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，其補償容量可以連續調節，從而實現無功的就地平衡、降低網損。但是損耗和溫升限制了其優勢的發揮。文章對其損耗和溫升進行了全面分析，為其結構優化提供了思路和方法。

關鍵詞：MCR；損耗；溫升；磁場

引言

磁控電抗器簡稱MCR（Magnetic Control Reactor），它是一種容量可調的并聯電抗器，基于MCR的磁控式靜止無功補償器主要用于電力系統的動態無功補償。它利用鐵磁材料的磁飽和特性，通過控制繞組上直流激勵源的激磁作用來改變鐵芯的磁飽和度，進而實現電抗器輸出無功功率的連續平滑調節。隨著電力系統的發展，電壓等級不斷提高，對無功的需求也越來越苛刻[1][2]。MCR以其顯著的優勢，非常適合應用在高壓系統的無功補償中。為突破其損耗和溫升的限制，進一步擴大其應用范圍，需要更合理的設計其結構。但在實際當中，設計周期長、費用大，這無疑增加了應用成本。為彌補以上不足，文章利用有限元分析軟件ANSYS對MCR進行了合理建模，對損耗和溫升問題進行了研究。

1 MCR分析

1.1 磁場分析

損耗包括鐵損、銅損和雜散損耗。在這些運行損耗中，除繞組的電阻損耗外，其余損耗都是由磁通產生的。而損耗的計算是溫度場分析的基礎[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。

為更準確全面的分析MCR，在ANSYS中采用了3D模型，求解方式為瞬態求解法。根據后處理模塊得到的磁路分布圖可以看出，當只有直流激磁電流時，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，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，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。磁感應強度在中間鐵芯處的值較小，為0.472T。這是因為中間鐵芯沒有繞組，僅作為磁路的通道。而在兩邊鐵芯的磁閥處，磁感應強度達到了最大值2.231T，這個時候磁閥已經接近磁飽和。

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算功能，通過輸入相應的參數，得到的渦流損耗為15.76W。由于軟件功能的限制，無法顯示其各個節點損耗值的分布，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。因此可利用這個比例算得，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損耗的理論值占總容量的1%至2%左右，因此這個值可以認為是合理的，可以為設計新結構的MCR以減小損耗提供對比數據。

1.3 溫升分析

溫升主要是由MCR運行中所產生的損耗引起的[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）遠離繞組的空氣溫度恒定，相對壓強為零；（2）認為空氣為理想氣體，其參數不隨溫度和壓強而變化；（3）忽略匝間絕緣、墊塊、夾件。鐵芯溫升數學表達式為：

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

在溫度場分析前，讀入磁分析結果庫中的數據，作為載荷施加在實體模型上。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，其分布規律和趨勢基本一致，這是由于磁滯損耗與磁場強度成正比，渦流損耗與磁通密度成正比，溫度又與損耗成正比。因此在磁飽和區域，溫度較高。其余未飽和區域，溫度較低。

2 結束語

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，屬于運行薄弱環節。因此在運行中應加強此處的檢測和管理。在結構優化設計中，應該著重改進此處的結構，降低此處磁場強度。

文章所建立的三維模型，可以為MCR的結構優化設計提供建模方法和理論依據。同時也能縮短設計周期，降低設計成本，為提高產品質量和經濟效益有積極意義。

參考文獻

[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無功補償裝置[J].高電壓技術，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特性分析中的應用[J].電網技術，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：沈陽工業大學，2012.

[4]Jansak L，Zizek F，Jelinek Z，et al.Loss analysis of a model transformer winding[J].IEEE Transactions on Applied Super Conductivity，2003，13（2）：2352-2355.

[5]Rahimpor E，Azizian D.Analysis of temperature distribution in cast-resin dry-type transformers[J].Electrical Engineering，2007，89（4）：301-309.