磁饱和式可控电抗器原理介绍.doc

这篇文章对磁饱和式可控电抗器做了明确的理论推导，但对于电磁理论不足的人，难以去理解（我也没有真正理解）。下面以我自己的方式对它的工作原理进行解释：上图中设了几个量：I为消弧线圈的总电流，I1为左铁芯中线圈电流，I2为右边线圈的电流，Iz为线圈中的直流部分，Iz它的含义为图中红线表示路径的电流，在实际中，它基本为直流（带脉动）。在可控硅从未导通时，加入电压U后，由于线圈对称，则有：B1=B2 I1=I2 Iz=0。T1第一次导通时，D截止，一部分电流沿铁芯1流过，此时B1加大（B1B2）多出的磁通经旁轭流过。U过零时，T1截止。U到零电压时，B2=0，B1不为零，B1上有闭合线圈（图中红线指向），要维持B1上的磁通，就会在闭合线圈上产生电流，即为Iz。Iz同时绕在B2上，这个电流会对铁芯II磁化（当然在消耗一部分能量），两个铁芯与闭合线圈成了一个电感，这样，一个可控硅可以控制Iz的存在及大小。铁芯I与铁芯II有相同的绕线方式，Iz对铁芯产生的磁通方向相反（一个方向向上，一个方向向下）。当有U加在电抗器上后，在两磁柱（铁芯I，铁芯II）中产生B1、B2由U产生的电流与Iz之和决定。在U的正半周（上端电压高，下端电压低）时，B1B2，即铁芯I产生饱和，在U为负半周时，铁芯II产生饱和。如果使用单个可控硅对消弧线圈控制，会引起消弧线圈中出现直流分量，如下图（有3000V，4.5uF下，做接地实验，K-为强励信号，即在输出一个强励控制信号后，电感电流（消弧线圈电流）出现较大的直流分量。）直流分量产生原因分析：当一个铁芯（如铁芯I）相关的可控硅导通时，在U正半周时，对电容C充电，之后如果不再让可控硅导通，后面的过程为C通过消弧线圈（电感）放电过程，即得到上面的电感电流波形。磁饱和式可控电抗器1 引言随着城市电网的发展和配电网规模的不断扩大，666kV配电网过去普遍采用的中性点不接地运行方式已不能适应现实需要了，随着电缆出线的增多，系统对地电容电流急剧增加为原来的10100倍。为了限制电容电流，采用中性点经消弧线圈接地的补偿系统成为最主要的方式。当配电网发生单相接地故障时，补偿系统提供电感电流来自动补偿电容电流，使接地点电流迅速减小，并使故障相的恢复电压降低，达到熄弧不重燃的目的。本文介绍了磁饱和式可控电抗器的拓扑结构、工作原理及特性曲线，利用这一原理制作的消弧线圈具有工艺简单、成本低廉、振动和噪声低，以及调节范围宽（从重载至额定负载）、谐波含量低、有功损耗小、响应速度快等特点。利用磁饱和式可控电抗器原理制作的消弧线圈在配电系统正常运行时有高感抗，远离谐振点，在配电系统发生单相接地故障时，能快速地实现全补偿，限制电容电流，有效地熄灭电弧。2 磁饱和式可控电抗器的拓扑结构图1为一单相磁饱和式可控电抗器的拓扑结构图，图2为其电路图。可控电抗器由两个等截面（截面极为A）、等长度（长度为L）的主铁芯、和为使电抗器电流正负半波对称的两个等截面、等长度的旁轭、组成。为使主铁芯饱和，主铁芯的截面积小于旁轭截面。铁芯和旁轭、铁芯和旁轭、分别组成两条交流磁通的回路，铁芯和旁轭组成直流磁通-的回路。每个铁芯柱上绕有总匝数为N的上、下两个绕组，每个绕组各有一个抽头，分别与晶闸管T1、T2相联，抽头比=2N2/N，N=2(N1+N2)。不同铁芯的上、下两个绕组交叉联接后并联至电网，续流二极管D跨接在两个绕组的交叉处。图1 可控电抗器的拓扑结构图图2 可控电抗器的电路图3 磁饱和式可控电抗器的工作原理假设晶闸管T1、T2和二极管D均为理想元件，则可控电抗器有三种工作状态：状态1： T1、T2关断，D导通；状态2： T2、D关断， T1导通；状态3： T1、D关断，T2导通。如图3所示为电网电压u()与晶闸管触发角之间的关系。 图3 工作状态图当晶闸管T1、T2关断时，可控电抗器处于空载状态。当电网电压处于正半波时，T1承受正向电压、T2承受反向电压。若T1触发导通，电源u经匝数为N2的绕组向电路提供直流控制电压和控制电流如图2所示，过渡到状态2的工作状态。同理，当T2在电网电压处于负半波（2）时，T2触发导通，同样经N2绕组向电路提供同方向的直流控制电压和电流，可控电抗器按照：状态2状态1状态3状态1状态2的次序轮流切换。在电源的一个周期内，T1和轮流导通起到了全波整流的作用，二极管D在T1和T2导通和关断时起续流作用。图4 各工作状态下的等效电路（a）状态1 （b）状态2 （c）状态3改变导通角，即可改变控制电流id产生的直流磁通大小，使铁芯的工作点随之改变，从而达到平滑调节电抗的目的。4 磁饱和式可控电抗器的基本磁方程假设两铁芯柱的磁动势分别为F1和F2，磁通分别为1和2，每个铁芯柱绕组总电阻为R，根据基尔霍夫定律和图2、图4的等效电路图，可以推导出三种基本工作状态下的电磁方程。式中ic-控制电流；i-可控电抗器总电流。控制电压为（）于是主回路和控制回路的电压方程分别为（）（）由式（7）、（8）可得到图5所示的等效电路。显然uuc，对电抗器电流起决定作用的是电感，改变晶闸管的导通角，即可改变电抗器的电感及其容量。 图5 可控电抗器的等效电路5 磁饱和式可控电抗器的调节特性图6 可控电抗器的调节特性依据图5所示的可控电抗器的等效电路，可以得到如图6所示的磁饱和式可控电抗器的调节特性。可控硅触发角的工作范围为0180，当0时，晶闸管T1、T2轮流导通近180，这时的激磁电流最大，磁路最饱和，故磁路磁阻最大，电抗器容量最大；随着的增大，晶闸管T1、T2的导通时间，激磁电流、电抗器容量都将减小，磁路饱和度降低；当180时，晶闸管T1、T2截止，激磁电流为零，这时可控电抗器相当于一台空载运行的变压器，电抗器的容量亦最小。从图6可以看出，当在20150范围内时，可控电抗器的调节性能是一段下降的直线，且在这段线性区间内，可控电抗器可在23个工频周期内投入80的容量，可见其响应速度是很快的，在工程实际中，可控电抗器的调节容量一般也在2080的范围内。6 电容电流的实时检测根据磁饱和式可控电抗器原理制作的消弧线圈，应用于中性点经消弧线圈接地的配电系统中，如果忽略对称三相系统的对地电阻，以A相电压作为参考变量，则中性点N的位移电压为（）其有效值为（）式中UN-中性点位移电压有效值；CA、CB、CC-分别为三相导线的对地电容；IC-三相总电容电流；U-三相系统对地电容有效值；IN-流经消弧线圈的电流；改变可控消弧线圈晶闸管的触发角，即可改变消弧线圈的电感L，可得到另一组位移电压为（11）由式（10）和式（11）可得（12）实际工程中，当晶闸管的导通角很小时，该可控电抗器的感抗很大