专利名称：电抗可调式无功功率补偿器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于高低压电网无功功率动态补偿时抑制电网谐波和限制 合闸涌流的电抗可调式无功功率补偿器。
背景技术：
目前国内外在无功功率补偿和谐波治理方面都已经积累了比较丰富的经验，并 且国内外均有比较成熟的产品，无功功率补偿通常采用投切电容器的方法，谐波治理通 常采用无源或有源滤波器来实现谐波的治理，无源滤波器主要是由电抗器和电容器串联 构成，具有容易设计的优点，但是其滤波效果依赖于系统阻抗特性。尽管有源电力滤波 器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤 波器还不现实，这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本高，这一点是限 制有源电力滤波器推广使用的主要原因，因此，无源滤波器目前使用还比较普遍。由于电网负载情况复杂，绝大多数电网都需要同时进行无功功率补偿和谐波治 理，这样就需要两套装置，况且直接将电容器并联在电网上进行无功补偿，电网上将会 产生一定的谐波放大，在并联电容器的回路中串联电抗器是非常有效和可行的方法解决 谐波放大问题，若电抗器的电抗率选择合适又可以抑制高次谐波的作用。因此，目前国 内电网无功补偿装置都是将固定的电抗器串联于电容器回路中，这样不仅能对电网中无 功功率进行补偿，还可以抑制电网中的谐波。而实际电网中负载是在不断变化的，功率 因数也随时在变化，为了适应电网变化的功率因数，就要求采用多组电容器分组投切， 以达到对电网功率因数进行动态补偿的目的。如果电容器的组数发生变化，而电抗器的 感抗值不变，则起不到抑制谐波的作用，还有可能出现谐波放大的效果。为了达到既起 到功率补偿又抑制电网谐波通常采用多组电抗器分别与多组电容器串联组合使用，这种 方法缺点是需要多组电抗器，增加了设备投资，也增加了占地面积。通过上述分析及电网的实际运行情况，电抗可调式无功功率补偿器可以实现无 功功率补偿和谐波治理于一体的补偿滤波效果，这样不仅可以减少设备投资，减少了设 备的占地面积，同时也实现了无功功率补偿与谐波治理的双重效果，因此，电抗率可调 的干式铁芯电抗器具有非常重要的实际应用价值。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是串联电抗器的感抗值，即电抗率在一定范围 内连续可调，以达到当电网谐波和无功功率变化时自动进行调节，使无功功率补偿和谐 波抑制达到最佳效果，并且可以减少设备投资和减小设备占地面积。为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于高低压电网无功补偿时抑制 谐波和限制涌流的电抗可调式无功功率补偿器。电抗可调式无功功率补偿器包括可调电抗器和电容器组；可调电抗器和电容器 组串联后并联在线路上。[0008]电抗可调式无功功率补偿器的电容器组包括多组开关和多组电容器；每一个开 关和每一个电容器串联后再相互并联，构成电容器组。电抗可调式无功功率补偿器的可调电抗器包括电抗器线圈和电抗器铁芯构成， 电抗器铁芯采用变截面，在铁芯中间把铁芯的截面减小一小段，通过改变小截面磁路的 饱和程度来改变电抗器的感抗值。电抗可调式无功功率补偿器的开关可以是交流接触器、可控硅或复合开关；若 开关是交流接触器，则在交流接触器回路中串接一个熔断器，以保护开关。本实用新型具有积极的效果(1)电抗器的感抗值通过调节电抗器铁芯的磁路 饱和程度实现连续调节，使电抗率在0.1 1%、4.5% 6%和6% 12%或其他范围连 续可调，可以满足当电网谐波波变化时对电网谐波最佳抑制的效果。(2)本实用新型的电 抗可调式无功功率补偿器可以与电容器组任意组合，保持电抗率不变，实现对电网无功 功率补偿的同时，抑制谐波的功能也保持不变。(3)本实用新型的电抗可调式无功功率 补偿器的电抗器线圈和铁芯采用环氧浇制，可以是干式自然冷却，也可以采用油浸式冷 却，安装方便。
图1为实施例1的可调电抗器与电容器组的连接图图2为实施例1的电容器组组成原理图图3为实施例1的可调电抗器的原理图图4为实施例1的并联电容器装置接至母线示意图和单相等值回路图5为实施例1的串并联谐振原理图具体实施方式
见图1和图2，本实施例的电抗可调式无功功率补偿器，包括可调电抗器1和电 容器组2;可调电抗器1和电容器组2串联后并联在线路上；电容器组2包括多组开关 2-1和多组电容器2-2;每一个开关2-1和每一个电容器2-2串联后再相互并联，构成电 容器组。本实施例的可调电抗器1由电抗器线圈1-1和电抗器铁芯1-2组成，电抗器铁芯 1-2采用变截面，在铁芯中间把铁芯的截面减小一小段，通过改变小截面磁路的饱和程度 来改变电抗器的感抗值，如图3所示为磁阀式可调电抗器的结构和电路图。电抗器的主 铁芯分裂为两半，截面积各为Ay,长度为1 lt。不同的是每一半铁芯具有一长度为It的 小截面段，其面积为 (Λ < Λ)。四个匝数为N/2的绕组分别对称地绕在两个半铁芯 柱上。每一半铁芯柱上的上下两绕组各有一抽头比为δ =Ν2/Ν的抽头，它们之间接有 晶闸管ΚΡ1、ΚΡ2。不同铁芯的上下两个绕组交叉连接后，并联到电网，续流二极管则横 跨在交叉端点上。由图2可知，若KP1、Kp2F导通，根据绕组结构的对称性可知，此时 电抗器与空载变压器没有差别。当电源处于正半周时，晶闸管KpiS受正向电压，Kp2S 受反向电压。若Kpi被触发导通(即a、b两点等电位)，电源经电压比为δ的绕组自耦 变压后由匝数为N2的绕组向电路提供直流控制电压和电流。同理，若Kp2在电源负半周 时触发导通，也将产生直流控制电压和电流，而且，控制电流的方向与Kpi导通时一致。 在电源的一个工频周期内，可控硅ΚΡ1、ΚΡ2的轮流导通起了全波整流的作用，二极管起 着续流作用。改变ΚΡ1、ΚΡ2的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电抗器铁芯的饱和度，平滑连续地调节电抗器的容量。由图1可知，磁阀式可调电抗器铁芯磁路由面 积较大的部分(面积为Ay,长度为I-It)和面积较小的部分(面积为Ayt，长度为It)串联而 成。由于在磁阀式可调电抗器的整个容量调节范围内，大面积段铁芯的工作状态始终处 于磁路的未饱和线性区，其磁阻相对小面积It段铁芯很小，故予忽略。可见，磁阀式可 调电抗器的磁路是“阀式”结构，当面积为Ayt的小截面铁芯完全饱和时，相当于磁阀门 全部关闭，磁阻最大，此时整个磁路犹如面积为、、长度为It的空气隙(要注意，此时面 积为Ay的铁心段不饱和)。而当面积为Ayt的小截面铁芯段处于未饱和线性区时，磁阻十 分小，磁力线几乎完全从中通过，磁阀门完全打开。在其他情况下，磁力线将有一部分 通过面积为ArAyt的空气隙，另一部分通过小截面铁芯段，前者的磁阻为线性，后者的 磁阻为非线性，所以，电抗器的磁路由两个并联的磁阻组成。串联电抗器单相容量的选择如图4所示，装置接至母线，其电容器组和电抗 器串联，一般三相采用中性点不接地星形连接，每相的容量相等，故可用图4单相等值 回路表示。装置的额定电抗率可下式计算，即K = XjXe,其中Ue = IeXe，Ul =
ICXL, Ql = UlIL = IL2XL = KIc2Xc = KQc由此可得，串联电抗器单相容量等于电容器组单相容量乘以装置的额定电抗率 K。串联电抗器电抗率K的选择并联谐波谐振在电力系统中，安装并联电容器 组是为了补偿无功功率，提高电压水平。但加装并联电容器组会改变系统谐波阻抗的频 率特性，对于工频，系统的感抗Xs很小，因而一般不会发生谐振，但当系统中含有谐波 分量时，就可能发生与系统的并联谐振。如图5所示，η为谐波次数；In为电网中谐波 电流源；Un为谐波电流注入点母线谐波电压；nXs为系统等值谐波感抗；Xe/n为电容器 组谐波抗容；nX^为电容器组串联电抗器谐波感抗。并联谐振是系统与并联电容器组产生的谐振，其谐振频率取决于系统谐波感抗 和电容器组谐波容抗(电容器支路)，谐振条件为系统谐波感抗=并联电容器谐波容 抗 _ 串联电抗器谐波感抗，即 nXs = Xc/n-nXL 由 Xs = ω Ls、Xl = ω Ll> Xc = 1/ (ω C) 可得η ω Ls = 1/(η ω C)-η ω Le即谐振角频率ω = l/nCLs+LjC而ω = 2F[f，故谐振频 率f= l/2nn(Ls+LjC。当η次谐波的频率接近谐振频率f时，就会发生并联谐振， 这时回路中的电压和电流同相位，其等值谐波感抗Xn = nXs (nXL-Xc/n) /nXs+nXL-Xc/ η,因发生并联谐波谐振时nXs+nX^XcA，分母IiXj^nXfXcZnaO，故Xn值很大，而Un = InXn，因此变电所母线上的谐振电压Un会很高。进入电容器组支路的谐波电流分配Irai =InnXs/ (nXs+nXL-Xc/n)；进入系统的谐波电流分量 Isn = In (nXL-Xc/n) / (nXs+nXL-Xc/ η)。进入系统和电容器组支路的谐波电流分配因谐波次数、系统电抗和串联电抗器电抗 率的不同而不同，有可能出现Isn>In，此时称为系统谐波电流放大；也可能出现I。n> In,此时称为电容器组谐波电流放大；当同时出现Isn>In、1。 >1 时，称为谐波电流严 重放大。发生并联谐振时，谐波电流放大达到最大值。如前所述，发生并联谐波谐振的条件是nXs+nXL = Xc/n,即nXs+nKXc = Xc/ η, K = l/n2_Xs/X。。并联电容器组加装串联电抗器作为抑制谐波电流放大的有效措施， 电容器组装置的额定电抗率应K> l/n2_Xs/X。。设并联电容器组装置安装处的母线短路 容量为Sd，则Sd = U2/Xs，又电容器组的容量Qc= (3U2/Xc)_2，故由K> l/n2-Xs/Xc可以推导出K > l/n2-Qc/Sd, Qc > Sd(IAi2-K)这就是并联电容器装置设计规范所给出的 校验避开并联谐振的电容器组容量，设计在确定电容器组分组容量时，应根据系统背景 谐波，对分组电容器按各种容量组合运行时，尽量避开谐振容量进行校验，不得发生谐 波的严重放大和谐振。串联谐波谐振由串联电抗器和并联电容器组构成的串联回路对于η次谐波发 生串联谐振的条件是ηχ^ = χ。/η，这时串联电抗器和并联电容器组构成的串联回路的 总电抗为零，电流和电压同相位，回路电流达到最大值。要避免发生串联谐振，则应满 足nXL > xc/n,即nKXc > Xc/n, K > 1/n2，即必须满足K > 1/n2。由上述分析可知， 避开并联谐振的电容器组装置额定电抗率K必须满足K> l/n2-Qc/Sd。由于电容器组容 量相对于系统短路容量很小即Qc/Sd比值很小，显然避开发生串联谐振的电容器组装置额 定电抗率K的取值与避开并联谐振K的取值非常接近。因此为避免运行中因各种原因滑 入并联谐振状态，在实际工程中电容器组装置额定电抗率K按满足K > 1/n2取值时，须 留有一定裕度。达到的效果可以根据电网谐波情况调节电抗率达到最佳抑制谐波的效果，还 可以根据电网无功功率分组分别投切电容器时自动通过调整电抗器的感抗值保持电抗率 K = XL/XC不变，以达到不改变抑制某一谐波的功能。
权利要求1.电抗可调式无功功率补偿器，其特征在于，包括可调电抗器(1)和电容器组(2)； 可调电抗器(1)和电容器组(2)串联后并联在线路上。
2.如权利要求1所述的电抗可调式无功功率补偿器，其特征在于，电容器组(2)包括 多组开关(2-1)和多组电容器(2-2)；每一个开关(2-1)和每一个电容器(2-2)串联后再 相互并联，构成电容器组(2)。
3.如权利要求1所述的电抗可调式无功功率补偿器，其特征在于，可调电抗器(1)包 括电抗器线圈(1-1)和电抗器铁芯(1-2)构成，电抗器铁芯(1-2)采用变截面，在铁芯中 间把铁芯的截面减小一小段，通过改变小截面磁路的饱和程度来改变电抗器的感抗值。
4.如权利要求2所述的电抗可调式无功功率补偿器，其特征在于，开关(2-1)可以是 交流接触器、可控硅或复合开关；若开关(2-1)是交流接触器，则在交流接触器回路中 串接一个熔断器，以保护开关。
专利摘要电抗可调式无功功率补偿器包括可调电抗器和电容器组，可调电抗器和电容器组串联后并联在线路上，可调电抗器采用磁阀干式铁心电抗器，主要用于高低压电网无功功率补偿时抑制电网谐波和限制合闸涌流的作用，该电抗器可以通过调节电抗器的感抗值根据电网谐波情况使电抗率满足一定要求达到最佳抑制谐波的效果，以达到既补偿电网无功功率，但又不改变抑制某一谐波的功能。
文档编号H02J3/01GK201797318SQ201020118509
公开日2011年4月13日 申请日期2010年2月25日 优先权日2010年2月25日
发明者张金波, 薛兴华 申请人:张金波, 薛兴华