CN2487085Y

CN2487085Y - 磁控式可控电抗器

Info

Publication number: CN2487085Y
Application number: CN 01229191
Authority: CN
Inventors: 刘有斌; 谢卫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2002-04-17
Anticipated expiration: 2011-06-26

Abstract

电网无功补偿所采用的最主要的方式都不是连续可调的,本实用新型采用的是一种新型的磁控式电抗器,可以产生连续可调的无功功率。本装置其形状是完全对称的,有两个***铁芯柱,每个***铁芯柱具有相近的截面积,其上装有两个带中间抽头的线圈,它们与两个反向连接的可控硅相连,产生可以控制的直流磁通;电抗器可以为三柱或四柱式结构,铁芯柱与两边的轭其截面积是相近的,通过饱和作用达到电磁控制电抗器容量的效果,比磁阀式可控电抗器成本要低,是现有无功补偿装置升级换代的产品。

Description

磁控式可控电抗器

本实用新型是电网中进行无功补偿的一种新型电气设备。

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，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。

电网白天和晚上之间负荷变化很大，白天负荷高峰时容性无功缺口很大，而到了晚上由于线路本身可以产生无功，甚至会发生需要补偿感性无功的情况。现在电力***中高压电容的投切一般为两级或四级，且实现自动投切比较困难，这是因为投切产生太大的冲击涌流，对投切开关及电容的损害都比较大，一天多次投切，开关的寿命有限，采用国外进口的专用开关，价格又十分昂贵，同样也存在寿命问题，一般都不自动投切，而是采用人工投切的方式。现在无人值守的变电站越来越多，无功补偿电容的投切是他们面临的一个非常棘手的问题。采用两级或四级投切，其无功容量的控制精度也几乎无从谈起，这些当然都会增加网损、降低电网运行的质量。

可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的。随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向钢带和高磁导率、高矩形系数的坡莫合金材料的出现，磁放大器以及饱和电抗器的理论及应用达到一个新水平，并且已引入到电力***。普通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。

本实用新型就是针对上述情况，以容量连续可调、减少谐波噪音、成本最低为目标研制的一种磁控式可控电抗器。

附图1为三柱式可控电抗器的结构示意图

附图2为四柱式可控电抗器的结构示意图

附图3为四柱式交流激磁磁通路径(电源正半周时)

附图4为四柱式交流激磁磁通路径(电源负半周时)

附图5为四柱式直流激磁磁通路径(电源正半周且T1导通时或电源负半周且T2导通时)

附图6为三柱式交流激磁磁通路径(电源正半周时)

附图7为三柱式交流激磁磁通路径(电源负半周时)

附图8为三柱式直流激磁磁通路径(电源正半周且T1导通时或电源负半周且T2导通时)

附图9为磁控式可控电抗器控制原理框图

附图10为可控电抗器控制***原理接线总图

本实用新型分为电抗器本体和控制电路两部分。电抗器的本体如图1和图2所示，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；电抗器是单相电抗器，为三柱或四柱式结构，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；四柱式结构两***铁芯柱在中间，两边各有一个导磁用的铁芯柱。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，也允许制造上有偏差，但***铁芯柱其最小处的截面积与最大处的截面积之比应该大于80％。每个***柱上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。

电抗器可以为三柱式结构，也可以为四柱式结构，三柱式结构在工艺与成本方面有一些优势。对三柱式或四柱式结构，导磁铁芯柱、轭部可以设计为饱和的，以便为电抗器的容量做贡献，也可以设计为不饱和的，以减少饱和所带来的损耗的增加，所以导磁铁芯柱和轭部的截面积与***铁芯柱的截面积可以是相近的，也可以在一定的范围内变化，其中最小的截面积与最大截面积之比要大于50％，以在成本与损耗之间找一个合理的折中。

***铁芯柱上的绕组，其中间抽头部分的匝数与总匝数之比并不是5％不变的，而是随电压的变化而变化的，以保证绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值相近，为最有效地利用材料，绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值误差应在20％以内。

本实用新型在原来磁阀式电抗器的基础上进行了改进，其最显著的特点是可以减少材料的使用率，从而可以显著的降低成本；将饱和段加长可以避免磁力线在局部段过于集中的缺点，可以显著地降低振动和噪音，并且其容量调节范围宽、结构简单、成本较低，从空载到满载的调节率均可达到90％以上，可直接接于超高压线路侧。由于磁控电抗器的特殊结构，使它具有简单的结构、宽广的调节范围、较小的高次谐波、较小的有功损耗以及较快的响应速度。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

1.运行状态

不考虑晶闸管、二极管导通和关断的过渡过程，电抗器在一个工频周期的运行状态可分为：①T₁、T₂不导通，此时电抗器就相当于一台空载运行的普通变压器，空载电流很小，电抗器容量最小；②当电源处于正半周时，晶闸管T₁承受正向电压，T₂承受反向电压，若T₁被触发导通，电网电压经变比为δ的绕组自藕变压后，由绕组的下半段向电路提供直流控制电压，产生激磁偏流，四柱式结构交直流磁路分别如图3、图5，三柱式结构交直流磁路分别如图6、图8，两者合成即为实际磁通分布，这时左边***铁芯柱饱和；③当电源处于负半周时，晶闸管T₁承受反向电压，T₂承受正向电压，若T₂被触发导通，同样可以提供直流控制电压和激磁偏流，而且直流控制电流的方向与状态2时完全一致，四柱式结构其交直流磁路分别如图4、图5，三柱式结构其交直流磁路分别如图7、图8，两者合成即实际磁通分布，这时右边***铁芯柱饱和。这样，在交流电源的一个工频周期内，晶闸管T₁、T₂的轮流导通起了全波整流的作用，二极管则起续流作用。由于直流控制电流的方向保持不变，改变晶闸管的触发导通角便可改变激磁偏流的大小，从而改变电抗器铁芯磁路的饱和程度，达到平滑调节电抗器容量的目的。

2.容量调节

触发导通角α的工作范围为0～180度，当α等于0度时，晶闸管T₁、T₂轮流导通180度，这时产生的激磁偏流最大，磁路最饱和，磁路的磁阻最大，所需的激磁电流最大，电抗器容量最大；随着α的增大，晶闸管导通时间减少，激磁偏流减小，磁路饱和度降低，磁阻减小，激磁电流减小，电抗器容量减小；当α达到180度时，晶闸管不导通，无激磁偏流产生，相当于一台变压器的空载运行，电抗器容量最小。在任何情况下，激磁偏流所产生的磁通在两个***铁芯柱内方向相反，自行闭合。

3、控制装置

电抗器的控制也举例说明，如图9、图10所示，被控制装置的电流和电压经过电流、电压互感器变为低电平的电压信号，然后进行A/D转换，A/D转换的频率随交流信号频率的改变而改变，根据交流采样的原理可以求出电压有效值和无功功率及功率因数，根据电压控制或功率因数控制或两者复合控制的原理进行数字PID调节计算，得出需要的可控硅的导通角来。电压互感器同时产生同步脉冲信号，用于可控硅的过零驱动，同步信号进入CPU的信号捕获端子，通过内部定时器产生一路PWM信号，进行反相，并经过脉冲变压器来驱动可控硅达到所要求的导通角。

本实用新型具有结构简单、成本低廉、控制性能优异等显著特点。

Claims

1.一种用于电网中进行无功补偿的磁控式可控电抗器，由对称的铁芯柱、轭部、绕组、二极管、可控硅和控制电路所构成；其特征在于：所述的电抗器是完全对称的结构，其中有两个***的铁芯柱，每个***铁芯柱其截面积是相近的，最小处铁芯截面积与最大处铁芯截面积之比大于50％，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。

2.根据权利要求1所述的磁控式电抗器，其特征在于：所述的电抗器的***铁芯柱，其最小处截面积与最大处截面积的最佳比例范围为95％至100％之间。

3.根据权利要求1、2所述的磁控式电抗器，其特征在于：所述的电抗器为三柱式结构，所有铁芯柱的截面积与两边轭部截面积是相近的，其中的最小截面积与最大截面积之比大于50％。

4.根据权利要求1、2所述的磁控式电抗器，其特征在于：所述的电抗器为四柱式结构，所有铁芯柱的截面积与两边轭部截面积是相近的，其中的最小截面积与最大截面积之比大于50％。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的磁控式可控电抗器，其特征在于：所述绕组的中间抽头部分的匝数与总匝数之比是可变的，以保证绕组中的最大直流电流幅值与交流电流有效值相近，误差在20％以内。