CN103187145A - 交叉铁心型可控电抗器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交叉铁心型可控电抗器，包括有一主铁心，主铁心的交流柱上绕有交流绕组，一控制铁心，控制铁心的直流柱上绕有直流绕组，主铁心和控制铁心共用部分铁心柱，使得直流绕组产生的磁通控制部分主铁心的饱和程度，而交流绕组产生的磁通不与直流绕组交链或者仅有部分与直流绕组交链。其交流绕组阻抗改变速度快，功耗较小，交流绕组和直流绕组之间不存在相互感应。
Description
技术领域
本发明属于高压设备制造技术，尤其涉及一种铁心型可控电抗器，主要应用于电抗器制作领域。
背景技术
随着超高压、长距离电网的建设和发展，线路对地的充电容量显著增加，结果造成轻载和空载时由于超前无功功率过大而使受端电压上升；超前电流使电力损耗增大以及切除负荷产生工频过电压等后果。因此，必须在系统上安装滞后分量的调相设备，以补偿充电容量。并联电抗器具有吸收超前无功和在超高压系统中限制操作过电压的作用。而且随着电力系统的不断发展，对电抗器的性能的要求越来越高，在许多场合希望电抗器的电抗值可实现调节或控制。
实现电感连续可调的常用方式有两种,即改变间隙和调节偏磁。改变间隙是通过连续改变磁路中的气隙长度来实现电感的连续可调。这种调节方式要求采用精密的机械传动机构,其响应速度慢,噪声大,易产生机械动作失灵。调节偏磁是通过改变铁心磁路的直流励磁磁通大小来实现电感的连续可调。这种调节方式调节速度上远高于改变间隙的调节方式，并且没有机械传动机构，可靠度较高，但随着电网电压等级的提高，这种调节方式不但暴露出功耗高的问题，而且由于需要强直流励磁，其工作绕组中交流电流在控制绕组中引起的感应高压问题很难解决，制约了其发展。
目前，可控电抗器中应用较为广泛的是磁阀式铁心可控电抗器，但这种设备仅在中电压级别有成熟产品，在高电压等级尚未得到广泛应用。其工作原理是设备在电网中直接取电，经电力电子元件整流后通入控制绕组，对铁心磁阀进行励磁，通过改变磁阀的磁状况来实现铁心上工作绕组的感抗可调。由于电力电子器件的使用受到电压和容量的限制，这成为该技术向高压领域发展的技术瓶颈。
本发明提出的技术方案核心在于有效地分离了交流工作绕组与直流控制绕组。工作绕组与控制绕组仅在磁路上以正交或斜交的方式存在部分重合，这不仅使得控制绕组能够通过交叉区域的磁状况控制工作绕组的感抗，而且还有效地隔断它与工作绕组之间的磁耦合和电连接。设备的磁控单元处于低电位，既不承受电网电压，也不因交流侧通流而产生感应电压或感应电流，因此磁控单元不受电网电压及传输容量的制约，便于设计制作出适用于高电压领域的可控电抗器设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉铁心型可控电抗器，让部分主铁心也成为控制铁心的一部分，使得它的饱和程度可以受直流绕组的控制，从而达到控制主铁心上交流绕组阻抗的目的，同时，交流绕组磁通不能与直流绕组交链或完全交链，从而工作电流不会在直流绕组中引起难以处理的感应高压。而且其总的损耗要小于一般可控电抗器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种交叉铁心型可控电抗器，包括有一主铁心，主铁心的主边柱上绕有交流绕组，一控制铁心，控制铁心上绕有直流绕组。主铁心和控制铁心共用部分铁心柱，使得控制绕组产生的磁通可以控制部分主铁心的饱和程度，而交流绕组产生的磁通不与控制绕组交链或者仅有部分与控制绕组交链，防止交流绕组的磁通在直流绕组上产生很高的感应电压。
主铁心和控制铁心共用部分铁心柱可以采取以下三种主要方式：
在主铁心的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入所述控制铁心的部分铁心柱，控制铁心的铁心柱与主铁心的铁心柱呈正交或斜交。
在控制铁心的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入所述的主铁心的部分铁心柱，主铁心的铁心柱与控制铁心的铁心柱呈正交或斜交。
主铁心与控制铁心的部分铁心柱相互交叠，二者呈正交或斜交。该控制铁心的某一部分可与主铁心以插接、榫卯或交替插铁等方式相互交叠为一体。
直流绕组为常导导线或超导导线绕制。
本发明的优点是：
1）交流绕组中的电流不会让直流绕组产生感应，大大降低了直流绕组的绝缘要求；
2）由于直流绕组绝缘要求的降低，也可以缩小直流绕组体积和铁心窗口尺寸，从而减小控制铁心体积；
3）由于调节控制铁心体积可以远小于工作的主铁心，而调节交流绕组阻抗仅需要调节控制铁心的饱和程度即可，因此这种电抗器的调节速度可以高于普通磁控式可控电抗器；
4）该电抗器的交流绕组和主铁心存在铜损和铁损，但其控制铁心与超导线材制作的直流绕组基本没有损耗，其总的损耗要小于一般可控电抗器。
附图说明
图1 为本发明交叉铁心型可控电抗器的一实施例结构示意图。
图2 为本发明交叉铁心型可控电抗器的另一实施例结构示意图。
图3 为本发明交叉铁心型可控电抗器的又一实施例结构示意图。
图4 为本发明交叉铁心型可控电抗器模型实验示意图。
图5 为本发明交叉铁心型可控电抗器模型实验结果表。
图6 为本发明交叉铁心型可控电抗器模型测试的阻抗曲线图。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明交叉铁心型可控电抗器主体由主铁心1、控制铁心2、交流绕组3和直流绕组4组成。其中，交流绕组3绕在主铁心1的主边柱上；直流绕组4绕在控制铁心2上。
本发明的主要创新点在于：与常规的电抗器相比，该电抗器中增入了一控制铁心2，增入的控制铁心2与原主铁心1共用部分铁心柱。
控制铁心2与主铁心1共用部分铁心柱的结合形式可以是以下主要形式之一：
其一：在主铁心1的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入所述的控制铁心的部分铁心柱，控制铁心的铁心柱与主铁心的铁心柱呈正交或斜交。如图1所示，为该结合形式的一实施例，先在主铁心1的副边柱上切一个缺口，控制铁心2的内边柱通过该缺口与主铁心的副边柱相互接合为一体，使得该控制铁心2外边柱上绕有的直流绕组4和绕在主铁心1主边柱上的交流绕组3呈相互正交。控制铁心插入开口的部分铁心柱称为控制段。
其二：在控制铁心2的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入主铁心1的部分铁心柱，控制铁心的铁心柱与主铁心的铁心柱呈正交或斜交。图2示出了该结合形式的一具体实施例。
其三：让控制铁心2与原主铁心1的部分铁心柱相互交叠，二者呈正交或斜交，该结合形式的一实施例可参见图3所示。交叠方式可以有多种，如插接、榫卯或交替插铁等。
铁心柱共用接合方式还可以更多的具体形式，如除交流柱和直流柱外，主铁心和控制铁心共用部分铁心柱；或主铁心的交流柱与控制铁心的直流柱部分共用；或主铁心的交流柱与控制铁心除直流柱外的铁心柱部分共用；或控制铁心的直流柱与主铁心除交流柱外的铁心柱共用等。此处不再一一列举，只需能够保证满足工作状态即可，即应满足：无论所述的主铁心和控制铁心采用哪种形式共用部分铁心柱，应使得直流绕组产生的磁通控制部分主铁心的饱和程度，而交流绕组产生的磁通不与直流绕组交链或者仅有部分与直流绕组交链。
应用中，将交流绕组2并联接入电网中。当直流绕组4无电流时，主铁心1相当于一个闭合的铁心，它与交流绕组3一起形成一个带铁心的电抗器，使得交流绕组3呈现较高的阻抗。当直流绕组4励磁时，可以改变控制铁心的磁化状态，进而改变控制段的磁导率和主铁心的磁通量，最终改变了交流绕组3的阻抗，特别是当直流绕组4励磁使控制段充分饱和时，主铁心1近似于一个开口的铁心，此时，电抗器阻抗最小。
这种结构的一个优点是交流磁通和直流磁通相互正交，因此交流绕组中的电流不会让直流绕组产生感应，大大降低了直流绕组的绝缘要求，并且由于绝缘要求的降低，也可以缩小直流绕组体积和铁心窗口尺寸，从而减小控制铁心体积。由于调节控制铁心体积可以远小于工作铁心，而调节交流绕组阻抗仅需要调节控制铁心的饱和程度即可，因此这种电抗器的调节速度可以高于普通磁控式可控电抗器。最后，该电抗器的交流绕组和主铁心存在铜损和铁损，但其控制铁心与超导线材制作的直流绕组基本没有损耗，其总的损耗要小于一般可控电抗器。
图4是本发明交叉铁心型可控电抗器的一模型构成示意图，用一个卷铁心作为主铁心，在其上绕制94匝线圈，并开一个缺口。用另一个卷铁心作为控制铁心，并在其上绕制72匝绕组。控制铁心插入主铁心缺口，构成交叉铁心型可控电抗器模型。
利用调压器、直流电源分别给交流绕组和直流绕组供电，并监测交流绕组的端电压和电流，即可测试电抗器模型的性能。在实验中，直流绕组不通电流，或通过5A电流，而交流绕组通过1～10A电流，根据交流电流和交流绕组两端电压计算交流绕组阻抗。模型样机实验结果如图5中的表所示。
根据图6的图示说明，直流励磁确实对交流绕组阻抗起到了调节作用。证明本发明的原理是可行的。
上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本申请专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种交叉铁心型可控电抗器，包括有一主铁心，主铁心的交流柱上绕有交流绕组，一控制铁心，控制铁心的直流柱上绕有直流绕组，其特征在于：主铁心和控制铁心共用部分铁心柱。
2.根据权利要求1所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：所述的主铁心和控制铁心共用部分铁心柱，使得直流绕组产生的磁通控制部分主铁心的饱和程度，而交流绕组产生的磁通不与直流绕组交链或者仅有部分与直流绕组交链。
3.根据权利要求1所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：在主铁心的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入所述控制铁心的部分铁心柱，控制铁心的铁心柱与主铁心的铁心柱呈正交或斜交。
4.根据权利要求1所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：在控制铁心的部分铁心柱上切有一个缺口，在该缺口中插入所述的主铁心的部分铁心柱，主铁心的铁心柱与控制铁心的铁心柱呈正交或斜交。
5.根据权利要求1所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：主铁心与控制铁心的部分铁心柱相互交叠，二者呈正交或斜交。
6.根据权利要求1所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：直流绕组为常导导线或超导导线绕制。
7.根据权利要求5所述的交叉铁心型可控电抗器，其特征在于：该控制铁心的一部分与主铁心以插接、榫卯或交替插铁方式相互交叠为一体。
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