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新型混合調(diào)節(jié)電抗器的研究

文檔作者：董洪達，劉俊博文檔來源：國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月26日
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它專歿牙
新型混合調(diào)節(jié)電抗器的研究
董洪達，劉俊博
(國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春130021)
[摘要] 研究一種新型混合調(diào)節(jié)電抗器，介紹了其結(jié)構(gòu)和原理，分析了其工作特性，建立了其仿真模型并制作樣機。
仿真結(jié)果和樣機試驗表明，該電抗器無功功率調(diào)節(jié)范圍可達3．5 ～84．O ，并且工作電壓和電流趨于正弦
波，諧波含量很小。
關(guān)鍵詞 電抗器混合調(diào)節(jié)無功補償仿真
中圖分類號TM471
0引言
近年來，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，無功不平衡問題變得
越來越嚴重。傳統(tǒng)電抗器在無功補償中難以大范圍連續(xù)調(diào)
節(jié)，并且多數(shù)電抗器諧波問題嚴重，限制其在電網(wǎng)中的應
用。為此，本文選取了一種無功功率調(diào)節(jié)的新方法，采用
粗調(diào)和細調(diào)相結(jié)合的方式使得無功功率調(diào)節(jié)范圍變大，并
可實現(xiàn)連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。同時，研究了一種新型混合調(diào)節(jié)電
抗器，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電抗器不同，具有無功功率調(diào)節(jié)范圍
大且諧波影響小的特點，介紹了該電抗器的結(jié)構(gòu)組成，從
電路和磁路兩方面對其無功功率調(diào)節(jié)原理進行了分析，然
后通過建立仿真模型并制作樣機，驗證該電抗器的工作特
性。
1電抗器結(jié)構(gòu)
本文提出的新型混合調(diào)節(jié)電抗器的鐵心和繞組結(jié)構(gòu)如
圖l所示。鐵心由中柱鐵心和兩側(cè)邊柱鐵心組成，其中一
側(cè)邊柱鐵心包含空間上交錯排列的一組邊柱(4個)，這種
鐵心結(jié)構(gòu)能提高窗口的利用率，并減小鐵心體積。繞組由
工作繞組、控制繞組和一組短路繞組組成，工作繞組和控
制繞組分別布置在中柱鐵心和一側(cè)邊柱鐵心上，短路繞組
布置在另一側(cè)的一組邊柱鐵心上。工作繞組接入電網(wǎng)，作
為輸出端；控制繞組與交流控制電源相連，其中控制電流
的相位與工作電流相反；短路繞組分為短路和開路兩種
情況。
一
(a)鐵心 (b)繞組
圖1 新型混合調(diào)節(jié)電抗器結(jié)構(gòu)圖
2工作原理
2．1工作過程
基于混合調(diào)節(jié)電抗器的特殊結(jié)構(gòu)，其工作過程為：當
短路繞組全部處于開路時，工作電流由控制電流進行調(diào)
節(jié)，電抗器的無功功率隨之發(fā)生變化；當其中一組短路繞
組處于短路、其它短路繞組開路時，工作電流和無功功率
的調(diào)節(jié)與之類似。根據(jù)短路繞組處于短路的組數(shù)不同，該
電抗器可分為ml、m2、m3、m4、m5五種工作狀態(tài)(短
路繞組從開路到逐個短路)。對于某種工作狀態(tài)，電抗器
的無功功率能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，可看作是細調(diào)；對于五種工
作狀態(tài)之間，電抗器的無功功率能實現(xiàn)分級調(diào)節(jié)，可看作
是粗調(diào)，這種粗調(diào)方法增大了無功功率的調(diào)節(jié)范圍。采用
粗調(diào)和細調(diào)相結(jié)合的方式，電抗器的無功功率能在較大范
圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。
2．2 電路分析
從電路方面來看，該新型混合調(diào)節(jié)電抗器可看作一個
包含3個繞組的特殊變壓器，其控制電流的相位與工作電
流相反，等效電路如圖2所示。當忽略勵磁電流時，3個
電流之間的關(guān)系為：
I lw+ Iv==：I s
． ． (1)
II 一一a
式中，L、 、 分別為工作電流、控制電流和短路電
流；a為比例系數(shù)。
盎工宣藿
收稿日期：2017-05—04
作者簡介：董洪達(1987一)，碩士，工程師，從事電網(wǎng)設備帶電檢測與故障診斷、電抗器技術(shù)研究工作。
2017 J 1O(A)期J 43
電氣設
作繞組的電壓為：
U 一jX J +jX j 一jX J +jX (， + J )一
j J Ix +X (1一d)] (2)
式中，X 、X 、X 分別為3個繞組的等效電抗。
從工作繞組端來看，等效電抗應為X 一X +X (1
a)一X 一 ，其中X 為工作繞組和短路繞組之問的
路電抗。對于粗調(diào)方式，五種工作狀態(tài)對應的短路電抗分
別為X 州 、 ! 、X 、X 、X 。由此口r ，不
同工作狀態(tài)下電抗器的等效電抗有所不同，在工作電壓
本不變的情況下，等效電抗與工作電流相對應，不 工作
狀態(tài)下的無功功率也有所差別，以此實現(xiàn)電抗器的分級淵
節(jié)(即粗調(diào))，能增大電抗器的無功功率調(diào)節(jié)范圍。
2．3磁路分析
對于控制繞組(此時忽略短路繞組)，當控制電流進行
調(diào)節(jié)時．該電抗器的等效磁路如圖3所示。從工作繞組和
控制繞組端來看， 對應的主磁通和漏磁通分別為 、
、 。。根據(jù)磁路歐姆定律，這些磁通可表示為：
f l 一F A 一N 】A
J l 一F1A1 一N lAi ，． 、
l c1) 一F2A 一N ieA
【 2 一F2A2 一N 1 2A2
西 ．
— — — — — — — — — ÷一—————’————I
、 、
十I “ r ．+I { ： f l{ l 崇 ， l
I一
一一一一一一一一一一-J
圖3 電抗器等效磁路(工作繞組和控制繞組)圖
根據(jù)電磁感應定律，工作繞組的感應電動勢(EMF)
為：
一一
N 一一 ． dil
—
NwN?A di：
【el cr—N 一 警
( 4)
由此，工作繞組的電壓町表示為：
lI—il Kla- @Clo)一il Kla 訾+ 等
其中， 一『＼， 以 +』＼， A ，M 一N～N A?
當忽略繞組的電阻時。k為比例系數(shù)．工作繞組的電
壓(向量)為：
U 一 (I 一 、 )J．+jdeM (，1+，2／k)一j I ，I+
jX。(， + ， !)一j(X +XI一口xI)， (5)
其中J !一J2 一一a Jl。
44 WWW chinaet net f中國電工網(wǎng)
山式(5)町知， j=J1=器的等效電抗為x。 一X + (1
a)X 。由此可見，隨著a的變化， 口IJ控制電流的變化，等
效電抗隨之改變，工作電流平1】無功功率也發(fā)生變化， 從
實現(xiàn)在某狀念下的連續(xù)州 ，即細淵。
綜f 所述．從電路和磁路兩方面的分析表明，采』}】'卡fl
調(diào)和細凋相結(jié)合的方式． 使僻陔電抗器在每種狀態(tài)卜均
能連續(xù)淵節(jié)．并使五種工作狀態(tài)相互銜接，從而讓其無功
功率能在更大范圍內(nèi)連續(xù)刪節(jié)。
3模型仿真和樣機試驗
3．1樣機
經(jīng)過上述分析。本文以22OV 2()A的電抗器為例進行
研究．尤功功率調(diào)節(jié)范Ⅲ 沒定為5O ～ 1()(] ，工作電流
變化范Ⅲ為10～2OA 為驗 這種新型混合捌節(jié)電抗器的
工作特性．研制了一臼220V 20A的試驗樣機．樣機參數(shù)
表1。其中， 為較長邊什的鐵心寬度． ，為較 邊
佳的鐵心寬度。耽， ．為序側(cè)較長邊柱的窗n寬度，設， 為芽
側(cè)較短邊柱的窗口寬瞍．7A．一 為右側(cè)窗口寬度．『j為鐵心高
度， 為窗門高度．，為鐵心厚度， 、 — 分別為
工作繞組、控制繞紺干¨短路繞組的匝數(shù)(受試驗條什限
制，控制繞組和工作繞組的導線材料通流密度相同 為便
于試驗，兩繞組匝數(shù)卡fi等)。
表1樣機參數(shù)
3．2模型仿真
往原理分析和樣機參數(shù)的基礎』二．本文建立該電抗
的有限元仿真模型，模擬電抗器的／f 同工作狀態(tài)．對鐵心
的磁感』、邁強度進行研究．磁感應強度仿真結(jié)果如圖4所示
圈 田
田 田
田
圖4 鐵心磁感應強度分布圖
電專麓圩
(僅以某控制電流下的仿真圖譜為例)。由此可知，當某個
短路繞組處于短路時，其自身鐵心上的磁感應強度被削
弱，其它鐵心磁感應強度增強。隨著短路繞組短路組數(shù)的
增加，鐵心的磁飽和程度逐步加深。此外， 中柱鐵心(工
作繞組)一直處于深度飽和狀態(tài)，中柱鐵心周圍的空間磁
場強度較小，使工作繞組中的磁場強度較小。因此，工作
繞組的電壓和電流受磁場畸變的影響較小，不影響電抗器
的正常工作。
3．3樣機試驗
按照電抗器的設計目標，對樣機進行模擬試驗。通過
調(diào)節(jié)控制電流的大小，來實現(xiàn)工作電流的調(diào)節(jié)，進而改變
電抗器的無功功率。樣機試驗結(jié)果見表2，工作繞組的電
壓和電流波形如圖5所示(僅以某一控制電流下的試驗波
形為例)。由此可知，隨著控制電流的變化，工作電流的
變化范圍為0．7～17．2A，無功調(diào)節(jié)范圍可達3．5 ～84．
o ；而且不同工作狀態(tài)下的工作電流值有交叉，能實現(xiàn)
五種工作狀態(tài)相互銜接，使無功功率在更大范圍內(nèi)連續(xù)可
調(diào)。由圖5可知，工作電壓和電流的相位相差近似為
9O。；隨著電抗器的工作狀態(tài)從ml到m5，工作電流的諧
波含量逐漸減小。工作電壓的電壓降很小，使得工作電流
的變化與無功功率基本一致，從而實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)控制電流
來有效改變電抗器的無功功率。
表2 樣機試驗結(jié)果
在樣機試驗中，由于控制繞組匝數(shù)與工作繞組相等，
因此最大控制電流接近20A。根據(jù)磁動勢平衡關(guān)系， 當控
制繞組匝數(shù)變大時，控制電流會變小。在以后的設計中，
300
一l00
- 300
tls
鼬
一0．02 0 0．02
tls
fa1 ml
3【x】
享 00
— 10o
- 300
- 0．02 0 0．02
3o0
一。
1 00
— 3o0
。．2
可把控制繞組的匝數(shù)適當增加，以減小控制電流，從而使
電抗器的無功調(diào)節(jié)更方便。此外，當短路繞組數(shù)量變多
時，分級調(diào)節(jié)的級數(shù)會變多， 電抗器的無功調(diào)節(jié)范圍也會
- 0．02 0 O02
掩赫
- 0．O2 0 0．O2
(C)m3
圖5 工作電壓和電流波形圖
隨之變大。為此，接下來可從控制繞組和短路繞組的參數(shù)
方面來對混合調(diào)節(jié)電抗器進行優(yōu)化，從而使其性能更適合
于高電壓等級電網(wǎng)的應用。
4結(jié)束語
本文通過對無功補償電抗器的研究，采用粗調(diào)和細調(diào)
相結(jié)合的方式，提出了新型混合調(diào)節(jié)電抗器的概念。首先
介紹了該電抗器的結(jié)構(gòu)和工作過程；其次從電路和磁路兩
方面分析了電抗器無功調(diào)節(jié)的方式；然后建立了仿真模型
并制作了樣機，利用仿真方法模擬了電抗器鐵心所處的磁
場分布情況，結(jié)果表明電抗器工作繞組受磁場畸變的影響
堇。
一O1
- 03
_0．02 O 0．O2
很小，對電抗器的正常工作影響很??；最后對樣機進行了
試驗，結(jié)果表明該電抗器無功功率調(diào)節(jié)范圍可達3．5 oA～
84．0 ，并且工作電壓和電流趨于正弦波，諧波含量很
小。綜上所述，該新型混合調(diào)節(jié)電抗器具有大范圍連續(xù)平
滑調(diào)節(jié)和諧波影響少的特點，在無功補償中具有很大優(yōu)
勢。當控制繞組和短路繞組的參數(shù)得到優(yōu)化設計時，該電
抗器能在高電壓等級電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)中有更出色的應用。
參考文獻
[1]田銘興，陳華泰，楊秀川，等．基于飽和變壓器的磁飽和式可
控電抗器分析[J]．電源技術(shù)，2016，40(3)：705—708
2017 J IO(A)期}45
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