徐林峰, 徐曉東, 毛啟武, 歐小波, 馬志欽, 朱東柏

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 廣州 510600;2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 哈爾濱 150080;3.明珠電氣有限公司, 廣州 511400)

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干式鐵心電抗器結(jié)構(gòu)參數(shù)對損耗的影響

徐林峰1, 徐曉東2, 毛啟武3, 歐小波1, 馬志欽1, 朱東柏2

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 廣州 510600;2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 哈爾濱 150080;3.明珠電氣有限公司, 廣州 511400)

針對上下移動電抗器線圈和改變氣隙分布可使電抗器損耗變化20%以上這一現(xiàn)象,用ANSYS軟件對干式鐵心電抗器的磁場進(jìn)行了分析,得出線圈渦流損耗與鐵心電抗器結(jié)構(gòu)的關(guān)系,并提出了設(shè)計電抗器鐵心時應(yīng)考慮安匝平衡,以降低鐵心電抗器的損耗。通過電磁場計算,分析了鐵餅高度與氣隙長度對線圈渦流損耗的影響程度,得出合理的鐵餅高度和氣隙長度的范圍,可為今后電抗器設(shè)計提供參考。

ANSYS;安匝平衡;干式鐵心電抗器;渦流損耗

根據(jù)一些企業(yè)使用鐵心電抗器的反饋結(jié)果,上下移動電抗器線圈可使電抗器損耗變化20%以上,改變氣隙尺寸也可使電抗器損耗變化接近20%[1]。通常鐵心電抗器夾件引起的附加損耗僅占總損耗的2%～4%[2-3],而由于鐵心與線圈布局不合理產(chǎn)生的附加損耗可使總損耗增加20%～30%。根據(jù)對鐵心電抗器磁場的計算與分析,鐵心心柱中的氣隙大小、氣隙與鐵餅的關(guān)系、氣隙布局與線圈的關(guān)系都會對鐵心電抗器的損耗產(chǎn)生較大的影響。本文用ANSYS軟件對干式鐵心電抗器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場計算,從而得出了結(jié)構(gòu)參數(shù)對鐵心電抗器渦流損耗的影響。

1 鐵心電抗器的磁場分布

鐵心電抗器鐵心中的磁通是由外部線圈產(chǎn)生的,鐵心被看成良好的導(dǎo)磁體,而磁阻主要來自氣隙[4]。為降低附加損耗,鐵心柱有若干個氣隙與鐵餅組成,每個鐵餅中的磁場取決于與之相關(guān)線圈的安匝數(shù),如圖1所示。當(dāng)每部分安匝數(shù)相同,即IW1=IW2=IW3時,相對應(yīng)鐵心部分的磁場近似相等,因此空間磁場不會存在跳過鐵餅繞行,故空間漏磁較小,空間漏磁引起的附加損耗較小。當(dāng)鐵餅中的磁場與鐵軛連接伸入線圈部分鐵心中的磁場不一致時,空間漏磁場會增大,從而造成附加損耗增大。因此,合理的鐵心電抗器結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮鐵餅與鐵心的安匝平衡。為了便于論述,本文將鐵心柱中的鐵餅稱之為鐵餅,將鐵心伸入線圈部分稱之為柱鐵。在ANSYS仿真中,采用軸對稱(Axisymmetric)模型,場域?yàn)殍F心窗體部分。除軸外,均為第二類邊界條件[5]。

圖1 鐵心電抗器的安匝平衡

1.1 柱鐵高度與鐵餅的關(guān)系

鐵心電抗器的氣隙結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與磁場分布如圖2所示。

圖2 柱鐵高度變化引起的空間磁場變化

圖2(a)是柱鐵高度為鐵餅高度2/5時的空間磁場分布。由于柱鐵對應(yīng)的安匝數(shù)小于鐵餅對應(yīng)的安匝數(shù),使得部分磁力線不通過鐵心構(gòu)成回路。因此,空間漏磁較大,線圈渦流損耗較大。其特點(diǎn)為線圈端部渦流損耗較大,易發(fā)熱。中部鐵餅損耗較大,溫度較高。圖2(b)為柱鐵高度是鐵餅高度4/5時的空間磁場分布。柱鐵對應(yīng)的的安匝數(shù)與鐵餅對應(yīng)的安匝數(shù)接近,空間漏磁與上下軛鐵構(gòu)成回路,磁力線在線圈端部彎曲程度減輕,因此線圈的渦流損耗減小,其結(jié)構(gòu)相對圖2(a)更合理。圖2(c)為柱鐵高度為鐵餅高度6/5時的空間磁場分布。此時,柱鐵對應(yīng)的安匝數(shù)略大于鐵餅對應(yīng)的安匝數(shù),空間磁力線有跨過鐵餅的趨勢,空間磁場在線圈中部穿過,造成線圈中部渦流損耗增加,其特點(diǎn)為線圈中部較熱。上下柱鐵的磁通大于中間鐵餅的磁通,故易發(fā)熱。圖2(d)為柱鐵高度為鐵餅高度8/5時的空間磁場分布。柱鐵對應(yīng)的安匝數(shù)遠(yuǎn)大于鐵餅對應(yīng)的安匝數(shù),此時磁力線跨過線圈的趨勢增加,表明中部空間漏磁較大,造成線圈中部損耗增加,使得線圈中部發(fā)熱明顯。由于跨過鐵餅的磁力線增多,上下柱鐵更易發(fā)熱。

選取一個鐵餅,鐵餅高度為50 mm,氣隙長度為5 mm,鐵軛到線圈距離為90 mm,導(dǎo)線的寬厚比為3,其渦流損耗倍數(shù)與柱鐵高度關(guān)系如圖3所示。

圖3 渦流損耗倍數(shù)與柱鐵高度的關(guān)系

在圖3中可以看到,當(dāng)柱鐵高度為40 mm時,線圈的渦流損耗最小。這是由于線圈端部到鐵軛距離較大,使得此部分鐵心對應(yīng)少部分的安匝數(shù),因此柱鐵高度低于鐵餅高度。當(dāng)柱鐵對應(yīng)的安匝數(shù)較小時,線圈端部橫向漏磁較大;當(dāng)柱鐵對應(yīng)的安匝數(shù)較大時,線圈中部橫向漏磁較大。計算表明當(dāng)柱鐵高的80%時,線圈渦流損耗最小;鐵心中磁場分布不均勻?qū)⒃斐晒桎撈瑔挝粨p耗增大3%,該值不隨結(jié)構(gòu)尺寸變化而大幅度變化。

1.2 上下柱鐵高度不對稱對線圈渦流損耗的影響

當(dāng)上下柱鐵高度不同時,柱鐵高度小的一端,對應(yīng)的安匝數(shù)較小,無法約束空間磁場返回柱鐵,導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)域空間磁場增加;柱鐵較高的一端,對應(yīng)的安匝數(shù)較大,易于吸引空間磁場返回柱鐵,產(chǎn)生跨越鐵餅的空間磁場。二者疊加會使得局部空間局部磁場增強(qiáng),造成線圈渦流損耗增大。上下端柱鐵高度不等時空間磁場變化如圖4所示。

圖4 上下端柱鐵高度不等時空間磁場變化

圖4(a)為上端柱鐵55 mm,下端柱鐵45 mm時的磁場分布。此時,上、下柱鐵高度相差不大,柱鐵高度小的一端,空間磁場存在擴(kuò)散現(xiàn)象。圖4(b)為上端柱鐵70 mm,下端柱鐵30 mm時的磁場分布。圖中柱鐵高度小的一端空間磁場擴(kuò)散進(jìn)一步加強(qiáng)。圖4(c)為上端柱鐵80 mm,下端柱鐵20 mm 時的磁場分布。可見,擴(kuò)散的磁力線由圖4(a)的一根變?yōu)槿?。根?jù)此磁力線變化可知,隨著上、下柱鐵高度差值增加,對于柱鐵高度小的一端,對應(yīng)的線圈橫向漏磁增加,會產(chǎn)生柱鐵高度小的一端對應(yīng)的線圈渦流損耗增加,溫度增加;柱鐵高度高的一端,柱鐵表面橫向磁場集中,損耗較大,溫度較高。上下柱鐵高度偏差與線圈渦流損耗關(guān)系如圖5所示。

圖5 線圈渦流損耗倍數(shù)與柱鐵高度偏差的關(guān)系

由圖5可見,線圈渦流損耗倍數(shù)隨柱鐵高度差升高而增大,故在優(yōu)化電抗器結(jié)構(gòu)時,要考慮使上、下柱鐵高度相等。

2 氣隙、鐵餅與磁場的關(guān)系

單個鐵餅高度增加會使氣隙磁場衍射增加且空間磁場減小,單個氣隙長度增加也會使氣隙磁場衍射增加,兩者都會影響線圈的渦流損耗。因此合理選取鐵餅高度與氣隙長度,對鐵心電抗器的設(shè)計非常有意義。

2.1 鐵餅高度對線圈渦流損耗的影響

氣隙均為5 mm,鐵餅高度分別為30、70、90、130 mm的空間磁場分布如圖6所示。由圖6可見,隨著鐵餅高度的增加,空間縱向磁場減小,但橫向磁場增加。影響渦流損耗的因素一個減小,另一個增加,因此存在一個最優(yōu)鐵餅高度問題,線圈渦流損耗比與鐵餅高度的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知,線圈渦流損耗比初始時隨鐵餅高度的增加而減小,這是由于鐵餅高度增加,明顯降低縱向漏磁,使得線圈渦流損耗降低[6],即隨著鐵餅高度增加,氣隙導(dǎo)致的磁場衍射范圍增大,橫向漏磁增加,使得線圈渦流損耗增大,損耗比降低幅度隨鐵餅高度增加變化趨緩。當(dāng)鐵餅高度繼續(xù)增加時,橫向漏磁場進(jìn)一步增大,導(dǎo)致?lián)p耗比增大。當(dāng)導(dǎo)線寬厚比增大時,橫向漏磁場引起的損耗比變化更加明顯,線圈渦流損耗比最小值位置逐漸向左偏移。

圖6 鐵餅高度與空間磁場的關(guān)系

圖7 線圈渦流損耗比與鐵餅高度的關(guān)系

綜上所述,當(dāng)氣隙為5 mm時,鐵餅高度宜選擇在50～100 mm,線圈寬厚比小于7為佳。

2.2 氣隙長度對線圈渦流損耗的影響

隨著氣隙長度增加,氣隙處磁場衍射程度增加,并且空間漏磁增加,同時磁場畸變程度加劇,當(dāng)鐵餅厚度為100 mm時,其變化過程如圖8所示。由圖8可知,渦流損耗會隨著氣隙長度的增加而增加,當(dāng)導(dǎo)線厚度為3 mm,電流密度為2 A/mm2時,氣隙長度對線圈渦流損耗占總損耗百分比的影響如圖9所示。由圖9可知,隨著氣隙長度的增加,線圈損耗所占百分比也不斷增大,且導(dǎo)線寬厚比越大,增大趨勢越明顯。因此,鐵餅高度為100 mm,導(dǎo)線寬厚比為3、5、7時,若要控制線圈渦流損耗占總損耗3%以下,氣隙長度分別不宜超過14、10和8 mm。

圖8 氣隙長度與空間磁場的關(guān)系

圖9 線圈渦流損耗所占百分比與氣隙長度的關(guān)系

3 結(jié) 論

1) 為降低線圈渦流損耗,柱鐵與鐵餅在設(shè)計上要考慮安匝平衡。

2) 合理的鐵心電抗器設(shè)計應(yīng)考慮上、下柱鐵對應(yīng)的線圈高度相等。

3) 在設(shè)計鐵心電抗器時,上、下柱鐵高度選擇鐵餅高度為4/5為佳。

4) 當(dāng)氣隙為5 mm時,鐵餅高度宜選擇在50～100 mm,線圈寬厚比小于7為佳。

5) 鐵餅高度為100 mm,導(dǎo)線寬厚比為3、5、7時,若要控制線圈渦流損耗占總損耗3%以下,氣隙長度分別不宜超過14、10和8 mm。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Impact of dry-core reactor structural parameters on losses

XU Linfeng1, XU Xiaodong2, MAO Qiwu3, OU Xiaobo1, MA Zhiqin1, ZHU Dongbai2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co. Ltd., Guangzhou 510600, China; 2.Electrical and Electronic Engineering Institute, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 3.Pearl Electric Co., Ltd., Guangzhou 511400, China)

Since moving up and down the reactor coils and changing the distribution of the air gap can change reactor loss of more than 20%, the author used ANSYS software to analyze dry core reactor magnetic field, thus acquired the relationship between coil eddy current losses and core reactor structure, and proposed that balanced ampere-turns should be considered in the design so as to reduce core reactor losses. Through the electromagnetic field calculation, it also analyzed the impact of the discus height and gap length on the coil eddy current loss so as to acquire the range of reasonable discus height and gap length, which provides the reference for reactor design.

ANSYS; ampere-turns balance; dry-core reactor; eddy current loss

2015-05-08。

徐林峰(1957—),男,高級工程師,從事電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)研究工作。

TM47

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2095-6843(2016)01-0073-04