郭坤，樊得平，王川，周廣東，王恒帥

（山東泰開電力電子有限公司，山東 泰安 271000）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)容量和用電負荷越來越大，造成短路電流不斷增大，系統(tǒng)中安裝限流電抗器的容量也不斷增大，大型限流電抗器電流已達5 000 A，這樣大的電流即使阻抗很小，向周圍發(fā)散磁場也很大，造成電抗器周圍金屬附件，包括星架臂和連接環(huán)、圍欄、接地扁鐵等發(fā)熱嚴重，不僅損耗大幅增加，而且對產(chǎn)品安全運行造成隱患，甚至引發(fā)電抗器故障[1-9]。廣東東莞某站戶內(nèi)運行的10 kV 干式空心限流電抗器，在滿容量運行時，連接環(huán)的溫度達到160℃以上，嚴重影響設(shè)備安全運行。

本文采用ANSYS workbench 多物理場有限元分析軟件對限流電抗器（型號：XKGKL-10-4000-10）的星臂和連接環(huán)進行建模，同時對損耗和溫升進行有限元分析和預(yù)測，提出了加裝導(dǎo)磁裝置、優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)等措施，加裝導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以降低連接環(huán)位置的磁感應(yīng)強度、通過優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)減小金屬件垂直于磁場方向的尺寸，達到降低連接環(huán)損耗和溫升的目的，根據(jù)仿真和試驗結(jié)果，此方案可有效降低產(chǎn)品附加損耗、降低溫升[10-12]。

1 電抗器星臂與連接環(huán)損耗和溫升計算

干式空心電抗器的物理性質(zhì)和特殊結(jié)構(gòu)決定了電抗器運行時，在其周圍產(chǎn)生比較強烈磁場，電抗器連接環(huán)處于強磁場中會在內(nèi)部產(chǎn)生渦流，其中連接環(huán)除產(chǎn)生渦流外，還形成一定數(shù)值的環(huán)流，從而產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象[13-20]。

1.1 磁場分布特性描述與損耗溫升的關(guān)系

在線圈端部，距離線圈很近的地方，尤其是中心軸線附近，磁場線以軸向為主，徑向分量非常小，所以星臂和連接環(huán)的渦流損耗主要是軸向磁場產(chǎn)生的，而且磁場比較均勻。根據(jù)電磁場理論，在這種條件下每小段鋁板的渦流損耗可由下式確定：

式中：P為渦流損耗；ρ為電阻率；f為頻率；I為電流；B為磁感應(yīng)強度；σ為鋁板厚度；b為鋁板寬度。

鋁板等效模型見圖1。

圖1 鋁板等效模型Fig.1 Equivalent model of aluminum sheet

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論可知，連接環(huán)在空氣中的溫升與損耗P和散熱面積關(guān)系公式為式中：ΔT為溫升；k為溫升系數(shù)；ρ為損耗；s為截面積。

通過公式（1）可以準確計算出連接環(huán)的損耗p，溫升系數(shù)k與發(fā)熱體的材料、尺寸、厚度、擺放型式等有關(guān)，通過具體試驗才能確定。

1.2 計算分析與對比

1.2.1 電抗器基本參數(shù)

電抗器基本參數(shù)見表1。

表1 XKGKL?10?4000?10干式空心限流電抗器基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of XKGKL?10?4000?10 dry type air core current limiting reactor

1.2.2 仿真和試驗結(jié)果

根據(jù)XKGKL-10-4000-10 干式空心限流電抗器設(shè)計方案，分別對電抗器連接環(huán)（含星臂）的磁場分布、損耗情況進行仿真，分析結(jié)果見圖2。

圖2 電抗器磁感應(yīng)強度分布和星臂渦流損耗密度分布Fig.2 Distribution of magnetic induction intensity and eddy current loss density of star arm in reactor

現(xiàn)場實際運行過程中，利用熱成像儀拍下限流電抗器溫度圖見圖3。

圖3 電抗器運行時連接環(huán)測量溫度Fig.3 Measurement temperature of the connection ring in the operation of reactor

根據(jù)現(xiàn)場測量溫度，確定ANSYS workbench 溫度場仿真中的熱輻射系數(shù)，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 連接環(huán)溫度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of temperature of the connection ring

將連接環(huán)斷開可以避免形成環(huán)流，計算連接環(huán)是否開斷口兩種情況下連接環(huán)的損耗和溫升見表2。

表2 連接環(huán)有無斷口情況下的損耗和溫升Table 2 Loss and temperature rise of connection ring with or without fracture

根據(jù)表2 計算結(jié)果，對10 kV 干式空心限流電抗器，連接環(huán)開斷口后對溫升的影響有限，說明造成連接環(huán)溫升高主要是自身渦流損耗引起的。

2 抑制連接環(huán)發(fā)熱的措施和試驗驗證

限流電抗器連接環(huán)發(fā)熱主要的原因是在磁場作用下產(chǎn)生的環(huán)流和渦流，同時星臂發(fā)熱，對連接環(huán)也有傳導(dǎo)作用，因此可從以下3 個方面來降低連接環(huán)的溫升。

1）將連接環(huán)閉合回路切斷，消除連接環(huán)的環(huán)流。

2）在連接環(huán)周圍加裝磁屏蔽裝置，降低連接環(huán)所處位置的磁感應(yīng)強度，從而降低連接環(huán)的渦流損耗。

3）通過增加星臂和連接環(huán)的高度，減小星臂和連接環(huán)的厚度（保證載流量不變），減小附加損耗。

2.1 正常狀態(tài)下連接環(huán)溫度情況

以XKGKL-10-4000-10%為例進行廠內(nèi)試驗，分別施加2 000、2 300、2 600、2 900、3 200、3 500、3 800、4 000 A 電流，連接環(huán)溫度穩(wěn)定后，溫度情況見表3、圖5。

表3 未采取措施時星臂和連接環(huán)溫度（環(huán)境溫度28 ℃）Table 3 Temperature of star arm and connecting ring without taking measures（at ambient temperature 28 ℃）

圖5 熱成像儀測溫圖Fig.5 Thermograph of thermal imager

2.2 加斷口情況下連接環(huán)溫度情況

連接環(huán)加斷口后可消除連接環(huán)自身環(huán)流產(chǎn)生的附加損耗，降低連接環(huán)溫升。試驗電抗器型號與2.1 相同，試驗結(jié)果見表4、圖6。

圖6 熱成像儀測溫圖Fig.6 Thermograph of thermal imager

表4 未采取措施時星臂和連接環(huán)溫度（環(huán)境溫度26℃）Table 4 Temperature of star arm and connection ring without taking measures（at ambient temperature 26 ℃）

根據(jù)2.1 和2.2 試驗結(jié)果對比，將連接環(huán)開口斷開后，不同負荷下，連接環(huán)的溫升僅降低了3~5 K，遠未達到預(yù)期的數(shù)值，切斷口方案降低溫升的效果不明顯，說明環(huán)流損耗占比較小，不是造成溫度升高的主要原因。

2.3 增加磁屏蔽裝置

2.3.1 磁屏蔽裝置原理

連接環(huán)附近磁場聚集是造成連接環(huán)溫度過高的原因，將導(dǎo)磁裝置安裝在連接環(huán)附近星臂上，每個星臂兩側(cè)各有一個，將穿過連接環(huán)的磁場導(dǎo)出，對連接環(huán)形成屏蔽，進而降低連接環(huán)溫升，導(dǎo)磁裝置安裝見圖7，磁屏蔽裝置見圖8。

圖7 加裝磁屏蔽裝置后的磁場分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of magnetic field distribution after installing magnetic shielding device

圖8 磁屏蔽裝置Fig.8 Magnetic shielding device

2.3.2 磁屏蔽裝置效果驗證

1）對電感值影響的試驗驗證。

加裝導(dǎo)磁裝置后，由于磁場分布產(chǎn)生了變化，因此電抗器電感值略微增加0.4%，較額定值的偏差為2.7%，滿足國家標準和技術(shù)規(guī)范要求（0~+10%），見表5。

表5 加裝磁屏蔽裝置后電感變化Table 5 Inductance variation after installing magnetic shielding device

2）溫升試驗結(jié)果。

加裝磁屏蔽裝置后星臂和連接環(huán)溫度見表6，熱成像儀測溫圖見圖9。

表6 加裝磁屏蔽裝置后星臂和連接環(huán)溫度（環(huán)境溫度26℃）Table 6 Temperature of star arm and connection ring after installing magnetic shielding device（at ambient temperature:26 ℃）

圖9 熱成像儀測溫圖Fig.9 Thermograph of thermal imager

根據(jù)2.1 和2.3 試驗結(jié)果對比，增加磁屏蔽裝置后，連接環(huán)的溫升有明顯降低，電流為4 000 A時，連接環(huán)的溫度降低到116 ℃，溫升降低到83 K。

2.4 減小星臂和連接環(huán)厚度

2.4.1 星臂損耗計算

針對現(xiàn)場改造項目可通過加裝磁屏蔽的方式達到降低溫升的目的，但該方案成本高，對于廠內(nèi)的產(chǎn)品，可通過增加星臂寬度、減小星臂厚度的方式減小產(chǎn)品渦流損耗，增加星臂和連接環(huán)寬度的同時將厚度分別由14 mm 和20 mm 降低為12.8 mm和15 mm。理論核算星壁損耗計算見表7。

表7 星臂損耗計算Table 7 Loss calculation of star loss

2.4.2 試驗結(jié)果

改進后溫升結(jié)果見表8，連接環(huán)和星臂溫升隨時間變化曲線見圖10。

表8 改進后溫升結(jié)果（環(huán)境溫度20℃）Table 8 Result of temperature rise after improvement（at ambient temperature:20℃）

圖10 連接環(huán)和星臂溫升隨時間變化曲線Fig.10 Temperature rise variation curve of link ring and star arm with time

將以上試驗結(jié)果與2.1 試驗結(jié)果比較，額定電流下，連接環(huán)和星臂溫度明顯降低。

3 結(jié)語

1）由于干式空心電抗器的磁場發(fā)散結(jié)構(gòu)，處于強磁場中的連接環(huán)同時包含渦流損耗和環(huán)流損耗，通過理論計算和ANSYS 仿真的方式得到連接環(huán)的損耗和溫升，并根據(jù)試驗結(jié)果修正熱輻射系數(shù)，保證溫升的準確性。

2）根據(jù)附加損耗產(chǎn)生的機理，對于10 kV 干式空心限流電抗器產(chǎn)品，根據(jù)試驗結(jié)果，確定了3 種降低損耗的措施：

①切斷口的方式并不能大幅降低連接環(huán)溫升。如果產(chǎn)品電壓等級、容量等發(fā)生變化，環(huán)流損耗在連接環(huán)總損耗中的占比也會變化，環(huán)流損耗占比越大，連接環(huán)開斷口的效果越明顯。

②增加磁屏蔽可大幅降低連接環(huán)溫升，此種方案適用于現(xiàn)場已安裝產(chǎn)品的改造，不用對電抗器進行二次吊裝，簡單易維護。

③減小連接環(huán)和星臂厚度（增加寬度保證載流量）同樣可以大幅降低連接環(huán)的溫升，適用于產(chǎn)品未生產(chǎn)的情況下，星臂減薄后會隨之帶來強度不足和振動隱患，可通過增加玻璃絲支撐數(shù)量對星臂進行加固，防止振動，同時也在星臂上并接一段不銹鋼板，增加星臂的吊裝強度和支撐強度。