張 俊，李唐兵，吳華林，符以平，郭占泉

（1.特變電工衡陽變壓器有限公司，湖南 衡陽 421007；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096）

0 引言

我國散裂中子源（ChinaSpallationNeutron Source，CSNS）是一臺中等規(guī)模的高通量散裂中子源，是國家國民經(jīng)濟及社會發(fā)展十二五規(guī)劃中“科技創(chuàng)新能力建設重點”項目之一。工程中所用的快循環(huán)加速器（RapidCyclingSynchrotron，RCS）的磁鐵電源系統(tǒng)為避免無功能量存取對加速器電網(wǎng)的擾動，在回路中串聯(lián)了諧振電容，由于磁鐵工作電流含有直流成分，需在諧振電容的兩端并聯(lián)諧振電抗器給直流提供通路。獨特的運行工況使得諧振電抗器具有絕緣水平低、工作電壓穩(wěn)定、電感線性度要求高和工作電流半波偏置的特點，在電磁設計上需要深入研究[1-3]。

1 主要技術(shù)參數(shù)

項目中諧振電抗器主要有兩種型號，一種是單繞組結(jié)構(gòu)，另一種是雙繞組結(jié)構(gòu)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

電感：76.4mH（Lch-B-01～11）/38.2mH×2（Lch-B-D）

額定電流：1230+880sinωtA

工作頻率為：25Hz

冷卻方式：ONAN

絕緣水平：AC35LI75

電感非線度：≦2%

總損耗：＜100kW

溫升限值：油頂層55K 繞組55K

噪音：＜80dB

2 電磁計算與結(jié)構(gòu)設計

2.1 設計思路

為了使諧振電抗器獲得良好的電感線性度，可采用帶不導磁間隙的鐵心電抗器或空心電抗器予以實現(xiàn)，空心電抗器耗材多且體積龐大[4]，因此選擇帶不導磁間隙鐵心電抗器的方案。

針對諧振電抗器的自身特點，主要設計思路如下：1）鐵心工作磁密依據(jù)硅鋼片μ-H曲線和B-H曲線配合選取，確保鐵心工作點最大磁密時的相對磁導率大于5000以獲得良好的電感線性度；2）主電抗計算比例大于85%并采用厚軛結(jié)構(gòu)使進入金屬結(jié)構(gòu)件（夾件、油箱）的漏磁控制在很小的水平，達到節(jié)約銅材和降低雜散損耗的目的，同時也簡化了磁分路的設計[5]；3）采用小端絕緣距離、小首末心柱間隙結(jié)構(gòu)可以減小線圈端部磁力線的彎曲度，從而減小線圈端部線餅徑向渦流損耗和軸向電動力；4）增加繞組線餅數(shù)量，控制線餅幅向以降低線餅單位熱負荷和繞組熱點溫升；5）增大線餅內(nèi)徑側(cè)油道，取消線餅外徑側(cè)圍屏，采用薄匝絕緣導線等措施降低繞組溫升以獲得較為理想的導線工作電流密度。

2.2 電磁計算原理

諧振電抗器的工作電流為正向偏置的正弦波，在電磁計算方面，電感計算與常規(guī)鐵心電抗器計算方法一致，電阻損耗按工作電流的有效值進行計算，雜散損耗僅考慮工作電流的交流分量，鐵心損耗計算則根據(jù)25Hz直流偏磁下的硅鋼片B-P損耗曲線進行計算，鐵心工作點的選取須按工作電流正弦波峰值進行計算。

電感：

式（1）中：W為匝數(shù)；Λm為磁導，S；Aδ為鐵心氣隙等效導磁面積，m2；l為鐵心氣隙總長度，m；AQ為漏磁等效導磁面積，m2；Hk為線圈電抗高度，m；ρ為洛果夫斯基系數(shù)。

線圈電阻損耗：

式（2）中：IDC為額定電流直流分量，A；IAC為額定電流交流分量有效值，A；R為繞組直流電阻，Ω。

線圈渦流損耗：

式（3）中：ke為渦流損耗系數(shù)。

鐵心損耗：

式（4）中：k為空載損耗系數(shù)；pkg為單位質(zhì)量鐵損，W/kg；m為鐵心質(zhì)量，kg。

雜散損耗：

式（5）中：kz為雜散損耗系數(shù)；ω為角頻率，rad/s。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

2.3.1 單繞組諧振電抗器結(jié)構(gòu)設計

單繞組諧振電抗器磁回路由帶不導磁間隙的心柱與“口”字形鐵軛構(gòu)成，線圈采用連續(xù)式，端部出線，整個方案銅重2.9t，硅鋼片重11.1t，基本設計參數(shù)如表1所示，器身布置如圖1所示，三維總裝配如圖2所示。

圖1 器身布置圖

圖2 三維裝配圖

表1 單繞組諧振電抗器基本設計參數(shù)3

2.3.2 雙繞組諧振電抗器結(jié)構(gòu)設計

雙繞組諧振電抗器磁回路設計由兩個帶不導磁間隙的心柱與一個“口”字形鐵軛構(gòu)成，線圈采用連續(xù)式，兩柱繞組繞向相反，端部出線，整個方案銅重3.9 t，硅鋼片重11.2t，基本設計參數(shù)如表2所示，器身布置如圖3所示，三維裝配如圖4所示。

圖3 器身布置圖

圖4 三維裝配圖

表2 雙繞組諧振電抗器基本設計參數(shù)

雙繞組諧振電抗器在運行時，兩個繞組是串聯(lián)在同一回路中，同時通過相同的電流。雙繞組電抗器的支路等值電感要求值剛好是單繞組電感要求值的一半且總損耗要求值相同。因此，雙繞組電抗器可以在單繞組諧振電抗器電磁方案的基礎上將單繞組改為兩個繞組，上、下繞組繞向相同，電氣接線圖如圖5所示，器身布置如圖6所示。上下繞組彼此之間的互感起到助磁作用，相比雙柱結(jié)構(gòu)可以有效節(jié)約銅材。

圖5 電氣接線圖

圖6 器身布置圖

3 仿真計算

為了驗證諧振電抗器電磁計算方案的可行性，采用SRD軟件對電抗器電感線性度、溫升、絕緣等性能進行仿真計算，確保產(chǎn)品設計方案的安全可靠性。

3.1 電感線性度計算

諧振電抗器的電感可以采用能量法予以求解，即先計算出諧振電抗器求解域內(nèi)磁感應強度B和磁場強度H的空間分布，再利用式（6）求得空間所有元件的磁場總儲存能量wm，再由式（7）獲得等值電感L。

式中：i為施加的電流，A。

采用非線性二維靜磁場有限元計算，勵磁電流0～2 475A，硅鋼片B-H 曲線如圖7 所示，諧振電抗器單繞組諧振電抗器在不同勵磁電流下的電感計算結(jié)果如圖8所示，結(jié)果滿足要求。

圖7 硅鋼片B-H曲線

圖8 L-I曲線

3.2 損耗、溫升計算

諧振電抗器損耗主要包括線圈直流電阻損耗、線圈渦流損耗、鐵心損耗、油箱及夾件等金屬結(jié)構(gòu)件損耗；溫升計算主要包括油平均溫升、油頂層溫升、繞組平均溫升、繞組熱點溫升、結(jié)構(gòu)件熱點溫升和鐵心熱點溫升。油平均、繞組平均及繞組熱點溫升計算主要采用解析算法求解，而結(jié)構(gòu)件和鐵心熱點溫升計算主要采用磁熱耦和有限元算法求解，損耗和溫升計算結(jié)果均滿足要求。其中，損耗計算結(jié)果如表3所示，溫升計算結(jié)果如表4所示。

表3 損耗計算結(jié)果kW

表4 溫升計算結(jié)果K

3.3 絕緣計算

主絕緣計算基于二維靜電場的有限元場域計算方法，主要研究的重點是在各種試驗電壓下繞組（或引線）對地、對其他繞組（或引線）之間的絕緣強度；縱絕緣計算主要基于電阻、電容、電感構(gòu)成的鏈式電路的電磁暫態(tài)計算方法，研究的重點是在各種試驗電壓下（主要是雷電沖擊）的繞組各點之間或相應引線之間的絕緣強度。絕緣分析表明：諧振電抗器絕緣水平低，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，絕緣安全裕度均在1.2以上，其中繞組到鐵心電場分布云圖如圖9所示，沿軸向高度（自上而下）餅間電位分布如圖10所示。

圖9 繞組到鐵心電場分布云圖

圖10 餅間電位分布

4 結(jié)語

文中針對諧振電抗器的低絕緣水平、工作電壓穩(wěn)定、工作電流為半波偏置正弦波等特點提出相關電磁設計方法并作了相應的設計方案，最后應用專業(yè)電抗器計算軟件SRD對電抗器的設計方案進行了電、磁、熱的全方面仿真計算，驗證設計方案的可靠性。