干式空心電抗器結構件發熱研究

陳海龍 王宇威 劉曉春

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

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

由于干式空心電抗器的磁路部分只有空氣，交變電流通過線圈，在線圈周圍空氣中會產生磁通量，交變電流越大，頻率越高，產生的磁通量越大，磁場強度越強，由于沒有鐵心提供磁路，進入空氣的磁通量在線圈周圍的金屬結構件中會產生渦流損耗，使結構件發熱。在磁路中的所有結構件均會產生渦流損耗，從而發熱，本文主要研究受線圈磁場影響最嚴重的匯流排的溫升的影響因素。

1 干式空心電抗器磁場理論計算分析

當線圈中通過交流電流時，在線圈端部就會產生交變的磁場，處于交變磁場中的金屬件會產生渦流現象，渦流本質上就是電流，閉合回路中的電流將會產生焦耳熱。設閉合回路中的總電動勢為e，總阻抗為R,則該回路在時間dt內因渦流損耗放出的焦耳熱為dQ=I2Rdt=（e/R）2Rdt=（e2/R）dt。設閉合回路磁通量為?，則感應電動勢e=-d?/dt。設閉合回路中磁感應強度為B，回路面積為S，則?=BS。設通過金屬件的交變電流為I，設匯流排的磁導率為μ0，匯流排與線圈端部的距離為r，設匯流排處的磁場強度為H，則由畢奧-薩伐爾定律可得，匯流排處的磁感應強度。[1]

結構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。

結構件的溫升T=P/S，其中P為結構件損耗，S為結構件的散熱面積。

通過以上分析可知匯流排的溫升與通電導體距匯流排的距離、匯流排的電阻率、匯流排的磁導率以及感應磁通通過的有效截面有關[2]。

1.線圈與金屬件的距離越大，磁感應強度越小，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.金屬件的磁導率越大，磁感應強度越大，渦流損耗越大，金屬件的溫升越高。

4.感應磁場通過的有效截面越小，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ANSYS公司的大型電磁場仿真軟件包Maxwell對電抗器開展三維建模仿真計算。

采用此種方法可計算出線圈的渦流損耗以及匯流排的磁場分布情況，并經進一步計算，求得電抗器匯流排總損耗。將計算的匯流排中的總損耗作為溫度場計算的勵磁加載到溫度場中進行計算，可得到匯流排的熱點溫升[3]。

3 磁場下結構件的溫升研究

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

圖1 距線圈100mm處徑向磁感應強度

圖2 距線圈100mm處軸向磁感應強度

圖3 距線圈200mm處徑向磁感應強度

圖4 距線圈200mm處軸向磁感應強度

圖5 距線圈300mm處徑向磁感應強度

圖6 距線圈300mm處軸向磁感應強度

3.1 影響因素的確定

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

2.距離影響：集電環外直徑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，集電環直徑分別為100mm，200mm，300mm。

3.2 厚度對匯流排的溫升影響

設定線圈距離匯流排200mm，集電環外直徑200 mm，通過改變匯流排厚度，計算匯流排的溫升，厚度分別為10mm，15mm，20mm。

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

表1 不同位置磁感應強度對比表

3.3 匯流排與線圈距離對匯流排溫升的影響

設定集電環外直徑200mm，匯流排厚度15mm的情況下，通過改變匯流排與線圈距離，計算匯流排的溫升，距離分別為100mm，200mm，300mm。

由以上計算結果可以發現，距離線圈100mm時，匯流排熱點溫升為120.8K，距離線圈200mm時，匯流排熱點溫升為70.5K，距離線圈300mm時，匯流排熱點溫升為47K，可見，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 集電環直徑對匯流排溫升影響

設定匯流排距離線圈200mm，匯流排厚度15mm的情況下，通過改變集電環外直徑，計算匯流排的溫升，集電環外直徑分別為100mm，200mm，300mm。

由以上計算結果可以發現，集電環直徑100mm時，熱點溫升為73K，集電環直徑為200mm時，熱點溫升為70.5K，集電環直徑為300mm時，熱點溫升為68.8K，可見，集電環直徑越大，熱點溫升越低，但變化不大，說明，集電環直徑對熱點溫升影響很小。

3.5 通過仿真計算，分析線圈端部磁感應強度

下面通過仿真計算進一步分析在線圈端部不同位置的磁感應強度如何變化。

由以上圖表可以發現，磁感應強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，說明在距離線圈端部300mm以內，磁感應強度主要以軸向分量為主，距離的改變主要改變的是磁感應強度的軸向分量。距線圈端部距離一致時，在距線圈中心100mm至300mm之間的范圍內，磁感應強度的徑向分量變化明顯，軸向分量變化不明顯，但此范圍內，磁感應強度主要以軸向分量為主，所以，在此范圍內，隨距線圈中心距離的變化，總的磁感應強度變化不大。

4 結論

本文介紹了交流干式電抗器匯流排的熱點溫升的影響因素，通過仿真計算分析，可以得到如下結論：

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合產品電流大小，合理設計。

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在集電環上，集電環的直徑大小是集電環的溫升的影響因素，通過以上分析，集電環直徑在100mm到300mm以內變化，集電環的溫升變化不會很明顯，當直徑超過400mm后，集電環的溫升會有較大變化，如果從加大集電環直徑的角度降低溫升，需要將集電環直徑增加至足夠大，才會有明顯效果。