CN101661832A - 带气隙的可控电抗器 - Google Patents

Abstract

电网所提供无功的功率其容量基本不是连续可调的，或连续可调但存在比较大的谐波，本发明采用的是一种新型的带气隙的可控电抗器，其电抗器容量连续可调但基本不存在谐波。本装置由电抗器本体与驱动控制电路组成，电抗器铁芯上有不导磁的气隙层，气隙磁场中磁通密度B和磁场强度H是线性关系，因而使带气隙的可控电抗器的电流基本上不存在谐波。单相时为三铁芯柱结构，三相时为六铁芯柱结构。既可用于并联电抗，也可用于串联电抗。当其应用于串联电抗器时，通过调整电抗器与串联的电容器的调谐频率点就可以在线改变滤波的频率，使在线自动滤波成为可能。

Description

带气隙的可控电抗器

所属技术领域

本发明是电网中提供无功功率的一种新型电气设备。

背景技术

电力***中进行无功补偿时所采用的最主要方式是进行电容器的投切，其投切的容量不是连续可调的，尤其是在高电压领域，因为造价高昂，电容分级投切的级数很少，无功功率的控制精度几乎没有，并且投切电容还产生很大的涌流，给它的实际应用带来很大的不便。目前采用的无功容量可以连续调节的装置是静止无功补偿器(SVC)，它的控制器的电压等级与电抗器的电压等级是相同的，造价昂贵，且采用可控硅产生很大的谐波，需要另外增加一套滤波器来滤除谐波，总之是占地很大，控制很复杂，价格更是昂贵，从而影响了它的广泛使用，电网无功补偿中多数采用的还是电容投切的方式。

采用可控电抗器的无功补偿是SVC的一种，成本比普通的SVC要低得多。可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，磁饱和电抗器的主要缺点是：控制直流的改变会导致结成三角形线圈内部电流的变化，过渡过程时间取决于三角形线圈时间常数，其数值较大，使响应时间变慢，无法满足快速调节的需要；另外就是有效材料消耗(3.0kg/kVA)和有功损耗(1.0％)较大，一般不可控的铁芯电抗器的有效材料消耗及有功损耗分别只有0.8kg/kVA和0.5％。由于这些缺点使传统的可控电抗器的推广应用受到了限制。俄罗斯曾提出可控电抗器“磁阀”的概念，并随后实现了绕组(工作绕组、控制绕组、补偿绕组)布置的全新结构设计与样品研制，使可控电抗器的发展有了一定的进展。但这种电抗器的致命弱点是：为保证只有较小截面的磁阀段始终处于饱和，而其余部分不饱和，势必要增加其余部分铁芯截面的面积，使电抗器的有效材料用量增多，成本较高，且损耗增加、噪音增大。在此基础上，专利01229191.9提出了一种磁控式可控电抗器的概念，通过全磁路的饱和来达到电抗器容量可控的目的，基本上克服了以上的缺点。

上述可控电抗器的工作原理其实都是利用了电抗器铁芯饱和时磁阻增大的现象，铁芯饱和所造成的最大的问题一是饱和是非线性的，因而它在使用中就存在很大的谐波，对***有污染，再是饱和必然造成损耗的增加。

电力***中进行无功补偿时所采用的最主要方式是用电容器提供无功功率，同时还与电容器串联一组电抗器，该电抗器的主要目的一是起到限流的作用，电容器的电压不能突变，当它接到***中时就会有非常大的过流发生，过流倍数会达到电容器额定电流的一百倍还多，这样投切次数多了就容易烧毁开关或电容器，而电抗器流过的电流是不能突变的，利用这原理将电抗器与电容器相串联，就可以抑制电容器的过流，可以将过流倍数降低到二十五倍以下；该电抗器的另一个作用就是滤波，电容器与电抗器串联会有一个调谐频率点，若该频率点与电力***的某次谐波频率相吻合，则该串联回路就对该次谐波产生陷波作用，即该次谐波全被短路了，不再影响到更高级的电力网。目前电力***中正是这样利用的串联电抗器，但电抗器的容量是固定不变的，这样在进行滤波时，就会受到比较大的影响，因为容量固定，则它只能滤除某一次的谐波，而对其他次的谐波没有滤波效果或滤波效果不明显；再是***电压的变化、电容器使用的老化等等都会影响电容器与电抗器的调谐频率点，这样就对某次谐波因为工作点的改变也会降低滤波效果。若串联电抗器的容量是可调的，则其与电容器的工作点就可以根据最佳的滤波效果而调整，既可以变换要滤除的谐波次数也可以适应***参数的变化，就可以大大提高滤波的效果。而磁阀式或磁控式可控电抗器因为本身存在有谐波，虽然容量可调，也不能用在滤波场合

发明内容

本发明就是针对上述两种情况，在可控电抗器的铁芯回路中增加了一组或多组气隙层，气隙层采用非导磁材料组成，使可控电抗器的电流中基本不再有谐波存在，达到极小的谐波、更低的损耗的目标。

电抗器的容量和其磁路的磁阻是密切相关的，而空气隙能提供最大的磁阻，当然不能将空气隙用于电抗器，那样在工艺上不能保证，而是采用非导磁材料组成气隙。气隙中的磁通密度B和磁场强度H是线性关系，这样电抗器的电流就是一个理想的波形了，不再有谐波存在，铁芯中磁场的饱和程度也可以做到没有或较小，饱和损耗也减轻了。当用于串联电抗器时，采用气隙层可以保证在电容器和电抗器串联上电的初期，电抗器就有一定的容量来完成限流的作用，即在上电初期还没有对电抗器进行控制时，该可控电抗器与普通的串联电抗器一样有一个固定的初始容量，以完成限流的功能。在上电以后串联电抗器的容量就通过调整直流磁通来进行调整了。

本发明分为电抗器本体和控制驱动电路两部分。电抗器的本体采用的是对称的结构，其目的是保证在任何情况下磁路都是完全对称的，可以消除由磁路不对称所造成的损耗增加、噪音增加的不良影响；电抗器是单相时为三柱式结构，其中有两个***的铁芯柱，三柱式结构***铁芯柱在两边，中间为导磁用的铁芯柱。在***铁芯柱上设计有一组或多组气隙层，以保证有足够的磁阻且气隙中的磁场是线性的。在各类可控电抗器中，磁阀式的其***铁芯柱上有一段或多段凹进去的部分，磁饱和主要集中于这部分，由于饱和过于集中，在大容量时制造起来有一定的难度；磁控式的则没有凹进去的部分，***铁芯柱上下的截面积是相同的，即饱和在整个***铁芯柱上都发生，铁芯截面积可以是完全相同的，在这里主要采用的是磁控式的结构。

带气隙的可控电抗器三相时为六柱式结构，分为纵铁轭和横铁轭，使交流磁路和直流磁路分开，比三个单相电抗组成三相电抗，结构紧凑的多。

对三柱式或六柱式结构，轭部一般设计工作在非饱和状态以降低损耗，有时为降低成本或达到所需的容量，也可以设计工作在比较低的饱和状态，铁芯柱一般设计成磁饱和的，再加上气隙就可以产生所需要的电抗容量了。

磁控式电抗器的铁芯所用的材料也有要求，希望所用材料的磁化曲线上在相同的磁通密度B的点所对应的磁场强度H应该更大些，其目的是为了同容量的情况下可适当减小电抗器的体积，因此电抗器铁芯的全部或部分所用材料，该材料磁化曲线上在磁通密度B为1.5特斯拉(T)的点的磁场强度H要大于100安培/米(A/m)。

本发明彻底解决了困扰可控电抗器应用的一个难题，即电流存在比较大的谐波，同时也降低了可控电抗器的损耗。还可以应用于串联电抗器，为实现电力***在线滤波提供了一个有利的手段。

附图说明

图1为三柱式带气隙的单相可控电抗器的结构示意图。

图2为六柱式带气隙的三相可控电抗器的结构示意图。

图中，1、2、3为高压绕组的三个出线端，4为气隙，5为高压线圈所在的铁芯柱，6为纵铁轭，7为高压绕组，8为横铁轭，9为构成交流导磁回路的铁芯柱，上面没有绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

带气隙的可控电抗器的每个***铁芯柱上都有一组或多组气隙层4，该气隙层的结构和工艺与普通固定容量的带铁芯的电抗器一样。每个***柱上还都装有两个带中间抽头的绕组，四个绕组分别称为左上、左下、右上、右下绕组，每个绕组的三个出线编号为1、2、3，1为上出线，3为下出线，2为中间抽头，总共有12个出线端。其中左上1和右上1相连，左下3和右下3相连，分别接到单相交流电源的两端。左上3和右下1相连，并接到续流二极管的正极。右上3和左下1相连并接到续流二极管的负极。左上2接正向可控硅的正极，左下2接正向可控硅的负极；右上2接反向可控硅的负极，右下2接反向可控硅的正极。其中的可控硅、续流二极管及触发控制电路构成了可控电抗器的控制部分，通过控制可控硅的导通角就可以控制电抗器本身的直流磁通，从而就可以控制电抗器的容量连续可调。

单相电抗为三柱式结构，而三相电抗采用六柱结构时，就可以节省三个导磁铁芯柱9，采用纵铁轭和横铁轭分开的方式，使交流磁路和直流磁路分开来，从而大大节省了材料，结构变的更紧凑。

本发明具有基本没有谐波、损耗较小等特点。

Claims (4)

1、一种用于电网中提供无功功率的带气隙的可控电抗器，由对称的铁芯柱(5)、(9)、轭部(6)、(8)、高压绕组(7)、功率驱动电路和控制电路所构成，该可控电抗器有两个***的铁芯柱，每个***铁芯柱上装有两个带中间抽头的绕组，带抽头的绕组与可控硅及二极管相连；其特征在于：所述的可控电抗器铁芯柱(5)上设计有一组或多组气隙层(4)，气隙层(4)由非导磁材料组成。

2、根据权利要求1所述的带气隙的可控电抗器，其特征在于：所述的可控电抗器铁芯的全部或部分所用的材料，该材料磁化曲线上在磁通密度B为1.5特斯拉(T)的点的磁场强度H大于100安培/米(A/m)。

3、根据权利要求1、2所述的带气隙的可控电抗器，其特征在于：所述的可控电抗器单相时为三柱式结构，中间铁芯柱的截面积与两边铁芯柱截面积之比大于1.5倍。

4、根据权利要求1、2所述的带气隙的可控电抗器，其特征在于：所述的可控电抗器三相时为六柱式结构，分别有两组纵铁轭(6)横铁轭(8)。

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