CN106783106B - 一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器，包括第一磁轭、第二磁轭，工作线圈，超导励磁线圈组和低温杜瓦；第一磁轭为两段“U”型铁芯，由取向硅钢片叠压而成；第二磁轭包括“口”型铁芯，由无取向硅钢片叠压而成。每一“U”型铁芯上下两线圈交叉串联后并联，四个工作线圈共同构成工作线圈组。在“口”型第二磁轭上下各有一个超导励磁线圈，各超导励磁线圈电感值相等，反向串联构成超导励磁绕组，超导励磁线圈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，改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。

Description

一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器

技术领域

本发明属于电抗器技术，具体涉及一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器。

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，可以改善输电系统的稳定性，抑制系统过电压，提高输电能力。可控电抗器是目前在电网中应用最广泛的无功补偿装置之一。可控电抗器是一种特殊的高压或特高压电抗器。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，控制电网中的无功容量，可降低传输线路的损耗，同时提高传输的有功容量。

传统意义上的可控电抗器有调匝式可控电抗器、调气隙尺寸式可控电抗器、可控硅控制电抗器和饱和电抗器。而应用最为广泛的可控电抗器有两类：可控硅控制电抗器中的晶闸管控制电抗器、饱和电抗器中的磁阀式电抗器。晶闸管控制电抗器由于功率电子的快速发展而得到广泛应用，晶闸管控制电抗器响应速度快，技术较成熟，但是造价高、维护困难、谐波污染较严重，大规模的应用仍受到诸多限制；磁阀式可控电抗器由外部铁心柱、分裂铁心柱、绕组、可控硅及触发装置组成，磁阀处可设计的接近极限饱和，因此电抗器在其线性调节范围内谐波很小，但磁阀磁阻有限，可调范围受到抑制。此外，接线相对复杂，极限饱和下过负载能力较差。

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，可降低装置的成本和空间，提高系统的稳定性。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。

不失超型超导可控电抗器目前应用的不多，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。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器，目的在于大容量连续调节电抗器的输出电抗，以补偿电网的无功功率，实现无功控制调节。

本发明提供了一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器，包括：第一磁轭、第二磁轭、工作线圈组、超导励磁线圈组和低温杜瓦装置；所述第一磁轭与所述第二磁轭相互垂直且在所述第一磁轭与所述第二磁轭之间设置有固定长度的气隙，所述工作线圈组绕制于所述第一磁轭上，所述超导励磁线圈组绕于所述第二磁轭上，且所述超导励磁线圈组密封于所述低温杜瓦装置内；工作线圈组与电力系统相连，超导励磁线圈组由励磁电路控制电流大小，第一磁轭、第二磁轭与气隙共同构成工作线圈组磁路，第二磁轭为励磁绕组磁路，同时作为工作线圈组磁路的一部分，低温杜瓦装置内填充有低温液氮，保证超导材料的安全稳定性。

更进一步地，所述第一磁轭包括两个“U”型第一铁芯，两者结构相同且平行布置；所述第二磁轭包括一个“口”型第二铁芯，所述第一铁芯与所述第二铁芯成垂直分布，且在所述第一铁芯与所述第二铁芯之间设置有所述气隙。由于第一磁轭与第二磁轭相互垂直，且在两部分磁轭间增加气隙，因此第一磁轭不需闭合，采用“U”型铁芯。第二磁轭主要提供励磁磁路，采用闭合“口”型铁芯能够降低漏磁，提高励磁效率，因此采用“口”型结构。

更进一步地，第一铁芯由取向硅钢片叠压而成，第一磁轭为工作段铁芯，为减小电抗谐波，需保证磁轭磁导率相对稳定，取向硅钢片在相同磁密情况下磁导率相对较高，饱和程度低，此外，第一铁芯内磁通均为交流磁通，方向与硅钢片电压方向相同，采用取向硅钢片铁芯相对较低，因此工作段铁芯采用取向硅钢片能获得稳定磁导率及较低的铁损。

更进一步地，工作线圈组包括：四个工作线圈，在每个第一铁芯上均套设有上、下两个工作线圈，各工作线圈结构相同电感相等，每个第一铁芯上下两线圈交叉串联后并联。

更进一步地，第二铁芯由无取向硅钢片叠压而成；第二磁轭为励磁磁轭，通过控制第二磁轭的饱和程度而改变工作磁路的磁阻，相同磁密下，无取向硅钢片磁导率更低，磁阻更大；第二磁轭内磁通包含交流磁通和直流磁通，两者在结合处相互垂直，采用无取向硅钢片才能保证铁芯各处磁导率一致，因此第二铁芯采用取向硅钢片更有利。

更进一步地，超导励磁线圈组包括两个反向串联的超导励磁线圈，分别设置在所述第二磁轭的上面和下面，且两个超导励磁线圈的电感值相等。

本发明中，由于第一磁轭与第二磁轭相互分离，使得工作电路与控制电路耦合程度低；磁轭间的气隙磁导率恒定为1，磁阻稳定，使得工作线圈组电感值在励磁时稳定性得到保证；采用超导材料作为励磁绕组，通流密度高、损耗低，可提供更高且稳定的励磁，同时减小励磁绕组体积，使结构更为紧凑；励磁绕组结构简单，可实现快速平滑励磁调节，综合以上技术优势可知，本发明工作电路与控制电路耦合程度低，感应电压问题基本得到解决，工作线圈组电感值稳定，励磁绕组损耗低、结构紧凑，可以连续平滑快速的对电网进行大容量连续可调无功补偿。

附图说明

图1为正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器磁体部分3D模型图；

图2为正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器铁芯间气隙位置示意图；

图3为正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器超导绕组及低温杜瓦图；

图4为正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器工作线圈组接线示意图；

图5为正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器实例的工作特性曲线。

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。

本发明提供一种超导可控电抗器，包括第一磁轭、第二磁轭、工作线圈组、超导励磁线圈组和低温杜瓦装置；第一磁轭与第二磁轭相互垂直，之间设有固定长度气隙，工作线圈组绕制于第一磁轭，励磁绕组绕于第二磁轭，励磁绕组密封于低温杜瓦装置内(低温杜瓦装置是指温度为68K～70K的杜瓦装置)；工作线圈组与电力系统相连，励磁绕组由励磁电路控制电流大小，第一磁轭、第二磁轭与气隙共同构成工作线圈组磁路，第二磁轭为励磁绕组磁路，同时作为工作线圈组磁路的一部分，低温杜瓦装置内填充有低温液氮，保证超导材料的安全稳定性。

在本发明实施例中，第一磁轭可以为口型铁芯，采用U型铁芯是为了增加一段气隙。第一磁轭包括两个“U”型第一铁芯，两者结构相同且平行布置。而工作线圈组包含4个线圈，两两串联后并联最终接于电力系统，为保证两并联支路间不存在环流，使铁芯结构相同且工作线圈交叉连接，保证两个支路的电感值相等。

在本发明实施例中，第二磁轭包含一个“口”型第二铁芯，第一铁芯与第二铁芯成垂直分布，中间有一定气隙，共同构成电抗器的磁体铁芯部分。采用垂直结构后工作线圈组磁通流经励磁绕组分量被大大抑制，可有效降低励磁绕组的感应电压。

“U”型第一铁芯由取向硅钢片叠压而成，每个“U”型第一铁芯均套有上下两个工作线圈，各工作线圈结构相同电感相等，每一“U”型第一铁芯上下两线圈交叉串联后并联，四个工作线圈共同构成工作线圈组。

“口”型第二铁芯由无取向硅钢片叠压而成，在“口”型第二磁轭上下各有一个超导励磁线圈，各超导励磁线圈电感值相等，反向串联构成超导励磁绕组，超导励磁线圈放置于非导磁低温杜瓦装置中。

本发明利用超导励磁线圈来调节第二磁轭的磁饱和程度，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。工作段铁芯分成两段平行磁轭可有效降低铁芯用量，采用取向硅钢片利用其饱和磁导率高，非线性区域窄等特点，使第一磁轭始终工作于磁特性曲线的线性段，相对磁导率较为恒定；工作线圈的上下交叉串联后并联的接线方式可有效避免工作线圈组中的环流；第二磁轭采用无取向硅钢片，利用其非线性区域宽、饱和磁密低、磁阻大等特点，增大其线性调节范围；电抗器磁轭整体采用分段垂直结构，可有效降低控制绕组中的感应电压问题；利用超导线圈励磁，可提高励磁效率减小铁芯体积，同时降低励磁损耗；第一磁轭与第二磁轭之间存在气隙，一方面可进一步减弱两控制绕组间的磁耦合，另一方面可起到稳定电抗输出抑制谐波含量的作用。

传统正交磁化式可控电抗器利用励磁磁通与工作磁通相互垂直的特点进行磁阻调节，为垂直磁通控制式，由于垂直相交区域有限，限制了调节范围，且两者磁路耦合规律复杂，感应过压问题仍旧存在。本发明电抗器，除在铁芯相交处磁通垂直外，主要依靠控制段铁芯的定向直流磁通与其内的变化交流磁通叠加而改变磁路磁阻，为平行磁通控制式，调节范围由第二磁轭的高度决定，且第二磁轭采用无取向硅钢片使得磁阻调节可控，第一磁轭采用取向硅钢片使得磁导率在整个调节过程中基本稳定，谐波含量得到有效控制。

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，对本发明迚行迚一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明包括第一磁轭(1、2)、第二磁轭(3)、工作线圈组(4、5、6、7)、超导励磁线圈组(8、9)和低温杜瓦装置(10)；

如图1所示，第一磁轭由两段“U”型铁芯(取向硅钢片)构成，两者平行布置；第二磁轭由一“口”型铁芯(无取向硅钢片)构成，第一磁轭与第二磁轭成垂直布置，两者间存在气隙11(如图2所示)，共同构成电抗器磁体的铁芯部分。

根据结构和功能的不同，超导可控电抗器铁芯的磁轭可分为第一磁轭和第二磁轭，第一磁轭截面积相对较大，采用取向硅钢片的铁磁材非线性区域窄、饱和磁密高，在整个调节过程中始终处于工作曲线的线性段，相对磁导率较为恒定；而第二磁轭横截面较小，采用的无取向硅钢片非线性区域相对较宽、饱和磁密低磁阻大，比取向硅钢片更容易获得更大更稳定的磁阻，且本身主要有励磁绕组控制其磁导率变化，电感值稳定性较现有磁控式电抗器有明显改善。

如图1所示，工作线圈组由4个常导线圈(第一线圈4、第二线圈5、第三线圈6、第四线圈7)组成，其结构相同电感相等，连接方式为上下交叉串联后并联，如图4所示，即第一线圈4与第四线圈7串联，第三线圈6与第二线圈5串联，将两串联线圈组并联，最终构成工作线圈组。工作线圈组与电网直接相连，其电感值可以根据电网对无功功率的需求值进行调节，工作线圈组电感值的调节是通过调节磁轭的饱和度来实现。其中，工作线圈组由4个常导线圈绕成，为了便于跨接在第一磁轭的两段铁芯上，将第一磁轭分成两段，可降低铁芯用量，4个常导绕组两两交叉串联再并联后可避免常导绕组中的环流现象，降低运行损耗，采用分段铁芯、4个常导绕组的方式可降低铁芯用量及运行损耗。

励磁线圈组由两个超导线圈(第一超导线圈8、第二超导线圈9)组成，两者结构相同电感相等，反向串联，使得励磁磁通同向叠加。采用两个励磁线圈可降低饱和状态时的漏磁，保证励磁的均匀性，由于励磁绕组需要稳定的直流激励，且对电流较高，采用超导可提高励磁的同时降低损耗、减小绕组体积；而工作线圈组为电流为交流，若采用超导则用线量高、损耗大，经济性差，因此采用常导线圈。两超导线圈分别放置于非导磁低温杜瓦装置10中，如图3所示，采用68～70K低温液氮进行制冷。通过调节励磁回路的电流值，可以改变第二磁轭的磁阻，使得工作磁路磁阻相应改变，实现改变工作线圈组电感值调节无功输出。它的结构紧凑，励磁效率高、损耗低、稳定性好，控制回路无过压问题，可广泛的应用于对电网的连续可调无功补偿。

本例中只列出了含有四个工作线圈的工作线圈组和两个超导线圈的励磁绕组，第二磁轭采用的是各处横截面相等的“口”型铁芯，在实际的产品设计中，可以根据超导可控电抗器具体应用的电力系统的无功需求、电压等级来设计工作线圈组和励磁绕组的线圈个数，为进一步增大饱和磁阻可将第二磁轭设计为变截面式“口”铁芯，截面积相对较小的区域更容易进入饱和，设计渐变式变截面可使得磁阻变化可控性更高。

为了便于说明本发明实施例提供的正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器，现以如下实例详述如下：

以单相380V/38kvar方案为实例对本发明加以介绍，设计要求电抗器无功变化范围为30％～100％，其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，

在最大输出无功容量，即Q＝38kvar时，电抗器X_100％为：

电感值L_100％为：

在最小输出武功容量，即Q＝11.4kvar时，电抗器X_30％为：

电感值L_30％为：

由此可见，当电抗器的无功功率在30％～100％之间变化时，其电感值变化范围是12.1mH～40.3mH，电抗值的变化范围为3.8Ω～12.67Ω，设计方案结构同样如图1所示，其中单个工作线圈组匝数为95匝，每个励磁绕组匝数为160匝。由于气隙的存在以及工作线圈组磁密较低，工作段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“口”型铁芯工作于线性段到饱和区的各种情况，而且由于“口”型铁芯的磁场主要由励磁线圈提供，因此在各种情况下磁导率相对恒定，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5为新型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，纵坐标为工作线圈的电感值，图5证明了正交耦合型混合铁芯式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 (5)

1.一种正交耦合型混合铁芯式超导可控电抗器，其特征在于，包括：第一磁轭、第二磁轭、工作线圈组、超导励磁线圈组和低温杜瓦装置；

所述第一磁轭与所述第二磁轭相互垂直且在所述第一磁轭与所述第二磁轭之间设置有固定长度的气隙，所述工作线圈组绕制于所述第一磁轭上，所述超导励磁线圈组绕于所述第二磁轭上，且所述超导励磁线圈组密封于所述低温杜瓦装置内；

所述第一磁轭包括两个“U”型第一铁芯，两者结构相同且平行布置；

所述第二磁轭包括一个“口”型第二铁芯，所述第一铁芯与所述第二铁芯呈垂直分布，且在所述第一铁芯与所述第二铁芯之间设置有所述气隙。

2.如权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述第一铁芯由取向硅钢片叠压而成。

3.如权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述工作线圈组包括：四个工作线圈，在每个第一铁芯上均套设有上、下两个工作线圈，各工作线圈结构相同电感相等，每个第一铁芯上下两线圈交叉串联后并联。

4.如权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述第二铁芯由无取向硅钢片叠压而成。

5.如权利要求1-4任一项所述的超导可控电抗器，其特征在于，所述超导励磁线圈组包括两个反向串联的超导励磁线圈，分别设置在所述第二磁轭的上面和下面，且两个超导励磁线圈的电感值相等。