CN1790565A - 非接触式可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力器件技术领域，其特征在于，它是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，用匝数可调的空心螺线管、带可变直流激磁的空心螺线管、带直流激磁的半铁心直螺线管或带直流激磁的环型铁心螺线管作为控制绕组的非接触式可控电抗器，分别通过改变磁通量、控制半铁心的磁饱和程度以及控制环型铁心的磁畴在正交磁场下的转动方向来改变电抗值，可以改善传统可控电抗器的非线性特性，减少谐波量，降低绝缘要求，控制电抗器的体积。该可控电抗器应用于电力系统的无功补偿、高次谐波滤波器、限制工频过压、抑制电压闪变、维持无功潮流平衡等领域，在技术特性和制作工艺上都具有先进性。

Description

非接触式可控电抗器

技术领域

非接触式可控电抗器可以应用于电力系统的无功补偿、高次谐波滤波器、限制工频过压、抑制电压闪变、维持无功潮流平衡等。

背景技术

可控电抗器在电力系统中有十分广阔的应用前景和巨大潜力。下面是它可以应用的范围和功能。

(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，高压直流输电往往需要解决以下重要问题(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。可控电抗器配合电容器组可解决上述问题。

(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，根据磁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心控制绕组中的直流电流大小来改变铁心的磁饱和度，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心。这两种可调电抗器的直流主磁通与交流主磁通都以铁心为磁路，交直流磁通通过铁心匝链，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。非线性特性产生的谐波及对绝缘水平的要求较高是这类接触式可控电抗器存在的明显不足。

发明内容

本发明的目的在于提供非线性特性产生的谐波小、对控制绕组的绝缘要求低且体积小的非接触式可控电抗器。

本申请所采用的非接触式可控电抗器将直流控制绕组与工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变工作绕组的磁通，从而改变电抗值。本申请采用的控制绕组有三种形式：空心螺线管、半铁心直螺线管以及铁心环状螺线管。空心螺线管线圈通过改变螺线管线圈的匝数来改变磁通，从而改变可控电抗器的电抗值。空心直流控制螺线管线圈通过改变通过螺线管线圈中的直流来改变线圈中的磁通，从而改变整个可控电抗器的电抗值。铁心直螺线管线圈及铁心环状螺线管都是通过直流激励来改变电抗器的电抗值的，但工作机理不同。前者使铁心工作在接近饱和区，通过改变铁心的磁饱和程度来改变电抗器的电抗值，后者铁心并不工作在接近饱和区，而是依据磁畴理论使铁心磁畴同时受到轴向交流磁场和环向直流磁场两个方向的作用而改变磁导率，进而改变电抗器的电抗值。对于带铁心的环状螺线管，由于环状线圈与工作绕组垂直放置，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时，也不会在控制绕组中产生很高的感应电势，这样就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心闭合，所以直流激磁并不需要很大的功率。

本发明所述的非接触式可控电抗器之一，其特征在于，该可控电抗器是一种使控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

匝数可调的空心螺线管，该螺线管中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，该螺线管通过开关矩阵电路来确定闭合的匝数，工作时，通过调整空心螺线管的匝数来调节空心电抗器的磁通，从而调节整个电抗器的电抗值。

本发明所述的非接触式可控电抗器之二，其特征在于，该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

由单独的直流激磁电源供电的空心螺线管，该螺线管中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，该螺线管通过外接单独的可变直流电源来调节空心电抗器的磁通，从而调节整个电抗器的电抗值。

本发明所述的非接触式可控电抗器之三，该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

半铁心直螺线管，该直螺线管的中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，且该直螺线管由单独的直流激磁电源供电，所产生的直流磁通通过该空心电抗器外部的空气后与上述空心电抗器的交流磁通在电抗器中匝链，工作时，使半铁心工作在接近饱和区，改变其工作点，可以改变半铁心的饱和程度，从而改变整个电抗器的磁通。

本发明所述的非接触式可控电抗器之四，其特征在于：该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

带铁心的环型螺线管，该带铁心的环型螺线管的轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，且该环型螺线管由单独的直流激磁电源供电，并使铁心工作点尽可能接近线性区，所产生的直流磁通与上述空心电抗器所产生的交流磁通在铁心内部正交，通过张量磁导率引起铁心轴向磁导率变化，从而改变整个电抗器的电抗值。

本发明具有非线性特性产生的谐波小、对控制绕组的绝缘要求低的优点。而且从制作工艺上看，与磁阀式可控电抗器和裂芯式可控电抗器相比，非接触式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，非接触式可控电抗器都具有十分广泛的应用前景。

附图说明：

图1，非接触式可控电抗器工作原理图：L₁为可控电抗器与线路相连的空心线圈，L₂为可控电抗器的控制绕组，e＝E_sinωt为可控电抗器两端的工作电压，E_k为控制绕组的直流控制电压。

图2，控制绕组为空心螺线管的非接触式可控电抗器结构图。控制绕组由单独的直流激磁电源供电。

图3，控制绕组为空心螺线管的非接触式可控电抗器结构图。控制绕组通过开关矩阵来控制其闭合的匝数。

图4，控制绕组为带铁心的直螺线管的非接触式可控电抗器结构图。铁心直螺线管接直流电源作为激励电源，外电感与工作回路串联。

图5带铁心的环型螺线管：L₁为可控电抗器与线路相连的空心线圈，L₂为带铁心的环型螺线管，它作为可控电抗器的控制绕组与激磁直流电源相连。

图6磁阀式和裂芯式可控电抗器的非线性工作区：通过工作点的改变，使电抗器的铁心的磁导率发生变化，从而改变电抗值。

图7环型铁心线圈工作在不同的磁化曲线上：由于直流磁通与交流磁通在环型铁心内相互垂直，则改变直流激磁时，环型铁心中的纵向磁导率呈张量变化。

图8铁心环型螺线管非接触式可控电抗器控制特性：图例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9半铁心直螺线管非接触式可控电抗器控制特性：电抗值的变化量为17％，且有较好的线性度。

图10带铁心的环型螺线管非接触式可控电抗器谐波总畸变率：从不加控制的8.34％到加2A直流激磁后的8.95％，可见总畸变率很小。

图11半铁心直螺线管非接触式可控电抗器的谐波总畸变率：从不加控制的8.34％到加3A直流激磁后的8.81％，可见总畸变率很小。

图12磁阀式可控电抗器的谐波总畸变率：从不加控制的8.34％，到加控制电压3V后的17.58％，可见总畸变率增加较大，产生的谐波较大。

图13，非接触可控电抗器的磁场分布的计算机仿真。上图为，在环型铁心螺线管中，不加直流激励时，整个电抗器的磁场分布，下图为，在环型铁心螺线管中，加1A直流激励时，整个电抗器的磁场分布。可以看出，在环型铁心螺线管上加上直流激励后，磁场分布在纵向上有所分散，而且强度也有所减小。

具体实施方式

由于磁阀式可控电抗器和裂芯式可控电抗器都存在非线性特性明显、谐波相对较大以及对绝缘的要求较高的缺陷，本发明的目的就是，通过运用磁畴理论及对取向硅钢材料特性的分析，获得一种新型的非接触式可控电抗器的结构，采用三种不同形式的控制绕组，减小电抗器的谐波，降低绝缘要求，简化制作工艺。

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5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。

本发明的特征是：采用不同绕线方式的控制绕组用于非接触式可控电抗器中，获得不同控制绕组下的非接触式可控电抗器的工作特性。通过改变控制绕组的匝数，或改变控制绕组的直流控制电流来改变电抗器中的磁通，从而改变电抗器的输出电抗值。

本发明利用取向硅钢片的各向异性特点，通过在与铁心的易磁化轴方向(铁心轴向)垂直的方向(铁心环向)上施加直流磁场，使圆筒铁心的轴向磁导率脱离非线性区，进入线性区。

整个磁化过程的机理是，在退磁的铁磁材料中，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。在动态(即在交变磁场)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。

铁心的张量磁导率按分量可表述为：

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

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，使铁心进入不同斜率(磁导率)的线性区间。如图4。

依据外电感线圈的额定工作电压，可以测算出线圈中心位置处的磁场强度，由此确定环向铁心线圈的匝数和激磁电流。本发明用的实验环状铁心线圈使用了50匝和100匝两组，激磁电流从0A到7A可调。

非接触可控电抗器的原理如图1所示，其中电抗器的控制绕组有三种形式，一种是采用空心螺线管线圈，第二种是采用铁心直螺线管线圈，这两种结构都比简单。第三种是采用一个由取向硅钢片卷绕而成的圆筒作为铁心的环状螺线管线圈。对于第三种控制绕组，由于工作绕组(交流)与控制绕组(直流)的磁通相互正交，因此，交直流磁通互不影响，直流控制电流不会影响电抗器的线性特性。此外，直流磁路为闭合的铁芯结构，产生较强的直流控制磁场所需的直流功率较小。对于直螺线型的控制绕组，则是通过直流电流直接改变铁心的磁饱和程度来改变电抗值，由于直流通过直螺线绕组时，磁场所经过的磁路并非闭合的铁心结构，还须穿过铁心外部的空气，所以要产生较强的直流控制磁场所需的直流功率要求较大。

第三种控制绕组的非接触式可控电抗器的谐波特性如图12。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，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。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 (4)

1、非接触式可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器是一种使控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

匝数可调的空心螺线管，该螺线管中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，该螺线管通过开关矩阵电路来确定闭合的匝数，工作时，通过调整空心螺线管的匝数来调节空心电抗器的磁通，从而调节整个电抗器的电抗值。

2、根据权利要求1所述的非接触式可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

由单独的直流激磁电源供电的空心螺线管，该螺线管中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，该螺线管通过外接单独的可变直流电源来调节空心电抗器的磁通，从而调节整个电抗器的电抗值。

3、非接触式可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变整个电抗器的电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

半铁心直螺线管，该直螺线管的中心轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，且该直螺线管由单独的直流激磁电源供电，所产生的直流磁通通过该空心电抗器外部的空气后与上述空心电抗器的交流磁通在电抗器中匝链，工作时，使半铁心工作在接近饱和区，改变其工作点，可以改变半铁心的饱和程度，从而改变整个电抗器的磁通。

4、非接触式可控电抗器，其特征在于：该可控电抗器是一种使直流控制绕组与交流工作绕组在空间上彻底分开，通过改变直流控制绕组的磁场分布来改变交流工作绕组的磁通，从而改变电抗值的一种可控电抗器，该可控电抗器包括：

空心电抗器，该电抗器的工作绕组串接在交流工作回路中；

带铁心的环型螺线管，该带铁心的环型螺线管的轴线与上述空心电抗器的中心轴线重合，且该环型螺线管由单独的直流激励电源供电，并使铁心工作点尽可能接近线性区，所产生的直流磁通与上述空心电抗器所产生的交流磁通在铁心内部正交，通过张量磁导率引起铁心轴向磁导率变化，从而改变整个电抗器的电抗值。

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