一种齿形磁楔快速可调电抗器

魏新劳+王梦娇+官瑞杨

摘要：针对一般磁楔电抗器无法快速改变电抗值的问题，提出了一种新型可调的齿形磁楔式电力电抗器，与一般磁楔电抗器相比，这种电抗器可以通过成倍地减小调节距离来成倍地提高调节速度，以一台设计制作的220 V、8 kVar齿形磁楔电抗器样机为研究对象，应用ANSYS有限元分析软件，建立了该电抗器的三维磁场模型，计算磁楔在两个极限位置时的电抗器磁场分布，应用ANSYS的LMATRIX宏命令计算该电抗器的电感调节特性。研究结果表明：该电抗器与一般磁楔电抗器相比，不仅可以提供相同的电感调节特性，而且具有数倍的电感调节速度。

0引言

在电力系统中，电抗器是一种重要的电气装置，广泛的应用于限制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压、线路容性充电功率、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等。电抗器按特性分为固定电抗器和可调电抗器。固定电抗器在工作过程中电抗值保持不变，而可调电抗器在工作过程中可以根据实际需要改变电抗值。

随着电力系统的不断发展和对电抗器性能要求的提高，实际中希望电抗器的电抗值可实时调节或控制，如用于配电网中自动消弧线圈的电抗器、用于故障限流的可控串联电抗器、用于超（特）高压输电线路限制容升和无功补偿的并联高压电抗器等。这些可调电抗器作为特殊的电抗器，可根据运行工况实时调节自身容量，稳定系统电压和控制无功功率，提高系统稳定性并改善电能质量。可调电抗器分为：气隙调节式可调电抗器、晶闸管控制电抗器、磁控电抗器、PWM控制电抗器和超导可调电抗器。与其他类型可调电抗器相比，传统的气隙调节式可调电抗器结构简单，容易控制，不产生谐波。作者研究的可调电抗器是一种新型的调气隙式可调电抗器。

传统的气隙调节式可调电抗器动铁心与固定铁心竖直相对，通过改变动铁心与固定铁心的竖直距离，改变气隙大小，从而改变电抗器的电感值。传统结构虽然可以实现电感值的连续无级可调，但是在调节过程中，由于动铁心移动方向与主磁通流通方向重合，动铁心会受到较大的电磁吸力，加上其自身重力也很大，因此电感的调节速度非常慢，甚至导致电感量与气隙距离关系重复性差。此外，动铁心受到很大的交变电磁力作用，其使用过程中振动、噪声较大。

为了解决传统的气隙调节式可调电抗器存在的问题，本文部分作者曾发明了一种新的气隙调节式可调电抗器——磁楔调节式可调电抗器，并且取得了专利授权。本文把这种电抗器称为一般型磁楔调节式可调电抗器。通过磁楔的抽出和插入就可以改变磁路的磁阻，从而改变电抗器的电感量。因为磁楔的厚度仅仅等于最大气隙的宽度，因而，与传统的气隙调节式可调电抗器相比，可动部分的体积和重量大大减低，因而可以获得更快的调节速度。另外，与传统的气隙调节式可调电抗器相比，在调节过程中所需要的机械调节力很小。由此带来了比较小的噪声和重复性好的电感一间隙调节特性。

虽然这种电抗器已经具备了比传统的气隙调节式可调电抗器更快的调节速度，但是，仍然有可以进一步改进的地方。这正是本文所要研究的主要内容。

1齿形磁楔快速可调新原理的提出

对于一般型磁楔调节式可调电抗器，只有当磁楔完全被抽出后，磁路的磁阻才能达到最大，只有当磁楔完全插入后，磁路的磁阻才能达到最小。虽然该种电抗器的可动部分的体积和重量都远小于传统气隙调节式可调电抗器，但其可动部分的实际调节行程在许多情形下可能比传统气隙调节式可调电抗器的调节行程长，从而降低了该种电抗器的电感量调节速度。

为解决这一问题，作者进一步提出了一种新型磁楔可调电抗器——齿形磁楔可调电抗器。其原理如图1所示。

图1中，磁楔被设计成齿形结构，且齿的宽度小于槽的宽度，该结构的优势在于：磁楔的实际行程只需要达到单个齿和单个槽宽度和的一半，即可使磁路的磁阻从最大值（最小值）变化到最小值（最大值）。图2中给出了齿形磁楔的两个极限位置。