疊積式油浸鐵芯串聯電抗器電抗值偏差及控制措施探討

張燕華　顏紅岳　王小娟　沈鈺偉

摘? 要：文章重點闡述了鐵芯電抗器中氣隙的重要性及電抗值在設計及制造過程中的注意事項，通過參數的經驗設計、部件加工的偏差控制、試驗的預期調試等方法最終達到電抗值偏差控制的效果。

關健詞：鐵芯電抗器;電抗值;偏差;磁阻

中圖分類號：TM47? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）07-0129-03

Abstract： This paper focuses on the importance of the air gap in the iron core reactor and the matters needing attention in the design and manufacture of the reactance value. The effect of reactance deviation control is finally achieved by means of empirical design of parameters， deviation control of component processing， expected debugging of test and so on.

Keywords： iron core reactor; reactance value; deviation; magnetoresistance

前言

電抗器又被稱作電感器，是一種動態能量存儲元件，當電路工作于不同的模式下，電抗器不僅起到存儲電能的作用，同時也可釋放所存儲的電能。當電抗器與電容器串聯時，起到限制合閘涌流及抑制諧波的作用。為了限制合閘涌流，一般配置電抗率1%的串聯電抗器。但當系統中含有高次諧波，就要配置不同電抗率的電抗器，電網背景諧波為五次及以上時，這時一般配置電抗率為5%的電抗器，電網背景諧波為三次及以上時，這時一般配置電抗率為12%的電抗器，這樣不僅可以限制合閘涌流同時還可以抑制諧波。

電抗值選定在無功補償裝置中起到至關重要的作用。尤其對于串聯電抗器來說，電抗值一旦偏離范圍，就有可能造成諧振，后果極其嚴重。電抗率為5%的電抗器，用以抑制5次諧波，它的諧振頻率為223Hz，離5次諧波頻率250Hz較近。而電抗率為12%的電抗器，用以抑制3次諧波，它的諧振頻率為144.5Hz，離3次諧波頻率150Hz則更近。這時電抗值的偏差控制在電抗器設計值中更是重中之重。對于鐵芯電抗器來說，受到磁性材料本身特性的影響，電抗值會隨著磁導率變化而變化，此時需要引入氣隙，本文先從鐵芯電抗器引入氣隙的意義論述，再介紹35kV及以下疊積式油浸鐵芯串聯電抗器是如何在設計及制造過程中保障電抗值達到預期要求的。

1 鐵芯電抗器引入氣隙的意義

磁阻與材料的相對磁導率相關。應用于磁性材料中的磁場強度是非線性的。無氣隙時，磁通被限制在磁心內部，一個具有足夠多匝數的小電流線圈就很容易使磁心飽和。有氣隙時，由于氣隙的磁阻遠大于磁心磁阻，此時氣隙中的磁場強度比磁心內部的磁場強度大的多，同時能量大部分被存儲在氣隙中。因而提高了系統的儲能能力，這時將需要更大的電流才能使磁心飽和。

我們知道，在磁學中磁導率μ代表材料導通磁通的能力，是磁通密度B對磁場強度H的比值，即μ=B/H。在給定磁感應強度的情況下，磁導率體現的是磁性材料能夠被磁化到這個磁感應強度難易程度。一方面，具有高磁導率的磁性材料對溫度、壓力、勵磁電壓和頻率都很敏感;另一方面，電感的變化與磁導率的變化成正比，同時電感的變化將對勵磁電流有影響。因而電抗器應該有一個穩定的磁導率即等效磁導率μeff。把氣隙引入磁路中，將獲得減小并且穩定的等效磁導率。

假定氣隙長度為g，分布的整個磁心的長度為Lc，那么磁心的等效磁導率將由μr（相對磁導率）減小到等效磁導率μeff。當相對磁導率μr>>1時μeff≈Lc/g。由于氣隙的引入，使得等效磁導率大大降低，這樣最大磁通密度Bm可以達到飽和磁通密度Bs。由于氣隙存在，隨其面積的增加，帶氣隙磁心所存儲的能量也隨之增加，大多數磁性材料特性隨著溫度、磁通量大小、樣式、廠家不同而不同。氣隙可以減少整體電感對這些參數的依賴，使電感值可計算性增加。氣隙滿足μeff<<μr，則與磁飽和、磁滯、矯頑力相關的問題都被弱化?？偨Y帶氣隙磁心優點：（1）磁飽和情況發生于更大的電流值出現時刻;（2）基于現有的電感量，能夠存儲更多的能量;（3）電抗值受不同磁心特性的影響變小。

當包含固定氣隙的電抗器正常工作時，磁心中的磁感應強度小于飽和值，此時電抗值是恒定的，并且該電感值由氣隙的長度直接決定。通常設計的鐵芯電抗器氣隙采用分布式結構。這樣做的優點有：（1）單個氣隙減小，具有更小的邊緣磁通量;（2）電磁干擾影響將會下降;（3）邊緣效應的線圈損耗將會減少;（4）當達到飽和（μeff≈μr），磁心磁導率μ下降，導致電感值降低。由于氣隙是離散的，這樣影響會降低。因為與磁心初始磁導率相比，磁心固有磁導率會更高一些。

2 鐵芯電抗器額定電抗計算及氣隙分布

2.1 電抗值計算

當鐵芯電抗器的線圈中通以交流電流時，它就產生兩部分磁通。一部分是主磁通φm，它沿鐵芯磁路（腳部鐵芯、氣隙、軛鐵）閉合，與全部線匝相交鏈;另一部分是漏磁通φσ，它主要沿空氣（或者油）閉合。主磁通所對應的電抗稱為主電抗Xm，而漏磁通所對應的電抗稱為漏電抗。

鐵芯電抗器的電抗XK為主電抗和漏電抗之和XK=Xm+Xσ。

根據電抗計算公式可以得出：當頻率f、圈數W、鐵芯截面積Aδ確定后，能對電抗值進行調整的部分只有氣隙長度δ。可見，氣隙長度成為電抗值精確度的關鍵。

按照電抗器設計程序分別計算出鐵芯截面積、線圈圈數、鐵芯氣隙總長δ∑等參數?？紤]電抗偏差范圍在（LA%～LB%），設計時電抗的目標偏差值按照（LB%-LA%）/2偏差計算。因此，實際間隙總長。

2.2 鐵芯柱中各個氣隙分布原則

根據氣隙中的磁阻可以看出，氣隙長度越大，磁阻越大，磁場儲能越大。此時邊緣磁通也會增大。邊緣磁通將依氣隙的長度向遠離氣隙的方向擴散。如果勵磁導線在磁心上并且包裹著氣隙，圍繞著勵磁導線產生的磁通將迫使邊緣磁通回到磁心中。因此，氣隙要求分布在有勵磁導線的部分。由于鐵芯柱中部磁力線較集中，而頭尾靠近軛部位置則開始發散，因此，每柱氣隙長度分布以芯柱中間厚，兩邊薄為原則。由于氣隙附近的邊緣效應，使鐵芯中向外擴散的磁通一部分在進入相鄰的鐵芯餅疊片時，與硅鋼片平面垂直，這樣會引起很大的渦流損耗，可能形成嚴重的局部過熱，所以鐵芯塊高度一般要求盡量低。單個氣隙長度要小。

3 為保證電抗值，對氣隙及鐵芯組裝的工藝要求

3.1 氣隙板厚度偏差要求

在鐵芯組裝前，將每相氣隙板按照圖紙要求全部疊裝放置在同一水平面上，并用C型夾固定，測量每相氣隙板總厚度，控制總厚度偏差在工藝規定偏差之內，調整完畢后記錄三相氣隙板總厚度及調整氣隙板的厚度并標識，以便組裝時不會混淆。

3.2 鐵芯加工及疊裝要求

鐵芯的不平整會增加氣隙，導致實際電抗值比設計電抗值偏大。因此，硅鋼片的加工尺寸要滿足圖紙要求，尺寸公差要滿足工藝要求;鐵芯的疊裝需要在平整度極高的平臺上完成，以保證鐵芯塊表面的平整度。

3.3 鐵芯柱總長

為保證三相電抗值平衡，需要控制三相鐵芯總長度偏差。工藝：在鐵芯組裝完成后，通過雙頭螺栓將上鐵芯與下鐵芯組裝并預加扭力后，測量三相鐵芯柱的總長。控制三相鐵芯柱總長在規定偏差內。

3.4 鐵芯壓緊扭力要求

鐵芯與線圈的緊固方式通過雙頭螺栓來實現。線圈與鐵芯組裝后，逐步對稱施加扭力，以保證鐵芯受力的均勻性。

4 電抗值初步試驗

4.1 初步測定電抗值試驗（即產品裝箱前）偏差范圍指定

為確保成品電抗值在標準偏差范圍內，對42臺初步測定電抗值與成品狀態電抗值偏差進行比較，試驗和分析數據見表1和表2，分布圖見圖1和圖2。

從圖1、圖2可知，△X（成品電抗值-初步測定電抗值偏差）主要集中出現在0～1.5%范圍內，在-0.5～2%范圍內，累計概率可達100%。以DL462-1992標準要求為例，電抗器成品狀態電抗值偏差范圍為0～5%，初步測定電抗值偏差為0.5～3%的范圍時，成品狀態電抗值合格率為100%。

4.2 電抗值初步試驗

鐵芯與線圈組裝、接線完畢后，需在器身狀態進行電抗的初步測定，試驗前需對試驗電源的三相一致性進行檢查，防止由于電源的不一致性導致電抗的偏差不符合要求。

通過電抗測試，得到電抗的初步數據，如不符合初步電抗值判斷范圍，可按下述方法進行調整：

（1）計算出三相電抗偏差的平均值

（2）計算調整后的氣隙總長

（3）計算可變氣隙長度

如果三相電抗值偏差超過±2%，需檢查三相電源的一致性及鐵芯組裝三相芯柱高度（含氣隙板）。芯柱高度檢查方法是：首先測量三相芯柱高度值是否偏差過大。如三相芯柱高度偏差在合理范圍內，則通過在可調氣隙板間增加復印紙后，增緊壓力后，檢驗復印紙的痕跡，來確定各相鐵芯的受力是否均勻。

5 結論

本文主要介紹了鐵芯電抗器電抗值控制的重要性及控制的關鍵點。由電抗值計算公式可以看出，電抗器在頻率、圈數、鐵芯截面積確定后，鐵心柱的氣隙長度可以計算得出。此時，電抗值的偏差控制取決于氣隙長度和鐵芯平整度的控制。通過電抗器初步試驗，可以確保電抗器制品試驗時電抗值偏差的合格率，進一步提高了工效及生產周期。

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