專利名稱：躍變電抗限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電抗器件，特別是涉及一種躍變電抗限流器，其為電磁式無電氣切換的組合 電抗器件，因其核心器件躍抗器在額定運行電流以內(nèi)為低電抗、過載電流情況下躍變?yōu)楦唠?抗，故稱躍變電抗限流器。
技術(shù)背景在現(xiàn)有的限流技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)當(dāng)中，存在著如下問題1. 固定阻抗和半導(dǎo)體元件的限流作用越大，則在正常工作時的損耗比例越大；2. 半導(dǎo)體元件限流時，改變電源的波形；3. 在電氣回路短路的狀態(tài)下，傳統(tǒng)技術(shù)有通過開關(guān)切換，將限流電阻串入該回路的方案， 其問題是必須先斷開主短路回路，從而要求斷路器具有較大的短路電流遮斷容量。4. 超導(dǎo)限流器有良好的限流效果和超導(dǎo)恢復(fù)特性，但需要超低溫的運行環(huán)境，投資和運 行維護(hù)成本高；并且其為電阻性限流，有功損耗大，溫度上升快，限流時間受局限。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種躍變電抗限流器，其在正常運行時為低無功損 耗，而在電氣過載和短路時能夠迅速、大幅度、持續(xù)地躍變?yōu)橄蘖鞲锌?，限制短路電流至設(shè) 計值，明顯減輕電氣故障損害程度；對于瞬時性故障，可以在不斷開被保護(hù)線路的情況下讓 故障自動消失和自動恢復(fù)電壓；與電氣回路的斷路器配合使用，可以明顯減輕斷路器切斷故 障電流的負(fù)擔(dān)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是本發(fā)明提供的躍變電抗限流器，由躍抗器、消磁電路和防止躍抗器鐵芯振動的電路組成。 躍抗器設(shè)有主線圈、消磁線圈、固定鐵芯、活動鐵芯和位于兩鐵芯之間的彈簧，主線圈與供電線路主回路串連構(gòu)成串聯(lián)回路；在串聯(lián)回路無短路電流時兩鐵芯之間有空氣間隙，在串聯(lián)回路有短路電流時兩鐵芯閉合。消磁電路由消磁線圈、消磁開關(guān)、行程開關(guān)、行程壓桿構(gòu)成。消磁線圈纏繞在與主線圈 相同磁路鐵芯的繞線架上，且當(dāng)消磁電路接通時，兩線圈的磁勢接近相等和反相位。防止躍抗器鐵芯振動的電路是阻容電路，消磁開關(guān)和阻容電路與消磁線圈的出線端并連。 本發(fā)明提供的躍變電抗限流器在單相電源、三相電源和三相四線電源中的用途。 本發(fā)明與傳統(tǒng)的電抗器件相比，具有以下的主要效果其一.在正常工作電流狀態(tài)下為低電抗、低無功損耗；而在受短路電流沖擊后變?yōu)楦吒?抗、高限流，并且容許的限流時間較長； 其二.限流時，不改變電源的波形；其三.在主回路為額定電壓、額定電流的條件下，可使鐵芯恢復(fù)原始狀態(tài)；其四.在回路發(fā)生永久性短路故障時，僅要求斷開被限制在略大于額定電流值的故障回 路，要求斷路器的遮斷容量較??；其五.在回路發(fā)生瞬時性短路故障時，可以在不斷開被保護(hù)線路的情況下讓故障自動消 失和自動恢復(fù)電壓；其六.可廣泛用于各種電壓等級的交流輸電線路、供電線路、配電線路、用電線路和各 種使用交流電源的電阻性與電感性器件的過載保護(hù)電路；特別是可以與各種交流電路上的電 氣保護(hù)裝置配合使用。


圖1是本發(fā)明處于正常運行時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明處于短路故障時過渡過程的鐵芯運動和磁通量增大的趨勢示意圖。 圖3是本發(fā)明處于鐵芯吸合后的結(jié)構(gòu)和磁通量己經(jīng)躍變增大的示意圖。 圖4是本發(fā)明故障消除和消磁后磁通量減小、鐵芯分離趨勢的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一歩說明。 一.躍變電抗限流器其結(jié)構(gòu)如圖l所示由躍抗器、消磁電路和防止躍抗器鐵芯振動的電路組成。躍抗器設(shè)有主線圈l、消磁線圈2、固定鐵芯3、活動鐵芯6和位于兩鐵芯之間的彈簧5,主線圈1與供電線路主回路串連構(gòu)成串聯(lián)回路。在串聯(lián)回路無短路電流時兩鐵芯之間有空氣間隙12，躍抗器為微阻抗，使串聯(lián)回路的有功損耗增加微小；在串聯(lián)回路有短路電流時兩 鐵芯閉合，躍抗器躍變?yōu)楦咦杩?，可有效限制短路電流；而在瞬時性短路故障時消失時，閉 合消磁開關(guān)9，接通消磁電路，兩鐵芯之間的空氣間隙12恢復(fù)，躍抗器又躍變恢復(fù)至微阻抗， 使被保護(hù)線路在不斷開的情況下自動恢復(fù)正常供電。消磁電路由消磁線圈2、消磁開關(guān)9、行程開關(guān)IO、行程壓桿ll構(gòu)成。消磁線圈纏繞 在與主線圈相同磁路鐵芯的繞線架8上，且當(dāng)消磁電路接通時，兩線圈的磁勢接近相等和反 相位。防止躍抗器鐵芯振動的電路是阻容電路14，消磁開關(guān)9和阻容電路14與消磁線圈2 的出線端并連。上述彈簧5有兩個或四個，對稱分布，或依據(jù)實際需要而定；其上端與固定在活動鐵芯 6上的彈簧座7 —一對應(yīng)接觸，其下端由底座4與固定鐵芯3固定相連。 彈簧座7由與之連為--體的支架跨接在活動鐵芯6上。行程開關(guān)10有一至四個，可以裝于底座4上表面；行程壓桿11上部與彈簧座7固定連 接，其下端頭在鐵芯閉合時與行程開關(guān)10的彈性觸頭壓接。 空氣間隙12的間距為1 10毫米，或依據(jù)實際需要而定。自感電勢泄放電路13由兩級泄放電路組成。如圖4所示，其中低級泄放電路的阻值較大、 擊穿電壓可為30 50%電源電壓；高級泄放電路的阻值較小、擊穿電壓可為70 100%電源 電壓。在消磁線圈出線上并聯(lián)阻容電路14，在鐵芯閉合后形成較小的互感容性電流，來消除電 磁振動，如圖1 4中的自感電勢泄放電路13所示。取阻容電路14中電阻兩端的電壓信號， 作為與本躍變電抗限流器配套使用的控制單元的模擬信號之一。
低至高阻抗的躍變過程在串聯(lián)回路無短路電流時，兩鐵芯在彈簧5的張力作用下分開， 其磁通回路保持設(shè)定的空氣間隙12，使躍抗器的導(dǎo)磁率和感抗值很?。辉诖?lián)回路發(fā)生短路 故障時，兩鐵芯之間的電磁引力陡然增大、鐵芯閉合，此時交變磁通量和線圈的感抗值躍變 增大，限制串聯(lián)回路電流至設(shè)定值以內(nèi)。
高至低阻抗的躍變過程在發(fā)生瞬時性短路故障時，本躍抗器躍變?yōu)楦咦杩梗搪饭收?隨即消失，合上消磁開關(guān)9，用消磁線圈2流過的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁勢，抵消主線圈電流 所產(chǎn)生的磁勢，使躍抗器鐵芯內(nèi)的磁通量接近消除，在彈簧5的張力或其他外力的作用下， 躍抗器的活動鐵芯與固定鐵芯之間恢復(fù)至分離狀態(tài)，其電抗值躍變?yōu)榈碗娍?，使被保護(hù)線路 的電壓自動恢復(fù)正常。
下面簡述本發(fā)明的工作過程
1. 正常運行狀態(tài)見圖l，活動鐵芯6在彈簧5的張力作用下與固定鐵芯3保持分體狀 態(tài)。足夠的空氣間隙12使得導(dǎo)磁率很低，主線圈1被穿過很少的交變磁通量15，其電抗值 很小，電壓降和無功功率損耗也小。
2. 短路初始狀態(tài)見圖2，當(dāng)本躍抗器串聯(lián)回路出現(xiàn)短路故障時，初始的短路電流大于 本躍抗器的躍變啟動電流值，該電流立即通過主線圈轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的磁功率，使得穿過鐵芯和 空氣間隙的磁通增大到磁通量16，此磁通量可克服彈簧5的張力，瞬時將分體的鐵芯吸合為 一體。在鐵芯吸合過程中，故障電流迅速減小，綜合導(dǎo)磁率和線圈電抗迅速增大，回路電流 相應(yīng)受限減小。
3. 短路限流狀態(tài)見圖3，在兩鐵芯吸合為一體后，空氣間隙12消失，導(dǎo)磁率躍變至 最大，主線圈1被穿過最大的交變磁通量17，其電抗值則躍變至最大，短路電流就被持續(xù)地 限制在設(shè)定值上。鐵芯吸合后，行程壓桿11使行程開關(guān)10的常開接點閉合，常閉接點打開， 此接點的狀態(tài)信號通過導(dǎo)線引至保護(hù)控制器件，作為邏輯控制或保護(hù)動作的必要條件之一。 對于永久性故障，在切除故障電流回路的過程中，自感電勢泄放電路13可以減小或者消除本 電抗器主線圈的破壞性自感電勢。
4. 瞬時性短路處理在本躍變電抗限流器躍變?yōu)楦咦杩购?，該故障因電壓降至很低而?動消除，電氣主回路維持接通狀態(tài)；在瞬時性故障消除后，合上消磁開關(guān)9，接通消磁線圈2 的回路，形成感性電流；此感性電流的磁勢將抵消主線圈1的磁勢，使上述兩鐵芯中的綜合 磁通量18所產(chǎn)生的磁引力小于彈簧張力和自重的綜合作用力，兩鐵芯立即由圖4所示閉合 狀態(tài)復(fù)位至圖1所示分開狀態(tài)。
二.躍變電抗限流器的應(yīng)用
本發(fā)明提供的躍變電抗限流器適用于單相、三相和三相四線電源的用電線路和用電器；
可以廣泛用于高、中、低電壓等級的電力系統(tǒng)。三.躍變電抗限流器的主要技術(shù)參數(shù) 由電磁學(xué)可知，用交流有效值計算的電感線圈的感抗 ^T, =4.44,、;/〃
其中/為頻率；iV為線圈匝數(shù)；S為線圈截面積； //為主磁通回路實際介質(zhì)的導(dǎo)磁率；/為主磁通回路的長度: 又因空氣的導(dǎo)磁率
p。 = 4;r x 10一7 (w6 / . m)
硅鋼片鐵芯的導(dǎo)磁率為
(公式1)
(公式2)
(公式3)
//c》(2000 6000)//。
考慮到主磁通回路所穿過導(dǎo)磁介質(zhì)實際長度的影響系數(shù)A:，故由以上公式可以推出 ^T￡r 2 (2000 6000)議￡。 (公式4)
公式l、 2、 3和4說明，在頻率/和線圈匝數(shù)W保持不變的條件下，用硅鋼片作為主磁 通回路導(dǎo)磁介質(zhì)所實現(xiàn)的感抗可以達(dá)到用空氣作為導(dǎo)磁介質(zhì)所成感抗的2000A:倍以上。
下面分析在硅鋼片分體鐵芯的磁通回路含有空氣間隙所實現(xiàn)的感抗
因?qū)Т畔禂?shù)//。和/^的大小與主磁通回路所穿過介質(zhì)的長度成反比，其中冷軋硅鋼片的 相對導(dǎo)磁率取為6000倍，則兩種介質(zhì)的綜合導(dǎo)磁系數(shù)^z的計算公式為
/xz= +/C/Vc) = +/c/6000/^) = /V{[l+( /c/")/6000] /0}
由此，本躍抗器在任意狀態(tài)的電抗值為
Z丄z = 4.44,、Mz = 4.44,、/(/0/>0 +/C/Mc) = 4.44,2>S叫/{[1+( /c//o)/6000] /0}
(公式5)
設(shè)主磁通回路的分體鐵芯的長度^與空氣間隙的長度/()之比為/^/。= ，則有
Mz = Mo/{[l+"/6000]/。} (公式6)
在實際設(shè)計中，在考慮短路故障狀態(tài)下本躍抗器有恰當(dāng)?shù)能S變啟動電流的同時，應(yīng)當(dāng)恰 當(dāng)設(shè)定正常運行狀態(tài)時主磁通回路的空氣間隙，使得"/6000相對很??；此時，綜合導(dǎo)磁系數(shù)
幾乎全由空氣間隙決定，其值近似為
〃z=A?！?。 (公式7) 由公式5、 6可以得出如下結(jié)論
在有硅鋼片鐵芯和適當(dāng)比例空氣間隙的磁通回路，該磁通所穿過線圈的電感的量值可以
很小，該線圈的電抗值約為
Z￡Z ^4.44/7V2^a〃4.44,2^?！?。 (公式8) 而在無空氣間隙的同樣的硅鋼片鐵芯的磁通回路，同樣線圈的電感的量值可以很大，該 線圈的電抗值約為<formula>formula see original document page 7</formula> (公式9) 上述公式5、公式8和公式9是本發(fā)明的具體實施的理論依據(jù)。
公式10、公式11和公式12分別為磁密計算公式、躍變啟動電流值計算公式和躍變返回 電流值計算公式，即
<formula>formula see original document page 7</formula>(公式1O)
(公式11)
<formula>formula see original document page 7</formula>
在實際運用時，通過調(diào)整公式IO、公式ll中彈簧5的張力F、兩鐵芯的截面積S、線圈 匝數(shù)W以及氣隙5，可以獲得恰當(dāng)?shù)能S變啟動電流值^和躍變返回電流值In，從而得到公式 8和公式9中恰當(dāng)?shù)腦lz值和XL值。
權(quán)利要求
1.一種躍變電抗限流器，其特征是由躍抗器、消磁電路和防止躍抗器鐵芯振動的電路組成，其中躍抗器設(shè)有主線圈(1)、消磁線圈(2)、固定鐵芯(3)、活動鐵芯(6)和位于兩鐵芯之間的彈簧(5)，主線圈(1)與供電線路主回路串連構(gòu)成串聯(lián)回路；在串聯(lián)回路無短路電流時兩鐵芯之間有空氣間隙(12)，在串聯(lián)回路有短路電流時兩鐵芯閉合；消磁電路由消磁線圈(2)、消磁開關(guān)(9)、行程開關(guān)(10)、行程壓桿(11)構(gòu)成；消磁線圈纏繞在與主線圈相同磁路鐵芯的繞線架(8)上，且當(dāng)消磁電路接通時，兩線圈的磁勢接近相等和反相位；防止躍抗器鐵芯振動的電路是阻容電路(14)，消磁開關(guān)(9)和阻容電路(14)與消磁線圈(2)的出線端并連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的躍變電抗限流器，其特征在于彈簧(5)有兩個或四個，對 稱分布，其上端與固定在活動鐵芯(6)上的彈簧座(7) —一對應(yīng)接觸，其下端由底座(4) 與固定鐵芯(3)固定相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的躍變電抗限流器，其特征在于行程開關(guān)(10)有一至四個，裝 于底座(4)上表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的躍變電抗限流器，其特征在于行程壓桿(11)上部與彈 簧座(7)固定連接，其下端頭在鐵芯閉合時與行程開關(guān)(10)的彈性觸頭壓接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的躍變電抗限流器，其特征在于所述的阻容電路(14)，其電阻 兩端的電壓信號為主回路電流測量的間接信號源。
6. 躍變電抗限流器在單相電源中的用途。
7. 躍變電抗限流器在三相電源中的用途。
8. 躍變電抗限流器在三相四線電源中的用途。
全文摘要
本發(fā)明躍變電抗限流器由躍抗器、消磁電路和防止躍抗器鐵芯振動的電路組成；其中躍抗器設(shè)有主線圈(1)、消磁線圈(2)、固定鐵芯(3)、活動鐵芯(6)和位于兩鐵芯之間的彈簧(5)，主線圈與供電線路主回路串連構(gòu)成串聯(lián)回路；消磁電路由消磁線圈、消磁開關(guān)(9)、行程開關(guān)(10)、行程壓桿(11)構(gòu)成；消磁線圈纏繞在與主線圈相同磁路鐵芯的繞線架(8)上，且當(dāng)消磁電路接通時，兩線圈的磁勢接近相等和反相位；在串聯(lián)回路無短路電流時兩鐵芯之間有空氣間隙(12)，躍抗器為微阻抗；在串聯(lián)回路有短路電流時兩鐵芯閉合，躍抗器躍變?yōu)楦咦杩?。本發(fā)明作為主動式保護(hù)的關(guān)鍵器件，可以廣泛用于高、中、低電壓等級的電力系統(tǒng)和用電器。
文檔編號H01F41/02GK101299384SQ200810046948
公開日2008年11月5日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者輝 彭, 李自品, 舒乃秋, 駱德昌 申請人:武漢大學(xué)