CN203103104U - 一种混合调节超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合调节超导可控电抗器，它包括铁芯组，超导控制绕组，工作绕组，超导短路绕组和非导磁低温杜瓦；铁芯组包括依次并行排列且相互间隔的控制绕组铁芯，工作绕组铁芯和短路绕组铁芯，各绕组铁芯通过上、下铁芯板无缝连接成一个整体；超导控制绕组和超导短路绕组均放置于非导磁低温杜瓦中，短路绕组铁芯可以由一个或多个在空间上错开的铁芯柱构成，工作绕组用于与电网直接连接，超导控制绕组用于与直流电源连接。本实用新型采用分档调节和连续调节相互配合，实现电抗器的大容量连续调节。工作绕组电感调节范围大，谐波含量小，绕组损耗低，装置体积小，能够实现对高压、超高压电网的大容量连续无功补偿。

Description

一种混合调节超导可控电抗器

技术领域

本实用新型属于电抗器技术，具体涉及一种混合调节超导可控电抗器。 

背景技术

电网结构的大规模化和复杂化是电力系统发展的必然趋势，高压、特高压输电网络比重的增加对电力系统的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。电力系统中的无功补偿装置可以改善系统的潮流分布，调节无功平衡，降低有功损耗，维持节点电压稳定，抑制线路过电压和过电流，提高系统的稳定性。目前在电力系统中应用最广泛的无功补偿装置之一是可控电抗器。通过调节电抗值，在电力系统故障和轻负荷时吸收无功功率，控制无功潮流，这样就可以稳定电力系统的运行电压，提高输电能力。 

传统意义上的可控电抗器都是利用常导材料制造的，目前国内外传统意义上的可控电抗器发展比较成熟，主要包括调匝式，调磁通式，开关投切式以及逆变器控制式四种。其中以调磁路式的磁阀式和磁饱和式可控电抗器应用范围最广。超导可控电抗器是基于超导材料的超导电特性制造的，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、容量大、阻燃、谐波小等优点，大大降低了装置的成本和空间，提高了电力系统在高压、特高压输电网络中的无功补偿能力和输电能力。 

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；另外一种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，在液氮或液氦等低温区完成调节。 

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。 

不失超型超导可控电抗器目前应用的不多，可分为不连续可调型超导可控电抗器和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的超导可控电抗器。而连续可调超导可控电抗器的研究目前还是本学科的前沿研究课题，特别是高压、特高压不失超型连续可调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。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种混合调节超导可控电抗器，目的在于大容量连续可调的补偿电力系统的无功功率，调节无功平衡，降低有功损耗，抑制线路过电压和过电流，提高系统的输电能力和稳定性。 

本实用新型提供的混合调节超导可控电抗器，其特征在于，它包括铁芯组，超导控制绕组，工作绕组，超导短路绕组和非导磁低温杜瓦； 

铁芯组包括依次并行排列且相互间隔的控制绕组铁芯，工作绕组铁芯和短路绕组铁芯，各绕组铁芯通过上、下铁芯板无缝连接成一个整体；超导控制绕组和超导短路绕组均放置于非导磁低温杜瓦中，短路绕组铁芯可以由一个或多个在空间上错开的铁芯柱构成，工作绕组用于与电网直接连接，超导控制绕组用于与直流电源连接。 

本实用新型所指的混合调节包括分档调节和连续调节，通过二种调节相互配合，实现电抗器的大容量连续调节。分档调节由超导短路绕组实现。通过各超导短路绕组的开路与短路操作，改变电抗器的磁力线路径，进而 调节工作绕组磁路的磁阻，实现对工作绕组电感值的分档调节。连续调节由超导控制绕组实现。超导控制绕组的电流由直流电源提供，通过调节超导控制绕组中的电流来改变电抗器铁芯的磁饱和程度，实现对工作绕组电感值的连续调节。电抗器铁芯一侧可以采用窗口宽度不等的结构，增大了窗口利用率，减小了超导短路绕组的空间；采用多个铁芯无缝连接的结构，增大了工作绕组和超导控制绕组所在铁芯的截面积，减小了电抗器的饱和程度，进而增大了超导控制绕组的电流调节范围，从而增大了工作绕组电感值的连续调节范围，并且减小了电抗器的谐波成分。电抗器采用分档调节与连续调节相互配合的调节方式。连续调节的无功容量与分档调节每一档的无功容量保持一致，分档调节的无功容量相继投入，增大了电抗器的无功容量调节范围。另外，控制绕组和短路绕组采用超导磁体，增大了控制绕组和短路绕组的通流能力，减小了绕组的体积和损耗，从而增大了电抗器的无功容量调节范围。本实用新型工作绕组电感调节范围大，谐波含量小，绕组损耗低，装置体积小，能够实现对高压、超高压电网的大容量连续无功补偿。 

附图说明

图1为本实用新型实例提供的混合调节超导可控电抗器的3D模型图； 

图2为本实用新型实例提供的混合调节超导可控电抗器的俯视图； 

图3为本实用新型实例提供的混合调节超导可控电抗器的铁芯组； 

图4为本实用新型实例提供的混合调节超导可控电抗器铁芯组的上铁芯板。 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。 

本实用新型提供的混合调节超导可控电抗器包括铁芯组1，超导控制绕 组2，工作绕组3，超导短路绕组4和非导磁低温杜瓦。 

铁芯组1包括依次并行排列且相互间隔的控制绕组铁芯，工作绕组铁芯和短路绕组铁芯，各绕组铁芯通过上、下铁芯板无缝连接成一个整体。超导控制绕组2和超导短路绕组4均放置于非导磁低温杜瓦中，短路绕组铁芯可以由一个或多个在空间上错开的铁芯柱构成。工作绕组3用于与电网直接连接，超导控制绕组2用于与直流电源连接。 

分档调节由超导短路绕组实现，通过各超导短路绕组的开路与短路操作，改变电抗器的磁力线路径，进而调节工作绕组磁路的磁阻，实现对工作绕组电感值的分档调节。连续调节由超导控制绕组实现，超导控制绕组的电流由直流电源提供，通过调节超导控制绕组中的电流来改变电抗器铁芯的磁饱和程度，实现对工作绕组电感值的连续调节。 

图1和图2所示的是一个短路绕组铁芯包括四个铁芯柱构成的混合调节超导可控电抗器。 

如图3所示，铁芯组1包括上铁芯板11，下铁芯板12，第一边铁芯柱13，中铁芯柱14，第二至第五边铁芯柱15～18。铁芯柱13至18的形状可以是矩形、圆柱形等。 

如图4所示，上铁芯板11为一端带有双凸起的平板，下铁芯板12与上铁芯板12结构相同；上、下铁芯板11、12无凸起的一端之间设有第一边铁芯柱13，上、下铁芯板11、12的中部设有中铁芯柱14，上、下铁芯板11、12带双凸起的一端的四个小端部之间分别设有第二至第五边铁芯柱15～18，使得第二至第五边铁芯柱15～18在空间上错开，以便于安装绕组。 

第一边铁芯柱13作为控制绕组铁芯，中铁芯柱14作为工作绕组铁芯，第二至第五铁芯柱15，16，17，18均作为短路绕组铁芯。第一至第四超导短路绕组41，42，43，44分别绕在第二至第五铁芯柱15，16，17，18上。 

工作绕组3与电网直接连接，超导短路绕组41，42，43，44相互并联，超导控制绕组2与直流电源连接。工作绕组3电感值的调节通过超导短路 绕组41，42，43，44的开路与短路，以及改变超导控制绕组2的直流电流来实现。 

当超导短路绕组41，42，43，44均开路的时候，改变超导控制绕组2的直流电流，从而改变电抗器铁芯的磁饱和程度，实现对工作绕组电感值的连续调节，从而调节工作绕组3的工作电流，进而调节电抗器的容量；此时，电抗器的容量处于档位A。将超导短路绕组41短路，超导短路绕组42，43，44均开路，超导短路绕组41的感应电流产生的磁通将铁芯柱15内的原有磁通抵消，从而将超导短路绕组41所在的铁芯柱15内的磁力线挤出，改变电抗器的磁力线路径，进而调节工作绕组磁路的磁阻；再次改变超导控制绕组2的直流电流，从而调节工作绕组3的工作电流，进而将电抗器的容量从档位A调节至档位B；依次将超导短路绕组41，42，43，44短路，从而实现电抗器的容量在档位A、B、C、D之间连续调节。这种混合调节方式的优点在于，分档调节与连续调节相互配合，连续调节的容量与分档调节的每一档容量保持一致，只要增加分档调节的档数，即可增大电抗器的无功容量，保证电抗器的无功容量能够连续调节。 

铁芯组1中各构件均由硅钢片叠合制成，硅钢片采用冷轧或热轧，有向或无向均可，考虑到减少铁损、降低温升，硅钢片厚度采用0.2～0.35mm。工作绕组3的材料为一般的电工材料或超导材料，绕制方式采用箔绕或线绕均可。超导控制绕组2和超导短路绕组41，42，43，44采用超导材料，低温超导带材或高温超导带材均可。绕制方式采用饼绕或层绕均可。 

铁芯结构采用多个铁芯并行放置的布置方式，增大了铁芯柱13和铁芯柱14的截面积，在同样交流工作电流的情况下，电抗器的磁饱和程度减小，增大了超导控制绕组2的电流调节范围，从而增大了工作绕组3的电感值的连续调节范围。电抗器的铁芯未进入深度饱和区域，减小了工作绕组3中电流的谐波成分，从而使得工作电流效果更好。上铁芯板11与下铁芯板12均有一侧凸起，使得铁芯组的窗口宽度不等，且采用并行放置的布置方 式，相邻铁芯相互错开，增大了铁芯组的窗口利用率，便于加工制作。 

超导控制绕组2和超导短路绕组41，42，43，44均放置于非导磁低温杜瓦中，制冷剂可以采用液氮或液氦，制冷方式可以采用浸泡制冷或循环制冷，也可以采用制冷机直接制冷。 

本实用新型工作绕组电感调节范围大，谐波含量小，绕组损耗低，装置体积小，能够实现对高压、超高压电网的大容量连续无功补偿。 

本例中只列出了只含有四个超导线圈的短路绕组，在实际的产品设计中，可以根据混合调节超导可控电抗器的具体应用的电力系统的容量、电压等级等来具体设计超导短路绕组的个数、匝数和相应铁芯的个数。在各种情况下超导短路绕组和相应的铁芯应当并行放置，相邻铁芯相互错开。 

实例： 

以单相220V/2.2kvar方案为实施例对本实用新型加以介绍，设计要求电抗器无功变化范围为50-100％。电抗器的电抗值和电流变化范围计算方法如下： 

无功功率由式(1)计算。 

$Q=\frac{{U_L}^2}{X}---\left(1\right)$

在最大输出无功容量，即Q＝2.2kvar时，电抗值X_100％为 

$X_{100\%}=\frac{{U_L}^2}{Q}=\frac{{220}^2}{2.2\×{10}^3}\mathrm{\Ω}=22\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

工作电流I_100％为 

$I_{100\%}=\frac{Q}{U_L}=\frac{2200}{220}=10A---\left(3\right)$

在输出50％无功容量，即Q＝1.1kvar时，电抗值X_50％为 

$X_{50\%}=\frac{{U_L}^2}{Q}=\frac{{220}^2}{1.1\×{10}^3}\mathrm{\Ω}=44\mathrm{\Ω}---\left(4\right)$

工作电流I_50％为 

$I_{50\%}=\frac{Q}{U_L}=\frac{1100}{220}=5A---\left(5\right)$

由此可见，当电抗器的无功功率在50％-100％之间变化时，其电抗值的变化范围为44Ω-22Ω，工作电流的变化范围是5A-10A。设计方案结构同样如图3所示，其中工作绕组的总匝数为252匝，每个超导短路绕组的匝数为80匝，超导控制绕组的匝数为180匝。 

依次调节超导短路绕组的开路与短路，超导控制绕组的电流，就可以得到工作电流的连续调节。电抗器的工作控制参数见表1，其中，短1路是指超导短路绕组41短路，短2路是指超导短路绕组41、42均短路，短3路是指超导短路绕组41、42和43均短路，短4路是指超导短路绕组41-44均短路。从表1可以看出，电抗器工作电流的连续调节范围是7％-172％，超出50％-100％的额定指标，电抗器能够正常稳定工作。表1证明了新型混合调节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，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

表1电抗器控制参数 

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Claims (6)

1.一种超导可控电抗器，其特征在于，它包括铁芯组（1），超导控制绕组（2），工作绕组（3），超导短路绕组（4）和非导磁低温杜瓦；铁芯组（1）包括依次并行排列且相互间隔的控制绕组铁芯，工作绕组铁芯和短路绕组铁芯，各绕组铁芯通过上、下铁芯板无缝连接成一个整体；超导控制绕组（2）和超导短路绕组（4）均放置于非导磁低温杜瓦中，短路绕组铁芯可以由一个或多个在空间上错开的铁芯柱构成，工作绕组（3）用于与电网直接连接，超导控制绕组（2）用于与直流电源连接。 

2.根据权利要求1所述的超导可控电抗器，其特征在于，短路绕组铁芯可以由四个在空间上错开的铁芯柱构成，铁芯组（1）包括上铁芯板（11），下铁芯板（12），第一边铁芯柱（13），中铁芯柱（14），以及第二至第五边铁芯柱（15～18）；上铁芯板（11）为一端带有双凸起的平板，下铁芯板（12）与上铁芯板（12）结构相同；上、下铁芯板（11、12）无凸起的一端之间设有第一边铁芯柱（13），上、下铁芯板（11、12）的中部设有中铁芯柱（14），上、下铁芯板（11、12）带双凸起的一端的四个小端部之间分别设有第二至第五边铁芯柱（15～18），使得第二至第五边铁芯柱（15～18）在空间上错开，第一边铁芯柱（13）作为控制绕组铁芯，中铁芯柱（14）作为工作绕组铁芯，第二至第五铁芯柱（15～18）均作为短路绕组铁芯。第一至第四超导短路绕组（41～44）分别绕在第二至第五铁芯柱（15～18）上。 

3.根据权利要求1或2所述的超导可控电抗器，其特征在于，铁芯组（1）中绕组铁芯为矩形或圆柱形，铁芯材料采用冷轧或热轧硅钢片，硅钢片厚度为0.2～0.35mm。 

4.根据权利要求1或2所述的超导可控电抗器，其特征在于，工作绕组（3）的材料为一般的电工材料或超导材料，绕制方式采用箔绕或线绕。 

5.根据权利要求1或2所述的超导可控电抗器，其特征在于，超导控制绕组（2）和超导短路绕组（4）的绕制方式采用饼绕或层绕。 

6.根据权利要求3所述的超导可控电抗器，其特征在于，超导控制绕 组（2）和超导短路绕组（4）的绕制方式采用饼绕或层绕。 

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