专利名称：一种多磁阀式可控电抗器的制作方法
—种多磁阀式可控电抗器技术领域
本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种多磁阀式可控电抗器。
背景技术：
近年来，随着我国电力工业发展速度加快，对电能的需要也越来越高。电力系统中的无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的变换将引起发电和输电设备上的电压升降和电能损失。电网无功的不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃等事故。故无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。
目前，并联电抗器是电力系统高压等级中最常见的无功补偿装置之一，但因其存在的固有缺陷，它是不可控的，且它始终并联在电网上不予切除，给电网的正常运行带来负面影响。当线路发生故障时，并联电抗器可以平衡无功功率和抑制线路中的操作过电压；当线路正常运行时，并联电抗器就起不了什么作用，相反却给电力系统带来大量的过剩无功。 可控电抗器是一种特殊的特高压或超高压并联电抗器，它既能随着无功功率的变化而自动平滑地调节本身的容量，而且能在暂态过程时起到降低工频和操作过电压的作用。
传统可控电抗器调节电抗采用手动控制和磁控，手控方式的又可分为机械式和调气隙式电抗器，这两种可调电抗器响应速度慢，操作不灵活。磁控电抗器的原理是通过改变外加励磁电流的大小来改变铁芯的磁阻大小而实现的。显然，磁阻大，电感小；反之，磁阻小，电感大。改变磁阻的方法有两种，一种是外加直流励磁电流使磁路饱和，称为它励式磁控电抗器，另一种是通过自身晶闸管整流产生直流控制电流来改变电抗器铁芯的饱和度。 磁阀式可控电抗器(MCR)是一种自励式可控电抗器,是一种建立在磁放大原理上的调磁路式可控电抗器，其铁心绕有两组绕组，通过控制直流电流的大小改变铁心的磁导率，从而改变电感的大小。相比其它形式的可控电抗器，磁阀式可控电抗器的成本低廉，损耗较小，调节范围较宽，并且可靠性高，使用寿命长，通常超过20年，可以应用在10-750kV电网系统中。但传统结构的磁阀式可控电抗器具谐波含量较大，在不采取任何措施的情况下，单相磁阀式电抗器的谐波可达到8%。并且传统结构的MCR响应速度不高，当容量较大时，抽头比较小，响应时间常常在500ms左右甚至较高。
陈柏超等人在标题为单相可控电抗器的一种谐波抑制原理及实现(中国电机工程学报》，2002，22 (3))的文献提出了将两组工作于不同电磁参数的电抗器并联，通过实施协调控制，可使每个电抗器的产生的谐波互相补偿，从而使电抗器组的谐波水平降低。这种方法可有效降低单相磁阀式电抗器的谐波含量，但成本较高，控制策略复杂增加了响应时间，并且体积较大，不适合于室内安装。发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种多磁阀式可控电抗器， 其输出电流谐波含量低，结构简单，成本低廉。
一种多磁阀式可控电抗器，包括上轭、下轭以及设于上下轭间的η对铁芯，所述的铁芯被分成若干段铁饼，相邻段铁饼间通过磁阀隔离；所述的磁阀由若干导磁片和若干磁阻片沿水平方向交替叠加而成；η为电抗器的相数。优选地，铁芯上的磁阀分四类磁阀Α、磁阀B、磁阀C和磁阀D ;其中所述的磁阀A的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : 2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的28% ；所述的磁阀B的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : 1.2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的24% ；所述的磁阀C的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : O. 9，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的26% ；所述的磁阀D的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : 0.6，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的22%。这四类磁阀的参杂系数比例是通过遗传算法对谐波输出数学模型进行优化计算后得到的最佳参数；在电抗器工作时，磁阀中四种磁阀的饱和程度不同，而产生相位不同的谐波电流，通过控制四种磁阀的磁阀个数含量和饱和材料与磁阻材料的参杂系数，可使谐波电流互相抵消，并降低了损耗。所述的导磁片采用导磁材料如硅钢片，所述的磁阻片采用磁阻材料如环氧树脂；所述的铁饼由若干硅钢片叠片而成。所述的铁芯上铁饼的总厚度为50mm IOOmm ;优选地，铁芯上铁饼的总厚度为50mm ;便于散热和加工。所述的铁芯上磁阀的总厚度占铁芯闻度的5% 20%。优选地，若电抗器为单相，所述的上下轭两侧竖直设有旁轭，所述的旁轭被分成若干段，相邻段间通过气隙隔离；气隙的存在可以防止直流空载时电抗器出现的非线性，从而避免因电抗器的非线性而出现的铁磁谐振。所述的旁轭上气隙的总厚度占旁轭高度的5% 10%。所述的气隙采用磁阻材料(如环氧树脂)填充构成。本发明的有益技术效果如下(I)本发明的磁阀式可控电抗器的本体中，每相都加入四种不同类型的磁阀，每种磁阀都由高导磁材料和磁阻材料并联而成，通过遗传算法优化计算出掺叠比例和每种磁阀的个数，可有效减小输出电流的谐波含量和损耗，为磁阀式可控电抗器通过大的工作电流提供了条件。(2)本发明的芯柱磁阀由高导磁材料及低导磁材料或磁阻材料交替排列，形成并联磁路，在电抗器运行时，低导磁材料区域的漏磁被高导磁材料所吸收，形成漏磁屏蔽，使因漏磁引起的铁心杂散损耗、噪音大幅度降低。(3)本发明的多磁阀式可控电抗器的每相旁铁轭中均勻分布若干段气隙，气隙的存在可以防止直流空载时电抗器出现的非线性，从而避免因电抗器的非线性而出现的铁磁谐振。(4)本发明的单相多磁阀式可控电抗器可采用单相四柱式结构，芯柱主磁通方向相同，通过上下铁轭及两个旁轭形成闭合的磁通回路，直流磁通在两芯柱之间流通，通过上下铁轭形成闭合磁回路；三相电抗器采用三框六柱式铁芯结构，芯柱主磁通方向相同，三相主磁通矢量合通过上下铁轭形成磁回路，直流磁通仅在每相的两个芯柱之间流动，不会在相间流动。
图I为本发明单相可控电抗器的结构示意图。
图2为图I的横截面图。
图3为磁阀的结构示意图。
图4为铁芯上的绕组示意图。
图5为遗传优化算法的步骤流程图。
图6为本发明三相可控电抗器的结构示意图。
图7为图6的横截面图。
图8为传统磁阀式可控电抗器的谐波电流随输出电流的波形示意图。
图9为本发明多磁阀式可控电抗器的谐波电流随输出电流的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例I
如图I和图2所示，一种多磁阀式单相可控电抗器为四柱式结构；其包括上轭2、 下轭4、两旁轭3以及设于上下轭间的一对铁芯(X，Y)，铁芯(X，Y)被分成五段铁饼11，相邻段铁饼11间通过磁阀12 (四块)隔离；铁饼由若干硅钢片叠片而成；
旁轭3被分成四段，相邻段间通过气隙5 (三组)隔离；气隙5采用环氧树脂填充构成，三组气隙的总厚度占旁轭高度的5% ;气隙的存在可以防止直流空载时电抗器出现的非线性，从而避免因电抗器的非线性而出现的铁磁谐振。
如图3所示，磁阀12由若干硅钢片13和若干环氧树脂薄片14沿水平方向交替叠加而成；铁芯(Χ，γ)上的四块磁阀为四块不同类别的磁阀磁阀Α、磁阀B、磁阀C和磁阀D ； 其中
磁阀A的横截面中硅钢片13与环氧树脂薄片14的总面积比为I : 2，该块磁阀的厚度占四块磁阀总厚度的28% ；
磁阀B的横截面中硅钢片13与环氧树脂薄片14的总面积比为1:1.2，该块磁阀的厚度占四块磁阀总厚度的24% ；
磁阀C的横截面中硅钢片13与环氧树脂薄片14的总面积比为I : O. 9，该块磁阀的厚度占四块磁阀总厚度的26% ；
磁阀D的横截面中硅钢片13与环氧树脂薄片14的总面积比为I : O. 6，该块磁阀的厚度占四块磁阀总厚度的22%。
这四类磁阀的参杂系数比例是通过遗传算法对谐波输出数学模型进行优化计算后得到的最佳参数，该基于遗传算法的参数确定流程如图5所示
首先，确定磁阀的种类数；然后，以谐波电流为目标函数，构造适应函数，通过反复执行选择、交叉和变异三个遗传运算过程，迭代寻优，如果不满足终止条件，返回，进行循环迭代；如满足，则程序结束。其中个体数目取100，最大进化代数取50，最好个体的选择概率取O. 2，离散精度取O. 01，杂交概率取O. 9，变异概率取O. 05。其中，betan的物理意义是不同磁阀的饱和程度。在电抗器工作时，磁阀中四种磁阀的饱和程度不同，而产生相位不同的谐波电流，通过控制四种磁阀的磁阀个数含量和饱和材料与磁阻材料的参杂系数，可使谐波电流互相抵消，并降低了损耗。如图4所示，每个铁芯(X，Y)上绕有上下两组线圈；铁芯X上绕组中间抽头，抽头点至铁芯X上绕组下端点的线圈匝数为Nk，该抽头点与晶闸管Tl的阳极相连，晶闸管Tl的阴极与铁芯X下绕组上端点相连； 铁芯Y的下绕组中间抽头，抽头点至铁芯Y下绕组上端点的线圈匝数为Nk，该抽头点与晶闸管T2的阳极相连，晶闸管T2的阴极与二极管的阴极和晶闸管Tl的阴极共连，二极管的阳极与铁芯X上绕组下端点相连；铁芯X上绕组上端点与铁芯Y上绕组上端点共连后接入电网的火线，铁芯X上绕组下端点与铁芯Y下绕组上端点相连，铁芯Y上绕组下端点与铁芯X下绕组上端点相连，铁芯X下绕组下端点与铁芯Y下绕组下端点共连后接入电网的零线；两个晶闸管的门极接收外部设备提供的开关控制信号。本实施方式中，四块磁阀的总厚度占铁芯高度的10%，五段铁饼的总厚度为50mm ;铁芯通过绝缘带绑扎，并用双排螺杆拉紧固定；拉紧螺杆位于线圈外侧，穿过上下夹件。单相电抗器铁芯柱上的工作绕组产生的交流磁通过上下轭和旁轭闭合，直流绕组产生的直流磁通在两个铁芯柱之间流通。实施例2如图6和图7所不,一种多磁阀式三相可控电抗器为六柱式结构；其包括上轭2、下轭4以及设于上下轭间的三对铁芯(Χ-Χ’，Υ_Υ’，Ζ-Ζ’)，铁芯被分成若干段铁饼，相邻段铁饼间通过磁阀隔离；铁饼由若干硅钢片叠片而成；磁阀由若干硅钢片和若干环氧树脂薄片沿水平方向交替叠加而成；铁芯上的磁阀分四类磁阀Α、磁阀B、磁阀C和磁阀D ;其中磁阀A的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : 2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的28% ；磁阀B的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : I. 2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的24% ；磁阀C的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : O. 9，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的26% ；磁阀D的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : O. 6，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的22%。三对铁芯(X-X’，Y-Y’，I-V )上均绕有上下两组线圈，每一对铁芯的线圈绕制连接方式均与实施例I单相电抗器中的一致，但三对铁芯的绕组引出后呈三角形联接，三角形的三个端点对应接入三相电网的三相线。本实施方式中，铁芯上磁阀的总厚度占铁芯闻度的10 铁芯上铁饼的总厚度为50mm ;铁芯通过绝缘带绑扎，并用双排螺杆拉紧固定。三相电抗器每相的工作绕组产生的交流磁通通过其它两相及上下轭为回路流通，直流绕组产生的直流磁通经过梁架6在每相的两个铁芯柱之间流通。
以下我们根据谐波分布数学模型，计算出传统磁阀式可控电抗器的谐波电流随输出电流的分布，如图8所示；本实施方式多磁阀式可控电抗器的谐波电流随输出电流的变化如图9所示。从图中可以看出，本实施方式多磁阀式可控电抗器的3次、5次、7次谐波均不超过2. 7%，远小于传统磁阀式可控电抗器。且样机试验结果和计算结果基本吻合，如表 I所示；表明本实施方式的多磁阀式可控电抗器在减小谐波方面有明显的效果。
表I
权利要求
1.一种多磁阀式可控电抗器，包括上轭、下轭以及设于上下轭间的η对铁芯；其特征在于所述的铁芯被分成若干段铁饼，相邻段铁饼间通过磁阀隔离；所述的磁阀由若干导磁片和若干磁阻片沿水平方向交替叠加而成；η为电抗器的相数。
2.根据权利要求I所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的铁芯上的磁阀分四类磁阀Α、磁阀B、磁阀C和磁阀D ;其中所述的磁阀A的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : 2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的28% ；所述的磁阀B的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : I. 2，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的24% ；所述的磁阀C的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : O. 9，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的26% ；所述的磁阀D的横截面中导磁片与磁阻片的总面积比为I : O. 6，该类磁阀的总厚度占铁芯上磁阀总厚度的22%。
3.根据权利要求I或2所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的导磁片采用硅钢片，所述的磁阻片采用环氧树脂。
4.根据权利要求I所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的铁芯上铁饼的总厚度为50mm。
5.根据权利要求I所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的铁芯上磁阀的总厚度占铁芯高度的5 % 20 %。
6.根据权利要求I所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于若电抗器为单相，所述的上下轭两侧竖直设有旁轭，所述的旁轭被分成若干段，相邻段间通过气隙隔离。
7.根据权利要求6所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的旁轭上气隙的总厚度占旁轭高度的5% 10%。
8.根据权利要求6或7所述的多磁阀式可控电抗器，其特征在于所述的气隙采用环氧树脂填充构成。
全文摘要
本发明公开了一种多磁阀式可控电抗器，包括上轭、下轭以及设于上下轭间的n对铁芯；铁芯被分成若干段铁饼，相邻段铁饼间通过磁阀隔离；磁阀由若干导磁片和若干磁阻片沿水平方向交替叠加而成。本发明磁阀式可控电抗器的本体中，每相都加入四种不同类型的磁阀，每种磁阀都由高导磁材料和磁阻材料交替叠加而成，形成并联磁路，可有效减小输出电流的谐波含量和损耗，为磁阀式可控电抗器通过大的工作电流提供了条件；在电抗器运行时，低导磁材料区域的漏磁被高导磁材料所吸收，形成漏磁屏蔽，使因漏磁引起的铁心杂散损耗、噪音大幅度降低。
文档编号H01F27/24GK102982970SQ201210538618
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者陈国柱, 王异凡, 张曙 申请人:圣航科技股份有限公司, 浙江大学