CN209496710U - 一种电抗器及电力设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种电抗器及电力设备，所述电抗器包括多个第一线圈；第二线圈，所述第二线圈设置在所述多个第一线圈的外周，每个所述第一线圈中流过三相电流中的其中一相；所述第二线圈用于在所述第一线圈中有电流流过时，基于所述电流中的谐波所产生的磁场感应出短路电流，该短路电流会产生反向的磁场与谐波磁场抵消，由于短路电流在第二线圈内会发热，因此能够将谐波的电能转换为热能的形式，从而大幅度减少电流中的高次谐波，提高了电流质量，避免了谐波对电网的污染。

Description

一种电抗器及电力设备

技术领域

本申请涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种电抗器及电力设备。

背景技术

现有的风力发电、太阳能发电等发电设备所产生的不稳定、不连续的能量在通过变频器转换为合格的电能后，再由电网各输配电线路送至用户侧，在这整个电力系统中，存在有许多具备非线性特性的电力设备，这些电力设备在运行过程中会产生大量的三次及高次谐波，如果这些谐波进入电网或者进入用户的家庭设备，会产生很大的污染，造成严重的影响。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种电抗器及电力设备，能够抑制电流中的三次及高次谐波，从而解决上述问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种电抗器，包括多个第一线圈；第二线圈，所述第二线圈设置在所述多个第一线圈的外周，每个所述第一线圈中流过三相电流中的其中一相；所述第二线圈用于在所述第一线圈中有电流流过时，基于所述电流中的谐波所产生的磁场感应出短路电流，所述短路电流在所述第二线圈中产生的磁通量与所述谐波在所述第二线圈中产生的磁通量方向相反。

当含有谐波的电流流经第一线圈时，电流中的基波在第二线圈内产生的磁通量为零，而电流中的谐波会在第二线圈内产生变化的磁通量，由电磁感应定律可知，此磁通量将在第二线圈内感应出电动势，在第二线圈的电阻较小时，将会在第二线圈内产生短路电流，短路电流在第二线圈内发热，从而将三次及高次谐波的电能转换为热能，因此从第一线圈的另一端输出的电流中将不含有谐波成分，使得输出的电流质量较高，且更加纯净。

结合第一方面，所述电抗器还包括多个铁芯、第一铁扼以及第二铁扼，所述多个铁芯的顶部与所述第一铁扼连接，所述多个铁芯的底部与所述第二铁扼连接，所述铁芯上设有气隙，所述第一线圈缠绕在所述铁芯上。

在第一线圈中插入铁芯，能够使得电抗器具有更大的电感，铁芯上设置的气隙可以避免电抗器的磁饱和现象。

结合第一方面，所述多个铁芯的顶部通过第一螺杆与所述第一铁扼固定，所述多个铁芯的底部通过第二螺杆与所述第二铁扼固定。

铁芯与铁扼之间通过螺杆拉紧形成一个整体，当电流从第一线圈中流过时，基波电流产生的磁场将在多个铁芯、铁扼形成的回路之间流通。

结合第一方面，所述第一线圈的两端分别设置有用于连接导线的第一接线端子以及第二接线端子，便于与输电导线或电气设备的电流输出端连接。

结合第一方面，所述电抗器还包括支撑底座，所述支撑底座包括第一角钢以及第二角钢，所述第一角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第一侧面固定，所述第一角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，所述第二角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第二侧面固定，所述第二角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，其中，所述第一侧面与所述第二侧面是所述第二铁扼的位置相对的两个侧面。

结合第一方面，所述支撑底座还包括第三角钢以及第四角钢，所述第三角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第三侧面固定，所述第三角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，所述第四角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第四侧面固定，所述第四角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，其中，所述第三侧面与所述第四侧面是所述第二铁扼的位置相对的、且不同于所述第一侧面与所述第二侧面的两个侧面。

结合第一方面，所述第二线圈的外侧缠绕有水冷管，所述水冷管两端分别设置有水管接头，冷却水通过一个水管接头注入水冷管，在水冷管中流动，并从另一个水管接头流出水冷管，从而能够将第二线圈产生的热量带走，有效降低电抗器的温度。

结合第一方面，所述电抗器还包括夹持件，所述夹持件的一端固定在所述第一铁扼或所述第二铁扼上，所述夹持件的另一端用于夹持所述第二线圈，所述夹持件的材料为绝缘体。该夹持件能够将第二线圈稳稳固定在多个第一线圈的外周，防止电抗器工作过程中第二线圈脱落，使得第二线圈能够持续消除电流中的谐波。

第二方面，本申请实施例提供一种电力设备，包括电气装置以及第一方面所述的电抗器，所述电抗器与所述电气装置的电流输出端连接。

当电流流经非线性的电气装置时，该电气装置在运作过程中将产生一定的谐波，而其输出的含有谐波的电流在送入电抗器的输入端后，电流中的谐波能量将会被转换为热能，从而消除电流中的谐波，使得该电力设备的输出电流品质更高。

结合第二方面，所述电气装置包括变频器、整流器、开关电源、变压器、电动机以及发电机。上述电气装置为电网中会产生谐波的设备，在其电流输出端后设置本申请中的电抗器能够有效解决输出电流中的谐波问题，改善电网电流质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的电抗器的连接关系图；

图2为本申请实施例提供的电抗器结构的俯视图；

图3为本申请实施例提供的电抗器结构的主视图；

图4为电流流过图3中的电抗器时的磁场示意图；

图5为电抗器中角钢与铁扼的结构关系侧视图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波的电气设备称为谐波源。谐波源主要是具有非线性特性的电气设备，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。目前电力系统中存在许多运行过程中会产生谐波的电气设备，例如变压器、变频器、整流器等，本实施例提供一种电抗器，能够消除这些电气设备输出的电流中的谐波，使得电网中电流更加纯净，质量更高。

该电抗器包括多个第一线圈以及第二线圈，第二线圈设置在多个第一线圈的外周，其中，第一线圈绕成螺线管形状，输电线路的导线或电气设备的电流输出端与第一线圈连接，将含有谐波的电流输入到第一线圈的输入端，使得电流在第一线圈中流过。对于电网而言，电能的输送形式为三相交流电，三相电的每一相与第一线圈一一对应，那么电抗器的连接关系可以如图1所示，三相电流中的每一相电流分别对应流入电抗器中的第一线圈，并从第一线圈的另一端流出，第二线圈设置在第一线圈的外周。若此电流中含有谐波成分，在电流流经第一线圈时，谐波将在空间内产生磁场，其中任一条磁感线将从第一线圈中穿过，通过铁芯及外部构件形成闭合曲线，在对电流中的谐波进行分析可知，谐波是正弦波，每一谐波都具有不同的频率、幅度和相位，因此电流中的谐波产生的磁场是变化的、非恒定的，根据电磁感应定律，由于第二线圈处于谐波所产生的变化的磁场中，对于第二线圈而言，变化的磁通量将在第二线圈内产生感应电动势，而第二线圈为闭合的线圈，该感应电动势会驱动电子在线圈中流动，从而在第二线圈内形成短路电流。该短路电流在空间内产生反向的磁场阻碍谐波磁场的变化，也即能够与谐波的磁场抵消，由于短路电流会在第二线圈内发出热量，那么也就能够将三次及高次谐波的能量转换为热量，从而消除电流中的谐波。

由于第一线圈和第二线圈在本实施例电抗器中的功能特性，因此，为便于后续理解和阐述，以下将第一线圈称作电抗器线圈，将第二线圈称作短路环。

参阅图2和图3，示出了本实施例电抗器的另一种可能的结构，该电抗器还包括多个铁芯、第一铁扼以及第二铁扼，电抗器线圈缠绕在铁芯上，能够使该电抗器具有更大的电感，多个铁芯的顶部与第一铁扼连接，多个铁芯的底部与第二铁扼连接，即两个铁扼分别对应为上铁扼和下铁扼，铁芯可以是由若干铁芯饼叠置而成，铁芯饼之间用绝缘板隔开，形成气隙，气隙的数目可以为一个或多个，该气隙可以避免在交流大信号下电抗器的磁饱和现象，可更好地控制电抗器的电感量，铁芯与铁扼之间可由螺杆拉紧，形成一个整体。

以上述铁芯电抗器为例，对本实施例电抗器的工作原理进行解释。当输入的三相电流从第一线圈中流过时，电流中的基波为正弦波，波形为基波是合格的电压和电流，也即通常所说的工频电压和工频电流，如图4所示，它的磁路只会在电抗器的铁芯内正常运行，在短路环的一个横截平面内，对于基波的电流产生的磁场在各个方向内相互抵消，因此基波电流在短路环内产生的磁通量为零，也就是说，短路环对正常的基波电流阻抗为零，不会对所需的基波电流造成影响。而比如三次谐波的波形为可见其大小相等，相位相同，谐波的电流在三个铁芯柱之间没有通路，它的磁场不能同基波磁场那样以其他相的铁芯为回归路线，只能以铁芯及外部构件等形成回路，也即磁路依照图4中所示。

根据上述分析以及磁势平衡原理，三次及高次谐波在电抗器线圈产生的磁通量假设为Ψ1，该磁通量会在短路环内感应出电动势，由于短路环的电阻很小，因此在电动势作用下短路环内会感应出较大的短路电流，该短路电流将产生反向磁场作用于三次及高次谐波产生的磁场，也即短路电流产生的磁通Ψ2与Ψ1方向相反。随着短路电流在短路环内不断流动，根据热量公式Q＝I²R，短路环将在短路电流作用下发热，从而将三次及高次谐波的电能转换为热量，因此能够消除电流中的三次及高次谐波，避免了电气设备向下一级设备传输谐波以及污染电网，降低了谐波的危害。

可选地，电抗器线圈的两端分别设置有用于连接导线的第一接线端子以及第二接线端子，接线端子便于与输电导线或设备的电流输出端连接，电流通过接线端子在电抗器线圈内流入和流出。

可选地，电抗器还包括支撑底座，起到支撑、安装电抗器的作用。该支撑底座包括第一角钢以及第二角钢，由于下铁扼上存在四个侧面，其中，第一角钢的一个侧边与下铁扼的第一侧面固定，第一角钢的另一个侧边位于下铁扼的下方且向远离下铁扼的方向延伸，第二角钢的一个侧边与下铁扼的第二侧面固定，第二角钢的另一个侧边也位于下铁扼的下方且向远离下铁扼的方向延伸，上述第一侧面与第二侧面是下铁扼的位置相对的两个侧面，可以是左侧面与右侧面，或者是前侧面与后侧面，角钢与下铁扼的结构关系如图5所示。上述的实施方式仅是在下铁扼的两个相对的侧面设有角钢，当然，还可在另外的两个侧面也相应的设有角钢，能够使电抗器的安装和放置更加稳定，也就是说，支撑底座还包括有第三角钢以及第四角钢，第三角钢与第四角钢分别与下铁扼剩余两个位置相对的侧面固定，固定方式可与第一角钢和第二角钢相同。

本实施例的电抗器并不局限于上述结构，在满足上述结构关系的条件下，任意现有技术中的空心电抗器和铁芯电抗器的外周均可设置有上述短路环，从而构成本申请中的电抗器，因此，可以是通过在现有电抗器基础上进行改造来获得本实施例的上述电抗器，能够有效节约成本。

由于短路环将电流中谐波的电能转换为热量，相较于现有电抗器而言，电抗器线圈本身的发热现象得到了改善，在选用短路环的材料时，可以选取散热性能较好的导体材料，能够使短路环及时将热量散发到空气中，避免电抗器的温度升高，也不会对设备产生危害。可选地，还可通过在短路环外侧设置水冷装置，将短路环产生的热量通过流动的冷却水带走，使电抗器的散热性能更佳，有效降低电抗器的温度。例如，在短路环的外侧缠绕有水冷管，水冷管两端分别设置有水管接头，分别为进水口以及出水口，冷却水从进水口流入并从出水口流出，在将水管接头通过水管连接在水泵、水源等装置上时，冷却水可在水冷管内循环流动，获得更好的散热效果。

可选地，电抗器还包括夹持件，夹持件的一端固定在上铁扼或下铁扼上，夹持件的另一端用于夹持短路环，通过该夹持件能够将短路环稳稳固定在电抗器线圈的外周，防止电抗器工作或移动时短路环脱落，使得短路环能够持续消除电流中的谐波。夹持件的材料应当为绝缘体，避免对短路环的工作过程造成影响。

综上所述，本实施例中电抗器通过设置在电抗器线圈外周的短路环，能够将电流中谐波的电能转换为热能，有效抑制并消除电流中的高次谐波，提高电网中的电流质量。

第二实施例

本实施例提供一种电力设备，包括电气装置以及第一实施例中提供的电抗器，该电气装置指的是电网中会产生谐波的设备，而电网中会产生谐波的设备主要有三类：(1)整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统等电力电子设备；(2)变压器、电动机、发电机等非线性设备；(3)电弧炉设备及气体电光源设备等。上述任一种设备均可以是本实施例所指的电气装置，将该电气装置的电流输出端与电抗器连接，当该电气装置输出的含有谐波的电流送入电抗器的输入端后，电流中的谐波能量将会被转换为热能，从而实现消除电流中的谐波，因此使得该电力设备的输出电流品质更高。

第三实施例

本实施例提供一种电力系统，包括发电设备、变频器、电力网以及第一实施例中提供的电抗器。针对现有的风力发电、太阳能发电等发电设备，其产生的电能必须通过变频器，利用变频的方式，将不稳定、不连续的能量转换为合格的电能由电力网送给用户，整个电力系统中存在有较多电气设备会在工作过程中产生谐波，例如变频器内部在转换过程中，会产生大量的三次及高次谐波，第一实施例所提供的电抗器可以设置在变频器的电流输出端，也即变频器输出的每一相电流分别流入到电抗器的电抗器线圈中，经过该电抗器后，输出的电流中的谐波被消除，因此流入电力网中的电流质量得到有效的提高，解决电网的谐波污染问题。

当然，上述电抗器除了设置在变频器的电流输出端，电力系统中任一个会产生谐波的电气设备的电流输出端均可设置有本实施例中的电抗器，大幅减少谐波对电力系统的影响。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种电抗器，其特征在于，包括：

多个第一线圈；

第二线圈，所述第二线圈设置在所述多个第一线圈的外周，每个所述第一线圈中流过三相电流中的其中一相；所述第二线圈用于在所述第一线圈中有电流流过时，基于所述电流中的谐波所产生的磁场感应出短路电流，所述短路电流在所述第二线圈中产生的磁通量与所述谐波在所述第二线圈中产生的磁通量方向相反。

2.根据权利要求1所述的电抗器，其特征在于，所述电抗器还包括多个铁芯、第一铁扼以及第二铁扼，所述多个铁芯的顶部与所述第一铁扼连接，所述多个铁芯的底部与所述第二铁扼连接，所述铁芯上设有气隙，所述第一线圈缠绕在所述铁芯上。

3.根据权利要求2所述的电抗器，其特征在于，所述多个铁芯的顶部通过第一螺杆与所述第一铁扼固定，所述多个铁芯的底部通过第二螺杆与所述第二铁扼固定。

4.根据权利要求2所述的电抗器，其特征在于，所述第一线圈的两端分别设置有用于连接导线的第一接线端子以及第二接线端子。

5.根据权利要求4所述的电抗器，其特征在于，所述电抗器还包括支撑底座，所述支撑底座包括第一角钢以及第二角钢，所述第一角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第一侧面固定，所述第一角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，所述第二角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第二侧面固定，所述第二角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，其中，所述第一侧面与所述第二侧面是所述第二铁扼的位置相对的两个侧面。

6.根据权利要求5所述的电抗器，其特征在于，所述支撑底座还包括第三角钢以及第四角钢，所述第三角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第三侧面固定，所述第三角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，所述第四角钢的一个侧边与所述第二铁扼的第四侧面固定，所述第四角钢的另一个侧边位于所述第二铁扼的下方且向远离所述第二铁扼的方向延伸，其中，所述第三侧面与所述第四侧面是所述第二铁扼的位置相对的、且不同于所述第一侧面与所述第二侧面的两个侧面。

7.根据权利要求1或2所述的电抗器，其特征在于，所述第二线圈的外侧缠绕有水冷管，所述水冷管两端分别设置有水管接头。

8.根据权利要求2所述的电抗器，其特征在于，所述电抗器还包括夹持件，所述夹持件的一端固定在所述第一铁扼或所述第二铁扼上，所述夹持件的另一端用于夹持所述第二线圈，所述夹持件的材料为绝缘体。

9.一种电力设备，其特征在于，包括电气装置以及如权利要求1-8任一项所述的电抗器，所述电抗器与所述电气装置的电流输出端连接。

10.根据权利要求9所述的电力设备，其特征在于，所述电气装置包括变频器、整流器、开关电源、变压器、电动机以及发电机。