CN103413662A

CN103413662A - 一种变压器式可控电抗器磁集成装置

Info

Publication number: CN103413662A
Application number: CN2013103914344A
Authority: CN
Inventors: 田铭兴; 尹健宁
Original assignee: Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Lanzhou Jiaotong University
Priority date: 2013-09-01
Filing date: 2013-09-01
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-09-01
Also published as: CN103413662B

Abstract

本发明涉及一种用于无功补偿的可控技术领域，特别是涉及一种变压器式可控电抗器磁集成装置。包括上铁轭和下铁轭，其特点是还包括所述的上铁轭和下铁轭之间设置有工作绕组和控制绕组单元，工作绕组绕制在工作绕组铁心柱上，控制绕组单元为多个，每个控制绕组单元包括并联的第一铁心柱和第二铁心柱，第一铁心柱上绕有控制绕组，并联的第一铁心柱和第二铁心柱通过控制绕组铁心柱连接铁轭相连，不同的铁心柱由不同磁导率的导磁材料构成。其结构简单，各控制绕组间满足“弱耦合”，提高了控制绕组容量利用率。变压器式可控电抗器能够实现无功的快速平滑调节，而且谐波含量小。

Description

一种变压器式可控电抗器磁集成装置

技术领域

本发明涉及一种用于无功补偿的可控技术领域，特别是涉及一种变压器式可控电抗器磁集成装置。

背景技术

目前，特高压电网将进入全面发展、大规模建设的新阶段。而电网中的无功功率变化和电压波动等问题日益突出，解决好超高压和特高压输电线路上无功动态平衡、消除发电机自励磁、限制工频过电压、抑制潜供电流等问题，在提高系统稳定性，增强输电能力等方面具有极为重要的作用。随着电网冲击性负荷的不断增加和电力电子装置的大量使用，这就对电网动态无功补偿装置的性能要求越来越高。现有技术中，变压器式可控电抗器的铁心柱由一种磁导率的导磁材料构成，这种结构如果要将控制绕组的短路电流维持在额定值附近，必须在控制绕组回路中串联限流电抗，这样不仅增加了磁件总数目，使设备结构复杂，并联到电网上时，设备总容量是电网所需补偿容量的2倍；而且各控制绕组间存在较强的磁耦合，随着后续控制绕组的投入，已经投入运行的控制绕组的电流会减小，从而导致控制绕组的容量利用率降低，这些问题还没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于避免变压器式可控电抗器现有技术需串联限流电抗、控制绕组容量利用率低的缺陷而提供一种变压器式可控电抗器磁集成装置，从而有效解决了现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，包括上铁轭和下铁轭，其特点是还包括所述的上铁轭和下铁轭之间设置有工作绕组和控制绕组单元，工作绕组绕制在工作绕组铁心柱上，控制绕组单元为多个，每个控制绕组单元包括并联的第一铁心柱和第二铁心柱，第一铁心柱上绕有控制绕组，并联的第一铁心柱和第二铁心柱通过控制绕组铁心柱连接铁轭相连，所述的工作绕组铁心柱、第一铁心柱和第二铁心柱由不同磁导率的导磁材料构成，不同的控制绕组单元其第二铁心柱所用导磁材料的磁导率也不同，不同的控制绕组单元中绕有控制绕组的第一铁心柱所用材料的磁导率相同，工作绕组铁心柱的磁导率大于第一铁心柱和第二铁心柱的磁导率，在增大了工作绕组与控制绕组间的短路阻抗的同时减小了各控制绕组间的磁耦合。

所述的控制绕组单元中的第一铁心柱和第二铁心柱构成并联磁路，通过分磁作用从而可以实现工作绕组与控制绕组间的“高阻抗”。

所述的工作绕组通过端口a₁和a₂并接在电网上；控制绕组设置有c_k1和c_k2端口，反并联的晶闸管就接于这两个端口之间。

所述的工作绕组铁心柱、第一铁心柱和第二铁心柱在采用不同导磁材料时其结合处采用45°斜接缝，外部设置有环氧绑带或钢带，控制绕组铁心柱连接铁轭采用拉带和夹紧螺杆夹紧。

本发明的有益效果是：所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，其不需在控制绕组回路单独串联限流电抗就能达到工作绕组与控制绕组间“高阻抗”的目的，从而将控制绕组的短路电流维持在额定值附近；而且结构简单，各控制绕组间满足“弱耦合”，提高了控制绕组容量利用率，能够实现无功的快速平滑调节，谐波含量小。

附图说明

图1是本发明结构原理示意图;

图2是本发明图1的等效电路原理示意图。

图中：1.上铁轭；2.下铁轭；3.工作绕组铁心柱；4.控制绕组铁心柱连接铁轭；5.控制绕组单元；6.第一铁心柱；7、工作绕组；8、控制绕组，9、第二铁心柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，包括上铁轭1和下铁轭2，其特点是还包括所述的上铁轭1和下铁轭2之间设置有工作绕组7和控制绕组单元5，工作绕组7绕制在工作绕组铁心柱3上，控制绕组单元5为多个，每个控制绕组单元5包括并联的第一铁心柱6和第二铁心柱9，第一铁心柱6上绕有控制绕组，并联的第一铁心柱6和第二铁心柱9通过控制绕组铁心柱连接铁轭4相连，所述的工作绕组铁心柱3、第一铁心柱6和第二铁心柱9由不同磁导率的导磁材料构成，不同的控制绕组单元其第二铁心柱所用导磁材料的磁导率也不同，不同的控制绕组单元中绕有控制绕组的第一铁心柱所用材料的磁导率相同，工作绕组铁心柱3的磁导率大于第一铁心柱6和第二铁心柱9的磁导率，在增大了工作绕组7与控制绕组8间的短路阻抗的同时减小了各控制绕组间的磁耦合。

进一步，所述的控制绕组单元5中的第一铁心柱6和第二铁心柱9构成并联磁路，通过分磁作用从而可以实现工作绕组7与控制绕组8间的“高阻抗”。

进一步，所述的工作绕组7通过端口a₁和a₂并接在电网上；控制绕组设置有c_k1和c_k2端口，反并联的晶闸管就接于这两个端口之间。

进一步，所述的工作绕组铁心柱3、第一铁心柱6和第二铁心柱9在采用不同导磁材料时其结合处采用45°斜接缝，外部设置有环氧绑带或钢带，控制绕组铁心柱连接铁轭4采用拉带和夹紧螺杆夹紧。

所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，由于工作绕组铁心柱3的与控制绕组单元5中的第一铁心柱6和第二铁心柱9的磁导率不同，不同的控制绕组单元其第二铁心柱所用导磁材料的磁导率也不同，而绕有控制绕组的第一铁心柱所用材料的磁导率相同，这样的结构无需再给各控制绕组回路串联限流电抗就能够将每个控制绕组的短路电流均维持在额定值附近，简化了整个电抗器设备的结构。而每个控制绕组对应的上下铁轭均由磁导率较大的铁磁材料构成，即为磁通提供了低磁阻磁路，这样控制绕组产生的磁通经过工作绕组所在铁心柱、控制绕组对应上下铁轭与自身所在铁心柱闭合，从而减弱了与其它控制绕组间的磁耦合，即满足了控制绕组间“弱耦合”的要求，使各控制绕组容量得到充分利用。

所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，图1中，N₀为工作绕组BW的匝数，N_k为第k个控制绕组CW_k的匝数；a₁和a₂为工作绕组的两个端口，并接在电网上；c_k1和c_k2为控制绕组CW_k的两个端口，反并联的晶闸管就接于这两个端口之间；S为功率级数，即控制绕组的个数。设绕制工作绕组的铁心柱以及铁轭的磁导率为μ，与控制绕组CW_k所在铁心柱并联的铁心柱磁导率为μ_k，绕有控制绕组的铁心柱磁导率为μ_c，且μ＞μ_c。这样各控制绕组产生的磁通经过工作绕组所在铁心柱、控制绕组对应上下铁轭与自身所在铁心柱闭合，就可以减小各控制绕组间的磁耦合；同时由于绕有控制绕组的铁心柱均并联有铁心柱，实现了控制绕组与限流电抗的集成，达到了“高阻抗”的目的。图1中，不同填充线型的导磁材料具有不同的磁导率，相同填充线型的导磁材料具有相同的磁导率。绕有工作绕组的铁心柱以及铁轭采用磁导率为10000的硅钢片材料；根据每级额定电流(工作绕组BW的电流)以及工作绕组与控制绕组间短路阻抗的要求值即各控制绕组的额定电流(控制绕组CW_k首次短路时的电流)来确定与各铁心柱的磁导率，进而确定其导磁材料，与控制绕组CW₁和CW₂所在铁心柱并联的铁心柱可采用相对磁导率在1000-3000的锰锌铁氧体；与控制绕组CW₃和CW₄所在铁心柱并联的铁心柱可采用相对磁导率在10-500的镍锌铁氧体；绕有控制绕组的铁心柱也采用相对磁导率在1000-3000的锰锌铁氧体。其铁心两种导磁材料结合处如图均采用45°斜接缝，无穿心螺杆，铁心柱用环氧绑带或钢带绑扎，铁轭用拉带和夹紧螺杆夹紧，这样使铁心在机械上成为一个整体。

其等效电路原理示意图如图2所示，L_σ0为工作绕组的漏感；L_σk为控制绕组CW_k的漏感；L₀为绕有工作绕组的铁心柱所对应的激磁电感；L_2k-1为与控制绕组CW_k所在铁心柱并联的铁心柱对应的激磁电感；L_2k为控制绕组CW_k所在铁心柱对应的激磁电感。N₀为工作绕组的匝数，N_k为第k个控制绕组的匝数。图中端口标号与图1相同的端口即为图1所对应的工作绕组和各控制绕组的端口。

具体应用实例，电网电压有效值

额定电流有效值I_e＝208A，级数S＝4，每级额定电流应为22.0A，46.5A，98.4A，208A，频率f＝50Hz，工作绕组的匝数N₀＝1600，其它结构参数如下表1所示：

表1结构参数

表1中，μ_ε为图1所示绕有工作绕组的铁心柱以及铁轭所用材料的相对磁导率，其铁心材料可以使用相对磁导率为10000的硅钢片，μ_kε(k＝1,2,3,4)为与控制绕组CW_k所在铁心柱并联的铁心柱所用材料的相对磁导率，根据铁磁材料的相对磁导率大小，与控制绕组CW₁和CW₂所在铁心柱并联的铁心柱材料可选用相对磁导率在1000-3000的锰锌铁氧体，而与控制绕组CW₃和CW₄所在铁心柱并联的铁心柱材料可选用相对磁导率范围为10-500的镍锌铁氧体；μ_cε为绕有控制绕组的铁心柱的相对磁导率，其材料可选用相对磁导率为1200的锰锌铁氧体。

由表1中的结构参数可求得各控制绕组短路阻抗标幺值为：

Z_{d 1}^{*} = 937.15 %, Z_{d 2}^{*} = 616.33 %, Z_{d 3}^{*} =296.78%, Z_{d 4}^{*} = 131.81 % .

从短路阻抗的标幺值可以看出图1所示磁集成结构无需给控制绕组回路单独串联限流电抗就能满足CRT“高阻抗”的设计原则。

在计算得到激磁电感和漏感后，可以计算得到各绕组短路电流有效值如下表2所示：

表2绕组短路电流有效值

从表2中数据可以看出，随着后续控制绕组的投入，已经投入运行的控制绕组电流减小程度并不大。例如，当只有CW₁投入运行时，CW₁电流为15.69A，当控制绕组CW₁～CW₄全部投入后，CW₁电流减小为10.12A，减小了35.5%。除此以外，其它情况下各控制绕组电流减小程度更小；而相关文献中，在控制绕组回路串联限流电抗情况下，控制绕组电流减小程度最大是66.2%。由此可得出图1所示磁集成结构虽然不能实现各控制绕组间的完全解耦，但是能够在很大程度上消弱各控制绕组间的磁耦合，基本达到了CRT“弱耦合”的设计要求。另外，空载电流为8.41A，约为电抗器额定电流的4.04%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变压器式可控电抗器磁集成装置，包括上铁轭和下铁轭，其特点是还包括所述的上铁轭和下铁轭之间设置有工作绕组和控制绕组单元，工作绕组绕制在工作绕组铁心柱上，控制绕组单元为多个，每个控制绕组单元包括并联的第一铁心柱和第二铁心柱，第一铁心柱上绕有控制绕组，并联的第一铁心柱和第二铁心柱通过控制绕组铁心柱连接铁轭相连，所述的工作绕组铁心柱、第一铁心柱和第二铁心柱由不同磁导率的导磁材料构成，不同的控制绕组单元其第二铁心柱所用导磁材料的磁导率不同，不同的控制绕组单元中绕有控制绕组的第一铁心柱所用材料的磁导率相同，工作绕组铁心柱的磁导率大于第一铁心柱和第二铁心柱的磁导率，在增大了工作绕组与控制绕组间的短路阻抗的同时减小了各控制绕组间的磁耦合。

2.如权利要求1所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，其特征在于：所述的控制绕组单元中的第一铁心柱和第二铁心柱构成并联磁路，通过分磁作用从而可以实现工作绕组与控制绕组间的“高阻抗”。

3.如权利要求1所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，其特征在于：所述的工作绕组通过端口a₁和a₂并接在电网上；控制绕组设置有c_k1和c_k2端口，反并联的晶闸管就接于这两个端口之间。

4.如权利要求1所述的一种变压器式可控电抗器磁集成装置，其特征在于：所述的工作绕组铁心柱、第一铁心柱和第二铁心柱在采用不同导磁材料时其结合处采用45°斜接缝，外部设置有环氧绑带或钢带，控制绕组铁心柱连接铁轭采用拉带和夹紧螺杆夹紧。