新型磁控電抗器的損耗溫升分析

許暉　尹忠東

摘 要：磁控電抗器（MCR）作為一種新型的可控電抗器，其補(bǔ)償容量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡、降低網(wǎng)損。但是損耗和溫升限制了其優(yōu)勢的發(fā)揮。文章對其損耗和溫升進(jìn)行了全面分析，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了思路和方法。

關(guān)鍵詞：MCR；損耗；溫升；磁場

引言

磁控電抗器簡稱MCR（Magnetic Control Reactor），它是一種容量可調(diào)的并聯(lián)電抗器，基于MCR的磁控式靜止無功補(bǔ)償器主要用于電力系統(tǒng)的動態(tài)無功補(bǔ)償。它利用鐵磁材料的磁飽和特性，通過控制繞組上直流激勵(lì)源的激磁作用來改變鐵芯的磁飽和度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電抗器輸出無功功率的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓等級不斷提高，對無功的需求也越來越苛刻[1][2]。MCR以其顯著的優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用在高壓系統(tǒng)的無功補(bǔ)償中。為突破其損耗和溫升的限制，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，需要更合理的設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際當(dāng)中，設(shè)計(jì)周期長、費(fèi)用大，這無疑增加了應(yīng)用成本。為彌補(bǔ)以上不足，文章利用有限元分析軟件ANSYS對MCR進(jìn)行了合理建模，對損耗和溫升問題進(jìn)行了研究。

1 MCR分析

1.1 磁場分析

損耗包括鐵損、銅損和雜散損耗。在這些運(yùn)行損耗中，除繞組的電阻損耗外，其余損耗都是由磁通產(chǎn)生的。而損耗的計(jì)算是溫度場分析的基礎(chǔ)[3]，因此首先需要分析MCR的磁路分布。這里選用的分析對象是單相干式MCR，電壓等級為380V，額定電流IN=13A。

為更準(zhǔn)確全面的分析MCR，在ANSYS中采用了3D模型，求解方式為瞬態(tài)求解法。根據(jù)后處理模塊得到的磁路分布圖可以看出，當(dāng)只有直流激磁電流時(shí)，左右鐵心柱的電流方向相反。因此中間磁軛的磁通相互抵消，磁通基本只分布在左右兩邊的鐵心柱上。交流電流處于正向峰值時(shí)，左邊鐵心柱中的交流和直流方向一致，有助磁作用，右邊鐵心柱中的交流和直流方向相反，有消磁作用。所以左邊磁路飽和，右邊不飽和，中間鐵軛有磁通。交流電流處于反向峰值時(shí)，左邊鐵心柱中的交流和直流方向相反，有消磁作用，右邊鐵心柱中的交流和直流方向一致，有助磁作用。所以左邊磁路不飽和，右邊飽和，中間鐵軛有磁通。磁感應(yīng)強(qiáng)度在中間鐵芯處的值較小，為0.472T。這是因?yàn)橹虚g鐵芯沒有繞組，僅作為磁路的通道。而在兩邊鐵芯的磁閥處，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了最大值2.231T，這個(gè)時(shí)候磁閥已經(jīng)接近磁飽和。

1.2 損耗分析

MCR的損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成。在工頻條件下，取向和非取向的低碳硅鋼片中磁滯損耗和渦流損耗的大小基本一致。在低頻下，工程計(jì)算一般采用（1）式：

由式（1）可知，在得出了磁通密度的情況下，就能算出損耗值。這里，用ANSYS軟件的單元表和自動計(jì)算功能，通過輸入相應(yīng)的參數(shù)，得到的渦流損耗為15.76W。由于軟件功能的限制，無法顯示其各個(gè)節(jié)點(diǎn)損耗值的分布，只能得出總體損耗，但這并不影響對損耗的分析和理解。由于渦流損耗與磁通密度B成正比，因此我們可以通過磁通密度分布圖間接的定性分析損耗的分布，整體的定量分析就可以交給軟件自動計(jì)算。對于厚度為0.35mm的硅鋼片制造的MCR來說，渦流損耗約占磁滯損耗的43%。在額定電壓下，鐵耗和銅耗的值相當(dāng)。因此可利用這個(gè)比例算得，此MCR的總損耗為：

此MCR的容量為3000VAR，可知此損耗占容量的百分比為1.9%。MCR損耗的理論值占總?cè)萘康?%至2%左右，因此這個(gè)值可以認(rèn)為是合理的，可以為設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的MCR以減小損耗提供對比數(shù)據(jù)。

1.3 溫升分析

溫升主要是由MCR運(yùn)行中所產(chǎn)生的損耗引起的[4][5]。這里把磁場中求得的損耗焦耳熱作為生熱源，并通過ANSYS耦合模塊加載到溫度場分析中。在不影響精度的情況下，做出了以下簡化：（1）遠(yuǎn)離繞組的空氣溫度恒定，相對壓強(qiáng)為零；（2）認(rèn)為空氣為理想氣體，其參數(shù)不隨溫度和壓強(qiáng)而變化；（3）忽略匝間絕緣、墊塊、夾件。鐵芯溫升數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Tc為鐵芯溫升；qc為鐵芯的有效表面負(fù)荷；Pc為鐵芯損耗；Sc為鐵芯有效散熱面積。

在溫度場分析前，讀入磁分析結(jié)果庫中的數(shù)據(jù)，作為載荷施加在實(shí)體模型上。通過耦合場求得的溫度分布圖中可知：鐵芯的溫度分布并不均勻，從低端到頂端的總體溫度呈又高到低，又由低到高的馬鞍形分布。通過溫度和磁場的路徑分布圖可以看出，其分布規(guī)律和趨勢基本一致，這是由于磁滯損耗與磁場強(qiáng)度成正比，渦流損耗與磁通密度成正比，溫度又與損耗成正比。因此在磁飽和區(qū)域，溫度較高。其余未飽和區(qū)域，溫度較低。

2 結(jié)束語

從以上分析可知，磁飽和的位置為磁閥處。此處的損耗的溫升都為最高值，屬于運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)。因此在運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)此處的檢測和管理。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該著重改進(jìn)此處的結(jié)構(gòu)，降低此處磁場強(qiáng)度。

文章所建立的三維模型，可以為MCR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建模方法和理論依據(jù)。同時(shí)也能縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益有積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1]余夢澤，陳柏超，田翠華，等.采用磁控電抗器的靜止型高壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置[J].高電壓技術(shù)，2009，35（7）：1770-1775.

[2]甘艷，阮江軍，陳允平.一維有限元與三維有限元偶合法在接地網(wǎng)特性分析中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（9）：62-66.

[3]代忠濱.干式空心電抗器損耗及溫度場研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

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