張 俊，李唐兵，吳華林，符以平，郭占泉

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

0 引言

我國(guó)散裂中子源（ChinaSpallationNeutron Source，CSNS）是一臺(tái)中等規(guī)模的高通量散裂中子源，是國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展十二五規(guī)劃中“科技創(chuàng)新能力建設(shè)重點(diǎn)”項(xiàng)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(wú)功能量存取對(duì)加速器電網(wǎng)的擾動(dòng)，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(dú)特的運(yùn)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(diǎn)，在電磁設(shè)計(jì)上需要深入研究[1-3]。

1 主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目中諧振電抗器主要有兩種型號(hào)，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(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)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(dǎo)磁間隙的鐵心電抗器或空心電抗器予以實(shí)現(xiàn)，空心電抗器耗材多且體積龐大[4]，因此選擇帶不導(dǎo)磁間隙鐵心電抗器的方案。

針對(duì)諧振電抗器的自身特點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)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(diǎn)最大磁密時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率大于5000以獲得良好的電感線性度；2）主電抗計(jì)算比例大于85%并采用厚軛結(jié)構(gòu)使進(jìn)入金屬結(jié)構(gòu)件（夾件、油箱）的漏磁控制在很小的水平，達(dá)到節(jié)約銅材和降低雜散損耗的目的，同時(shí)也簡(jiǎn)化了磁分路的設(shè)計(jì)[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(dòng)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(fù)荷和繞組熱點(diǎn)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(dǎo)線等措施降低繞組溫升以獲得較為理想的導(dǎo)線工作電流密度。

2.2 電磁計(jì)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(jì)算方面，電感計(jì)算與常規(guī)鐵心電抗器計(jì)算方法一致，電阻損耗按工作電流的有效值進(jìn)行計(jì)算，雜散損耗僅考慮工作電流的交流分量，鐵心損耗計(jì)算則根據(jù)25Hz直流偏磁下的硅鋼片B-P損耗曲線進(jìn)行計(jì)算，鐵心工作點(diǎn)的選取須按工作電流正弦波峰值進(jìn)行計(jì)算。

電感：

式（1）中：W為匝數(shù)；Λm為磁導(dǎo)，S；Aδ為鐵心氣隙等效導(dǎo)磁面積，m2；l為鐵心氣隙總長(zhǎng)度，m；AQ為漏磁等效導(dǎo)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(shè)計(jì)

2.3.1 單繞組諧振電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單繞組諧振電抗器磁回路由帶不導(dǎo)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(gè)方案銅重2.9t，硅鋼片重11.1t，基本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)3

2.3.2 雙繞組諧振電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙繞組諧振電抗器磁回路設(shè)計(jì)由兩個(gè)帶不導(dǎo)磁間隙的心柱與一個(gè)“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(gè)方案銅重3.9 t，硅鋼片重11.2t，基本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)

雙繞組諧振電抗器在運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)繞組是串聯(lián)在同一回路中，同時(shí)通過(guò)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(chǔ)上將單繞組改為兩個(gè)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(jì)算

為了驗(yàn)證諧振電抗器電磁計(jì)算方案的可行性，采用SRD軟件對(duì)電抗器電感線性度、溫升、絕緣等性能進(jìn)行仿真計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的安全可靠性。

3.1 電感線性度計(jì)算

諧振電抗器的電感可以采用能量法予以求解，即先計(jì)算出諧振電抗器求解域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的空間分布，再利用式（6）求得空間所有元件的磁場(chǎng)總儲(chǔ)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(chǎng)有限元計(jì)算，勵(lì)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(lì)磁電流下的電感計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)溫升、結(jié)構(gòu)件熱點(diǎn)溫升和鐵心熱點(diǎn)溫升。油平均、繞組平均及繞組熱點(diǎn)溫升計(jì)算主要采用解析算法求解，而結(jié)構(gòu)件和鐵心熱點(diǎn)溫升計(jì)算主要采用磁熱耦和有限元算法求解，損耗和溫升計(jì)算結(jié)果均滿足要求。其中，損耗計(jì)算結(jié)果如表3所示，溫升計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 損耗計(jì)算結(jié)果kW

表4 溫升計(jì)算結(jié)果K

3.3 絕緣計(jì)算

主絕緣計(jì)算基于二維靜電場(chǎng)的有限元場(chǎng)域計(jì)算方法，主要研究的重點(diǎn)是在各種試驗(yàn)電壓下繞組（或引線）對(duì)地、對(duì)其他繞組（或引線）之間的絕緣強(qiáng)度；縱絕緣計(jì)算主要基于電阻、電容、電感構(gòu)成的鏈?zhǔn)诫娐返碾姶艜簯B(tài)計(jì)算方法，研究的重點(diǎn)是在各種試驗(yàn)電壓下（主要是雷電沖擊）的繞組各點(diǎn)之間或相應(yīng)引線之間的絕緣強(qiáng)度。絕緣分析表明：諧振電抗器絕緣水平低，絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絕緣安全裕度均在1.2以上，其中繞組到鐵心電場(chǎng)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(chǎng)分布云圖

圖10 餅間電位分布

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)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(diǎn)提出相關(guān)電磁設(shè)計(jì)方法并作了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，最后應(yīng)用專業(yè)電抗器計(jì)算軟件SRD對(duì)電抗器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了電、磁、熱的全方面仿真計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可靠性。