專利名稱：一種混合調節超導可控電抗器的制作方法
技術領域：
本發明屬于電抗器技術，具體涉及一種混合調節超導可控電抗器。
背景技術：
電網結構的大規模化和復雜化是電力系統發展的必然趨勢，高壓、特高壓輸電網絡比重的增加對電力系統的安全穩定運行及電能質量提出了更高的要求。電力系統中的無功補償裝置可以改善系統的潮流分布，調節無功平衡，降低有功損耗，維持節點電壓穩定，抑制線路過電壓和過電流，提高系統的穩定性。目前在電力系統中應用最廣泛的無功補償裝置之一是可控電抗器。通過調節電抗值，在電力系統故障和輕負荷時吸收無功功率，控制無功潮流，這樣就可以穩定電力系統的運行電壓，提高輸電能力。傳統意義上的可控電抗器都是利用常導材料制造的，目前國內外傳統意義上的可控電抗器發展比較成熟，主要包括調匝式，調磁通式，開關投切式以及逆變器控制式四種。其中以調磁路式的磁閥式和磁飽和式可控電抗器應用范圍最廣。超導可控電抗器是基于超導材料的超導電特性制造的，在低溫下運行的超導可控電抗器和傳統意義上的可控電抗器相比，具有體積小、重量輕、效率高、容量大、阻燃、諧波小等優點，大大降低了裝置的成本和空間，提高了電力系統在高壓、特高壓輸電網絡中的無功補償能力和輸電能力。基于超導材料的超導可控電抗器對電抗的調節主要包括兩種方式，一種方式是失超型超導可控電抗器，也就是傳統意義上的超導故障限流器；另外一種是不失超型超導可控電抗器，即在電抗器的調節過程中，超導材料不失超，在液氮或液氦等低溫區完成調節。失超型超導可控電抗器是利用超導體的超導態(S)/正常態(N)轉變特性。線路正常時，超導體處于超導態，其電抗值非常小；在發生故障時，它轉為正常態，也即失超，此時超導電抗器具有很大的電抗，也就實現了電抗的可調。失超型超導可控電抗器在實際中常用來限制故障電流。但失超型超導電抗器的缺點是電抗不能連續可調，而且存在失超保護和失超后的恢復問題，在實際應用中控制起來比較復雜。不失超型超導可控電抗器目前應用的不多，可分為不連續可調型超導可控電抗器和連續可調型超導可控電抗器。目前國內外研究最深入的不連續可調的超導可控電抗器是飽和鐵芯型的超導可控電抗器。而連續可調超導可控電抗器的研究目前還是本學科的前沿研究課題，特別是高壓、特高壓不失超型連續可調超導可控電抗器的研究，在理論和工程實踐方面都具有很強的挑戰性，目前已初步取得了一些理論成果。

發明內容
本發明的目的在于提供一種混合調節超導可控電抗器，目的在于大容量連續可調的補償電力系統的無功功率，調節無功平衡，降低有功損耗，抑制線路過電壓和過電流，提高系統的輸電能力和穩定性。本發明提供的混合調節超導可控電抗器，其特征在于，它包括鐵芯組，超導控制繞組，工作繞組，超導短路繞組和非導磁低溫杜瓦；
鐵芯組包括依次并行排列且相互間隔的控制繞組鐵芯，工作繞組鐵芯和短路繞組鐵芯，各繞組鐵芯通過上、下鐵芯板無縫連接成一個整體；超導控制繞組和超導短路繞組均放置于非導磁低溫杜瓦中，短路繞組鐵芯可以由一個或多個在空間上錯開的鐵芯柱構成，工作繞組用于與電網直接連接，超導控制繞組用于與直流電源連接。本發明所指的混合調節包括分檔調節和連續調節，通過二種調節相互配合，實現電抗器的大容量連續調節。分檔調節由超導短路繞組實現。通過各超導短路繞組的開路與短路操作，改變電抗器的磁力線路徑，進而調節工作繞組磁路的磁阻，實現對工作繞組電感值的分檔調節。連續調節由超導控制繞組實現。超導控制繞組的電流由直流電源提供，通過調節超導控制繞組中的電流來改變電抗器鐵芯的磁飽和程度，實現對工作繞組電感值的連續調節。電抗器鐵芯一側可以采用窗口寬度不等的結構，增大了窗口利用率，減小了超導短路繞組的空間；采用多個鐵芯無縫連接的結構，增大了工作繞組和超導控制繞組所在鐵芯的截面積，減小了電抗器的飽和程度，進而增大了超導控制繞組的電流調節范圍，從而增大了工作繞組電感值的連續調節范圍，并且減小了電抗器的諧波成分。電抗器采用分檔調節與連續調節相互配合的調節方式。連續調節的無功容量與分檔調節每一檔的無功容量保持一致，分檔調節的無功容量相繼投入，增大了電抗器的無功容量調節范圍。另外，控制繞組和短路繞組采用超導磁體，增大了控制繞組和短路繞組的通流能力，減小了繞組的體積和損耗，從而增大了電抗器的無功容量調節范圍。本發明工作繞組電感調節范圍大，諧波含量小，繞組損耗低，裝置體積小，能夠實現對高壓、超高壓電網的大容量連續無功補償。


圖1為本發明實例提供的混合調節超導可控電抗器的3D模型圖；圖2為本發明實例提供的混合調節超導可控電抗器的俯視圖；圖3為本發明實例提供的混合調節超導可控電抗器的鐵芯組；圖4為本發明實例提供的混合調節超導可控電抗器鐵芯組的上鐵芯板。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明提供的混合調節超導可控電抗器包括鐵芯組1，超導控制繞組2，工作繞組3，超導短路繞組4和非導磁低溫杜瓦。鐵芯組I包括依次并行排列且相互間隔的控制繞組鐵芯，工作繞組鐵芯和短路繞組鐵芯，各繞組鐵芯通過上、下鐵芯板無縫連接成一個整體。超導控制繞組2和超導短路繞組4均放置于非導磁低溫杜瓦中，短路繞組鐵芯可以由一個或多個在空間上錯開的鐵芯柱構成。工作繞組3用于與電網直接連接，超導控制繞組2用于與直流電源連接。分檔調節由超導短路繞組實現，通過各超導短路繞組的開路與短路操作，改變電抗器的磁力線路徑，進而調節工作繞組磁路的磁阻，實現對工作繞組電感值的分檔調節。連續調節由超導控制繞組實現，超導控制繞組的電流由直流電源提供，通過調節超導控制繞組中的電流來改變電抗器鐵芯的磁飽和程度，實現對工作繞組電感值的連續調節。
圖1和圖2所示的是一個短路繞組鐵芯包括四個鐵芯柱構成的混合調節超導可控電抗器。如圖3所示，鐵芯組I包括上鐵芯板11，下鐵芯板12，第一邊鐵芯柱13，中鐵芯柱14，第二至第五邊鐵芯柱15 18。鐵芯柱13至18的形狀可以是矩形、圓柱形等。如圖4所示，上鐵芯板11為一端帶有雙凸起的平板，下鐵芯板12與上鐵芯板12結構相同；上、下鐵芯板11、12無凸起的一端之間設有第一邊鐵芯柱13，上、下鐵芯板11、12的中部設有中鐵芯柱14，上、下鐵芯板11、12帶雙凸起的一端的四個小端部之間分別設有第二至第五邊鐵芯柱15 18，使得第二至第五邊鐵芯柱15 18在空間上錯開，以便于安裝繞組。第一邊鐵芯柱13作為控制繞組鐵芯，中鐵芯柱14作為工作繞組鐵芯，第二至第五鐵芯柱15，16，17，18均作為短路繞組鐵芯。第一至第四超導短路繞組41，42，43，44分別繞在第二至第五鐵芯柱15，16，17，18上。工作繞組3與電網直接連接，超導短路繞組41，42，43，44相互并聯，超導控制繞組2與直流電源連接。工作繞組3電感值的調節通過超導短路繞組41，42，43，44的開路與短路，以及改變超導控制繞組2的直流電流來實現。當超導短路繞組41，42，43，44均開路的時候，改變超導控制繞組2的直流電流，從而改變電抗器鐵芯的磁飽和程度，實現對工作繞組電感值的連續調節，從而調節工作繞組3的工作電流，進而調節電抗器的容量；此時，電抗器的容量處于檔位A。將超導短路繞組41短路，超導短路繞組42，43，44均開路，超導短路繞組41的感應電流產生的磁通將鐵芯柱15內的原有磁通抵消，從而將超導短路繞組41所在的鐵芯柱15內的磁力線擠出，改變電抗器的磁力線路徑，進而調節工作繞組磁路的磁阻；再次改變超導控制繞組2的直流電流，從而調節工作繞組3的工作電流，進而將電抗器的容量從檔位A調節至檔位B ;依次將超導短路繞組41，42，43，44短路，從而實現電抗器的容量在檔位A、B、C、D之間連續調節。這種混合調節方式的優點在于，分檔調節與連續調節相互配合，連續調節的容量與分檔調節的每一檔容量保持一致，只要增加分檔調節的檔數，即可增大電抗器的無功容量，保證電抗器的無功容量能夠連續調節。鐵芯組I中各構件均由硅鋼片疊合制成，硅鋼片采用冷軋或熱軋，有向或無向均可，考慮到減少鐵損、降低溫升，硅鋼片厚度采用0.2 0.35_。工作繞組3的材料為一般的電工材料或超導材料，繞制方式采用箔繞或線繞均可。超導控制繞組2和超導短路繞組41,42，43，44采用超導材料，低溫超導帶材或高溫超導帶材均可。繞制方式采用餅繞或層繞均可。鐵芯結構采用多個鐵芯并行放置的布置方式，增大了鐵芯柱13和鐵芯柱14的截面積，在同樣交流工作電流的情況下，電抗器的磁飽和程度減小，增大了超導控制繞組2的電流調節范圍，從而增大了工作繞組3的電感值的連續調節范圍。電抗器的鐵芯未進入深度飽和區域，減小了工作繞組3中電流的諧波成分，從而使得工作電流效果更好。上鐵芯板11與下鐵芯板12均有一側凸起，使得鐵芯組的窗口寬度不等，且采用并行放置的布置方式，相鄰鐵芯相互錯開，增大了鐵芯組的窗口利用率，便于加工制作。超導控制繞組2和超導短路繞組41，42，43，44均放置于非導磁低溫杜瓦中，制冷劑可以采用液氮或液氦，制冷方式可以采用浸泡制冷或循環制冷，也可以采用制冷機直接制冷。本發明工作繞組電感調節范圍大，諧波含量小，繞組損耗低，裝置體積小，能夠實現對高壓、超高壓電網的大容量連續無功補償。本例中只列出了只含有四個超導線圈的短路繞組，在實際的產品設計中，可以根據混合調節超導可控電抗器的具體應用的電力系統的容量、電壓等級等來具體設計超導短路繞組的個數、匝數和相應鐵芯的個數。在各種情況下超導短路繞組和相應的鐵芯應當并行放置，相鄰鐵芯相互錯開。實例:以單相220V/2.2kvar方案為實施例對本發明加以介紹，設計要求電抗器無功變化范圍為50-100%。電抗器的電抗值和電流變化范圍計算方法如下:無功功率由式⑴計算。
權利要求
1.一種超導可控電抗器，其特征在于，它包括鐵芯組(1)，超導控制繞組(2)，工作繞組(3)，超導短路繞組(4)和非導磁低溫杜瓦；鐵芯組(I)包括依次并行排列且相互間隔的控制繞組鐵芯，工作繞組鐵芯和短路繞組鐵芯，各繞組鐵芯通過上、下鐵芯板無縫連接成一個整體；超導控制繞組(2)和超導短路繞組(4)均放置于非導磁低溫杜瓦中，短路繞組鐵芯可以由一個或多個在空間上錯開的鐵芯柱構成，工作繞組(3)用于與電網直接連接，超導控制繞組(2)用于與直流電源連接。
2.根據權利要求1所述的超導可控電抗器，其特征在于，短路繞組鐵芯可以由四個在空間上錯開的鐵芯柱構成，鐵芯組(I)包括上鐵芯板(11)，下鐵芯板(12)，第一邊鐵芯柱(13)，中鐵芯柱(14)，以及第二至第五邊鐵芯柱(15 18);上鐵芯板(11)為一端帶有雙凸起的平板，下鐵芯板(12)與上鐵芯板(12)結構相同；上、下鐵芯板(11、12)無凸起的一端之間設有第一邊鐵芯柱(13)，上、下鐵芯板(11、12)的中部設有中鐵芯柱(14)，上、下鐵芯板(11、12)帶雙凸起的一端的 四個小端部之間分別設有第二至第五邊鐵芯柱(15 18)，使得第二至第五邊鐵芯柱(15 18)在空間上錯開，第一邊鐵芯柱13作為控制繞組鐵芯，中鐵芯柱(14)作為工作繞組鐵芯，第二至第五鐵芯柱(15 18)均作為短路繞組鐵芯。第一至第四超導短路繞組(41 44)分別繞在第二至第五鐵芯柱(15 18)上。
3.根據權利要求1或2所述的超導可控電抗器，其特征在于，鐵芯組(I)中繞組鐵芯為矩形或圓柱形，鐵芯材料采用冷軋或熱軋硅鋼片，硅鋼片厚度為0.2^0.35_。
4.根據權利要求1或2所述的超導可控電抗器，其特征在于，工作繞組(3)的材料為一般的電工材料或超導材料，繞制方式采用箔繞或線繞。
5.根據權利要求1或2或3所述的超導可控電抗器，其特征在于，超導控制繞組(2)和超導短路繞組(4)的繞制方式采用餅繞或層繞。
全文摘要
本發明公開了一種混合調節超導可控電抗器，它包括鐵芯組，超導控制繞組，工作繞組，超導短路繞組和非導磁低溫杜瓦；鐵芯組包括依次并行排列且相互間隔的控制繞組鐵芯，工作繞組鐵芯和短路繞組鐵芯，各繞組鐵芯通過上、下鐵芯板無縫連接成一個整體；超導控制繞組和超導短路繞組均放置于非導磁低溫杜瓦中，短路繞組鐵芯可以由一個或多個在空間上錯開的鐵芯柱構成，工作繞組用于與電網直接連接，超導控制繞組用于與直流電源連接。本發明采用分檔調節和連續調節相互配合，實現電抗器的大容量連續調節。工作繞組電感調節范圍大，諧波含量小，繞組損耗低，裝置體積小，能夠實現對高壓、超高壓電網的大容量連續無功補償。
文檔編號H01F36/00GK103077814SQ20131004076
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者董洪達, 任麗, 沈石峰, 宋萌, 曹昆南, 王達達, 徐穎, 馮強 申請人:華中科技大學, 云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院