干式空心電抗器結(jié)構(gòu)件發(fā)熱研究

陳海龍 王宇威 劉曉春

（1.特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144； 2.特變電工智慧能源有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

干式空心電抗器由多層線圈并聯(lián)，每層線圈為一個(gè)包封，每層線圈的端部引線焊接在鋁合金匯流排上，通過(guò)匯流排引出與系統(tǒng)中其他設(shè)備連接。

由于干式空心電抗器的磁路部分只有空氣，交變電流通過(guò)線圈，在線圈周?chē)諝庵袝?huì)產(chǎn)生磁通量，交變電流越大，頻率越高，產(chǎn)生的磁通量越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，由于沒(méi)有鐵心提供磁路，進(jìn)入空氣的磁通量在線圈周?chē)慕饘俳Y(jié)構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，使結(jié)構(gòu)件發(fā)熱。在磁路中的所有結(jié)構(gòu)件均會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，從而發(fā)熱，本文主要研究受線圈磁場(chǎng)影響最嚴(yán)重的匯流排的溫升的影響因素。

1 干式空心電抗器磁場(chǎng)理論計(jì)算分析

當(dāng)線圈中通過(guò)交流電流時(shí)，在線圈端部就會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，處于交變磁場(chǎng)中的金屬件會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，渦流本質(zhì)上就是電流，閉合回路中的電流將會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。設(shè)閉合回路中的總電動(dòng)勢(shì)為e，總阻抗為R,則該回路在時(shí)間dt內(nèi)因渦流損耗放出的焦耳熱為dQ=I2Rdt=（e/R）2Rdt=（e2/R）dt。設(shè)閉合回路磁通量為?，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=-d?/dt。設(shè)閉合回路中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，回路面積為S，則?=BS。設(shè)通過(guò)金屬件的交變電流為I，設(shè)匯流排的磁導(dǎo)率為μ0，匯流排與線圈端部的距離為r，設(shè)匯流排處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則由畢奧-薩伐爾定律可得，匯流排處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。[1]

結(jié)構(gòu)件的總損耗為渦流損耗與電阻耗之和，一般情況下，鋁合金匯流排的電阻耗約為渦流損耗的十分之一。

結(jié)構(gòu)件的溫升T=P/S，其中P為結(jié)構(gòu)件損耗，S為結(jié)構(gòu)件的散熱面積。

通過(guò)以上分析可知匯流排的溫升與通電導(dǎo)體距匯流排的距離、匯流排的電阻率、匯流排的磁導(dǎo)率以及感應(yīng)磁通通過(guò)的有效截面有關(guān)[2]。

1.線圈與金屬件的距離越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，渦流損耗越小，金屬件的溫升越低。

2.金屬件的電阻率越大，渦流損耗越小，金屬件的溫升越低。

3.金屬件的磁導(dǎo)率越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，渦流損耗越大，金屬件的溫升越高。

4.感應(yīng)磁場(chǎng)通過(guò)的有效截面越小，磁通量越小，渦流損耗越小，金屬件的溫升越低。

2 建立有限元分析模型

為了研究電抗器的漏磁分布，我們利用美國(guó)ANSYS公司的大型電磁場(chǎng)仿真軟件包Maxwell對(duì)電抗器開(kāi)展三維建模仿真計(jì)算。

采用此種方法可計(jì)算出線圈的渦流損耗以及匯流排的磁場(chǎng)分布情況，并經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算，求得電抗器匯流排總損耗。將計(jì)算的匯流排中的總損耗作為溫度場(chǎng)計(jì)算的勵(lì)磁加載到溫度場(chǎng)中進(jìn)行計(jì)算，可得到匯流排的熱點(diǎn)溫升[3]。

3 磁場(chǎng)下結(jié)構(gòu)件的溫升研究

經(jīng)過(guò)前面的分析，匯流排的材料一般都選用導(dǎo)電性能良好的鋁合金材料，匯流排的電阻率、磁導(dǎo)率為材料固有屬性，這里不對(duì)電阻率及磁導(dǎo)率進(jìn)行研究。匯流排包括匯流臂和集電環(huán)，兩者通過(guò)焊接連成一個(gè)整體即匯流排。本文主要研究線圈與匯流排的距離，匯流臂厚度及集電環(huán)直徑對(duì)匯流排溫升的影響。

圖1 距線圈100mm處徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖2 距線圈100mm處軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖3 距線圈200mm處徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖4 距線圈200mm處軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖5 距線圈300mm處徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6 距線圈300mm處軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度

3.1 影響因素的確定

1.厚度影響：線圈距離匯流排200mm，集電環(huán)外直徑200mm，匯流排厚度分別為10mm，15mm，20mm。

2.距離影響：集電環(huán)外直徑200mm，匯流排厚度15mm，線圈與匯流排的分別為100mm，200mm，300mm。

3.直徑影響：線圈距離匯流排200mm，匯流排厚度15mm，集電環(huán)直徑分別為100mm，200mm，300mm。

3.2 厚度對(duì)匯流排的溫升影響

設(shè)定線圈距離匯流排200mm，集電環(huán)外直徑200 mm，通過(guò)改變匯流排厚度，計(jì)算匯流排的溫升，厚度分別為10mm，15mm，20mm。

匯流排厚度為10mm時(shí)，匯流排的熱點(diǎn)溫升僅40K；匯流排的厚度為15mm時(shí)，匯流排的熱點(diǎn)溫升約70K；匯流排的厚度為20mm時(shí)，匯流排的厚度可達(dá)97K。當(dāng)匯流排與線圈距離和匯流排集電環(huán)直徑相同的情況下，匯流排的厚度越厚，匯流排溫升越高。

表1 不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比表

3.3 匯流排與線圈距離對(duì)匯流排溫升的影響

設(shè)定集電環(huán)外直徑200mm，匯流排厚度15mm的情況下，通過(guò)改變匯流排與線圈距離，計(jì)算匯流排的溫升，距離分別為100mm，200mm，300mm。

由以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，距離線圈100mm時(shí)，匯流排熱點(diǎn)溫升為120.8K，距離線圈200mm時(shí)，匯流排熱點(diǎn)溫升為70.5K，距離線圈300mm時(shí)，匯流排熱點(diǎn)溫升為47K，可見(jiàn)，匯流排與線圈的距離越大，匯流排溫升越低，而且隨距離變化明顯。

3.4 集電環(huán)直徑對(duì)匯流排溫升影響

設(shè)定匯流排距離線圈200mm，匯流排厚度15mm的情況下，通過(guò)改變集電環(huán)外直徑，計(jì)算匯流排的溫升，集電環(huán)外直徑分別為100mm，200mm，300mm。

由以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，集電環(huán)直徑100mm時(shí)，熱點(diǎn)溫升為73K，集電環(huán)直徑為200mm時(shí)，熱點(diǎn)溫升為70.5K，集電環(huán)直徑為300mm時(shí)，熱點(diǎn)溫升為68.8K，可見(jiàn)，集電環(huán)直徑越大，熱點(diǎn)溫升越低，但變化不大，說(shuō)明，集電環(huán)直徑對(duì)熱點(diǎn)溫升影響很小。

3.5 通過(guò)仿真計(jì)算，分析線圈端部磁感應(yīng)強(qiáng)度

下面通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)一步分析在線圈端部不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度如何變化。

由以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量隨距線圈端部距離的變化明顯，徑向分量變化不明顯，且軸向分量約為徑向分量的20.5倍至23倍之間，說(shuō)明在距離線圈端部300mm以內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要以軸向分量為主，距離的改變主要改變的是磁感應(yīng)強(qiáng)度的軸向分量。距線圈端部距離一致時(shí)，在距線圈中心100mm至300mm之間的范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的徑向分量變化明顯，軸向分量變化不明顯，但此范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要以軸向分量為主，所以，在此范圍內(nèi)，隨距線圈中心距離的變化，總的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不大。

4 結(jié)論

本文介紹了交流干式電抗器匯流排的熱點(diǎn)溫升的影響因素，通過(guò)仿真計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1.干式空心電抗器匯流排的厚度是匯流排溫升的最大影響因素，匯流排越厚，匯流排的溫升越高。匯流排的厚度需要結(jié)合產(chǎn)品電流大小，合理設(shè)計(jì)。

2.干式空心電抗器匯流排與線圈的距離也是影響匯流排溫升的關(guān)鍵因素，匯流排與線圈距離越大，匯流排溫升越低。加大匯流排與線圈距離的方式就是加高線圈端封。

3.干式空心電抗器匯流排的最熱點(diǎn)在集電環(huán)上，集電環(huán)的直徑大小是集電環(huán)的溫升的影響因素，通過(guò)以上分析，集電環(huán)直徑在100mm到300mm以內(nèi)變化，集電環(huán)的溫升變化不會(huì)很明顯，當(dāng)直徑超過(guò)400mm后，集電環(huán)的溫升會(huì)有較大變化，如果從加大集電環(huán)直徑的角度降低溫升，需要將集電環(huán)直徑增加至足夠大，才會(huì)有明顯效果。