带激磁调节线圈的可调并联电抗器原理及控制和元件物理参数设计制造技术

带激磁调节线圈可调并联电抗器原理及控制和元件物理参数设计是本发明专利技术名称，是电网领域二次设备对电抗容量线性调节和控制的智能模式。解决目前投切电网固定电感容量所不能完全补偿线路容性负荷，影响电网设备绝缘安全和无功分量调节问题。本发明专利技术对电抗容量调节需接收电网CT和VT信号，经微机分析线路容性负荷大小，向辅助有载调压变压器发出有载开关增减匝数信号，使其二次电压变化，从而改变激磁调节线圈电流大小和方向，利用电路和磁路原理，推导和发明专利技术了电抗器激磁磁势平衡物理关系式以及激磁电感与激磁电流的物理关系式，进而实现调整电抗器的电感量，来达到调整电网运行电抗容量的目的。可调电抗器(含辅助变压器、检测CT和VT元件，以及微机程序开发)属于电网输变电线路领域的设备运行原理和控制的发明专利技术。

Principle and control of adjustable shunt reactor with excitation regulating coil and design of component physical parameters

The utility model relates to an adjustable shunt reactor with an excitation regulating coil, the principle and the control, and the design of the physical parameters of the component, and is the name of the invention, and is an intelligent mode of linear regulation and control of the reactance capacity of the two equipment in the field of power grid. It can not fully compensate the capacitive load of the circuit, and affect the insulation safety and reactive component adjustment of the power grid equipment. The regulation of reactance capacity need receive power grid CT and VT signal by computer analysis of line capacitive load, auxiliary OLTC load switch or turns a signal, makes the secondary voltage changes, thus changing the excitation regulating coil current magnitude and direction, the use of circuit and magnetic circuit principle, derivation and invention the reactor excitation magnetic potential balance between physical and physical relationship between the magnetizing inductance and excitation current of the inductance type, so as to realize the adjustment of the reactor, to adjust the operation of power grid to reactance capacity. Adjustable reactor (including auxiliary transformer, detection of CT and VT components, and microcomputer program development) belongs to the invention of equipment operation principle and control in the field of power transmission and transformation lines.

【技术实现步骤摘要】
带激磁调节线圈的可调并联电抗器原理及控制和元件物理参数设计
是电网输变电线路领域的二次设备对一次设备在输变电电网运行参数的控制和调节的智能模式，能更加科学地管理电网，提高电力运行质量的作用。是对输变电一次电感元件-高压并联电抗器的电感量(即电抗容量)的受控和线性调整，以完全补偿电网容性负荷，进而优化输变电线路的电压和电流相位关系。提高电抗器所挂电网供电质量。技术背景目前输变电线路电网领域，采用固定电感量的并联电抗器来补偿线路在轻负荷下呈现的电容性负荷，但是轻负荷并非固定数值，容性负荷的大小因线路负荷的连续变化而使得线路容性容量是连续变化的特点。目前电网投切的是固定电感容量，不能连续地完全补偿线路容性负荷，具有如下缺点：富余的电感容量成为该电网运行的负担，不能在不同线路中进行电感容量平衡合理分配，不能优化局域电网的供电质量；根据线路负荷的变动，重复的投切电抗器，增加了电站工作量和增加开关的使用频次；同时使得电网运营部门不能很好地管理电网的适时电压和频率的变化，因而影响电网运行设备绝缘安全运行。采用可调电抗器的容量的自控调节，可线性变化地补偿连续变化的电容负荷，因而能够解决电网运行的上述问题。
技术实现思路
可调电抗器的容量调节需接收电网线路CT和VT信号，对其负荷特性和容性或电感性负荷大小经二次微机检测保护装置分析，并发出控制调节电抗器运行容量的信号，即向辅助有载调压变压器发出有载开关增减匝数信号，使辅助变二次电压变化，从而改变可调并联电抗器的激磁调节线圈电流大小和方向，利用电路和磁路原理，推导和专利技术了电抗器的激磁磁势平衡物理关系式以及激磁电感与激磁电流的物理关系式，进而实现调整电抗器的电感量，来达到调整电网运行电抗容量的目的。可调电抗器(含辅助变压器、检测功能的CT和VT元件，以及微机程序开发)属于电网输变电线路领域的新产品运用。附图说明：图1：带激磁调节线圈的可调并联电抗器结构原理图图2：可调并联电抗器物理量之间的向量图。图3：辅助变压器和可调并联电抗器激磁调节线圈的等效电路。结构原理图元件说明：电容C：为补偿可调电容，使U2的输出或输入电流I1’的相位与可调电抗器本体线圈电流I1相同或相反；辅助变压器AT：采用Yzn1移相或Dyn1联接组别，*为同名端，二次电压为U2，且为星形联接，中性点接地，采用变磁通有载调压，采用二次继保微机程序输出的遥控信号控制有载开关的调档方式。CT：为电流互感器；VT：为电压互感器；OLTC：为辅助变压器有载调压开关；U1：可调并联电抗器激磁调节线圈端口电压；U2：辅助变压器二次线圈输出端口电压；W1：可调并联电抗器激磁调节线圈匝数；W0：可调并联电抗器本体线圈匝数；B0：可调并联电抗器铁芯工作磁通强度；Line1：输变电线路1，可调并联电抗器所挂入的线路；Line2：输变电线路2，可调并联电抗器所需的辅助变压器一次侧所接的线路；I1’(I1”)：可调并联电抗器激磁调节线圈中的电流，I1’和I1”是流向不同；I0(I0’或I0”)：可调并联电抗器在不同的电感值下的本体线圈激磁电流，其中I0是在I1’＝0时的本体线圈激磁电流；I0’或I0”是在I1’≠0时的本体线圈激磁电流；I1：是可调并联电抗器在不同的电感值下的从电网吸收的输入电流；结构原理图的原理说明1)可调电抗器芯柱内套绕W1匝线圈，该线圈为独立的、与电抗器本体线圈无电路联系的可进行磁感应调节的线圈。简称为可调电抗器激磁调节线圈。它用于调节本体线圈中的激磁电流的大小。具有固定不变的线匝数量，电抗器线圈匝电势不变，因而其电压不变，激磁调节线圈通过Yzn1移相或Dyn1联接的辅助变，再接到线路2上的接有YNd11或YNyn0d11或YNaod11联接的变压器低压侧，从而保证U2电压相位与线路2电压相位一致。由于变压器的阻抗电压导致的相位偏差，由可调电容进行补偿，使得U2电压相位与线路1的电压相位一致。2)由于可调电抗器的本体线圈匝数W0不变，所接线路1的电压U0假设不变，则匝但是et数值不变，则激磁调节线圈电压U1基本不变，辅助变线圈和激磁调节线圈及电抗器本体线圈的同名端位置一致，因而U2和U1的相位相同。3)当辅助变二次侧的输出电压因其一次侧有载调压开关的调档而出现电压变化时，U1≠U2，从而产生I1’电流值，I1’的数值大小受(U2-U1)差值和辅助变阻抗及I1’流向W1线圈时的阻抗(以后分析)的影响。按照基尔霍夫定律，其I1’的大小可通过调节辅助变又杂开关来改变(U2-U1)的差值来实现，其中辅助变阻抗是设计制造值不可变，W1线圈阻抗受I1’的大小和方向的影响，后面对其与I1’的物理关系进行阐述。4)U1值基本固定不变，U2-U1差值的变动是由二次继保电站微机检测控制程序来操作，辅助变一次测的有载调压开关档位的调整，辅助变一次侧所接线路2正常情况下电压值不变，则辅助变属于变磁通调压；5)I1’的产生，其流向和数值大小决定了可调电抗器的电抗容量变化大小，其原理如下，数理关系在本文后续部分进行推导：a)当U2＞U1时，I1’电流流向W1激磁调节线圈，则增加电抗器的磁势I·W数值，由于可调电抗器本身线匝W0固定不变，且两者线圈绕向相同，电网线路1电压U0不变，则et不变，即可调电抗器的B0值(磁感应强度)不变，且电抗器铁芯截面面积结S是设计制造值，也是不变的。有磁势平衡表达式I1’W1+I1W0＝I0W0，从电路上看I1’和I1向量的相位相同，B0值不变，从磁回路安培定律可知：激磁磁势I0W0值不变，则I0不变，因此在U1值不变情况下，调节U2数值，当U2数值越大，从电路上看，I1’越大则I1数值越小，对于电抗器电抗L数值，有L＝Ψ0/I1，其中Ψ0＝B0*S*W0，当I1减少则L数值增加，则电抗器的阻抗JWL增加，从电网线路原件参数看，磁势电抗器的电抗容量减少为U02/JWL，从而达到调低电抗器运行容量的目的；b)当U2＜U1时，I1’电流流向辅助变二次绕组，即流出激磁调节线圈，I1’相位与I0相位相反，-I1’W1+I1W0＝I0W0，为该状态下的磁势平衡表达式，同样电网线路1电压U0不变，电抗器匝电势et不变，电抗器B0数值不变，且S截面积数值不变，一次I0W0数值不变，则I0值不变，因此在U1值不变情况下，调节U2数值，当U2数值越小，则从电路上看，I1’越大，则I1数值越大，对于电抗器电感L值，有L＝Ψ0/I1，其中Ψ0＝B0*S*W0，当I1增加则L数值减少，则电抗器的阻抗JWL减少。从电网线路原件参数看，此时电抗器的电抗容量增加为U02/JWJ，从而达到调高电抗器运行容量的目的。可调并联电抗器物理量之间的向量图附图2：可调并联电抗器物理量之间的向量图具体实施方式一、带激磁调节线圈的可调并联电抗器的控制流程阐述1)从电网线路1中的电流互感器CT1和电压互感器VT1的监测数据，通过电站微机监控软件分析：线路1的电流和电压数值及相位角差关系，可计算出线路容性负荷的大小，利用电站二次继保微机程序开发，输出遥控信号来控制辅助变压器有载调压开关操作，以改变U2数值，从而实现I1’的大小和流向的改变，进而达到调节可调电抗器运行容量的目的；经过延时，再次检测CT1和VT1数值，判断线路1的负荷性质，再次做出本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术采用电抗器本体铁芯套装激磁调节线圈，采用绕组电压同名端相同，电流相位相同或相反的方式，改变电抗器本体电感值来改变电抗器运行容量；当U2＞U1时，I

【技术特征摘要】
1.本发明采用电抗器本体铁芯套装激磁调节线圈，采用绕组电压同名端相同，电流相位相同或相反的方式，改变电抗器本体电感值来改变电抗器运行容量；当U2＞U1时，I1’电流流向W1激磁调节线圈，有磁势平衡表达式I1’W1+I1W0＝I0W0，从电路上看I1’和I1向量相位相同，B0和U1值不变，当调节U2数值越大，I1’越大则I1值越小，电抗器电抗L＝Ψ0/I1，其中Ψ0＝B0*S*W0，则其阻抗JωL增加，从线路元件参数看，电抗容量减少为U02/JωL，从而达到调低电抗器运行容量的目的。当U2＜U1时，I1’流出激磁调节线圈，相位与I0相位相反，-I1’W1+I1W0＝I0W0，为该状态下的磁势平衡表达式，调节U2数值越小，则从电路上看，I1’越大，则I1数值越大，电抗器电感L＝Ψ0/I1，当I1增加则L数值减少，则阻抗JωL减少。从电网线路原件参数看，电抗容量增加为U02/JωL，从而达到调高电抗器运行容量的目的。2.首次提出了在电网电压不变的情况下，激磁电感与激磁电流乘积恒定的概念和运用。为磁势平衡下可调电抗器在它激励下以及安匝容量基础上，对可调电抗器容量和激磁容量做出各种物理量的数学公式的推导，并完全负荷能量守恒基本原则；激磁电感L0与激磁电流I0的乘积为固定值，发现有物理关系式：L0·I0＝L0’·I0’；但L和I物理量受激磁调节线圈电流的变化而变化，从而使得可调电抗器的L值发生变化；在可调电抗器运行容量大于额定容量时，发现有物理关系式：即可调并联电抗器运行的电抗容量减去额定容量等于激磁调节线圈通过辅助变压器向线路2输出的电抗容量；I1’流向辅助变压器二次侧电压同名端。在可调并联电抗器运行容量小于额定容量时，发现有物理关系式：即可调并联电抗器运行的电抗容量加激磁调节线圈通过辅助变压器从线路2吸收的电抗容量之和等于电抗器额定容量；I1’流向激磁调节线圈同名端。3.首次分析激磁电感、激磁电流与电抗器挂网运行电感和电抗器输入电流的概念差别，以及数值偏差的物理量公式的推导，对于互感和自感量的物理公式的发现；电抗器本体线圈自感与匝数、气隙大小长度、铁芯截面积等结构尺寸等物理量有关，是一个固定欧姆值。当I0’＝0值时即可调电抗器额定容量下，本体线圈激磁电感L0与自感L自感和线路电感L线路之间，发现有物理表达式：L线路＝L0+L自感；对应的激磁电流为I0＝Ue/(√3Jω·L0)；电抗器线路输入额定电流I1＝Ue/(√3Jω·L线路)；有物理关系式：I0＞I1；因此L0和I0是一个概念数据而非电路现实数值，只是在运用激磁电感L0与激磁电流I0的乘积为固定值这一规律在可调电抗器物理量的运算中起到重要理论作用。由于自感阻抗的存在，发现有物理关系式：电感阻抗X自感＝JωL线路-JωL0；L线路＝Ue2/ωs，其中Ue为电抗器额定电压，单位为Kv；S为可调电抗器运行容量，单位为Mvar；ω＝2πf，其中f为频率)；a)在可调电抗器运行容量大于额定容量时的物理量关系(即I1’流向辅助变压器二次侧电压同名端)对电网线路，发现有物理关系式：电抗器电抗JωL线路＝JωL0’+X自感，对应的激磁电流I0’和线路输入电抗器电流I1；有物理关系式：Ue＝√3·I1·(JWL0’+X自感)，其中Ue为线路电压值，ω＝2πf，其中f为频率；利用U2＜U1时的磁势平衡表达式，激磁调节线圈上的电流I1’是受回路基尔霍夫定律决定，I1’的变化都可以自由地从电网电抗器输入电流I1来平衡磁势，确保电网电压下匝电势恒定，因而没有互感阻抗的存在；b)在可调并联电抗器运行容量小于额定容量时的物理量关系(即I1’流向激磁调节线圈同名端)由于自感和互感阻抗的存在，对线路而言，发现有物理关系式：电抗器电抗JωL线路＝JωL0”+X互感+X自感，对应的激磁电流I0”和线路输入电抗器电流I1；发现有物理关系式：Ue＝√3·I1·(JωL0”+X互感+X自感)，其中Ue为线路电压值；ω＝2πf，其中f为频率；发现有物理关系式：X互感＝r·X自感，其中容量比r＝额定电抗器容量/调低后电抗器运行容量；利用U2＞U1时的磁势平衡表达式，激磁调节线圈上的电流I1’是受回路基尔霍夫定律决定，I1’的变化都可以有限制地(因互感阻抗的大小变化受电抗器运行容量大小的影响)从本体电抗器线圈上获得电网输入电流I1来平衡I0值，I0值在可调电抗器运行容量下调过程中是固定的，是用于产生满足挂网电压的匝电势的激磁电流，使得I1和I1’产生了约束关系，因而本体电抗线圈和激磁调节线圈之间产生了互感阻抗。4.首次对本发明的各电气元件的物理参数的设计流程做出科学细致和分步骤的求解和阐述，以及物理公式的推导，具有产品设计手册和遵守的原则特征，具有产品设计的显示可操作性。1)电力运营部门提供并联电抗器三相额定容量S0(单位：Kvar)，额定电压Ue(单位：Kv)、超容量可调最大电抗三相容量S1(单位：Kvar)、降低容量可调最小电抗三相容量S2(单位：Kvar)；2)求取额定容量下电的抗器输入电流I1e＝S0/√3/Ue(A)；求取额定容量下电抗器线路电感Le线路＝(Ue/√3×1000)/(2πf·I1e)(单位：亨利)；或Le线路＝(Ue2/(2πf·S0)(单位：Ue为Kv，S0单位：Mvar)。3)可调电抗器产品参数的求取(I1’＝0时，即激磁调节线圈无电流情况下的额定电抗容量)a)根据(B0/μ0)·nδ＝I0W0，则有B0·S＝μ0I0W0S/nδ，其中S为电抗器铁芯截面面积，单位为m2；nδ为n个气隙长度，单位为m；n为电抗器单相芯柱气隙个数；W0为电抗器单相线圈的匝数；μ0为空气导磁率，单位为4π·10-7(H/m)；I0为电抗器激磁电流(当I1’＝0时)，但可通过控制激磁调节线圈电流I1’的大小和相位及流向，从而实现对I1数值的改变，进而改变电抗器电感L值，使得运行电抗容量调整出适合电网运行所需的容量。则有Ψ0＝B0·S＝μ0I0W0S/nδ，则有Ψ0m＝B0·S·W0＝μ0I0W0W0S/nδ，则有L0＝Ψ0m/I0＝μ0W0W0S/nδ＝1.257W0W0S/(nδ·106)(单位为：亨利，为I1’＝0时的电抗器电感值)，其中S为铁芯截面面积，单位：m2；δ为气隙长度，单位：m；n为电抗器单相芯柱气隙个数；W0为电抗器单相线圈的匝数；b)其中W0电抗器单相本体线圈匝数；S铁芯截面面积；nδ数值由以下物理公式及产品设计经验选取：电抗器本体线圈每匝电势et＝4.44fB0S·10-4(单位：V)，其中f为频率；B0是当I1’＝0时的铁芯磁感应强度，单位：T(特斯拉)；S为铁芯芯柱截面面积，单位：cm2；B0是在电抗器参数设计时设定的额定电压和额定频率下的磁感应强度，对于固定电抗器由于线性度的要求，一般取值为1.3-1.4T，对于可调电抗器可取值1.5T以上；nδ和S数据可根据固定电抗器产品设计经验选取。c)W0＝Ue/√3·F·103/et取整，再反推准确的B0值，其中F为电抗器本体线圈主阻抗百分数，数据可根据固定电抗器产品设计经验选取；d)L0＝1.257·W0W0·S·ε/nδ，已知W0和S以及nδ值，其中ε为气隙效应导致有效截面增加因素，数据可根据固定电抗器产品设计经验选取，可求出I1’＝0时的电抗器电感值(单位：亨利)；I0＝Ue/√3·103/JωL0(单位：A)，即为当I1’＝0时的电抗器激磁电流值；e)L0值与I1’＝0时的Le线路值是不同的，有物理公式：电抗器本体线圈自感L自感＝Le线路-L0，自感阻抗X自感＝JωL线路-JωL0，其中ω＝2πf，其中f为频率；至此，可调...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂恒伟，
申请(专利权)人：聂恒伟，
类型：发明
国别省市：湖南,43