TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 1, Janua ry 201 5, pp. 20 ~ 2 5   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i1.672 4          20      Re cei v ed Se ptem ber 25, 2014; Revi se d No vem ber  4, 2014; Acce pted De cem b er 12, 201 4   A Decoupling Structure of Controllable React or of  Transformer Type      Yu He*, Hua t ai Chen   Po w e r Su ppl Comp an y of Bai y in, Ba i y in, 7 309 00, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 4697 21 978 @ qq.com       A b st r a ct   In ord e r to  ma ke contr o ll abl e  reactor  of tra n sf ormer type  (CRT) working  of safety, rel i abl e a n d   compe n satio n   effect is obvio u s , the princi ple  of “hi gh i m pe danc e, w eak coup lin g  must be satisfie d in  th e   desi gn of  CRT  structure.  T he  ma gn etic i n teg r ation tec h n o lo gy use d  i n  the  desi gn  of the o n tolo gy of C R T   i n   this p a p e r, a   deco upl in g i n tegrate d  c o re s t ructure is  pr o pose d . T h is  p aper  als o  c a lc ulates  the  le ak ag e   reactanc e an d current of  dec o upli ng structur e.    Ke y w ords :   co ntroll abl e react o r of transformer type, ma gn e t ic integrati on, equ ival ent circ uit    Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  In the EHV  transmissio n  system, in   orde r to  solv e the p r obl e m  of re activ e  po wer   balan ce, rea c tive power  comp en satio n  device m u st be in stalle d [1-3]. Co ntrollabl e re act o r of  transfo rme r  type (CRT ) is  a new   m u lti-winding  rea c tive power  com pen sation d e v ice; the wo rking   prin ciple di ag ram of CRT i s  sh own as Fi gure 1 [4 -6].      1 Th 2 Th N Th N u 2 u 1 u 0 i 2 i N i 1 i BW i u 1 CW 2 CW N CW 1 a 2 a 11 c 12 c 21 c 22 c 1 c N 2 c N 1 L 2 L N L   Figure 1. The  working p r in ciple di agram  of CRT       In Figure 1,  the pu rpo s e of the  rea c tive  po we cap a city with  contin uou smooth   adju s tment of  CRT ca b e  achi eved by adju s ting  th size of  condu ction  angl e of  the  anti-p a ral l el   thyristors seri es in control windi ng loop,  and the  cu rrent harm oni c conte n t is sm all of CRT [7,  8].  Ho wever, b e c au se it h a s multiple con t rol win d ing s ,  there i s  a  magneti c  cou p ling am ong  the  control win d i ngs, which le ads to the subsequ ent  control wi ndin g  input will make s the control   windi ng  current utilization  rate is decli n e of have b een put into operated, in  order to improve the   control winding current utilization and m a ke the  CRT   reliabl e work,  reference [9] pointes out that  the st ru ctural   desi gn  of the  CRT  mu st foll ow th de s i gn  p r in c i p l es  of “ h ig h impe da n c e  an d   w e a k   c o up lin g” In this pa per,  aiming at th e pro b lem of  magneti c  cou p ling am ong  the co ntrol  wi nding s,  the integrate d  magnetic  structure  of CRT which is ba sed on the m agneti c  integration techn o l ogy  is p r op osed,  this st ru cture  achi eves the  decoupl i ng  of the control  windi ng s by  providin g a l o relu ctan ce m agneti c  ci rcui t [10-12]; Ge nerally th i s  structu r e also can be  e a sily   extended  to  the  stru cture of the multiple  control windi n g s,  provide s  a  refe ren c e f o r the furth e r application  o f   magneti c  inte gration te chn o logy.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Deco uplin g  Structure of Controllabl Rea c tor of T r ansfo rm er Type (Yu He)  21 2. A Dec oupl ing Structu r e of CRT   In magn etic i n tegratio n te chnolo g y, the  dec ouplin in tegrated   met hod whi c h provides a  low  relu ctan ce  magn etic can achieve the  de cou p ling of multi-windi ng s [13] . this metho d  is  applie d to th e structu r al d e sig n  of CRT ,  and a  ki nd  of integrate d   magneti c  st ru cture  of CRT  is  prop osed an d  sho w n a s  Figure 2.           Figure 2. De couplin g Struct ure of CRT       In Figure 2, t he ce nter  col u mn and  upp er and l o we yoke a r e lo w relu ctan ce, e a ch  side  of column o pene d the g ap. The ce nter col u mn  wound a r ou nd  the work wi nding a nd work  windi ng is co nstituted by t w windin g of parall e led.  Each  cont rol  windi ng al so  con s tituted  by  two win d ing s  of parallele d and this t w o wi ndin g s woun d aro u nd in up an d lowe r colu mn  respe c tively. Becau s hav e air  gap i n  side of colum n  of this d e co u p ling  stru cture, the mag n e t ic   flux  gene rate by  ea ch co ntrol windin g  are clo s ed  th roug h the  ce nter  colum n   and itself col u mn  and  coul d no t through  col u mns  wo und  arou nd oth e r   control  win d ing s , so thi s  stru cture me ets  the de cou p lin g of control  winding s.  Thi s   stru cture is symmetrical  of  up a nd lo we r se ction s , on  its  uppe se ctio n is  co ncern ed, there a r e  five colu m n s, so the m a gnetic flux  g enerated  by work  windi ng only  have 1/4  cro s s-lin ke d with  each cont rol  windi ng, whi c h meets th desi gn p r in ci ple  “high i m ped a n ce ” of CRT.  Also be ca use wo rk  wi n d i ng an d control win d ing s  a ll con s tituted  by  two  windi ng s in p a rall el,  thus, the  effect of  re acti ve po wer co mpen sation  i s  g r eat  of t h is   decouplin g st ructu r e.       3. Calculatio n of Leak age  Inductan c e   Becau s e of symmetry of deco upling  structure,  the follow an alysi s  and calculatio ns only  for one  small  basi c  unit a s  sho w n in Fig u re 3.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  20 – 2 5   22     Figure 3. The  distributio n g r aph of ma gn etic field inten s ity      In Figure 3,  h is h e ight of  iron  co re  wi ndo w, z i s  e quivalent h e i ght of win d in g,  co r  is   radiu s  of ce n t er colu mn, a is equivalent  width of  work win d ing, b is equivale nt width of cont rol  windi ng, c is  distan ce b e tween two  windi ngs, is length  of air gap.   Set  i 0  is current of work windi ng,  i 1  is curre n t of co ntrol win d ing,  make in side  of center  colum n  to ze ro refere nce. Based  on A m pere ci rcuit law, in 0 ~ a  area s, the current incre a s linearly along   x  di re ction, t he ma gneti c  f i eld inten s ity  also  incre a se  linea rly, form ula of m agnet ic   field intensity is follow:     x za i N a x H H 0 0 0 ax          ( 1 )     In  a ~ a + c   are a s, b e cau s e t here  is no  current in crea se,  so  ma gnetic  field inten s ity  remai n   unchan ged, the formul a is  follow:     z i N H H 0 0 m cx           ( 2 )     In  a + c ~ a+ b+c   areas,  sin c e the reverse cu rre nt of c ontrol win d i ng, the mag netic field   intensity de crease linea rly, so the formul a if follow:     c) (a x bz i N H H 1 1 m bx          ( 3 )     Acco rdi ng to the magn etic f i eld inten s ity di strib u tion of  the magneti c  field determi nes the   magneti c  ene rgy, in 0~a a r eas, the form ula of magnet ic ene rgy is follow:     2 0 0 2 0 2 a 0 2 2 2 0 2 0 0 a 0 2 ax 0 a ) i (N 8z πa μ zdx πx x a z i N 2 μ dV H 2 μ W       ( 4 )     In  a ~ a+ c  ar ea s ,     2 0 0 2 0 c a a 2 2 0 2 0 0 c ) i (N 2z ) c 2 1 π(ac μ zdx πx z i N 2 μ W       ( 5 )     In a+c~a + b + c area s,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Deco uplin g  Structure of Controllabl Rea c tor of T r ansfo rm er Type (Yu He)  23 dV H 2 μ W c b a c a 2 bx 0 b           ( 6 )     Since excitin g  cu rre nt is very small,  so pape r igno re it’s effect,  there is  0 0 1 1 i N i N formula (6)  can re write a s   follow:     2 1 1 2 0 2 1 1 2 0 b ) i (N zb ] b c) c)[2b(a π(a μ ) i (N 4z ] b c) π[2b(a μ W   2 1 1 2 4 4 0 2 1 1 3 3 0 ) i (N 8zb ] c) (a - c) b π[(a μ ) i (N 3zb ] c) (a - c) b π[(a μ   2 1 1 2 2 2 0 2 1 1 3 3 0 ) i (N 4zb ] b c) [2b(a c) π(a μ ) i (N 3bz ] c) (a c) b c)[(a π(a μ     ( 7 )     Magneti c  ene rgy of the wh ole are a  is fol l ow:     2 1 σ1 2 0 σ0 c b a i L 2 1 i L 2 1 W W W         ( 8 )     Simultaneo us formula 4, 5, 7 and 8, we  can get follow:     2z ) c 2 1 π(ac μ 8z πa μ N L 2 0 2 0 2 0 σ0         ( 9 )     zb ] b c) c)[2b(a π(a μ N 4z ] b c) π[2b(a μ N L 2 0 2 1 2 0 2 1 σ1   2 4 4 0 2 1 3 3 0 2 1 8zb ] c) (a c) b π[(a μ N 3zb ] c) (a c) b π[(a μ N   2 2 2 0 2 1 3 3 0 2 1 4zb ] b c) [2b(a c) π(a μ N 3bz ] c) (a c) b c)[(a π(a μ N     ( 1 0 )     In formula (1 0),  0 L  and  1 L  is leaka ge indu ct ance of work  windi ng and  control win d i n g   r e spec tively.      4. The Equiv a lent Cir c uit  of Ba sic Unit    0 X 1 X m X 0 I 1 I 0 4 1 u m I     Figure 3. The  equivalent ci rcuit of ba sic  unit      Figure 3 i s  e quivalent  circuit of T type, in Fi gu re  3, we ig no res the resi stan ce  of wo rk  windi ng, cont rol windi ng a nd  ex citation   re sista n ce . In orde r to e n s ure the  ma g netic flux  ch a i n   relation shi p  remain s the  same, the voltage of the p r imary si de is  u 0 /4 in equiv a lent ci rcuit, all  para m eters o f  circuit are re turn to the sid e  of work win d ing [14].  In Figure 3,  m I  i s  exc i tation current,  1 X is imp u ted value of  leakage  rea c t ance of control   windi ng,  1 I is im puted value o f  current of control wi ndi n g . Acco rdin g to the magne tic Ohm' s law,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  20 – 2 5   24 we can get:     ω 4N u R I 2 0 0 m m           ( 1 1 )     In formula (11),  m R is ma gn etic resi stan ce (in c lu di ng  magneti c  resistan ce of  center  colum n ,  iron  y o ke an d sid e  colum n ).   Acco rdi ng to equivalent  circuit, we can g e t follow form ula:    m m σ1 1 m m σ0 0 0 1 0 m Z I Z I 0 Z I Z I u 4 1 I I I          ( 1 2 )     Based o n  formula (1 2), we  can calculate :     σ1 σ0 0 σ0 m 1 Z 4Z u Z 4I I           ( 1 3 )     1 m 0 I I I           ( 1 4 )       5. Calculatio n for Exampl The pa ramet e rs  of iron co re is  sho w ing  as Tabl e 1, turn s of wo rk  windi ng is  1600 0 N turns of all  co ntrol win d ing i s  120.       Table 1. The  para m eters o f  iron co re   paramete r  value(cm)  paramete r   value(cm)  23  125  110  16  δ   3mm  co r   39.5  r μ   2000       Acco rdi ng to  value of T abl e 1, we  can  calcul ate the  currents of all  windi ng s a r sho w  a s   Table 2.       Table 2. Cal c ulation value s  of current    no-load   CW1short  ci rcuit CW1~CW2  short   cir c uit   CW1~CW3 short   cir c uit   CW1~CW4 short   cir c uit   current of BW/A   2.3219   36.3253   72.6505   108.9758   145.3011   current of  1/2CW 1    15.8407   15.8407  15.8407  15.8407   current of  1/2CW 2    15.8407  15.8407  15.8407   current of  1/2CW 3   0 0  15.8407   15.8407   current of  1/2CW 4   0 0  15.8407       We can be  seen that this st ru cture  ca n not only re alize the d e couplin g between the   control windi ng,  but also the  compe n sation  effe ct  i s  ve ry goo according  to  the  cal c ulati on  results in Table 2.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Deco uplin g  Structure of Controllabl Rea c tor of T r ansfo rm er Type (Yu He)  25 6. Conclusio n   In this a r ticle,  the de cou p li ng integ r ated  magneti c  technolo g y is a p p lied to the  st ructu r desi gn of CRT, a CRT  de couplin g struct ure h a been  prop osed. O n  the ba sis  of the cal c ulati on  of the lea k a ge ind u cta n ce of the wi n d ing s  an e quivalent  circuit is e s tabli s he d, we  get  th e   f o llowin g  con c lu sion s:   (1) The “wea coupli ng” d e sig n   re qui re ment  amo ng control  wi ndi ngs of  CRT can  be reali z e d   by  providin g a lo w relu ctan ce  magneti c  ci rcuit.  (2)  Wh en the  air ga p of si de column  b e com e bigg er, the de gre e  of co upling  among  co ntrol  windi ng s becomes  small e r.  (3) Th e meth od of  de cou p l i ng am ong  co ntrol  windi ng s by adj ustin g   the air ga p of  sid e   colum n   of  magneti c  inte grated  stru ctu r e of CRT is  effective.      Referen ces   [1]  T i an Jun, Ch en Qia o -fu, Z han g Yu. Ad j u stabl re acto r w i t h   co ntroll abl lo ad of multi- w i ndi n g   transformer.  Electric Power Au tomation Equipment . 201 0; 3 0 (1): 32- 35.   [2]  Che n  W e i- xi an ,Chen  He. Ap plicati on  of int e r-ph a se sh un t reactors in E H V an d UHV t r ansmissi o n   lines  and s uppr essio n  of reson ance.  Hi gh Vo ltage En gi neer in g . 2010; 3 6 (9): 218 7-21 92.   [3]  Z H ANG Jian- xing, W A NG Xuan, LEI  Xi, e t al. Overvie w   of Control l ab le  Reactor.  Power System  T e chno logy . 2 006; 30: 2 69-2 72.   [4]  Z H ANG You- pen g, DU  Bi n-xia ng, T I AN Min g - x in g. Rese arch on   Com pens atio D egre e  o f   Contro lla ble  S hunt R eactor I n stall ed i n  U H V  T r ansmissio n  Li ne  w i th  Lo ss Cons ider ed.   Hig h Vo ltage   Engi neer in g . 2011; 37( 9): 209 6-21 01.   [5]  CHEN  He, CH EN Wei x i an. S u stain ed  Con d u ction M e th o d  of  Contr o ll abl e Reactor of  Mul t iple  P a ra lle l   Branch T y pe.  High V o ltag e E ngi neer in g . 20 05; 31(4): 6 6 -6 8.  [6]  T I AN Ming-xin g , LI Qing-fu.  Magn etic satur a tion t y pe a nd  transformer t y p e  controll ab le s hunt reactor.   High V o ltag e E ngi neer in g . 20 03; 29(7): 2 6 -2 7.  [7]  T i an Mingxin g, Li Qingfu. A  control l ab le re actor of transformer t y p e . I EEE Transaction on Power   DeliV ery . 200 4 ;  19(4): 171 8-1 726.   [8]  Ming xi ng T i an.  Anal ys is of tra n sformers  o n  the co nce p t of elem entar w i n d in g.  Electrica l  Engi neer in g 200 7; 89(7): 55 3-56 1.  [9]  T i an  Mingxin g. Basic  the o reti cal r e searc h   o n  co nt roll ab le  reactors  of tran sformer t y pe.   PhD th esis .   Xi ’a n: Xi ’an Ji a o tong U n iv ersity. 20 05.   [10]  Che n  Qia n h o n g . Res earch  o n  the  Ap plic ati on  of  the  Mag netics-Integr ati on T e chni qu es  in  S w itch in g   Po w e r S u p p l y .  PhD thes is.  Nanj in g: Col l e ge of A u toma tion En gi neer i ng N anj in g U n iversit y   of  Aeron autics a n d  Astronautics,  2001.   [11]  Z H ENG F eng, LIU Yua n -q i a ng, PEI Yun-q i ng, eta l .  Crite r ion of D i scret e Mag netics a nd D e sig n   T e chni ques  of Integrated M a g netics . Procee din g s of the C SEE. 2008; 28( 30): 41-4 8 [12]  LP W ong, YS  Lee, DKW  C h e ng.  A new  ap pr oach to th e a n a lysis a nd  desi gn of i n tegr ate d  mag netics.   16th A n nual IEEE App lied P o w e r Electronic s Conf erenc and E x pos ition, A naheim, CA , USA. 2001;   119 6-12 02.   [13]  YS Lee, LP W ong, DK Ch en g.  Simulati on a nd des ig n of in tegrated ma gn etics for po w e r  converters .   IEEE Transactions on Magnetics.  2003; 3 9 (2 ): 1008-1 0 1 8 [14]  CHEN Qia n -ho ng, RUAN  Xi n- bo,  YAN Yan g - gua ng. Deriv i ng Metho d  of Conv erters  w i t h  Integrate d   magn etics an d  General Eq ui vale nt  Circuit Mode of  the Magn etics.  Pow e r Electronic s . 2004; 38( 5):   48-5 0 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.