專利名稱：電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于高低壓電網(wǎng)無功功率動態(tài)補(bǔ)償時抑制電網(wǎng)諧波和限制合閘涌流的串聯(lián)電抗器。

背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外在無功功率補(bǔ)償和諧波治理方面都已經(jīng)積累了比較豐富的經(jīng)驗，并且國內(nèi)外均有比較成熟的產(chǎn)品，無功功率補(bǔ)償通常采用投切電容器的方法，諧波治理通常采用無源或有源濾波器來實現(xiàn)諧波的治理，無源濾波器主要是由電抗器和電容器串聯(lián)構(gòu)成，具有容易設(shè)計的優(yōu)點，但是其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性。盡管有源電力濾波器有著無源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無源濾波器還不現(xiàn)實，這是因為與無源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本高，這一點是限制有源電力濾波器推廣使用的主要原因，因此，無源濾波器目前使用還比較普遍。
由于電網(wǎng)負(fù)載情況復(fù)雜，絕大多數(shù)電網(wǎng)都需要同時進(jìn)行無功功率補(bǔ)償和諧波治理，這樣就需要兩套裝置，況且直接將電容器并聯(lián)在電網(wǎng)上進(jìn)行無功補(bǔ)償，電網(wǎng)上將會產(chǎn)生一定的諧波放大，在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的方法解決諧波放大問題，若電抗器的電抗率選擇合適又可以抑制高次諧波的作用。因此，目前國內(nèi)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置都是將固定的電抗器串聯(lián)于電容器回路中，這樣不僅能對電網(wǎng)中無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，還可以抑制電網(wǎng)中的諧波。而實際電網(wǎng)中負(fù)載是在不斷變化的，功率因數(shù)也隨時在變化，為了適應(yīng)電網(wǎng)變化的功率因數(shù)，就要求采用多組電容器分組投切，以達(dá)到對電網(wǎng)功率因數(shù)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?。如果電容器的組數(shù)發(fā)生變化，而電抗器的感抗值不變，則起不到抑制諧波的作用，還有可能出現(xiàn)諧波放大的效果。為了達(dá)到既起到功率補(bǔ)償又抑制電網(wǎng)諧波通常采用多組電抗器分別與多組電容器串聯(lián)組合使用，這種方法缺點是需要多組電抗器，增加了設(shè)備投資，也增加了占地面積。
通過上述分析及電網(wǎng)的實際運行情況，電抗率可調(diào)的電抗器可以實現(xiàn)無功功率補(bǔ)償和諧波治理于一體的補(bǔ)償濾波效果，這樣不僅可以減少設(shè)備投資，減少了設(shè)備的占地面積，同時也實現(xiàn)了無功功率補(bǔ)償與諧波治理的雙重效果，因此，電抗率可調(diào)的干式鐵芯電抗器具有非常重要的實際應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是串聯(lián)電抗器的感抗值，即電抗率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到當(dāng)電網(wǎng)諧波和無功功率變化時自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，使無功功率補(bǔ)償和諧波抑制達(dá)到最佳效果，并且可以減少設(shè)備投資和減小設(shè)備占地面積。
為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種用于高低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償時抑制諧波和限制涌流的電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器。電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器，包括電抗器、電容器組和開關(guān)，電抗器由電抗器線圈和電抗器鐵芯構(gòu)成，電抗器鐵芯采用變截面，在鐵芯中間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的飽和程度來改變電抗器的感抗值，電容器與熔斷器串聯(lián)后構(gòu)成電容器組與電抗器串聯(lián)在一起，采用開關(guān)投切，熔斷器起到過流保護(hù)的作用，電容器主要根據(jù)電網(wǎng)無功功率的情況進(jìn)行分組投切，以達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康模@樣可以通過不同組別的電容器與可調(diào)電抗器構(gòu)成電抗率可調(diào)或當(dāng)電容器組別變化時保證電抗率維持一定值的功能。
本實用新型具有積極的效果(1)電抗器的感抗值通過調(diào)節(jié)電抗器鐵芯的磁路飽和程度實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，使電抗率在0.1～1％、4.5％～6％和6％～12％或其他范圍連續(xù)可調(diào)，可以滿足當(dāng)電網(wǎng)諧波波變化時對電網(wǎng)諧波最佳抑制的效果。(2)本實用新型的電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器可以與電容器組任意組合，保持電抗率不變，實現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償?shù)耐瑫r，抑制諧波的功能也保持不變。(3)本實用新型的電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器的線圈和鐵芯采用環(huán)氧澆制，可以是干式自然冷卻，也可以采用油浸式冷卻，安裝方便。

圖1為實施例1的可調(diào)電抗器與電容器組的連接圖； 圖2為實施例1的可調(diào)電抗器的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3為實施例1的可調(diào)電抗器的工作原理圖； 圖4為實施例1的并聯(lián)電容器裝置接至母線示意圖； 圖5為實施例1的并聯(lián)電容器裝置單相等值回路； 圖6為實施例1的串并聯(lián)諧振裝置接至母線示意圖； 圖7為實施例1的串并聯(lián)諧振裝置單相等值回路。
具體實施方式
實施例1 見圖1，本實施例的電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器，包括電抗器、電容器組、熔斷器和開關(guān)。本實施例的可調(diào)電抗器由電抗器線圈和電抗器鐵芯組成，電抗器鐵芯采用變截面，在鐵芯中間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的飽和程度來改變電抗器的感抗值，如圖2所示為磁閥式可調(diào)電抗器的結(jié)構(gòu)和電路圖，圖3為可調(diào)電抗器的工作原理圖。電抗器的主鐵芯分裂為兩半，截面積各為Ay，長度為l～lt。不同的是每一半鐵芯具有一長度為lt的小截面段，其面積為Ayt(Ayt＜Ay)。四個匝數(shù)為N/2的繞組分別對稱地繞在兩個半鐵芯柱上。每一半鐵芯柱上的上下兩繞組各有一抽頭比為δ＝N2/N的抽頭，它們之間接有晶閘管KP1、KP2。不同鐵芯的上下兩個繞組交叉連接后，并聯(lián)到電網(wǎng)，續(xù)流二極管則橫跨在交叉端點上。由圖3可知，若KP1、KP2不導(dǎo)通，根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)的對稱性可知，此時電抗器與空載變壓器沒有差別。當(dāng)電源處于正半周時，晶閘管KP1承受正向電壓，KP2承受反向電壓。若KP1被觸發(fā)導(dǎo)通(即a、b兩點等電位)，電源經(jīng)電壓比為δ的繞組自耦變壓后由匝數(shù)為N2的繞組向電路提供直流控制電壓和電流。同理，若KP2在電源負(fù)半周時觸發(fā)導(dǎo)通，也將產(chǎn)生直流控制電壓和電流，而且，控制電流的方向與KP1導(dǎo)通時一致。在電源的一個工頻周期內(nèi)，可控硅KP1、KP2的輪流導(dǎo)通起了全波整流的作用，二極管起著續(xù)流作用。改變KP1、KP2的觸發(fā)角便可改變控制電流的大小，從而改變電抗器鐵芯的飽和度，平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)電抗器的容量。由圖2可知，磁閥式可調(diào)電抗器鐵芯磁路由面積較大的部分(面積為Ay，長度為l-lt)和面積較小的部分(面積為Ayt，長度為lt)串聯(lián)而成。由于在磁閥式可調(diào)電抗器的整個容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，大面積段鐵芯的工作狀態(tài)始終處于磁路的未飽和線性區(qū)，其磁阻相對小面積lt段鐵芯很小，故予忽略?？梢姡砰y式可調(diào)電抗器的磁路是“閥式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)面積為Ayt的小截面鐵芯完全飽和時，相當(dāng)于磁閥門全部關(guān)閉，磁阻最大，此時整個磁路猶如面積為Ay、長度為lt的空氣隙(要注意，此時面積為Ay的鐵心段不飽和)。而當(dāng)面積為Ayt的小截面鐵芯段處于未飽和線性區(qū)時，磁阻十分小，磁力線幾乎完全從中通過，磁閥門完全打開。在其他情況下，磁力線將有一部分通過面積為Ay-Ayt的空氣隙，另一部分通過小截面鐵芯段，前者的磁阻為線性，后者的磁阻為非線性，所以，電抗器的磁路由兩個并聯(lián)的磁阻組成。
串聯(lián)電抗器單相容量的選擇如圖4所示，裝置接至母線，其電容器組和電抗器串聯(lián)，一般三相采用中性點不接地星形連接，每相的容量相等，故可用圖5單相等值回路表示。裝置的額定電抗率可下式計算，即K＝XL/XC，其中UC＝ICXC，UL＝ICXL，QL＝ULIL＝IL2XL＝KIC2XC＝KQC 由此可得，串聯(lián)電抗器單相容量等于電容器組單相容量乘以裝置的額定電抗率K。
串聯(lián)電抗器電抗率K的選擇并聯(lián)諧波諧振在電力系統(tǒng)中，安裝并聯(lián)電容器組是為了補(bǔ)償無功功率，提高電壓水平。但加裝并聯(lián)電容器組會改變系統(tǒng)諧波阻抗的頻率特性，對于工頻，系統(tǒng)的感抗XS很小，因而一般不會發(fā)生諧振，但當(dāng)系統(tǒng)中含有諧波分量時，就可能發(fā)生與系統(tǒng)的并聯(lián)諧振。如圖6所示，n為諧波次數(shù)；In為電網(wǎng)中諧波電流源；Un為諧波電流注入點母線諧波電壓；nXs為系統(tǒng)等值諧波感抗；XC/n為電容器組諧波抗容；nXL為電容器組串聯(lián)電抗器諧波感抗。
并聯(lián)諧振是系統(tǒng)與并聯(lián)電容器組產(chǎn)生的諧振，其諧振頻率取決于系統(tǒng)諧波感抗和電容器組諧波容抗(電容器支路)，如圖7所示，諧振條件為系統(tǒng)諧波感抗＝并聯(lián)電容器諧波容抗-串聯(lián)電抗器諧波感抗，即nXS＝XC/n-nXL由XS＝ωLS、XL＝ωLL、XC＝1/(ωC)可得nωLS＝1/(nωC)-nωLL即諧振角頻率ω＝1/n(LS+LL)C而ω＝2∏f，故諧振頻率f＝1/2∏n(LS+LL)C。當(dāng)n次諧波的頻率接近諧振頻率f時，就會發(fā)生并聯(lián)諧振，這時回路中的電壓和電流同相位，其等值諧波感抗Xn＝nXS(nXL-XC/n)/nXS+nXL-XC/n，因發(fā)生并聯(lián)諧波諧振時nXS+nXL≈XC/n，分母nXS+nXL-XC/n≈0，故Xn值很大，而Un＝InXn，因此變電所母線上的諧振電壓Un會很高。進(jìn)入電容器組支路的諧波電流分配Icn＝InnXs/(nXS+nXL-XC/n)；進(jìn)入系統(tǒng)的諧波電流分量Isn＝In(nXL-XC/n)/(nXS+nXL-XC/n)。進(jìn)入系統(tǒng)和電容器組支路的諧波電流分配因諧波次數(shù)、系統(tǒng)電抗和串聯(lián)電抗器電抗率的不同而不同，有可能出現(xiàn)Isn＞In，此時稱為系統(tǒng)諧波電流放大；也可能出現(xiàn)Icn＞In，此時稱為電容器組諧波電流放大；當(dāng)同時出現(xiàn)Isn＞In、Icn＞In時，稱為諧波電流嚴(yán)重放大。發(fā)生并聯(lián)諧振時，諧波電流放大達(dá)到最大值。
如前所述，發(fā)生并聯(lián)諧波諧振的條件是nXs+nXL＝XC/n，即nXS+nKXC＝XC/n，K＝1/n2-Xs/Xc。并聯(lián)電容器組加裝串聯(lián)電抗器作為抑制諧波電流放大的有效措施，電容器組裝置的額定電抗率應(yīng)K＞1/n2-Xs/Xc。設(shè)并聯(lián)電容器組裝置安裝處的母線短路容量為Sd，則Sd＝U2/Xs，又電容器組的容量QC＝(3U2/XC)-2，故由K＞1/n2-XS/XC可以推導(dǎo)出K＞1/n2-QC/Sd，Qc＞Sd(1/n2-K)這就是并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范所給出的校驗避開并聯(lián)諧振的電容器組容量，設(shè)計在確定電容器組分組容量時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)背景諧波，對分組電容器按各種容量組合運行時，盡量避開諧振容量進(jìn)行校驗，不得發(fā)生諧波的嚴(yán)重放大和諧振。
串聯(lián)諧波諧振由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組構(gòu)成的串聯(lián)回路對于n次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振的條件是nXL＝Xc/n，這時串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組構(gòu)成的串聯(lián)回路的總電抗為零，電流和電壓同相位，回路電流達(dá)到最大值。要避免發(fā)生串聯(lián)諧振，則應(yīng)滿足nXL＞XC/n即nKXC＞XC/n，K＞1/n2，即必須滿足K＞1/n2。由上述分析可知，避開并聯(lián)諧振的電容器組裝置額定電抗率K必須滿足K＞1/n2-QC/Sd。由于電容器組容量相對于系統(tǒng)短路容量很小即QC/Sd比值很小，顯然避開發(fā)生串聯(lián)諧振的電容器組裝置額定電抗率K的取值與避開并聯(lián)諧振K的取值非常接近。因此為避免運行中因各種原因滑入并聯(lián)諧振狀態(tài)，在實際工程中電容器組裝置額定電抗率K按滿足K＞1/n2取值時，須留有一定裕度。
達(dá)到的效果可以根據(jù)電網(wǎng)諧波情況調(diào)節(jié)電抗率達(dá)到最佳抑制諧波的效果，還可以根據(jù)電網(wǎng)無功功率分組分別投切電容器時自動通過調(diào)整電抗器的感抗值保持電抗率K＝XL/XC不變，以達(dá)到不改變抑制某一諧波的功能。
權(quán)利要求1、電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器，其特征在于，包括電抗器L、電容器組C、開關(guān)，電抗器L由電抗器線圈和電抗器鐵芯構(gòu)成，電抗器鐵芯采用變截面，在鐵芯中間把鐵芯的截面減小一小段，通過改變小截面磁路的飽和程度來改變電抗器的感抗值，電容器與熔斷器串聯(lián)后構(gòu)成電容器組與電抗器串聯(lián)在一起，采用開關(guān)投切，熔斷器起到過流保護(hù)的作用，電容器主要根據(jù)電網(wǎng)無功功率的情況進(jìn)行分組投切，以達(dá)到動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?，這樣可以通過不同組別的電容器與可調(diào)電抗器構(gòu)成電抗率可調(diào)或當(dāng)電容器組別變化時保證電抗率維持一定值的功能。
專利摘要電抗率可調(diào)的鐵芯電抗器主要應(yīng)用于高低壓電網(wǎng)無功功率東濤補(bǔ)償時抑制電網(wǎng)諧波和限制合閘涌流的作用，該電抗器可以通過調(diào)節(jié)電抗器的感抗值根據(jù)電網(wǎng)諧波情況使電抗率滿足一定要求達(dá)到最佳抑制諧波的效果，還可以根據(jù)電網(wǎng)無功功率分組分別投切電容器時自動通過調(diào)整電抗器的感抗值保持電抗率K＝XL/XC不變，以達(dá)到雖然改變了電容器投切組數(shù)，但不改變抑制某一諧波的功能。
文檔編號H02J3/18GK201181625SQ200720131308
公開日2009年1月14日 申請日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者張金波, 向 湛, 曹愛華 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)