蔣雷敏+李佶

摘 要：在當(dāng)今電力系統(tǒng)中，可控電抗器占據(jù)著十分重要的地位，它能應(yīng)用在控制電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)戎T多方面。可控電抗器的應(yīng)用與發(fā)展，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量做出了巨大的貢獻(xiàn)，因此對(duì)其損耗進(jìn)行分析應(yīng)是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題?；诖?，文章選取正交鐵心式可控電抗器進(jìn)行研究，深入分析其結(jié)構(gòu)和基本原理，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)其損耗情況，提出不同損耗種類(lèi)的解決措施，為可控電抗器的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：正交鐵心；可控抗電器；損耗分析

前言

伴隨著電力系統(tǒng)的技術(shù)水平不斷提高，可控電抗器在動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償、自動(dòng)調(diào)諧消弧圈等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用?？煽仉娍蛊鞯姆N類(lèi)有直流可控電抗器以及正交鐵心式電抗器兩種。其中直流可控電抗器控制簡(jiǎn)便、工作性能可靠；而正交鐵心式電抗器是由固有的磁路構(gòu)成，具有近似線性的控制特點(diǎn)以及相對(duì)較低的諧波含量。通過(guò)改變鐵心的結(jié)構(gòu)控制磁路的方向，對(duì)計(jì)算其損耗具有重要的意義。文章重點(diǎn)研究正交式電抗器的損耗，并尋求減小損耗的具體方法。

1 正交鐵心式可控電抗器的結(jié)構(gòu)和原理

正交鐵心式電抗器是由兩個(gè)形狀完全相同的U型鐵心旋轉(zhuǎn)90°角之后連接而成的，可控電抗器兩個(gè)繞組被分別固定在了兩個(gè)U型的鐵心上。為了在工作運(yùn)行中能夠充分利用到鐵心的磁性，需要選用合適的結(jié)構(gòu)以及尺寸比例，如果鐵心的各個(gè)部位呈現(xiàn)出不均勻磁化，或鐵心磁路的個(gè)別段磁化方向和材料的最易磁化方向不一致，將會(huì)在很大程度上影響鐵心的性能[1]。選擇鐵心的機(jī)構(gòu)和幾何比例尺寸時(shí)要始終堅(jiān)持以下的原則：首先要充分利用材料原有的磁性能，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，要使鐵心的體積和重量最小化，最后才是考慮其經(jīng)濟(jì)性和工藝性。

在工作運(yùn)行中，當(dāng)電抗器控制繞組中沒(méi)有控制電流通過(guò)時(shí)，鐵心中就只存在單一的磁通，由于對(duì)稱(chēng)性等原理，在控制繞組中不會(huì)發(fā)生耦合磁通的變化，也就是說(shuō)電抗器的主繞組對(duì)控制繞組沒(méi)有耦合[2]。調(diào)節(jié)控制繞組中的電流能夠有效改變磁通的方向，對(duì)電抗器內(nèi)總磁通有間接影響作用。兩個(gè)正交鐵心接觸面的磁通主要由兩部分組成，一是主繞組所加的交流電源產(chǎn)生的交變磁通；另一種是直流控制繞組兩端的直流電源所產(chǎn)生的直流磁通。直流磁通對(duì)于電抗器控制特性的影響很大，其控制著鐵心接觸面的磁通飽和度。

2 正交鐵心可控電抗器的有限元分析

正交鐵心式可控電抗器的有限元，是準(zhǔn)確分析磁場(chǎng)的重要工具之一。對(duì)于有限元的分析方法，就是要將所分析的區(qū)域分割成多種很小的子區(qū)域。在這些小的子區(qū)域當(dāng)中，要選取適當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)的問(wèn)題求解。最后再將整個(gè)區(qū)域當(dāng)中的結(jié)果求和，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)所求區(qū)域的解。對(duì)正交鐵心式可控電抗器的有限元進(jìn)行科學(xué)的分析，不僅能夠了解到電氣系統(tǒng)的關(guān)系，同時(shí)可以全面掌握磁通分布的情況，對(duì)可控電抗器的損耗程度研究具有重要的指導(dǎo)意義。

在研究其有限元時(shí)，可以通過(guò)ANSYS軟件建立出正交鐵心式可控電抗器有限元仿真實(shí)體參數(shù)以及鐵心的有限元網(wǎng)格劃分。和其他電力器件的有限元分析相類(lèi)似，正交鐵心式可控電抗器的有限元分析瞬變電磁場(chǎng)一共分為三個(gè)步驟，分別是建模步驟、加載分析步驟以及后處理步驟[3]。在ANSYS的軟件中，可以采用軟件中自帶的三維建模工具按照實(shí)際模型的真實(shí)尺寸，描繪出正交鐵心式可控電抗器的三維立體圖形，并根據(jù)加載工具對(duì)電抗器的繞組進(jìn)行加載分析，最后利用分析所得出的數(shù)據(jù)采用后處理的工具在圖形界面當(dāng)中直接描繪出繞組中的電流電壓的波形和鐵心當(dāng)中的磁通分布情況。在兩個(gè)鐵心的四個(gè)交界點(diǎn)中，磁通的密度空間和時(shí)間是相互對(duì)稱(chēng)分布狀態(tài)時(shí)，其他部分地磁通密度就會(huì)比較小。因此，在對(duì)可控電抗器的損耗情況分析時(shí)，只需要考慮到四個(gè)交界點(diǎn)的磁阻，而忽略其他部分的磁阻即可。只有兩個(gè)U型鐵心的交界部分在調(diào)節(jié)的過(guò)程當(dāng)中處于飽和的狀態(tài)，此時(shí)的正交鐵心式可控電抗器的損耗程度最小。通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)，能夠控制電抗器的損耗情況。而針對(duì)不同的損耗類(lèi)型，也有著不同的解決方案。

3 有效降低正交式可控電抗器的損耗措施

3.1 銅損損耗

要想降低可控電抗器的銅損損耗就要減小繞組的電阻，在實(shí)際操作中分具體分為：選用低電阻的無(wú)氧銅導(dǎo)線，加大繞組當(dāng)中的導(dǎo)線截面來(lái)降低繞組的電阻。但如果繞組的導(dǎo)線截面加大，會(huì)在一定程度上使渦流的損耗增加，因此降低可控電抗器的銅損損耗時(shí)，還要考慮到不加大導(dǎo)線的幅向厚度。通過(guò)增加每匝繞組的磁通量，也是減小繞組電阻的重要途徑。

增加每匝繞組的磁通量，通常情況下可以采取兩種方法：一種是加大鐵心的直徑，在可控電抗器的結(jié)構(gòu)中，其阻抗和繞組匝數(shù)的平方呈正比關(guān)系。盡管在實(shí)際的操作中增加每匝繞組的磁通量需要考慮會(huì)隨著鐵心的截面增加而加大的鐵損和會(huì)隨著繞組長(zhǎng)度增加而增大的銅損，但是這種方法無(wú)疑是最簡(jiǎn)單有效的。如果在減少電抗器損耗情況的措施中通過(guò)增大鐵心來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么電抗器的自身體積也會(huì)增大，這種情況會(huì)加重成本上的負(fù)擔(dān)[4]。另一種增加磁通量的方法是增加繞組磁通的密度。但是在磁通密度增加時(shí)，相對(duì)而言鐵損也會(huì)加重，而電抗器在工作中的噪聲和振動(dòng)也會(huì)隨之增加。在這個(gè)方法中，由于鐵心疊片系數(shù)的提高以及繞組絕緣的改善，電抗器的體積變小，鐵心質(zhì)量就會(huì)減輕，鐵損就會(huì)降低；而繞組的平均直徑減小，相對(duì)而言銅損也會(huì)降低。

3.2 鐵損損耗

在正交鐵心式可控電抗器中，鐵損損耗分為磁滯損耗以及渦流損耗。根據(jù)鐵損的計(jì)算公式來(lái)分析，可以得知鐵損的總面積等于鐵心單位的損耗和鐵心質(zhì)量的乘積，因此在對(duì)降低電抗器的鐵損應(yīng)該要考慮到以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：首先，在實(shí)際工作中要采用單位損耗比較小的冷軋取向性硅鋼片。為了能夠充分利用到這個(gè)特點(diǎn)，還可以在具體的運(yùn)用中使磁通的方向和硅鋼片的軋制方向保持一致。其次，要有效減小磁通的密度，磁通密度的減小能在很大程度上使鐵損損耗降低，但在另一方面也會(huì)使繞線匝數(shù)增加而讓電阻的損耗也增加，因此從整體上來(lái)看，總體損耗也在增加。

在由電抗器的邊緣磁通所引起的渦流損耗中，邊緣磁通的分布是由每一個(gè)氣隙的長(zhǎng)度來(lái)決定的，因此說(shuō)減少氣隙的長(zhǎng)度就能降低渦流損耗[5]。對(duì)于正交鐵心來(lái)說(shuō)，渦流的損耗程度與磁通所垂直方向的硅鋼片寬度的平方成正比關(guān)系，由此看來(lái)，和磁通成垂直方向的直角面小的輻射形鐵心對(duì)渦流損耗具有理想的抑制作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)分析正交鐵心式可控電抗器的結(jié)構(gòu)和原理，能夠有效分析其有限元。而通過(guò)在ANSYS軟件中對(duì)其有限元進(jìn)行分析，能夠得出電抗器的磁場(chǎng)分析比較以及損耗的情況對(duì)比。針對(duì)正交鐵心式可控電抗器的各類(lèi)損耗類(lèi)型總結(jié)出解決的方案，能夠在很大程度上降低電抗器工作過(guò)程中的損耗率，從而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]牟憲民，王建賾，紀(jì)延超.正交鐵心可控電抗器原理分析[J].變壓器，2013，6（24）：27-29.

[2]牟憲民，王建賾，魏曉霞.新型正交鐵心可控電抗器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，7（21）：57-62.

[3]王子強(qiáng)，尹忠東，周麗霞.基于ANSYS的可控電抗器磁路結(jié)構(gòu)與損耗分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，12（4）：168-172.

[4]魏曉霞，胡曉光，劉杰.基于平面結(jié)構(gòu)的正交可控電抗器磁通特性分析方法[J].電子器件，2012，11（4）：828-832.

[5]王建賾，紀(jì)延超，魏曉霞.可控電抗器現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].電氣應(yīng)用，2013，4（30）：1-4.endprint