一種齒形磁楔快速可調(diào)電抗器

魏新勞+王夢嬌+官瑞楊

摘要：針對一般磁楔電抗器無法快速改變電抗值的問題，提出了一種新型可調(diào)的齒形磁楔式電力電抗器，與一般磁楔電抗器相比，這種電抗器可以通過成倍地減小調(diào)節(jié)距離來成倍地提高調(diào)節(jié)速度，以一臺設計制作的220 V、8 kVar齒形磁楔電抗器樣機為研究對象，應用ANSYS有限元分析軟件，建立了該電抗器的三維磁場模型，計算磁楔在兩個極限位置時的電抗器磁場分布，應用ANSYS的LMATRIX宏命令計算該電抗器的電感調(diào)節(jié)特性。研究結(jié)果表明：該電抗器與一般磁楔電抗器相比，不僅可以提供相同的電感調(diào)節(jié)特性，而且具有數(shù)倍的電感調(diào)節(jié)速度。

0引言

在電力系統(tǒng)中，電抗器是一種重要的電氣裝置，廣泛的應用于限制工頻過電壓、消除發(fā)電機自勵磁、限制操作過電壓、線路容性充電功率、潛供電流抑制、限制短路電流和平波等。電抗器按特性分為固定電抗器和可調(diào)電抗器。固定電抗器在工作過程中電抗值保持不變，而可調(diào)電抗器在工作過程中可以根據(jù)實際需要改變電抗值。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和對電抗器性能要求的提高，實際中希望電抗器的電抗值可實時調(diào)節(jié)或控制，如用于配電網(wǎng)中自動消弧線圈的電抗器、用于故障限流的可控串聯(lián)電抗器、用于超（特）高壓輸電線路限制容升和無功補償?shù)牟⒙?lián)高壓電抗器等。這些可調(diào)電抗器作為特殊的電抗器，可根據(jù)運行工況實時調(diào)節(jié)自身容量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和控制無功功率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并改善電能質(zhì)量。可調(diào)電抗器分為：氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器、晶閘管控制電抗器、磁控電抗器、PWM控制電抗器和超導可調(diào)電抗器。與其他類型可調(diào)電抗器相比，傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，不產(chǎn)生諧波。作者研究的可調(diào)電抗器是一種新型的調(diào)氣隙式可調(diào)電抗器。

傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器動鐵心與固定鐵心豎直相對，通過改變動鐵心與固定鐵心的豎直距離，改變氣隙大小，從而改變電抗器的電感值。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)電感值的連續(xù)無級可調(diào)，但是在調(diào)節(jié)過程中，由于動鐵心移動方向與主磁通流通方向重合，動鐵心會受到較大的電磁吸力，加上其自身重力也很大，因此電感的調(diào)節(jié)速度非常慢，甚至導致電感量與氣隙距離關系重復性差。此外，動鐵心受到很大的交變電磁力作用，其使用過程中振動、噪聲較大。

為了解決傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器存在的問題，本文部分作者曾發(fā)明了一種新的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器——磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，并且取得了專利授權(quán)。本文把這種電抗器稱為一般型磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器。通過磁楔的抽出和插入就可以改變磁路的磁阻，從而改變電抗器的電感量。因為磁楔的厚度僅僅等于最大氣隙的寬度，因而，與傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器相比，可動部分的體積和重量大大減低，因而可以獲得更快的調(diào)節(jié)速度。另外，與傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器相比，在調(diào)節(jié)過程中所需要的機械調(diào)節(jié)力很小。由此帶來了比較小的噪聲和重復性好的電感一間隙調(diào)節(jié)特性。

雖然這種電抗器已經(jīng)具備了比傳統(tǒng)的氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器更快的調(diào)節(jié)速度，但是，仍然有可以進一步改進的地方。這正是本文所要研究的主要內(nèi)容。

1齒形磁楔快速可調(diào)新原理的提出

對于一般型磁楔調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，只有當磁楔完全被抽出后，磁路的磁阻才能達到最大，只有當磁楔完全插入后，磁路的磁阻才能達到最小。雖然該種電抗器的可動部分的體積和重量都遠小于傳統(tǒng)氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器，但其可動部分的實際調(diào)節(jié)行程在許多情形下可能比傳統(tǒng)氣隙調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗器的調(diào)節(jié)行程長，從而降低了該種電抗器的電感量調(diào)節(jié)速度。

為解決這一問題，作者進一步提出了一種新型磁楔可調(diào)電抗器——齒形磁楔可調(diào)電抗器。其原理如圖1所示。

圖1中，磁楔被設計成齒形結(jié)構(gòu)，且齒的寬度小于槽的寬度，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：磁楔的實際行程只需要達到單個齒和單個槽寬度和的一半，即可使磁路的磁阻從最大值（最小值）變化到最小值（最大值）。圖2中給出了齒形磁楔的兩個極限位置。