本發(fā)明屬于電抗器技術(shù)，具體涉及一種正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器。

背景技術(shù)：

發(fā)展高壓、特高壓輸電是我國電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，特高壓、超高壓輸電對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行及電能質(zhì)量提出了更高的要求。電網(wǎng)中的無功補償，可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)過電壓，提高輸電能力?？煽仉娍蛊魇悄壳霸陔娋W(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的無功補償裝置之一?？煽仉娍蛊魇且环N特殊的高壓或特高壓電抗器。通過對傳輸線路負荷的電抗進行調(diào)節(jié)來提供連續(xù)的無功補償，控制電網(wǎng)中的無功容量，可降低傳輸線路的損耗，同時提高傳輸?shù)挠泄θ萘俊?/p>

傳統(tǒng)意義上的可控電抗器有調(diào)匝式可控電抗器、調(diào)氣隙尺寸式可控電抗器、可控硅控制電抗器和飽和電抗器。而應(yīng)用最為廣泛的可控電抗器有兩類：可控硅控制電抗器中的晶閘管控制電抗器、飽和電抗器中的磁閥式電抗器。晶閘管控制電抗器由于功率電子的快速發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，晶閘管控制電抗器響應(yīng)速度快，技術(shù)較成熟，但是造價高、維護困難、諧波污染較嚴重，大規(guī)模的應(yīng)用仍受到諸多限制；磁閥式可控電抗器由外部鐵心柱、分裂鐵心柱、繞組、可控硅及觸發(fā)裝置組成，磁閥處可設(shè)計的接近極限飽和，因此電抗器在其線性調(diào)節(jié)范圍內(nèi)諧波很小，但磁閥磁阻有限，可調(diào)范圍受到抑制。此外，接線相對復(fù)雜，極限飽和下過負載能力較差。

超導(dǎo)可控電抗器是基于超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電特性制成的，在低溫下運行的超導(dǎo)可控電抗器和傳統(tǒng)意義上的可控電抗器相比，具有體積小、重量輕，效率高，阻燃，諧波小等優(yōu)點，可降低裝置的成本和空間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；诔瑢?dǎo)材料的超導(dǎo)可控電抗器對電抗的調(diào)節(jié)主要包括兩種方式，一種方式就是不失超型超導(dǎo)可控電抗器，即在電抗器的調(diào)節(jié)過程中，超導(dǎo)材料不失超，在液氮低溫區(qū)完成調(diào)節(jié)；另外一種就是失超型超導(dǎo)可控電抗器，也就是傳統(tǒng)意義上的超導(dǎo)故障限流器。

不失超型超導(dǎo)可控電抗器目前應(yīng)用的不多，分為可連續(xù)可調(diào)型超導(dǎo)可控電抗器和不可連續(xù)可調(diào)型超導(dǎo)可控電抗器。目前國內(nèi)外研究最深入的不連續(xù)可調(diào)的超導(dǎo)可控電抗器是飽和鐵芯型超導(dǎo)可控電抗器。而連續(xù)可調(diào)不失超型超導(dǎo)可控電抗器的研究還是本學(xué)科的前沿研究課題，特別是高壓、特高壓不失超型可連續(xù)可調(diào)的超導(dǎo)可控電抗器的研究，在理論和工程實踐方面都具有很強的挑戰(zhàn)性，目前已初步取得了一些理論成果。

失超型超導(dǎo)可控電抗器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)(S)/正常態(tài)(N)轉(zhuǎn)變特性。線路正常時，超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)，其電抗值非常小；在發(fā)生故障時，它轉(zhuǎn)為正常態(tài)，也即失超，此時超導(dǎo)電抗器具有很大的電抗，也就實現(xiàn)了電抗的可調(diào)。失超型超導(dǎo)可控電抗器在實際中常用來限制故障電流。但失超型超導(dǎo)電抗器的缺點是電抗不能連續(xù)可調(diào)，而且存在失超保護和失超后的恢復(fù)問題，在實際應(yīng)用中控制起來比較復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器，目的在于大容量連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器的輸出電抗，以補償電網(wǎng)的無功功率，實現(xiàn)無功控制調(diào)節(jié)。

本發(fā)明提供了一種正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器，包括：第一磁軛、第二磁軛、工作線圈組、超導(dǎo)勵磁線圈組和低溫杜瓦裝置；所述第一磁軛與所述第二磁軛相互垂直且在所述第一磁軛與所述第二磁軛之間設(shè)置有固定長度的氣隙，所述工作線圈組繞制于所述第一磁軛上，所述超導(dǎo)勵磁線圈組繞于所述第二磁軛上，且所述超導(dǎo)勵磁線圈組密封于所述低溫杜瓦裝置內(nèi)；工作線圈組與電力系統(tǒng)相連，超導(dǎo)勵磁線圈組由勵磁電路控制電流大小，第一磁軛、第二磁軛與氣隙共同構(gòu)成工作線圈組磁路，第二磁軛為勵磁繞組磁路，同時作為工作線圈組磁路的一部分，低溫杜瓦裝置內(nèi)填充有低溫液氮，保證超導(dǎo)材料的安全穩(wěn)定性。

更進一步地，所述第一磁軛包括兩個“U”型第一鐵芯，兩者結(jié)構(gòu)相同且平行布置；所述第二磁軛包括一個“口”型第二鐵芯，所述第一鐵芯與所述第二鐵芯成垂直分布，且在所述第一鐵芯與所述第二鐵芯之間設(shè)置有所述氣隙。由于第一磁軛與第二磁軛相互垂直，且在兩部分磁軛間增加氣隙，因此第一磁軛不需閉合，采用“U”型鐵芯。第二磁軛主要提供勵磁磁路，采用閉合“口”型鐵芯能夠降低漏磁，提高勵磁效率，因此采用“口”型結(jié)構(gòu)。

更進一步地，第一鐵芯由取向硅鋼片疊壓而成，第一磁軛為工作段鐵芯，為減小電抗諧波，需保證磁軛磁導(dǎo)率相對穩(wěn)定，取向硅鋼片在相同磁密情況下磁導(dǎo)率相對較高，飽和程度低，此外，第一鐵芯內(nèi)磁通均為交流磁通，方向與硅鋼片電壓方向相同，采用取向硅鋼片鐵芯相對較低，因此工作段鐵芯采用取向硅鋼片能獲得穩(wěn)定磁導(dǎo)率及較低的鐵損。

更進一步地，工作線圈組包括：四個工作線圈，在每個第一鐵芯上均套設(shè)有上、下兩個工作線圈，各工作線圈結(jié)構(gòu)相同電感相等，每個第一鐵芯上下兩線圈交叉串聯(lián)后并聯(lián)。

更進一步地，第二鐵芯由無取向硅鋼片疊壓而成；第二磁軛為勵磁磁軛，通過控制第二磁軛的飽和程度而改變工作磁路的磁阻，相同磁密下，無取向硅鋼片磁導(dǎo)率更低，磁阻更大；第二磁軛內(nèi)磁通包含交流磁通和直流磁通，兩者在結(jié)合處相互垂直，采用無取向硅鋼片才能保證鐵芯各處磁導(dǎo)率一致，因此第二鐵芯采用取向硅鋼片更有利。

更進一步地，超導(dǎo)勵磁線圈組包括兩個反向串聯(lián)的超導(dǎo)勵磁線圈，分別設(shè)置在所述第二磁軛的上面和下面，且兩個超導(dǎo)勵磁線圈的電感值相等。

本發(fā)明中，由于第一磁軛與第二磁軛相互分離，使得工作電路與控制電路耦合程度低；磁軛間的氣隙磁導(dǎo)率恒定為1，磁阻穩(wěn)定，使得工作線圈組電感值在勵磁時穩(wěn)定性得到保證；采用超導(dǎo)材料作為勵磁繞組，通流密度高、損耗低，可提供更高且穩(wěn)定的勵磁，同時減小勵磁繞組體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊；勵磁繞組結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)快速平滑勵磁調(diào)節(jié)，綜合以上技術(shù)優(yōu)勢可知，本發(fā)明工作電路與控制電路耦合程度低，感應(yīng)電壓問題基本得到解決，工作線圈組電感值穩(wěn)定，勵磁繞組損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊，可以連續(xù)平滑快速的對電網(wǎng)進行大容量連續(xù)可調(diào)無功補償。

附圖說明

圖1為正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器磁體部分3D模型圖；

圖2為正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器鐵芯間氣隙位置示意圖；

圖3為正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器超導(dǎo)繞組及低溫杜瓦圖；

圖4為正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器工作線圈組接線示意圖；

圖5為正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器實例的工作特性曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種超導(dǎo)可控電抗器，包括第一磁軛、第二磁軛、工作線圈組、超導(dǎo)勵磁線圈組和低溫杜瓦裝置；第一磁軛與第二磁軛相互垂直，之間設(shè)有固定長度氣隙，工作線圈組繞制于第一磁軛，勵磁繞組繞于第二磁軛，勵磁繞組密封于低溫杜瓦裝置內(nèi)(低溫杜瓦裝置是指溫度為68K～70K的杜瓦裝置)；工作線圈組與電力系統(tǒng)相連，勵磁繞組由勵磁電路控制電流大小，第一磁軛、第二磁軛與氣隙共同構(gòu)成工作線圈組磁路，第二磁軛為勵磁繞組磁路，同時作為工作線圈組磁路的一部分，低溫杜瓦裝置內(nèi)填充有低溫液氮，保證超導(dǎo)材料的安全穩(wěn)定性。

在本發(fā)明實施例中，第一磁軛可以為口型鐵芯，采用U型鐵芯是為了增加一段氣隙。第一磁軛包括兩個“U”型第一鐵芯，兩者結(jié)構(gòu)相同且平行布置。而工作線圈組包含4個線圈，兩兩串聯(lián)后并聯(lián)最終接于電力系統(tǒng)，為保證兩并聯(lián)支路間不存在環(huán)流，使鐵芯結(jié)構(gòu)相同且工作線圈交叉連接，保證兩個支路的電感值相等。

在本發(fā)明實施例中，第二磁軛包含一個“口”型第二鐵芯，第一鐵芯與第二鐵芯成垂直分布，中間有一定氣隙，共同構(gòu)成電抗器的磁體鐵芯部分。采用垂直結(jié)構(gòu)后工作線圈組磁通流經(jīng)勵磁繞組分量被大大抑制，可有效降低勵磁繞組的感應(yīng)電壓。

“U”型第一鐵芯由取向硅鋼片疊壓而成，每個“U”型第一鐵芯均套有上下兩個工作線圈，各工作線圈結(jié)構(gòu)相同電感相等，每一“U”型第一鐵芯上下兩線圈交叉串聯(lián)后并聯(lián)，四個工作線圈共同構(gòu)成工作線圈組。

“口”型第二鐵芯由無取向硅鋼片疊壓而成，在“口”型第二磁軛上下各有一個超導(dǎo)勵磁線圈，各超導(dǎo)勵磁線圈電感值相等，反向串聯(lián)構(gòu)成超導(dǎo)勵磁繞組，超導(dǎo)勵磁線圈放置于非導(dǎo)磁低溫杜瓦裝置中。

本發(fā)明利用超導(dǎo)勵磁線圈來調(diào)節(jié)第二磁軛的磁飽和程度，進而調(diào)節(jié)工作線圈磁路的磁阻，實現(xiàn)對工作線圈電感值的調(diào)節(jié)。超導(dǎo)勵磁線圈的電流由可控直流源提供，在可控電抗器的工作區(qū)段，工作線圈的電感值與勵磁電流值一一對應(yīng)。工作段鐵芯分成兩段平行磁軛可有效降低鐵芯用量，采用取向硅鋼片利用其飽和磁導(dǎo)率高，非線性區(qū)域窄等特點，使第一磁軛始終工作于磁特性曲線的線性段，相對磁導(dǎo)率較為恒定；工作線圈的上下交叉串聯(lián)后并聯(lián)的接線方式可有效避免工作線圈組中的環(huán)流；第二磁軛采用無取向硅鋼片，利用其非線性區(qū)域?qū)?、飽和磁密低、磁阻大等特點，增大其線性調(diào)節(jié)范圍；電抗器磁軛整體采用分段垂直結(jié)構(gòu)，可有效降低控制繞組中的感應(yīng)電壓問題；利用超導(dǎo)線圈勵磁，可提高勵磁效率減小鐵芯體積，同時降低勵磁損耗；第一磁軛與第二磁軛之間存在氣隙，一方面可進一步減弱兩控制繞組間的磁耦合，另一方面可起到穩(wěn)定電抗輸出抑制諧波含量的作用。

傳統(tǒng)正交磁化式可控電抗器利用勵磁磁通與工作磁通相互垂直的特點進行磁阻調(diào)節(jié)，為垂直磁通控制式，由于垂直相交區(qū)域有限，限制了調(diào)節(jié)范圍，且兩者磁路耦合規(guī)律復(fù)雜，感應(yīng)過壓問題仍舊存在。本發(fā)明電抗器，除在鐵芯相交處磁通垂直外，主要依靠控制段鐵芯的定向直流磁通與其內(nèi)的變化交流磁通疊加而改變磁路磁阻，為平行磁通控制式，調(diào)節(jié)范圍由第二磁軛的高度決定，且第二磁軛采用無取向硅鋼片使得磁阻調(diào)節(jié)可控，第一磁軛采用取向硅鋼片使得磁導(dǎo)率在整個調(diào)節(jié)過程中基本穩(wěn)定，諧波含量得到有效控制。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明迚行迚一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明包括第一磁軛(1、2)、第二磁軛(3)、工作線圈組(4、5、6、7)、超導(dǎo)勵磁線圈組(8、9)和低溫杜瓦裝置(10)；

如圖1所示，第一磁軛由兩段“U”型鐵芯(取向硅鋼片)構(gòu)成，兩者平行布置；第二磁軛由一“口”型鐵芯(無取向硅鋼片)構(gòu)成，第一磁軛與第二磁軛成垂直布置，兩者間存在氣隙11(如圖2所示)，共同構(gòu)成電抗器磁體的鐵芯部分。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同，超導(dǎo)可控電抗器鐵芯的磁軛可分為第一磁軛和第二磁軛，第一磁軛截面積相對較大，采用取向硅鋼片的鐵磁材非線性區(qū)域窄、飽和磁密高，在整個調(diào)節(jié)過程中始終處于工作曲線的線性段，相對磁導(dǎo)率較為恒定；而第二磁軛橫截面較小，采用的無取向硅鋼片非線性區(qū)域相對較寬、飽和磁密低磁阻大，比取向硅鋼片更容易獲得更大更穩(wěn)定的磁阻，且本身主要有勵磁繞組控制其磁導(dǎo)率變化，電感值穩(wěn)定性較現(xiàn)有磁控式電抗器有明顯改善。

如圖1所示，工作線圈組由4個常導(dǎo)線圈(第一線圈4、第二線圈5、第三線圈6、第四線圈7)組成，其結(jié)構(gòu)相同電感相等，連接方式為上下交叉串聯(lián)后并聯(lián)，如圖4所示，即第一線圈4與第四線圈7串聯(lián)，第三線圈6與第二線圈5串聯(lián)，將兩串聯(lián)線圈組并聯(lián)，最終構(gòu)成工作線圈組。工作線圈組與電網(wǎng)直接相連，其電感值可以根據(jù)電網(wǎng)對無功功率的需求值進行調(diào)節(jié)，工作線圈組電感值的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)磁軛的飽和度來實現(xiàn)。其中，工作線圈組由4個常導(dǎo)線圈繞成，為了便于跨接在第一磁軛的兩段鐵芯上，將第一磁軛分成兩段，可降低鐵芯用量，4個常導(dǎo)繞組兩兩交叉串聯(lián)再并聯(lián)后可避免常導(dǎo)繞組中的環(huán)流現(xiàn)象，降低運行損耗，采用分段鐵芯、4個常導(dǎo)繞組的方式可降低鐵芯用量及運行損耗。

勵磁線圈組由兩個超導(dǎo)線圈(第一超導(dǎo)線圈8、第二超導(dǎo)線圈9)組成，兩者結(jié)構(gòu)相同電感相等，反向串聯(lián)，使得勵磁磁通同向疊加。采用兩個勵磁線圈可降低飽和狀態(tài)時的漏磁，保證勵磁的均勻性，由于勵磁繞組需要穩(wěn)定的直流激勵，且對電流較高，采用超導(dǎo)可提高勵磁的同時降低損耗、減小繞組體積；而工作線圈組為電流為交流，若采用超導(dǎo)則用線量高、損耗大，經(jīng)濟性差，因此采用常導(dǎo)線圈。兩超導(dǎo)線圈分別放置于非導(dǎo)磁低溫杜瓦裝置10中，如圖3所示，采用68～70K低溫液氮進行制冷。通過調(diào)節(jié)勵磁回路的電流值，可以改變第二磁軛的磁阻，使得工作磁路磁阻相應(yīng)改變，實現(xiàn)改變工作線圈組電感值調(diào)節(jié)無功輸出。它的結(jié)構(gòu)緊湊，勵磁效率高、損耗低、穩(wěn)定性好，控制回路無過壓問題，可廣泛的應(yīng)用于對電網(wǎng)的連續(xù)可調(diào)無功補償。

本例中只列出了含有四個工作線圈的工作線圈組和兩個超導(dǎo)線圈的勵磁繞組，第二磁軛采用的是各處橫截面相等的“口”型鐵芯，在實際的產(chǎn)品設(shè)計中，可以根據(jù)超導(dǎo)可控電抗器具體應(yīng)用的電力系統(tǒng)的無功需求、電壓等級來設(shè)計工作線圈組和勵磁繞組的線圈個數(shù)，為進一步增大飽和磁阻可將第二磁軛設(shè)計為變截面式“口”鐵芯，截面積相對較小的區(qū)域更容易進入飽和，設(shè)計漸變式變截面可使得磁阻變化可控性更高。

為了便于說明本發(fā)明實施例提供的正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器，現(xiàn)以如下實例詳述如下：

以單相380V/38kvar方案為實例對本發(fā)明加以介紹，設(shè)計要求電抗器無功變化范圍為30％～100％，其電抗值和電感變化范圍計算方法如下：

無功功率由式(1)計算，

在最大輸出無功容量，即Q＝38kvar時，電抗器X_100％為：

電感值L_100％為：

在最小輸出武功容量，即Q＝11.4kvar時，電抗器X_30％為：

電感值L_30％為：

由此可見，當(dāng)電抗器的無功功率在30％～100％之間變化時，其電感值變化范圍是12.1mH～40.3mH，電抗值的變化范圍為3.8Ω～12.67Ω，設(shè)計方案結(jié)構(gòu)同樣如圖1所示，其中單個工作線圈組匝數(shù)為95匝，每個勵磁繞組匝數(shù)為160匝。由于氣隙的存在以及工作線圈組磁密較低，工作段鐵芯始終工作于磁特性曲線的線性段，相對磁導(dǎo)率較為恒定。而勵磁線圈由于采用了超導(dǎo)材料，可以產(chǎn)生很高的磁場密度，可以使“口”型鐵芯工作于線性段到飽和區(qū)的各種情況，而且由于“口”型鐵芯的磁場主要由勵磁線圈提供，因此在各種情況下磁導(dǎo)率相對恒定，這樣一來在不同工況下，可控電抗器都將擁有穩(wěn)定的電感值。圖5為新型超導(dǎo)可控電抗器的工作特性曲線，橫坐標為勵磁線圈的勵磁電流，縱坐標為工作線圈的電感值，圖5證明了正交耦合型混合鐵芯式超導(dǎo)可控電抗器的可行性及可靠性。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。