CN203631292U - 一种分挡可调超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分挡可调超导可控电抗器，包括铁芯、超导工作绕组和一个杜瓦，其特征在于，它还包括至少一个内侧超导短路绕组和至少一个外侧超导短路绕组，内侧超导短路绕组、超导工作绕组、外侧超导短路绕组和杜瓦由内至外依次套在所述铁芯的同一个芯柱上，且各相邻部件之间均留有作为液氮通道的间隙。超导工作绕组的材料可以是超导材料也可是一般的电工导电材料。本实用新型的目的在于提供一种分挡可调超导可控电抗器，目的在于大容量分挡调节电抗器的电抗，以补偿电网的无功功率，实现无功控制调节，改善输电系统的安全可靠性和稳定性，提高输电能力，提高电网的电能控制水平。

Description

一种分挡可调超导可控电抗器

技术领域

本实用新型属于电抗器技术，具体涉及一种分挡可调超导可控电抗器。 

背景技术

电网中的无功补偿，可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力，抑制系统过电压。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。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，这样就可以降低传输线路的损耗，同时提高传输的有功容量。 

一般意义上的高压、特高压可控电抗器都是利用常导材料制成的，目前国内外的传统意义上的可控电抗器发展比较成熟，主要包括调电路式，调气隙式和调磁路式以及TCR型四种。其中以调磁路式的磁阀式可控电抗器和磁饱和式可控电抗器应用最广。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，大大降低了装置的成本和空间，提高了系统的稳定性。 

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。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种分挡可调超导可控电抗器，目的在于大容量分挡调节电抗器的电抗，以补偿电网的无功功率，实现无功控制调节。 

本实用新型提供的一种分挡可调超导可控电抗器，包括铁芯、超导工作绕组和一个杜瓦，其特征在于，它还包括至少一个内侧超导短路绕组和至少一个外侧超导短路绕组，内侧超导短路绕组、超导工作绕组、外侧超导短路绕组和杜瓦由内至外依次套在所述铁芯的同一个芯柱上，且各相邻部件之间均留有作为液氮通道的间隙。 

本实用新型提供的分挡可调超导可控电抗器（以下简称“电抗器”），改善了输电系统的安全性和稳定性，提高了输电能力及电网的电能控制水平。具体而言，与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果： 

（1）本实用新型的电抗器充分利用了超导短路绕组的短路容量和电抗器的漏磁，具有良好的经济性。本实用新型的电抗器的各个绕组之间以及绕组和铁芯之间均有一定的间隙，这些间隙给电抗器的漏磁通提供了通道，使得本实用新型的电抗器具有很大的漏抗，也使得电抗器的电抗主要表现 为漏抗。通过对内、外侧超导短路绕组依次进行短路和开路的操作，就可以改变间隙的漏磁通密度，当对其中一个超导短路绕组进行短路的时候，该超导短路绕组所包围的空间里的漏磁通密度会急剧降低，表现为电抗器漏抗的降低。不同的超导短路绕组的短路个数对应不同的电抗值，因此，可以改变内、外侧超导短路绕组的个数来实现电抗器的电抗值的分挡调节。另外，由于外侧超导短路绕组的存在，当同时把内、外侧超导短路绕组进行短路的时候，可以让电抗器的全部漏磁通在超导短路绕组所包围的空间里流动，也即实现了电抗器的漏磁通的完全利用。本实用新型的电抗器分挡调节的挡数与内侧、外侧超导短路绕组的总个数的组合数一致，如果内侧、外侧超导短路绕组的总个数为n，那么电抗器的分挡数为2n。现有超导电抗器的电抗调节挡数相比本实用新型的电抗器的电抗调节挡数要至少少1挡，这样会造成超导短路绕组的短路容量的浪费。 

（2）本实用新型的电抗器具有阻燃，重量轻，容量大，损耗小等优点。电抗器的超导工作绕组和超导短路绕组均是超导材料绕制。超导材料在低温下处于超导状态时，载流密度远远大于铜导线的载流密度，电阻率几乎为零，比铜导线具有更低的交流损耗值。跟其它电抗器相比，电抗器的体积和重量大大降低，在相同的尺寸下，电抗器的容量大大增加。 

（3）本实用新型的电抗器超导绕组的低温环境具有更好的安全性、稳定性，杜瓦的结构更简单，且只需要一个杜瓦。工作绕组和短路绕组均是超导材料绕制，则可以只需一个杜瓦用来同时放置超导工作绕组和超导短路绕组。相比其它的电抗器，本实用新型在设计杜瓦的时候，不用在杜瓦上穿孔用来给工作绕组提供足够的绕制空间。本实用新型在杜瓦的制作工艺上会更简单。同时，由于超导工作绕组也采用超导材料绕制造，跟其它电抗器相比，超导工作绕组具有最小的热量产生，明显地降低了对杜瓦的热辐射，提高了超导低温环境的稳定性和电抗器运行的安全性。 

（4）本实用新型的电抗器通过改变超导短路绕组的短路个数来调节电 抗器电抗的挡数。通过改变超导短路绕组与中间铁芯柱、超导短路绕组和超导工作绕组之间的间隙来调节电抗器每挡的电抗的大小。总的来说，增大超导工作绕组与超导短路绕组之间的间隙或者增大超导短路绕组与中间铁芯柱的间隙，均可以增大电抗器的电抗。各个间隙的尺寸要根据实际电抗器所设计每挡的电抗大小来决定，同时，也要考虑到用来维持超导绕组所需的低温环境所需要的液氮的体积。设计的原则是在保证制冷所需的最小体积的液氮，以及电抗调节效果的基础上，尽量减小间隙。减小间隙可以降低电抗器的总费用。 

附图说明

图1为分挡可调超导可控电抗器模型图，图（a），图（b）和图（c）分别是该电抗器的俯视图，正视图和左视图。 

图2为分挡可调超导可控电抗器的等效工作电路图。 

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实例，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。 

如图（1a）、(1b)和(1c)所示，本实用新型提供的电抗器主要包括铁芯1、杜瓦5、内侧超导短路绕组2、外侧超导短路绕组4和超导工作绕组3。电抗器的超导工作绕组3用于接在电网中。 

电抗器的铁芯1采用E型铁芯，其中，中间铁芯柱是由薄片状高导磁性材料叠装组成的圆柱形结构，单片高导磁性材料的厚度最好不超过0.5mm，且越小越好，有利于降低铁芯中的涡流损耗。杜瓦5、内侧超导短路绕组2、超导工作绕组3和外侧超导短路绕组4均套在在中间铁芯柱上，也即杜瓦5、超导短路绕组2、4跟超导工作绕组3是同心式的结构，内侧超导短路绕组2、超导工作绕组3、外侧超导短路绕组4和杜瓦5依次由内向外布置，且各相邻部件之间均留有间隙。 

杜瓦5和超导短路绕组2、4以及超导工作绕组3之间的间隙主要是用来给液氮提供通道，用来保证有足够的液氮来提供电抗器的所有超导绕组所需的低温环境。另外，这些间隙也给电抗器的漏磁通提供了通道，使得电抗器具有很大的漏抗，也使得电抗器的电抗主要表现为漏抗。通过对内侧超导短路2、外侧超导短路3依次进行短路和开路的操作，就可以改变各个间隙的漏磁通密度。具体来说，就是当对超导短路绕组2（或外侧超导短路绕组4）进行短路的时候，内侧超导短路绕组2（或外侧超导短路绕组4）与铁芯的间隙里的漏磁通密度会急剧降低，使得为电抗器的漏抗的降低，从而实现电抗器的电抗值的调节。不同的超导短路绕组的短路个数对应不同的电抗值，因此可以通过改变超导短路绕组的短路总个数就可以调节电抗器分挡的挡数。 

尽管改变短路绕组的短路个数，可以电抗器的电抗值的分挡调节。而要调节电抗器的每一挡的电抗值，则只能靠改变超导短路绕组2、4之间以及超导绕组与中间铁芯柱之间的间隙尺寸大小来实现，具体来说，增大超导工作绕组3与超导短路绕组2、4之间的间隙或者增大超导短路绕组2、4与中间铁芯柱的间隙，均可以增大电抗器的电抗，降低所有绕组上的电流值。 

当只有超导短路绕组2短路的时候，可以通过此时的超导工作绕组3的电流大小，依据常规变压器的漏抗计算方法来确定超导工作绕组3与超导短路绕组2之间的间隙尺寸。同样，当只有超导短路绕组4短路的时候，可以通过此时的超导工作绕组3的电流大小，依据常规变压器的漏抗计算方法来确定超导工作绕组3与超导短路绕组4之间的间隙尺寸。 

所有的超导绕组均是由超导材料绕制而成。每一个超导绕组可以采用层式、螺旋式或者饼状等形式绕制。超导绕组所用的超导材料可以为所有的低温超导带材和高温超导带材，首选高温超导带材。 

电抗器分挡调节的挡数与内侧、外侧超导短路绕组的总个数的组合数 一致。故对于只含有一个内侧超导短路绕组2和外侧短路绕组4的电抗器来说，其分挡调节的挡数为4挡。超导短路绕组的个数越多，电抗器的分挡调节的挡数也越多。考虑到超导带材的价格昂贵，超导工作绕组内、外侧超导短路绕组的个数均为一个的时候，电抗器的综合性价比设计为最佳。 

电抗器并接到电网中时，相当于一个多绕组变压器，内侧、外侧超导短路绕组相当于变压器的二次侧和三次侧绕组部分。当依次对电抗器的短路绕组进行开、合操作的时候，相当于依次增加变压器的短路绕组的个数，这样，也就逐渐增加了变压器的短路容量，使电抗器的容量呈现多挡的变化，也即实现了电抗器的电抗分挡调节。 

图2是电抗器并接入电网中的等效电路图，主要包括工作电压源14，超导工作绕组3的等效电抗6，超导工作绕组3的等效电阻7，电抗器的等效励磁电抗8，电抗器的等效励磁电阻9，超导短路绕组2的等效电抗11及其相应开、合操作的开关10，超导短路绕组4的等效电抗13及其相应开、合操作的开关12。当开关10和开关11均断开的时候，超导短路绕组2和超导短路绕组4均未接入电路中，此时，电抗器的容量最小，电抗值最大，电抗器处于工作挡数一。当开关10合上、开关12断开的时候，超导短路绕组2接入电路中，超导短路绕组4开路，此时电抗器处于工作挡数二，电抗器的容量增大，电抗值降低。当开关10断开，开关12合上的时候，超导短路绕组2开路，超导短路绕组4接入电路中，电抗器的容量继续增大，电抗值继续降低，此时电抗器处于工作挡数三。当开关10和开关12均合上的时候，超导短路绕组2、4均接入电路中，电抗器容量最大，电抗值最低，此时电抗器处于工作挡数四，实现了电抗器的四挡可调。 

实例： 

以380V/50Kvar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分四挡调节。电抗器的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。 

$Q=\frac{{(U_L/\sqrt{3})}^2}{X}---\left(1\right)$

在最大输出无功容量，即Q＝50Kvar时，电抗值X_100%为 

$X_{100\%}=\frac{{(U_L/\sqrt{3})}^2}{Q}=\frac{{\left(380\right)}^2}{50\×{10}^3}\mathrm{\Ω}=2.89\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

超导工作绕组电流 

$I=\frac{Q}{U/\sqrt{3}}=\frac{50000}{380}\≈132A---\left(3\right)$

电抗器含有两个超导短路绕组，因此当依次对两个超导短路绕组进行开、合操作的时候，就可以得到四种不同的电抗值，也即四挡调节。 

本实例的电抗器参数见表1，电抗器的设计运行结果见表2-表4。其中表2是电抗器的控制特性，表3和表4是电抗器的超导短路绕组2、4的运行参数。从表2可以看出，含两个超导短路绕组的电抗器可以实现电抗的四挡调节：电抗器的电抗调节值分别为0.69%，46.38%，80.2%,以及99.69%四种挡次，此时，电抗器的工作电流分别为0.90A，77.126A，61.226A以及131.6A，电抗器的电抗值依次为：417.58Ω，6.21Ω，3.6Ω，2.89Ω。选用SUPERPOWER的S4050超导带材，其在77K温度，300Gs垂直场下的临界电流可以达到60A，远远大于超导绕组上的最大工作电流18.23A，电抗器能正常稳定工作。从电抗器的四挡调节效果来看，充分利用了电抗器的漏磁通，实现了容量的最大调节。 

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电抗器参数 

铁芯中柱半径	45mm	铁芯窗高	435mm
				铁芯旁轭宽度	60mm	铁芯窗厚	60mm
超导绕组高度	400mm	超导工作绕组高度	415mm
				超导绕组额定电流	20A	电抗器额定工作电流	132A
电抗器窗宽	455mm	超导绕组1匝数	836匝
				超导工作绕组匝数	190匝	超导绕组2匝数	836匝

表2超导电抗器的控制特性 

表3超导绕组1的运行参数 

表4超导绕组2的运行参数 

Claims (7)

1.一种分挡可调超导可控电抗器，包括铁芯、超导工作绕组和一个杜瓦，其特征在于，它还包括至少一个内侧超导短路绕组和至少一个外侧超导短路绕组，内侧超导短路绕组、超导工作绕组、外侧超导短路绕组和杜瓦由内至外依次套在所述铁芯的同一个芯柱上，且各相邻部件之间均留有作为液氮通道的间隙。 

2.根据权利求1所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，所述铁芯采用E型结构，内侧超导短路绕组、超导工作绕组和外侧超导短路绕组均套在中间铁芯柱上。 

3.根据权利求1或2所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，内侧超导短路绕组和外侧超导短路绕组的材料为二代高温超导带材。 

4.根据权利要求1或2所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，超导工作绕组的材料是超导材料。 

5.根据权利要求1或2所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，内侧超导短路绕组采用层式、螺旋式或者饼状结构。 

6.根据权利要求1或2所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，外侧超导短路绕组采用层式、螺旋式或者饼状结构。 

7.根据权利要求1或2所述的分挡可调超导可控电抗器，其特征在于，电抗器分挡调节的挡数与内侧、外侧超导短路绕组的总个数的组合数一致。 

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