徐銘銘 董 軒 張 凱 朱志芹 池 騰

低漏磁電抗器沖擊特性和溫度特性研究

徐銘銘1董 軒1張 凱2朱志芹3池 騰3

（1. 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052； 2. 國網(wǎng)河南省電力公司，鄭州 450000； 3. 中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室（中國科學(xué)院電工研究所），北京 100190）

干式空心電抗器能夠改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、提升電流穩(wěn)定性，但在工作時漏磁較大，對周圍環(huán)境造成不良影響。為解決電抗器漏磁過大的問題，本文提出一種新型多單元串并聯(lián)環(huán)形低漏磁電抗器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在進(jìn)行原理分析的基礎(chǔ)上，對試品分別進(jìn)行工頻耐壓試驗、溫升試驗、雷電沖擊試驗和最大短時電流試驗，結(jié)果表明該試品性能達(dá)到了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠應(yīng)用于實際電網(wǎng)中。

低漏磁電抗器；溫升試驗；工頻耐壓試驗；雷電沖擊試驗

0 引言

干式空心電抗器具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、電感線性度好和噪聲低等優(yōu)點，在電力、冶金、化工和電氣化鐵道等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-3]。普通空心電抗器在工作時，線圈外部的磁場呈軸對稱分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內(nèi)電磁污染的主要來源[4-5]?？招碾娍蛊鞯膹?qiáng)磁場不但對周圍其他電氣設(shè)備產(chǎn)生影響，而且對相關(guān)從業(yè)人員存在潛在的危害。為減少漏磁，有很多文獻(xiàn)和專利提出采用鐵磁材料或鋁導(dǎo)電盤對空心電抗器的外側(cè)和端部的漏磁場進(jìn)行磁屏蔽或電磁屏蔽的技術(shù)方案。上述采用磁屏蔽或電磁屏蔽抑制空心電抗器漏磁的方法雖然可以將空間磁污染抑制到可接受的水平，但是各種屏蔽方法均會導(dǎo)致空心電抗器運(yùn)行損耗增加，以及引起電感參數(shù)的變化。如果空心電抗器不采用磁屏蔽方式也能產(chǎn)生比較低的漏磁，將具有十分積極的意義[6-7]。

為了降低空心電抗器或儲能線圈的空間漏磁，且不采用磁屏蔽的方式，通常采用以下兩種方式：一種是采用多螺管平行排列方式，另一種是采用多螺管或線餅環(huán)形排列方式[8-9]。盡管采用多螺管或線圈平行排列或者環(huán)形排列的電抗器都可以有效降低漏磁場，但是上述文獻(xiàn)和專利中多個螺管或線餅都采用串聯(lián)連接方式，這對于超導(dǎo)儲能磁體應(yīng)用是可行的，但是對于面向高壓大電流電力應(yīng)用的電抗器線圈卻是很困難的。如果僅采用串聯(lián)方式，環(huán)形電抗器組件的引出線距離很近，端口耐壓難以提高，也不利于電抗器載流能力的提升。

為了解決上述問題，本文對提出的新型多單元串并聯(lián)環(huán)形低漏磁電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理等進(jìn)行分析，并對在此基礎(chǔ)上搭建的樣機(jī)進(jìn)行沖擊特性和溫度特性試驗研究。

1 多單元串并聯(lián)低漏磁電抗器新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

考慮到高壓大電流電力應(yīng)用，提出多單元串并聯(lián)環(huán)形低漏磁電抗器的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]。低漏磁電抗器由×個環(huán)形結(jié)構(gòu)電抗器組件串聯(lián)和（或）并聯(lián)構(gòu)成（為串聯(lián)組數(shù)，=1, 2, 3,…,；為并聯(lián)組數(shù)，=1, 2, 3,…,），每一個環(huán)形結(jié)構(gòu)電抗器組件又由×個電抗器單元串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成（為串聯(lián)組數(shù)，=1, 2, 3,…,；為并聯(lián)組數(shù)，=2, 4, 6,…, 2），所述的多個電抗器單元以其中心軸線圍繞成正多邊形的封閉環(huán)；所述的環(huán)形結(jié)構(gòu)電抗器組件，其串聯(lián)支路內(nèi)部個電抗器單元的繞向相同，個并聯(lián)支路相鄰的兩并聯(lián)支路中電抗器單元的繞向相反；電抗器單元可采用圓形/D形/跑道型的螺管結(jié)構(gòu)或餅式結(jié)構(gòu)制作；電抗器單元內(nèi)部及單元之間需留有散熱通道。傳統(tǒng)的圓形線圈結(jié)構(gòu)占地面積較大，但線圈制作工藝簡單，在環(huán)形超導(dǎo)儲能磁體中獲得了少量應(yīng)用；D形線圈結(jié)構(gòu)在核聚變環(huán)向磁體中獲得了廣泛應(yīng)用，但制作工藝復(fù)雜；考慮到線圈占地面積和制作工藝等因素，提出基于跑道型線圈結(jié)構(gòu)的環(huán)形低漏磁電抗器設(shè)計方法和制作工藝，可根據(jù)空間尺寸約束條件進(jìn)行低漏磁電抗器的設(shè)計，具有較好的適應(yīng)性。14串2并環(huán)形低漏磁電抗器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由于環(huán)形低漏磁電抗器漏磁很小，三相電抗器排列可以非常緊湊，可以豎向排列到獨(dú)立的柜體內(nèi)，也可以水平排列，套裝到斷路器上。兩種排列的三相低漏磁電抗器如圖2所示。

圖1 14串2并環(huán)形低漏磁電抗器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 兩種排列的三相低漏磁電抗器

2 低漏磁電抗器的優(yōu)化設(shè)計

10kV/8kA/7mH低漏磁電抗器的繞組擬采用28組雙餅線圈環(huán)形排列結(jié)構(gòu)，由于電流較大，而電感較小，采用2并14串連接方式[11-12]。為了對線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，選取繞組直徑0、線圈單元內(nèi)半徑1、外半徑2、高度作為優(yōu)化變量，最小單元間氣隙、線圈電感作為約束變量，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)初步定為繞組的體積（外輪廓體積），線圈尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 線圈尺寸示意圖

通過初步的優(yōu)化設(shè)計，得到繞組優(yōu)化設(shè)計方案見表1。主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

表1 10kV/8kA/7mH低漏磁電抗器繞組優(yōu)化設(shè)計方案

3 低漏磁電抗器測試

為了對優(yōu)化設(shè)計的低漏磁電抗器性能進(jìn)行驗證，本文對試品進(jìn)行了沖擊試驗和溫升試驗。圖5所示為環(huán)形低漏磁電抗器現(xiàn)場測試圖。

3.1 工頻耐壓試驗（例行試驗）

對低漏磁電抗器的工頻耐壓試驗方法按JB/T 501的規(guī)定，試驗時應(yīng)在電抗器的繞組對地間施加電壓。試驗過程中，如果電壓不突然下降、電流指示不擺動、沒有放電聲，則認(rèn)為試驗合格；如果有輕微放電聲，在重復(fù)試驗中消失，也視為試驗合格；如果有較大的放電聲，在重復(fù)試驗中消失，需要尋找放電部位，然后采取必要措施，根據(jù)放電部位決定是否復(fù)試。

圖5 環(huán)形低漏磁電抗器現(xiàn)場測試

由于該電抗器的絕緣水平設(shè)計為42kV，因此本次試驗設(shè)置持續(xù)時間為1min的35kV工頻電壓進(jìn)行耐壓試驗。工頻耐壓試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 工頻耐壓試驗結(jié)果

由圖6可知，在施加1min的35kV電壓過程中，電壓不突然下降、電流指示不擺動、沒有放電聲，因此，該試品滿足工頻耐壓試驗的要求。

3.2 溫升試驗（型式試驗）

溫升是電抗器最重要的性能指標(biāo)之一，如果溫升太高，則對電抗器的絕緣材料提出更高的要求，會加速絕緣材料的老化從而失去絕緣性能[13-14]。

通過對電抗器的兩端施加不同大小的交流電壓，會在電抗器中產(chǎn)生不同大小的交流電流，進(jìn)而導(dǎo)致電抗器發(fā)熱。

在環(huán)形低漏磁電抗器的不同位置安裝五個鉑電阻溫度計，用以監(jiān)測電抗器不同位置的溫度變化情況，溫度計在電抗器的位置分布如圖7所示。其中PT100-1放置在電抗器上表面邊緣位置，PT100-2放置在電抗器底部中心位置，PT100-3放置在電抗器內(nèi)部中心位置，PT100-4放置在電抗器上表面中心位置，PT100-5放置在電抗器底部邊緣位置。

圖7 溫度計在電抗器的位置分布

溫升試驗是驗證在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下，各部位溫升是否符合JB/T 5436的規(guī)定，并驗證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。不同電壓等級條件下，每間隔30min記錄的各溫度計的溫度變化折線圖如圖8所示。

由圖8可知，電抗器中心位置溫度變化最明顯，電抗器上表面邊緣位置溫度變化最小。隨著電壓升高，流過電抗器的電流增大，溫度升高速度加快，當(dāng)電抗器兩端的電壓為150V時，流過電抗器的電流為90A，此時，電抗器中心位置的溫升為41℃，溫升遠(yuǎn)小于JB/T 5436規(guī)定的100℃。因此，該樣品的溫升滿足規(guī)定，可以長時間串入電路中，不會造成絕緣介質(zhì)的熱損壞。

圖8 不同電壓等級下各溫度計數(shù)據(jù)

3.3 雷電沖擊試驗（型式試驗）

如果全電壓下所記錄的電壓和電流瞬變波形與降低電壓下所記錄的相應(yīng)波形無明顯差異，則絕緣雷電沖擊試驗合格；在分析示波圖時，如果示波圖之間的差異有疑問，則應(yīng)再加三次全波電壓的沖擊波，或在該端子上重做全部沖擊試驗。雷電沖擊試驗方法按GB/T 1094.4的規(guī)定。雷電沖擊示波器數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 雷電沖擊示波器數(shù)據(jù)

由圖9可以看出，波前時間為1.43ms，峰值電壓為-86.18kV，半峰值時間為29.33ms。該電抗器的全電壓下所記錄的電壓和電流瞬變波形與降低電壓下所記錄的波形無明顯差異，因此絕緣雷電沖擊試驗合格。

3.4 最大短時電流試驗（特殊試驗）

低漏磁電抗器最大短時電流試驗本質(zhì)上是考量器件對某一電流持續(xù)時間內(nèi)所產(chǎn)生的機(jī)械和熱的損耗。圖10所示為200ms時間內(nèi)流過電抗器試品的短時電流變化波形。

圖10 試品短時電流變化波形

由圖10看出，低漏磁電抗器能承受峰值為8 400A的最大短時電流的作用，而不產(chǎn)生任何機(jī)械和熱的損傷，滿足JB/T 5346的規(guī)定。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型多單元串并聯(lián)環(huán)形低漏磁電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過進(jìn)行試品試驗驗證了各參數(shù)均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。具體結(jié)論如下：

1）1min的35kV工頻電壓作用下，電壓未突然下降，電流指示無擺動，沒有放電聲，因此滿足耐壓試驗要求。

2）當(dāng)電抗器兩端施加150V電壓，流過電抗器的電流為90A時，電抗器內(nèi)部中心位置的溫升為41℃，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100℃，因此適合長時間串入電網(wǎng)中。

3）該電抗器試品最大能承受86.18kV的雷電沖擊電壓，而不會產(chǎn)生絕緣損壞現(xiàn)象。

4）該電抗器試品能夠承受峰值為8 400A的短時電流200ms的持續(xù)作用，而不會產(chǎn)生機(jī)械和熱 損傷。

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Research on impact characteristics and temperature characteristics of low leakage magnetic reactor

XU Mingming1DONG Xuan1ZHANG Kai2ZHU Zhiqin3CHI Teng3

(1. State Grid He’nan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052; 2. State Grid He’nan Electric Power Company, Zhengzhou 450000; 3. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences (Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences), Beijing 100190)

The dry-type air-core reactor can improve the power quality of the power system and improve the current stability, but the magnetic flux leakage is large during operation, which will cause adverse effects on the surrounding environment. To solve the problem of excessive magnetic leakage of the reactor, this paper proposes a new type of multi-unit series-parallel toroidal low-leakage magnetic reactor topology. Based on the analysis of the principle, the power frequency withstand voltage test, temperature rise test, lightning impulse test and maximum short-time current test are carried out respectively. The test results show that the performance of the test product meets the requirements of relevant national standards and can be applied to the actual power grid.

low leakage magnetic reactor; temperature rise test; power frequency withstand voltage test; lightning impulse test

國網(wǎng)河南省電力公司科技項目（52170220009K）

2022-10-11

2022-12-14

徐銘銘（1985—），男，河南人，博士，高級工程師，從事智能配電網(wǎng)相關(guān)方面工作。