块由抗压非磁性材料制成，其厚度以保护控制绕组不受挤压并尽可能薄，大小形状不限。
多级正交磁饱和式可控电抗器的工作原理是：通过调节控制绕组励磁电流大小，改变控制磁通，在正交控制磁通的磁化作用下，电抗器交流主磁路的磁导将发生改变，从而达到主电抗值可调的目的。当正交磁控铁芯饼的控制磁密达到深度饱和状态时，其特性接近于气隙，相当于在主磁路中增加了相同长度的“气隙”，控制正交磁控段铁心的饱和数量，使“气隙”长度发生改变，相应的电抗值就会发生变化。采用正交磁化的方法，可以避免控制绕组与工作绕组之间的磁耦合作用，减小两者之间的能量交换，加快动作速度，实现正交磁控段铁芯的快速饱和，即电抗器的容量（电感值）快速变化，并且驱动容量小。
多级正交磁饱和式可控电抗器在连续平滑调节时，充分利用正交磁控铁芯饼处于深度磁饱和状态或无励磁状态时不会产生谐波的特点，在具有多个正交磁控铁芯饼的导磁芯柱里只选择一个磁控铁芯饼，使其工作在“半饱和”连续调节状态，而其余的正交磁控铁芯饼则根据电抗器容量调节的需要，迅速调至深度磁饱和状态或无励磁状态，不仅可以实现可控电抗器的无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
本发明所述多级正交磁饱和式可控电抗器实施例之二的结构示意图见图4，它是一种单相四柱式多级正交磁饱和可控电抗器。其主体结构由上铁轭1、下铁轭8、两个导磁芯柱2、两个旁轭7和两个工作绕组3组成，两个工作绕组3分别套装在两个导磁芯柱2上，工作绕组3串联（或并联）后通过套管引出，作为电抗器的出线端。两个导磁芯柱2均由若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列叠压组成，其结构示意图见图3。不可控铁芯饼4中只有交流工作主磁通，且始终处于不饱和状态，而正交磁控铁芯饼5中既有交流工作主磁通，又有正交直流控制磁通，且呈90度正交，正交磁控铁芯饼5的磁饱和程度由控制绕组中的励磁电流大小来决定。根据电抗器容量调节的要求，按照所述调节方式控制各级正交磁控铁芯饼5的励磁电流，可以实现电抗器容量的无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
本发明所述多级正交磁饱和式可控电抗器实施例之三的结构示意图见图5，它是一种单相双柱式多级正交磁饱和可控电抗器。其主体结构由上铁轭1、下铁轭8、两个导磁芯柱2和两个工作绕组3组成，两个工作绕组3分别套装在两个导磁芯柱2上，工作绕组3串联（或并联）后通过套管引出，作为电抗器的出线端。2个导磁芯柱2均由若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列叠压组成，其结构示意图见图3。不可控铁芯饼4中只有交流工作主磁通，且始终处于不饱和状态，而正交磁控铁芯饼5中既有交流工作主磁通，又有正交直流控制磁通，且呈90度正交，正交磁控铁芯饼5的磁饱和程度由控制绕组中的励磁电流大小来决定。根据电抗器容量调节的要求，按照所述调节方式控制各级正交磁控铁芯饼5的励磁电流，可以实现电抗器容量的无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
本发明所述多级正交磁饱和可控电抗器实施例之四的结构示意图见图6，它是一种三相三柱式多级正交磁饱和可控电抗器。其主体结构由上铁轭1、下铁轭8、三个导磁芯柱2和三相工作绕组3组成，三相工作绕组3分别套装在三个导磁芯柱2上，三相工作绕组3的端子通过套管引出。三个导磁芯柱2均由若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列叠压组成，其结构示意图见图3。不可控铁芯饼4中只有交流工作主磁通，且始终处于不饱和状态，而正交磁控铁芯饼5中既有交流工作主磁通，又有正交直流控制磁通，且呈90度正交，正交磁控铁芯饼5的磁饱和程度由控制绕组中的励磁电流大小来决定。根据电抗器容量调节的要求，按照所述调节方式控制各级正交磁控铁芯饼5的励磁电流，可以实现电抗器容量的无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
本发明所述多级正交磁饱和式可控电抗器实施例之五的结构示意图见图7，它是一种三相五柱式多级正交磁饱和可控电抗器。其主体结构由上铁轭1、下铁轭8、三个导磁芯柱2、两个旁轭7和三相工作绕组3组成，三相工作绕组3分别套装在三个导磁芯柱2上，工作绕组3的端子通过套管引出。三个导磁芯柱2均由若干个正交磁控铁芯饼5和不可控铁芯饼4交错排列叠压组成，其结构示意图见图3。不可控铁芯饼4中只有交流工作主磁通，且始终处于不饱和状态，而正交磁控铁芯饼5中既有交流工作主磁通，又有正交直流控制磁通，且呈90度正交，正交磁控铁芯饼5的磁饱和程度由控制绕组中的励磁电流大小来决定。根据电抗器容量调节的要求，按照所述调节方式控制各级正交磁控铁芯饼5的励磁电流，可以实现电抗器容量的无级平滑调节，而且响应速度快，谐波含量小。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种多级正交磁饱和式可控电抗器，其主体结构由上铁轭、下铁轭、导磁芯柱、旁轭、工作绕组组成，工作绕组套装在导磁芯柱上，其特征在于：所述导磁芯柱由多个正交磁控铁芯饼和不可控铁芯饼交错排列叠压组成；所述正交磁控铁芯饼由磁控铁芯和绕制在铁芯上的控制绕组构成，励磁电流流过控制绕组，在正交磁控铁芯饼内产生控制磁通，其方向和电抗器的交流主磁通的方向呈90度正交；所述不可控铁芯饼始终处于不饱和状态，正交磁控铁芯饼的磁饱和程度由励磁电流的大小控制；所述正交磁控铁芯饼具有三种工作状态：1.深度磁饱和状态，其特性接近于气隙，不会产生谐波；2.无励磁状态，对主磁通无任何影响，也不会产生谐波；3.“半饱和”连续调节状态，工作在这种状态下，电抗器会有谐波产生，但只要控制处于“半饱和”连续调节状态的可控铁芯饼的数量，就能够有效抑制谐波；所述可控电抗器采用如下控制方法：在具有多个正交磁控铁芯饼的导磁芯柱里只选择一个正交磁控铁芯饼，使其工作在“半饱和”连续调节状态，而其余的正交磁控铁芯饼则根据电抗器容量调节的需要，迅速调至深度磁饱和状态或无励磁状态，即能实现可控电抗器的无级平滑调节。
2.根据权利要求1所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述正交磁控铁芯饼截面面积与不可控铁芯饼截面面积相等或不相等，正交磁控铁芯饼截面形状为圆环形、口字形、日字形或其他任意形状。
3.根据权利要求1所述的多级正交磁饱和式可控电抗器，其特征在于，所述正交磁控铁芯饼的组成除了包括磁控铁芯、绕在磁控铁芯上的控制绕组外，还包括相应的保护垫块，所述保护垫块由抗压非磁性材料制成，其厚度以保护控制绕组不受挤压并尽可能薄，大小形状不限。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151202 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 Termination date: 20210131 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |