非接觸式可控電抗器的製作方法
2023-10-04 05:18:09 2
專利名稱：非接觸式可控電抗器的製作方法
技術領域：
非接觸式可控電抗器可以應用於電力系統的無功補償、高次諧波濾波器、限制工頻過壓、抑制電壓閃變、維持無功潮流平衡等。
背景技術：
可控電抗器在電力系統中有十分廣闊的應用前景和巨大潛力。下面是它可以應用的範圍和功能。
(1)在超高壓電網中作調相調壓設備可控電抗器由於可做成任何電壓等級，直接併入超高壓電網，因此具有顯著的技術優勢和經濟性。在超高壓電網的樞紐站和大型終端站，為了補償地區所需無功以調整電壓和維持系統穩定，以及對於今後在更多地區興建坑口電站和大型水電站(如三峽水電站)，為改善系統的穩定性能和減少輸電損耗，使受端所需無功進行自我補償，都需要很大的調相容量。可控電抗器將為我國今後解決這一矛盾提供一個理想的途徑。
(2)在遠距離輸電系統中，在輕載時由於法拉第效應會在線路末端產生電壓升高現象。假如送端系統較弱，則送端電壓也會有所升高。由於超高壓系統的絕緣水平只有少量裕度，所以此種穩態工頻過電壓就成了安全運行的嚴重威脅。以往是靠裝設固定聯接的並聯電抗器來吸收過剩無功，以抑制工頻過電壓。但是固接的大容量並聯電抗器帶來了以下不利影響(a)增大了等效波阻抗，減少了自然功率值和線路傳輸能力；(b)在重載輸電時，仍需給電抗器提供大量無功，這就要求受端系統增大容性補償無功和相應投資；(c)因電抗器有持續的有功損耗而增大輸電成本。可控電抗器能直接接在超高壓線路側(開關在內)，同時發揮同步補償機和並聯電抗器的作用。除了可限制上述工頻過電壓外，可控電抗器還能大幅度地限制因線路開關操作而產生的操作過電壓，從而可望取代現有的限壓裝置(如合閘並聯電阻)。除抑制系統過電壓外，由於可控電抗器有快速的動態響應能力，可以在系統受到某種大的幹擾時，自動保持甚至提高端點電壓，這樣就提高了系統的穩定性，增大了輸電能力。此外，在遠距離輸電系統中，由於可控電抗器能快速補償無功、穩定電壓，因此它是抑制系統功率振蕩的有效設備。
(3)在直流輸電系統中，高壓直流輸電往往需要解決以下重要問題(a)補償無功整流站及送變站各需提供直流輸送功率的50％至60％的補償無功；(b)調整電壓；(c)抑制過電壓，降低絕緣要求。可控電抗器配合電容器組可解決上述問題。
(4)在有衝擊負荷的電力用戶和變電站中，可控電抗器可用來抑制電壓閃變、補償用戶無功、提高功率因素以及平衡負載。
(5)在諧振接地配電網中，應用可控電抗器原理製作的可調消弧線圈具有可靠性高、響應速度快、諧波小的優點，(6)單相可控電抗器接入三相整流電路的零序迴路中，根據負荷變化而自動調節，可使系統功率因素接近1.0，而高次諧波分量大大減少。
目前，根據磁飽和原理工作的可控電抗器，最有代表性的是兩種磁閥式可控電抗器和裂芯式可控電抗器。這兩種可控電抗器都通過改變鐵心控制繞組中的直流電流大小來改變鐵心的磁飽和度，從而改變電抗器的電抗值。磁閥式可控電抗器的繞組中同時通過交流工作電流和直流控制電流，利用電力電子裝置來改變直流控制電流的大小，從而改變電抗器在磁化曲線上的工作點，即鐵芯的飽和度(即工作點)，達到平滑調節電抗值的目的。裂芯式可控電抗器的調節原理與磁閥式大體相同，只是它的直流控制繞組是單獨的，並且需單獨提供激勵電源，但直流控制繞組與工作繞組仍共用一個鐵心。這兩種可調電抗器的直流主磁通與交流主磁通都以鐵心為磁路，交直流磁通通過鐵心匝鏈，所以它們都屬於接觸式可控電抗器。這類接觸式可控電抗器都工作在磁化曲線接近飽和的區域，其非線性特性使可控電抗器在工作時會產生不容忽視的諧波。應用在高電壓線路中時，接觸式可控電抗器的控制繞組會產生很高的感應電勢。這就對繞組的絕緣水平提出了更高的要求，從而使成本上升，相應地也增大了電抗器的體積。非線性特性產生的諧波及對絕緣水平的要求較高是這類接觸式可控電抗器存在的明顯不足。
發明內容
本發明的目的在於提供非線性特性產生的諧波小、對控制繞組的絕緣要求低且體積小的非接觸式可控電抗器。
本申請所採用的非接觸式可控電抗器將直流控制繞組與工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變工作繞組的磁通，從而改變電抗值。本申請採用的控制繞組有三種形式空心螺線管、半鐵心直螺線管以及鐵心環狀螺線管。空心螺線管線圈通過改變螺線管線圈的匝數來改變磁通，從而改變可控電抗器的電抗值。空心直流控制螺線管線圈通過改變通過螺線管線圈中的直流來改變線圈中的磁通，從而改變整個可控電抗器的電抗值。鐵心直螺線管線圈及鐵心環狀螺線管都是通過直流激勵來改變電抗器的電抗值的，但工作機理不同。前者使鐵心工作在接近飽和區，通過改變鐵心的磁飽和程度來改變電抗器的電抗值，後者鐵心並不工作在接近飽和區，而是依據磁疇理論使鐵心磁疇同時受到軸向交流磁場和環向直流磁場兩個方向的作用而改變磁導率，進而改變電抗器的電抗值。對於帶鐵心的環狀螺線管，由於環狀線圈與工作繞組垂直放置，其產生的直流控制磁通與交流工作主磁通正交，故即使應用在高電壓線路中時，也不會在控制繞組中產生很高的感應電勢，這樣就大大降低了控制部分對絕緣性能的要求，相應地，絕緣投入成本降低，電抗器的體積也能得到控制。由於直流磁通與交流磁通正交，在磁路上無匝鏈，所以直流磁通不影響交流工作電流，這樣就大大降低了在工作繞組上產生的諧波。磁路上，由於環狀螺線管的控制磁通沿鐵心閉合，所以直流激磁並不需要很大的功率。
本發明所述的非接觸式可控電抗器之一，其特徵在於，該可控電抗器是一種使控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；匝數可調的空心螺線管，該螺線管中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，該螺線管通過開關矩陣電路來確定閉合的匝數，工作時，通過調整空心螺線管的匝數來調節空心電抗器的磁通，從而調節整個電抗器的電抗值。
本發明所述的非接觸式可控電抗器之二，其特徵在於，該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；由單獨的直流激磁電源供電的空心螺線管，該螺線管中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，該螺線管通過外接單獨的可變直流電源來調節空心電抗器的磁通，從而調節整個電抗器的電抗值。
本發明所述的非接觸式可控電抗器之三，該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；半鐵心直螺線管，該直螺線管的中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，且該直螺線管由單獨的直流激磁電源供電，所產生的直流磁通通過該空心電抗器外部的空氣後與上述空心電抗器的交流磁通在電抗器中匝鏈，工作時，使半鐵心工作在接近飽和區，改變其工作點，可以改變半鐵心的飽和程度，從而改變整個電抗器的磁通。
本發明所述的非接觸式可控電抗器之四，其特徵在於該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；帶鐵心的環型螺線管，該帶鐵心的環型螺線管的軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，且該環型螺線管由單獨的直流激磁電源供電，並使鐵心工作點儘可能接近線性區，所產生的直流磁通與上述空心電抗器所產生的交流磁通在鐵心內部正交，通過張量磁導率引起鐵心軸向磁導率變化，從而改變整個電抗器的電抗值。
本發明具有非線性特性產生的諧波小、對控制繞組的絕緣要求低的優點。而且從製作工藝上看，與磁閥式可控電抗器和裂芯式可控電抗器相比，非接觸式可控電抗器製造工藝簡單，便於製造。因此，無論是從電抗器的工作性能還是從生產成本來看，非接觸式可控電抗器都具有十分廣泛的應用前景。
圖1，非接觸式可控電抗器工作原理圖L1為可控電抗器與線路相連的空心線圈，L2為可控電抗器的控制繞組，e＝E_sinωt為可控電抗器兩端的工作電壓，Ek為控制繞組的直流控制電壓。
圖2，控制繞組為空心螺線管的非接觸式可控電抗器結構圖。控制繞組由單獨的直流激磁電源供電。
圖3，控制繞組為空心螺線管的非接觸式可控電抗器結構圖。控制繞組通過開關矩陣來控制其閉合的匝數。
圖4，控制繞組為帶鐵心的直螺線管的非接觸式可控電抗器結構圖。鐵心直螺線管接直流電源作為激勵電源，外電感與工作迴路串聯。
圖5帶鐵心的環型螺線管L1為可控電抗器與線路相連的空心線圈，L2為帶鐵心的環型螺線管，它作為可控電抗器的控制繞組與激磁直流電源相連。
圖6磁閥式和裂芯式可控電抗器的非線性工作區通過工作點的改變，使電抗器的鐵心的磁導率發生變化，從而改變電抗值。
圖7環型鐵心線圈工作在不同的磁化曲線上由於直流磁通與交流磁通在環型鐵心內相互垂直，則改變直流激磁時，環型鐵心中的縱向磁導率呈張量變化。
圖8鐵心環型螺線管非接觸式可控電抗器控制特性圖例中稜形表示初始電流為2.147A開始測試，方形表示初始電流為1.373A時開始測試，三角形表示初始電流為774.7mA時開始測試。可以看出，電抗器的變化量為12％，且有較好的線性度。
圖9半鐵心直螺線管非接觸式可控電抗器控制特性電抗值的變化量為17％，且有較好的線性度。
圖10帶鐵心的環型螺線管非接觸式可控電抗器諧波總畸變率從不加控制的8.34％到加2A直流激磁後的8.95％，可見總畸變率很小。
圖11半鐵心直螺線管非接觸式可控電抗器的諧波總畸變率從不加控制的8.34％到加3A直流激磁後的8.81％，可見總畸變率很小。
圖12磁閥式可控電抗器的諧波總畸變率從不加控制的8.34％，到加控制電壓3V後的17.58％，可見總畸變率增加較大，產生的諧波較大。
圖13，非接觸可控電抗器的磁場分布的計算機仿真。上圖為，在環型鐵心螺線管中，不加直流激勵時，整個電抗器的磁場分布，下圖為，在環型鐵心螺線管中，加1A直流激勵時，整個電抗器的磁場分布。可以看出，在環型鐵心螺線管上加上直流激勵後，磁場分布在縱向上有所分散，而且強度也有所減小。
具體實施例方式
由於磁閥式可控電抗器和裂芯式可控電抗器都存在非線性特性明顯、諧波相對較大以及對絕緣的要求較高的缺陷，本發明的目的就是，通過運用磁疇理論及對取向矽鋼材料特性的分析，獲得一種新型的非接觸式可控電抗器的結構，採用三種不同形式的控制繞組，減小電抗器的諧波，降低絕緣要求，簡化製作工藝。
傳統的磁閥式和裂芯式可控電抗器的工作點都選在接近飽和段附近的非線性區域，如圖5所示，電抗器在這一區域工作保證了可以通過較小的直流偏置獲得較大的電感變化量。但這一非線性區域也使電抗器的輸出電流不可避免地產生諧波，當產生的諧波超過了國家諧波標準時，將對電力系統造成危害，嚴重時甚至使電抗器無法投運。
本發明的特徵是採用不同繞線方式的控制繞組用於非接觸式可控電抗器中，獲得不同控制繞組下的非接觸式可控電抗器的工作特性。通過改變控制繞組的匝數，或改變控制繞組的直流控制電流來改變電抗器中的磁通，從而改變電抗器的輸出電抗值。
本發明利用取向矽鋼片的各向異性特點，通過在與鐵心的易磁化軸方向(鐵心軸向)垂直的方向(鐵心環向)上施加直流磁場，使圓筒鐵心的軸向磁導率脫離非線性區，進入線性區。
整個磁化過程的機理是，在退磁的鐵磁材料中，自發磁化矢量總是處於最低能量狀態，即磁疇處於平衡穩定狀態。當逐漸增加磁場時，磁化矢量與磁場方向最靠近的那些磁疇通過疇壁移動吞併相鄰磁疇而長大，磁場繼續增大時，依靠疇壁移動已長大的磁疇和尚未被吞掉的磁疇發生轉動，使磁化矢量與磁場方向相平行。在動態(即在交變磁場)的情況下，磁導率將不再是實數而是複數，此時，由於還有恆定磁場的同時作用，所以磁導率成為一張量，即環向直流激磁不僅能產生環向上的磁化強度或磁感應強度，同時還能產生軸上的磁化強度或磁感應強度。
鐵心的張量磁導率按分量可表述為
B1=11H1+12H2+13H3B2=21H1+22H2+23H3B3=31H1+32H2+33H3]]>由於徑向上無激磁，忽略該方向上的磁場強度和磁感應強度，則張量磁化率又可表示為=1+x=-ia0ia0000]]>通過控制環向磁化電流，使鐵心進入不同斜率(磁導率)的線性區間。如圖4。
依據外電感線圈的額定工作電壓，可以測算出線圈中心位置處的磁場強度，由此確定環向鐵心線圈的匝數和激磁電流。本發明用的實驗環狀鐵心線圈使用了50匝和100匝兩組，激磁電流從0A到7A可調。
非接觸可控電抗器的原理如圖1所示，其中電抗器的控制繞組有三種形式，一種是採用空心螺線管線圈，第二種是採用鐵心直螺線管線圈，這兩種結構都比簡單。第三種是採用一個由取向矽鋼片卷繞而成的圓筒作為鐵心的環狀螺線管線圈。對於第三種控制繞組，由於工作繞組(交流)與控制繞組(直流)的磁通相互正交，因此，交直流磁通互不影響，直流控制電流不會影響電抗器的線性特性。此外，直流磁路為閉合的鐵芯結構，產生較強的直流控制磁場所需的直流功率較小。對於直螺線型的控制繞組，則是通過直流電流直接改變鐵心的磁飽和程度來改變電抗值，由於直流通過直螺線繞組時，磁場所經過的磁路並非閉合的鐵心結構，還須穿過鐵心外部的空氣，所以要產生較強的直流控制磁場所需的直流功率要求較大。
第三種控制繞組的非接觸式可控電抗器的諧波特性如圖12。在工作繞組施加一正弦電壓，改變控制繞組的直流控制電流，同時測量對應的工作繞組的電流，通過對工作電流進行頻譜分析，可以看出，環狀螺線管控制繞組的電抗器工作諧波總畸變率與直流控制電流的大小几乎無關，即直流控制電流並不影響電抗器的線性特性。實際上，正是因為直流控制繞組與交流繞組正交，直流磁通不與交流磁通匝鏈，從而使得直流控制電流不影響交流工作繞組的線性特性。
計算機仿真以及實驗室裝置的物理實驗結果均證明上述方法可以達到預期目的。
權利要求
1.非接觸式可控電抗器，其特徵在於該可控電抗器是一種使控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；匝數可調的空心螺線管，該螺線管中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，該螺線管通過開關矩陣電路來確定閉合的匝數，工作時，通過調整空心螺線管的匝數來調節空心電抗器的磁通，從而調節整個電抗器的電抗值。
2.根據權利要求1所述的非接觸式可控電抗器，其特徵在於該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；由單獨的直流激磁電源供電的空心螺線管，該螺線管中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，該螺線管通過外接單獨的可變直流電源來調節空心電抗器的磁通，從而調節整個電抗器的電抗值。
3.非接觸式可控電抗器，其特徵在於該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變整個電抗器的電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；半鐵心直螺線管，該直螺線管的中心軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，且該直螺線管由單獨的直流激磁電源供電，所產生的直流磁通通過該空心電抗器外部的空氣後與上述空心電抗器的交流磁通在電抗器中匝鏈，工作時，使半鐵心工作在接近飽和區，改變其工作點，可以改變半鐵心的飽和程度，從而改變整個電抗器的磁通。
4.非接觸式可控電抗器，其特徵在於該可控電抗器是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，通過改變直流控制繞組的磁場分布來改變交流工作繞組的磁通，從而改變電抗值的一種可控電抗器，該可控電抗器包括空心電抗器，該電抗器的工作繞組串接在交流工作迴路中；帶鐵心的環型螺線管，該帶鐵心的環型螺線管的軸線與上述空心電抗器的中心軸線重合，且該環型螺線管由單獨的直流激勵電源供電，並使鐵心工作點儘可能接近線性區，所產生的直流磁通與上述空心電抗器所產生的交流磁通在鐵心內部正交，通過張量磁導率引起鐵心軸向磁導率變化，從而改變整個電抗器的電抗值。
全文摘要
本發明屬於電力器件技術領域，其特徵在於，它是一種使直流控制繞組與交流工作繞組在空間上徹底分開，用匝數可調的空心螺線管、帶可變直流激磁的空心螺線管、帶直流激磁的半鐵心直螺線管或帶直流激磁的環型鐵心螺線管作為控制繞組的非接觸式可控電抗器，分別通過改變磁通量、控制半鐵心的磁飽和程度以及控制環型鐵心的磁疇在正交磁場下的轉動方向來改變電抗值，可以改善傳統可控電抗器的非線性特性，減少諧波量，降低絕緣要求，控制電抗器的體積。該可控電抗器應用於電力系統的無功補償、高次諧波濾波器、限制工頻過壓、抑制電壓閃變、維持無功潮流平衡等領域，在技術特性和製作工藝上都具有先進性。
文檔編號H01F27/34GK1790565SQ200510130709
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月23日 優先權日2005年12月23日
發明者陳建業, 王贊基, 蔣正榮, 于明濤 申請人:清華大學