專利名稱：儲能電抗器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種特殊用途的儲能電抗器，屬電抗器技術領域。
背景技術：
中國散裂中子源(以下簡稱CSNS)是一臺正在籌建中的中等規模的高通量散裂中 子源，它將服務于生命、環境、材料、醫藥、物理、化學等學科及工業界，是我國科技創新領域 必不可少的重大基礎設施，其建設將填補國內脈沖中子應用領域空白，縮短該領域與世界 前沿的30年差距，長期滿足國內需求，CSNS建成后，將成為世界新一代四大脈沖散裂中子 源之一，具有很強的國際競爭力。CSNS中要用到一種專用的電抗器，由于整個系統的復雜性 和特殊性，對該電抗器提出了多個不同于一般電抗器的特殊要求，包括該電抗器通過電流 為交直流同時并存，而且直流分量比交流分量的幅值大；為了整個系統的穩定運行，要求電 抗器的電感線性度< 1%，等等，如何能保證電抗器的電感線性度< 1%，適應CSNS特殊的 運行環境，是本領域亟待解決的技術難題。
發明內容
本發明目的是提供一種儲能電抗器，該儲能電抗器通過電流為交直流并存，而且 直流分量比交流分量的幅值大，使電感線性度< 1%，解決背景技術存在的上述問題。本發明目的是通過下面的技術方案實現的本發明技術方案儲能電抗器為單相心式電抗器，包含鐵心和繞組兩部分，浸在裝有絕緣油的油箱 中，為保證電感線性度< 1%，鐵心所用鐵磁材料選取具有高磁導率的晶粒取向硅鋼片，合 理選取鐵心的工作磁密范圍，最小通過電流Imin下產生的磁場強度為&，在最大通過電流
下產生的磁場強度為H2，使&與112所對應的磁導率y盡量接近，同時要避免鐵心飽和。所說的鐵心為單框雙柱式，鐵心包括上、下鐵軛和兩個心柱，心柱包括鐵餅和氣 隙，兩個心柱上設有相同的氣隙，繞組分成匝數相同的兩部分，分別套在兩個心柱上，兩部 分串聯或者并聯，引出兩個接線端子，作為電流的流入與流出端子。在運行中，心式電抗器鐵餅間相互吸引，鐵餅間的氣隙有被壓縮的趨勢，如果采用 一般的絕緣材料支撐鐵餅間的氣隙，會引起電抗器電感有較大的變化，為了避免上述現象 的發生，從結構上，鐵心采用高強度拉螺桿壓緊，鐵餅采用環氧澆注，鐵餅中間的氣隙使用 應力> 90N/mm2的高強度墊塊支撐，使運行過程中因氣隙變化而造成的電感變化基本趨于 零，以保證電感的線性度。冷卻方式為自然油循環空氣冷卻。本發明儲能電抗器電感的計算方法包括以下步驟選取鐵心直徑，按下式估算D = KP0.25 (1)
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式中D抓鐵心直徑；K抓經驗系數，取64 68 ；P抓單柱容量(kvar)。按(1)式計算出的值，選擇標準鐵心截面。初步確定鐵心的工作磁密本發明的額定通過電流為I (t) = Idc+Iac sin (2 n ft) (2)式中I(t)抓額定通過電流(A)；Id。抓直流電流的幅值(A)；Ia。抓交流電流的幅值(A)；f 抓頻率(Hz)；t 抓時間(s)。附圖2為電流波形圖，圖2中Imax = Id。+Ia。，為最大通過電流；Imin = Id。-Ia。，為最小通過電流。設在最大通過電流下，心柱鐵餅中的磁密為B_ ；在僅有交流電流Ia。Sin2(Jift)(即將額定通過電流I(t)中的直流分量Id。去除) 時，心柱鐵餅中的磁密為BAe。
B_初步按不大于鐵心所用鐵磁材料的飽和磁密選取。 Bmax確定后，按下式初步確定BAe
(3)
按下式估算每匝電壓
式中
e' t抓估算的每匝電壓(V)； f抓頻率(Hz)；
BAC抓在額定通過電流中僅有交流電流Ia。Sin2(Jift)時，心柱鐵餅中的磁密(T)； S抓心柱鐵餅有效截面面積(m2)。 確定線圈匝數，按下式計算
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式中N抓線圈匝數；f 抓頻率(Hz)；L抓電抗器的電感(H);Ia。抓交流電流的幅值(A)；k抓主電抗占總電抗的百分比；e' t抓估算的每匝電壓(V)。按(5)式計算出結果后，向下取整，得到線圈匝數N，由此可以倒推得到每匝電壓 和心柱鐵餅磁密。再往下的計算步驟同交流電流勵磁下的電抗器電感計算步驟，這里不再贅述。本發明儲能電抗器電感線性度< 的原理本發明所述的電感線性度按下述公式定義(6) 式中A L抓電感線性度；L一抓最小通過電流Imin下的電感值(H)；LIfflax抓最大通過電流下的電感值(H)。單純從電感線性度的數學定義式出發計算電感線性度很簡單只要計算出LImin與 LImax，代入公式(6)即可求出電感線性度。但對若要使電感線性度< 1%，則要找出使其電 感量發生變化的因素并進行有效地控制，才能滿足要求，下面進行具體分析首先在電感計算方面。本發明的電感用下式計算LE = L +LS (7)式中抓總電感(H)； LM抓主磁通產生的電感(H)； LS1抓漏磁通產生的電感(H)。其中 式中 U o抓真空磁導率；SM抓主磁通通過的有效面積；
N抓線圈匝數；lgap抓鐵心中氣隙部分的總長度；lfflag抓鐵心中鐵磁材料部分的總長度；u r抓鐵磁材料的相對磁導率；S5抓漏磁通通過的有效面積；p抓洛氏系數；Hw抓線圈高度。 由(10)式可得當通過電流發生變化時，忽略氣隙可能的變化，唯一可能發生變 化的是i^，這是因為鐵心所用鐵磁材料的磁導率y (y = u0yr)是隨磁場強度變化而變 化的，鐵磁材料的y-H曲線示意圖見附圖3，從附圖3中可以看出，開始磁化時，u比較 小，以后隨著H的增大而迅速達到最大值，再以后又減下來，這種隨著H的增加而磁導率y 變小的現象稱為磁飽和，當磁路處于高飽和狀態時，鐵磁材料的磁導率P趨于真空磁導率0。因為磁場強度H與勵磁電流I是一一對應的關系，所以假設在最小通過電流1_下 產生的磁場強度為&，在最大通過電流下產生的磁場強度為H2，如附圖3所示，如果在 氏和吐下的磁導率y正好相等，則此時電感線性度等于零，這是理想情況，在實際工程上， 由于受鐵磁材料飽和磁密的限制，很可能&與吐所對應的磁導率y不相等，這就會導致電 感發生變化，此時，電感線性度不等于零。由于不同的鐵磁材料具有不同的勵磁特性，為了 使電感線性度盡可能小，鐵心應該選取磁導率比較高的鐵磁材料，這樣可以使得lmag/i^盡 可能小，還應該合理選取鐵心的工作磁密范圍，使&與吐所對應的磁導率y應盡量接近， 同時要避免鐵心飽和。之后，按照式(10)計算出LImin和LImax，代入式(6)即可求出電感線 性度AL，結果< 即可，如果不能滿足，則應該調整鐵磁材料和鐵心工作磁密。另外，在運行中，心式電抗器鐵餅間相互吸引，鐵餅間的氣隙有被壓縮的趨勢，如 果采用一般的絕緣材料支撐鐵餅間的氣隙，會引起電抗器電感有較大的變化，為了避免上 述現象的發生，從結構上，鐵心采用高強度拉螺桿壓緊，鐵餅采用環氧澆注，鐵餅中間的氣 隙使用應力> 90N/mm2的高強度墊塊支撐，使運行過程中因氣隙變化而造成的電感變化基 本趨于零，以保證電感的線性度。因此，為保證電感線性度< 1 %，一方面，鐵心所用鐵磁材料選取具有高磁導率的 晶粒取向硅鋼片，合理選取鐵心的工作磁密范圍，使&與112所對應的磁導率y盡量接近， 同時要避免鐵心飽和。另一方面，從結構上，鐵心采用高強度拉螺桿壓緊，鐵餅采用環氧澆 注，鐵餅中間的氣隙使用應力> 90N/mm2的高強度墊塊支撐。本發明的有益效果是本發明專門針對中國散裂中子源的運行環境而研發的儲能 電抗器，該儲能電抗器通過電流為交直流并存，而且直流分量比交流分量的幅值大，該儲能 電抗器的電感線性度< 1 %，采用本發明比采用殼式鐵心電抗器方案可節約材料達30 %以 上。
圖1是本發明儲能電抗器的結構簡2是本發明儲能電抗器的通過電流波形示意3是本發明儲能電抗器鐵心所用鐵磁材料的P -H曲線示意1中1抓上鐵軛；2抓心柱氣隙；3抓心柱鐵餅；4抓繞組；5抓下鐵軛；6抓絕緣 油；7抓油箱。以下結合附圖，通過實施例進一步說明本發明。在實施例中，本發明儲能電抗器，其額定通過電流為交直流并存；所述的電抗器 是一種單相心式電抗器，包括鐵心和繞組兩部分，浸在裝有絕緣油6的油箱7中，鐵心為單 框雙柱式，鐵心包括上鐵軛1、下鐵軛5和兩個心柱，心柱包括鐵餅3和氣隙2，兩個心柱上 設有相同的氣隙，繞組4分成匝數相同的兩部分，分別套在兩個心柱上，兩部分串聯或者并 聯，引出兩個接線端子，作為電流的流入與流出端子，鐵心采用高導磁晶粒取向硅鋼片，在 最大通過電流下不飽和；冷卻方式為自然油循環空氣冷卻；確定了所述的電抗器電感的計 算方法；所述的電抗器電感線性度< 1%。本發明儲能電抗器鐵心采用單框雙柱式結構，包括上、下鐵軛和兩個心柱。心柱由 鐵餅與氣隙構成，鐵餅為圓柱形，采用輻射式，環氧樹脂澆注成形。鐵餅中間的氣隙用可承 受>90N/mm2壓強的圓柱形墊塊支撐，墊塊采用凝灰泥砂巖材質，保證運行過程中基本沒有 形變，以保證電感線性度。上、下鐵軛截面為矩形，鐵軛的長度與線圈外徑相一致，減少進入 油箱箱壁的漏磁，降低雜散損耗。上、下鐵軛夾件采用平板式結構，通過拉螺桿夾緊。鐵心 上邊的壓梁與鐵心墊腳之間用拉螺桿拉緊，使上、下鐵軛與兩個心柱連接成牢固的整體。本發明儲能電抗器線圈采用機械性能穩定的連續式結構，其分成匝數相同的兩部 分，分別套在兩個心柱上，兩部分串聯或者并聯，線圈采用新型油導向結構，保證良好的散 熱性能。本發明儲能電抗器器身結構在線圈與鐵心柱之間加屏蔽板，屏蔽板通過夾件接 地，防止產生懸浮放電；器身的壓強大于98kPa，保證能夠抵御運輸過程中的沖擊力和運行 過程中的電動力。本發明儲能電抗器引線結構引線全部采用冷壓焊接，線圈的首尾頭通過套管從 油箱箱蓋引出。本發明儲能電抗器油箱采用桶式結構，箱壁采用高強度結構鋼焊接，槽形加強筋 加強，能夠承受21. 3kPa真空度和正壓78kPa的機械強度試驗。本發明儲能電抗器絕緣油使用變壓器油。
權利要求
一種儲能電抗器，其特征在于為單相心式電抗器，包含鐵心和繞組兩部分，浸在裝有絕緣油的油箱中，為保證電感線性度＜1％，鐵心所用鐵磁材料選取具有高磁導率的晶粒取向硅鋼片，合理選取鐵心的工作磁密范圍，最小通過電流Imin下產生的磁場強度為H1，在最大通過電流Imax下產生的磁場強度為H2，使H1與H2所對應的磁導率μ盡量接近，同時要避免鐵心飽和。
2.根據權利要求1所述之儲能電抗器，其特征在于所說的鐵心為單框雙柱式，鐵心包 括上、下鐵軛和兩個心柱，心柱包括鐵餅和氣隙，兩個心柱上設有相同的氣隙，繞組分成匝 數相同的兩部分，分別套在兩個心柱上，兩部分串聯或者并聯，引出兩個接線端子，作為電 流的流入與流出端子。
3.根據權利要求2所述之儲能電抗器，其特征在于鐵心采用高強度拉螺桿壓緊，鐵餅 采用環氧澆注，鐵餅中間的氣隙使用應力> 90N/mm2的高強度墊塊支撐，使運行過程中因 氣隙變化而造成的電感變化基本趨于零。
4.根據權利要求2所述之儲能電抗器，其特征在于電抗器線圈采用機械性能穩定的連 續式結構，其分成匝數相同的兩部分，分別套在兩個心柱上，兩部分串聯或者并聯。
5.根據權利要求2所述之儲能電抗器，其特征在于線圈與鐵心柱之間加屏蔽板，屏蔽 板通過夾件接地，器身的壓強大于98kPa。
6.根據權利要求2所述之儲能電抗器，其特征在于引線全部采用冷壓焊接，線圈的首 尾頭通過套管從油箱箱蓋弓I出。
7.根據權利要求2所述之儲能電抗器，其特征在于油箱采用桶式結構，箱壁采用高強 度結構鋼焊接，槽形加強筋加強。
全文摘要
本發明涉及一種特殊用途的儲能電抗器，屬電抗器技術領域。技術方案是包含鐵心和繞組兩部分，浸在裝有絕緣油的油箱中，為保證電感線性度<1％，鐵心所用鐵磁材料選取具有高磁導率的晶粒取向硅鋼片，合理選取鐵心的工作磁密范圍，最小通過電流Imin下產生的磁場強度為H1，在最大通過電流Imax下產生的磁場強度為H2，使H1與H2所對應的磁導率μ盡量接近，同時要避免鐵心飽和。本發明的有益效果是本發明專門針對中國散裂中子源的運行環境而研發的儲能電抗器，該儲能電抗器通過電流為交直流并存，而且直流分量比交流分量的幅值大，該儲能電抗器的電感線性度<1％，采用本發明比采用殼式鐵心電抗器方案可節約材料達30％以上。
文檔編號H01F27/36GK101853733SQ200910306189
公開日2010年10月6日 申請日期2009年8月27日 優先權日2009年8月27日
發明者劉新顏, 單新世, 孫新忠, 張亞杰, 李占元, 李滿印, 鄭秀娟, 黃寶新 申請人:保定天威集團有限公司