油浸式并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計優(yōu)化措施

宮林平

摘 要：本文以油浸式并聯(lián)電抗器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析為出發(fā)點，闡述了在并聯(lián)電抗器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可采取的優(yōu)化措施，通過研究并聯(lián)電抗器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，并在并聯(lián)電抗器的產(chǎn)品設(shè)計中加以運用，已經(jīng)有國內(nèi)外多臺并聯(lián)電抗器產(chǎn)品的成功投運。在總結(jié)了這些產(chǎn)品取得的研究成果的基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，使我公司的并聯(lián)電抗器技術(shù)性能指標(biāo)達到同行業(yè)先進水平。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)電抗器 結(jié)構(gòu)特點 優(yōu)化措施

中圖分類號：TM472 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0096-02

我公司生產(chǎn)制造電壓等級從10kV到1100kV，容量從10kvar到200Mvar的電抗器類產(chǎn)品。從國內(nèi)電抗器產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，經(jīng)過了認(rèn)真的驗證和評審，保證了后續(xù)生產(chǎn)的順利實施和產(chǎn)品試驗一次合格。通過一系列國內(nèi)電抗器項目產(chǎn)品的試驗，為我公司承接出口國外大批量電抗器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定型，打下了堅實的基礎(chǔ)。電抗器的總體結(jié)構(gòu)方案都進行了嚴(yán)格的驗證計算，同時在設(shè)計過程中嚴(yán)格考慮產(chǎn)品在運輸及運行過程中的安全可靠性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

在保證絕緣性能長期運行可靠的情況下，電抗器類產(chǎn)品的特點是振動、噪聲和局部過熱，因此我公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性主要保證振動、噪聲和局部過熱，下面將從上述幾個方面進行分析。

1.1 鐵心結(jié)構(gòu)

鐵心結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品磁路的基本保證，同時更是保證電抗器產(chǎn)品損耗、振動和噪聲指標(biāo)的關(guān)鍵，為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)過程中得到更好的管控，經(jīng)過分析并聯(lián)電抗器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，制定了以下方案及措施。

1.1.1 厚軛結(jié)構(gòu)

鐵芯結(jié)構(gòu)采用大厚度鐵軛結(jié)構(gòu)，端部沒有大餅，器身端部磁屏蔽結(jié)構(gòu)，用鐵軛厚度來屏蔽主漏磁空道。如圖1所示，圖中鐵芯餅和線圈之間的距離為主漏磁空道，多數(shù)漏磁通在這個空道中流通。當(dāng)加厚鐵軛后，鐵軛將吸引這些漏磁通，阻止漏磁通流向別處。防止由漏磁通引起的局部過熱現(xiàn)象，并大大降低了產(chǎn)品的損耗。

1.1.2 夾緊結(jié)構(gòu)

以三相五柱式的鐵心結(jié)構(gòu)為例，包括三個鐵芯柱，兩個旁軛，上軛、下軛。鐵心的旁軛和下軛由U型夾緊裝置和M16穿心螺桿夾緊，上軛由夾件裝置和穿心螺桿進行夾緊，其中上下軛、旁軛采用雙排穿心拉螺桿進行夾緊。兩旁軛上端由可拆卸下的短硅鋼片疊成，當(dāng)壓緊心柱鐵芯餅時，兩旁軛上端部斷開，使上軛僅由心柱鐵芯餅支撐，從而使壓緊力完全作用在心柱上，這種結(jié)構(gòu)也是我公司多年來的成熟結(jié)構(gòu)，在壓緊方面有豐富的成熟的經(jīng)驗，確保鐵芯餅壓緊，減小振動，降低噪聲。心柱由多個鐵芯餅和多個氣隙分隔組成，每個鐵芯餅在交變磁通作用下在兩個斷面產(chǎn)生磁極，鐵芯餅與餅在交變磁通流過時互相吸引和排斥產(chǎn)生振動，硅鋼片的磁滯伸縮也要引起鐵心的振動和噪聲，所以電抗器的鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要保證磁路飽和特性，還要保證鐵心的低振動和低噪聲。

1.1.3 鐵芯餅疊裝

鐵芯餅在專用的真空壓力澆注模具中進行真空度為13Pa以下的真空壓力澆注環(huán)氧樹脂，使鐵芯餅與氣隙大理石塊牢固地粘結(jié)成一個整體。精加工的專用澆注模具能確保鐵芯餅的制造精度，使心柱所有鐵芯餅摞迭一起后保證了彼此之間的吻合度。確保鐵心柱的壓緊，降低了電抗器振動和噪聲，增強運行的安全可靠性。同時對鐵芯餅疊裝工藝進行優(yōu)化，提高疊裝效率。

1.1.4 鐵心磁密控制

由于鐵心磁密關(guān)系到產(chǎn)品的噪聲和重量、損耗等重要性能指標(biāo)，特別是噪聲控制，經(jīng)過與其它廠家產(chǎn)品對標(biāo)后，綜合考慮將來現(xiàn)場運行的各供應(yīng)商產(chǎn)品的優(yōu)勢，鐵心及鐵軛材料采用具有高導(dǎo)磁，低損耗，低噪聲的優(yōu)質(zhì)晶粒取向冷軋硅鋼片，并在滿足性能要求的前提下，選取合適的鐵心磁密進行合理優(yōu)化設(shè)計。

1.2 器身絕緣結(jié)構(gòu)

根據(jù)多年的科研成果和已生產(chǎn)投運電抗器的設(shè)計生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，主絕緣采用薄紙板小油隙的絕緣結(jié)構(gòu)，并計算隔板的數(shù)量直接影響油隙的電氣強度差別，進行優(yōu)化選取。利用引進的計算程序精確地計算出主絕緣電場分布和各種的復(fù)合電場強度。根據(jù)等場強的原則來調(diào)整絕緣結(jié)構(gòu)，確定各部位的電極曲率，絕緣覆蓋厚度，角環(huán)的放置以及特殊部位的電場屏蔽措施，使各處場強趨于均勻，且留有相當(dāng)?shù)脑６?，使絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，保證產(chǎn)品的絕緣可靠性。在線圈端部結(jié)構(gòu)上采用成型絕緣件，保證絕緣及其尺寸的穩(wěn)定性，以及油隙的尺寸，從而保證了油隙的電氣強度。保證隔板及成型絕緣件的形狀穩(wěn)定、材料的純度，避免隔板發(fā)生沿面爬電。

為使所有的漏磁通都沿著所規(guī)定的通道流通，在上下軛的夾件上安裝磁屏蔽，在線圈對應(yīng)的油箱壁上安裝磁屏蔽，其與加厚的鐵軛形成一個全方位的漏磁通通道。完全杜絕了該漏磁通進入夾件、油箱等金屬結(jié)構(gòu)件中，消除了由漏磁通引起的局部過熱現(xiàn)象，并大大降低了損耗。

1.3 引線結(jié)構(gòu)

（1）引線首端出線結(jié)構(gòu)：以往的高電壓等級電抗器產(chǎn)品，其高壓引線一直采用出線絕緣結(jié)構(gòu)，其成本占據(jù)了一定的比例，經(jīng)過對比分析不同廠家并聯(lián)電抗器的產(chǎn)品引線結(jié)構(gòu)，確定了此項目產(chǎn)品高壓引線采用均壓球紙漿方案，大大簡化了首端出線結(jié)構(gòu)。

（2）引線出線位置：經(jīng)過對同側(cè)出線實際布局，綜合整體性能和運輸風(fēng)險，最終采用兩側(cè)出線的具體因素。同側(cè)出線，中性點套管要在油箱側(cè)壁出線，升高座部位的振動大，對中性點引線長期運行不利。

由于高壓套管的絕緣裝置設(shè)計方案是固定在本體內(nèi)運輸，這樣節(jié)省了大量的運輸筒的制作和運輸量，兩側(cè)出線避免了同側(cè)出線運輸過程中，出線絕緣一旦松動撞擊損壞的風(fēng)險。

兩側(cè)出線要加平衡繞組，其重量是很少的，實際上平衡繞組不僅是為了避免穿窗造成的損耗、噪聲差異，同時對兩旁軛在疊片時造成的工藝偏差也有平衡作用。特別是國外用戶要求的油箱結(jié)構(gòu)與國內(nèi)產(chǎn)品要求的視察窗和人孔布局有特殊之處，為確保油箱整體振動性能，中性點出線在另側(cè)想蓋上是非常合理的。

1.4 主、縱絕緣結(jié)構(gòu)

繞組線圈結(jié)構(gòu)采用糾結(jié)、內(nèi)屏、連續(xù)式、中部出線，各段中的匝數(shù)盡可能采用接近等匝分布，減少內(nèi)、外墊，提高導(dǎo)線的填充率。

根據(jù)雷電沖擊梯度電壓分布及雷電沖擊爬電梯度分布計算及電場強度計算結(jié)果定線圈的絕緣結(jié)構(gòu)，充分保證線圈的抗沖擊能力和耐電能力，線圈匝間工作場強控制在2kV/mm以下。

線段采用優(yōu)質(zhì)的大寬度組合銅導(dǎo)線，以增大高壓線端的線匝間電容量，有效的改善線圈的沖擊電位和梯度的分布。末端采用小厚度的優(yōu)質(zhì)銅扁線制成的換位導(dǎo)線，以降低漏磁通引起的渦流損耗，避免過熱。

線圈設(shè)置橫向油道和軸向油道，確保線匝的散熱降低線圈溫升，避免過熱，由于出口項目產(chǎn)品的溫升要求較低，將線圈的軸向油道進行了調(diào)整，將“之“字型的油路改為上下對齊的層間油道。

在國外重點項目方案確定時，為確保產(chǎn)品絕緣長期運行的可靠性，在國內(nèi)電抗器產(chǎn)品的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，同時考慮到套管周圍絕緣安裝和運輸?shù)姆奖?，套管中心到繞組和箱壁的距離充分考慮了電抗器能承受1.05～1.5倍額定電壓反復(fù)工頻過電壓無故障的要求和工頻耐受電壓試驗要求，套管中心到繞組的距離比以往大大縮短，并且到箱壁的距離不變，調(diào)整后能夠保證此引線結(jié)構(gòu)是安全可靠的，同時也節(jié)省變壓器油，降低成本。

1.5 油箱結(jié)構(gòu)

關(guān)于油箱結(jié)構(gòu)的確定，除了要保證正壓和真空強度要求外，主要考慮產(chǎn)品的振動，噪聲的傳遞控制，通過我公司多年來的油箱制造經(jīng)驗以及與其它廠家結(jié)構(gòu)的振動噪聲指標(biāo)對比后，采用了筒式油箱結(jié)構(gòu)，采用槽形折板加強鐵加強油箱，此結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）由于筒式油箱的箱底是一塊鐵板，在產(chǎn)品實際安裝，運行時能與平面基礎(chǔ)有效接觸，利用基礎(chǔ)具有吸噪聲作用來減少現(xiàn)場噪聲；

（2）筒式油箱的布局是以器身中心對稱的，電抗器產(chǎn)品采用對稱布置，對振動、噪聲的傳遞起到均衡作用；

（3）根據(jù)磁通分布，油箱內(nèi)部只在低壓側(cè)放置磁屏蔽，保證了油箱無局部過熱；

（4）油箱槽形加強鐵中加裝阻尼物質(zhì)，可降低產(chǎn)品振動及噪聲。

2 其他改進措施

2.1 整體外觀結(jié)構(gòu)改進措施

將并聯(lián)電抗器上所有的儀表全部從本體上移入端子箱中，便于現(xiàn)場維護人員的觀察和安裝，同時也避免了由于并聯(lián)電抗器振動引起的儀表誤動作。

2.2 降低本體振動和噪聲措施

改進鐵心夾緊力及穿心螺桿扭矩，改進線圈壓緊力，采用常溫固化的Arldit 2014 疊裝粘合鐵芯餅，檢查餅間粘接牢固后裝配線圈。

2.3 器身固定及壓緊力改進措施

針對國內(nèi)項目現(xiàn)場安裝過程曾出現(xiàn)過的旁軛拉桿松動，壓釘松動，磁屏蔽扇形墊塊開裂，壓板墊塊松動等現(xiàn)象，在后續(xù)項目產(chǎn)品上都采取了螺桿鉚點，墊塊螺桿拔樁固定等措施，并對產(chǎn)品在持續(xù)振動狀態(tài)下可能引起的螺栓、螺桿、接地緊固件松動等進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計加強措施。

3 結(jié)語

通過開發(fā)研制高電壓等級并聯(lián)電抗器，進一步掌握了超高壓并聯(lián)電抗器的核心技術(shù)，以建設(shè)的國內(nèi)工程為依托，研制具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的，技術(shù)先進的并聯(lián)電抗器，滿足電力事業(yè)的發(fā)展需求，在保證絕緣性能和長期運行可靠性的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品的振動和噪聲指標(biāo)達到國際領(lǐng)先水平，使之既滿足實際工程產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)要求，又做到經(jīng)濟、合理。

參考文獻

[1] 路長柏.電抗器理論與計算[M].沈陽：沈陽出版社，2009.

[2] 崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1995.

[3] 謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.