低漏磁電抗器沖擊特性和溫度特性研究

徐銘銘 董 軒 張 凱 朱志芹 池 騰

低漏磁電抗器沖擊特性和溫度特性研究

徐銘銘1董 軒1張 凱2朱志芹3池 騰3

（1. 國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州 450052； 2. 國網河南省電力公司，鄭州 450000； 3. 中國科學院應用超導重點實驗室（中國科學院電工研究所），北京 100190）

干式空心電抗器能夠改善電力系統電能質量、提升電流穩定性，但在工作時漏磁較大，對周圍環境造成不良影響。為解決電抗器漏磁過大的問題，本文提出一種新型多單元串并聯環形低漏磁電抗器拓撲結構，在進行原理分析的基礎上，對試品分別進行工頻耐壓試驗、溫升試驗、雷電沖擊試驗和最大短時電流試驗，結果表明該試品性能達到了相關國家標準要求，能夠應用于實際電網中。

低漏磁電抗器；溫升試驗；工頻耐壓試驗；雷電沖擊試驗

0 引言

干式空心電抗器具有質量輕、機械強度高、電感線性度好和噪聲低等優點，在電力、冶金、化工和電氣化鐵道等領域獲得廣泛應用[1-3]。普通空心電抗器在工作時，線圈外部的磁場呈軸對稱分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內電磁污染的主要來源[4-5]。空心電抗器的強磁場不但對周圍其他電氣設備產生影響，而且對相關從業人員存在潛在的危害。為減少漏磁，有很多文獻和專利提出采用鐵磁材料或鋁導電盤對空心電抗器的外側和端部的漏磁場進行磁屏蔽或電磁屏蔽的技術方案。上述采用磁屏蔽或電磁屏蔽抑制空心電抗器漏磁的方法雖然可以將空間磁污染抑制到可接受的水平，但是各種屏蔽方法均會導致空心電抗器運行損耗增加，以及引起電感參數的變化。如果空心電抗器不采用磁屏蔽方式也能產生比較低的漏磁，將具有十分積極的意義[6-7]。

為了降低空心電抗器或儲能線圈的空間漏磁，且不采用磁屏蔽的方式，通常采用以下兩種方式：一種是采用多螺管平行排列方式，另一種是采用多螺管或線餅環形排列方式[8-9]。盡管采用多螺管或線圈平行排列或者環形排列的電抗器都可以有效降低漏磁場，但是上述文獻和專利中多個螺管或線餅都采用串聯連接方式，這對于超導儲能磁體應用是可行的，但是對于面向高壓大電流電力應用的電抗器線圈卻是很困難的。如果僅采用串聯方式，環形電抗器組件的引出線距離很近，端口耐壓難以提高，也不利于電抗器載流能力的提升。

為了解決上述問題，本文對提出的新型多單元串并聯環形低漏磁電抗器的拓撲結構及工作原理等進行分析，并對在此基礎上搭建的樣機進行沖擊特性和溫度特性試驗研究。

1 多單元串并聯低漏磁電抗器新型拓撲結構

考慮到高壓大電流電力應用，提出多單元串并聯環形低漏磁電抗器的新型拓撲結構[10]。低漏磁電抗器由×個環形結構電抗器組件串聯和（或）并聯構成（為串聯組數，=1, 2, 3,…,；為并聯組數，=1, 2, 3,…,），每一個環形結構電抗器組件又由×個電抗器單元串聯和并聯構成（為串聯組數，=1, 2, 3,…,；為并聯組數，=2, 4, 6,…, 2），所述的多個電抗器單元以其中心軸線圍繞成正多邊形的封閉環；所述的環形結構電抗器組件，其串聯支路內部個電抗器單元的繞向相同，個并聯支路相鄰的兩并聯支路中電抗器單元的繞向相反；電抗器單元可采用圓形/D形/跑道型的螺管結構或餅式結構制作；電抗器單元內部及單元之間需留有散熱通道。傳統的圓形線圈結構占地面積較大，但線圈制作工藝簡單，在環形超導儲能磁體中獲得了少量應用；D形線圈結構在核聚變環向磁體中獲得了廣泛應用，但制作工藝復雜；考慮到線圈占地面積和制作工藝等因素，提出基于跑道型線圈結構的環形低漏磁電抗器設計方法和制作工藝，可根據空間尺寸約束條件進行低漏磁電抗器的設計，具有較好的適應性。14串2并環形低漏磁電抗器結構示意圖如圖1所示，由于環形低漏磁電抗器漏磁很小，三相電抗器排列可以非常緊湊，可以豎向排列到獨立的柜體內，也可以水平排列，套裝到斷路器上。兩種排列的三相低漏磁電抗器如圖2所示。

圖1 14串2并環形低漏磁電抗器結構示意圖

圖2 兩種排列的三相低漏磁電抗器

2 低漏磁電抗器的優化設計

10kV/8kA/7mH低漏磁電抗器的繞組擬采用28組雙餅線圈環形排列結構，由于電流較大，而電感較小，采用2并14串連接方式[11-12]。為了對線圈進行優化設計，選取繞組直徑0、線圈單元內半徑1、外半徑2、高度作為優化變量，最小單元間氣隙、線圈電感作為約束變量，優化目標函數初步定為繞組的體積（外輪廓體積），線圈尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 線圈尺寸示意圖

通過初步的優化設計，得到繞組優化設計方案見表1。主要結構尺寸如圖4所示。

表1 10kV/8kA/7mH低漏磁電抗器繞組優化設計方案

3 低漏磁電抗器測試

為了對優化設計的低漏磁電抗器性能進行驗證，本文對試品進行了沖擊試驗和溫升試驗。圖5所示為環形低漏磁電抗器現場測試圖。

3.1 工頻耐壓試驗（例行試驗）

對低漏磁電抗器的工頻耐壓試驗方法按JB/T 501的規定，試驗時應在電抗器的繞組對地間施加電壓。試驗過程中，如果電壓不突然下降、電流指示不擺動、沒有放電聲，則認為試驗合格；如果有輕微放電聲，在重復試驗中消失，也視為試驗合格；如果有較大的放電聲，在重復試驗中消失，需要尋找放電部位，然后采取必要措施，根據放電部位決定是否復試。

圖5 環形低漏磁電抗器現場測試

由于該電抗器的絕緣水平設計為42kV，因此本次試驗設置持續時間為1min的35kV工頻電壓進行耐壓試驗。工頻耐壓試驗結果如圖6所示。

圖6 工頻耐壓試驗結果

由圖6可知，在施加1min的35kV電壓過程中，電壓不突然下降、電流指示不擺動、沒有放電聲，因此，該試品滿足工頻耐壓試驗的要求。

3.2 溫升試驗（型式試驗）

溫升是電抗器最重要的性能指標之一，如果溫升太高，則對電抗器的絕緣材料提出更高的要求，會加速絕緣材料的老化從而失去絕緣性能[13-14]。

通過對電抗器的兩端施加不同大小的交流電壓，會在電抗器中產生不同大小的交流電流，進而導致電抗器發熱。

在環形低漏磁電抗器的不同位置安裝五個鉑電阻溫度計，用以監測電抗器不同位置的溫度變化情況，溫度計在電抗器的位置分布如圖7所示。其中PT100-1放置在電抗器上表面邊緣位置，PT100-2放置在電抗器底部中心位置，PT100-3放置在電抗器內部中心位置，PT100-4放置在電抗器上表面中心位置，PT100-5放置在電抗器底部邊緣位置。

圖7 溫度計在電抗器的位置分布

溫升試驗是驗證在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下，各部位溫升是否符合JB/T 5436的規定，并驗證產品結構的合理性。不同電壓等級條件下，每間隔30min記錄的各溫度計的溫度變化折線圖如圖8所示。

由圖8可知，電抗器中心位置溫度變化最明顯，電抗器上表面邊緣位置溫度變化最小。隨著電壓升高，流過電抗器的電流增大，溫度升高速度加快，當電抗器兩端的電壓為150V時，流過電抗器的電流為90A，此時，電抗器中心位置的溫升為41℃，溫升遠小于JB/T 5436規定的100℃。因此，該樣品的溫升滿足規定，可以長時間串入電路中，不會造成絕緣介質的熱損壞。

圖8 不同電壓等級下各溫度計數據

3.3 雷電沖擊試驗（型式試驗）

如果全電壓下所記錄的電壓和電流瞬變波形與降低電壓下所記錄的相應波形無明顯差異，則絕緣雷電沖擊試驗合格；在分析示波圖時，如果示波圖之間的差異有疑問，則應再加三次全波電壓的沖擊波，或在該端子上重做全部沖擊試驗。雷電沖擊試驗方法按GB/T 1094.4的規定。雷電沖擊示波器數據如圖9所示。

圖9 雷電沖擊示波器數據

由圖9可以看出，波前時間為1.43ms，峰值電壓為-86.18kV，半峰值時間為29.33ms。該電抗器的全電壓下所記錄的電壓和電流瞬變波形與降低電壓下所記錄的波形無明顯差異，因此絕緣雷電沖擊試驗合格。

3.4 最大短時電流試驗（特殊試驗）

低漏磁電抗器最大短時電流試驗本質上是考量器件對某一電流持續時間內所產生的機械和熱的損耗。圖10所示為200ms時間內流過電抗器試品的短時電流變化波形。

圖10 試品短時電流變化波形

由圖10看出，低漏磁電抗器能承受峰值為8 400A的最大短時電流的作用，而不產生任何機械和熱的損傷，滿足JB/T 5346的規定。

4 結論

本文提出了一種新型多單元串并聯環形低漏磁電抗器的拓撲結構，并對其結構參數進行優化。通過進行試品試驗驗證了各參數均符合相關國家標準。具體結論如下：

1）1min的35kV工頻電壓作用下，電壓未突然下降，電流指示無擺動，沒有放電聲，因此滿足耐壓試驗要求。

2）當電抗器兩端施加150V電壓，流過電抗器的電流為90A時，電抗器內部中心位置的溫升為41℃，遠低于國家標準規定的100℃，因此適合長時間串入電網中。

3）該電抗器試品最大能承受86.18kV的雷電沖擊電壓，而不會產生絕緣損壞現象。

4）該電抗器試品能夠承受峰值為8 400A的短時電流200ms的持續作用，而不會產生機械和熱 損傷。

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Research on impact characteristics and temperature characteristics of low leakage magnetic reactor

XU Mingming1DONG Xuan1ZHANG Kai2ZHU Zhiqin3CHI Teng3

(1. State Grid He’nan Electric Power Research Institute, Zhengzhou 450052; 2. State Grid He’nan Electric Power Company, Zhengzhou 450000; 3. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences (Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences), Beijing 100190)

The dry-type air-core reactor can improve the power quality of the power system and improve the current stability, but the magnetic flux leakage is large during operation, which will cause adverse effects on the surrounding environment. To solve the problem of excessive magnetic leakage of the reactor, this paper proposes a new type of multi-unit series-parallel toroidal low-leakage magnetic reactor topology. Based on the analysis of the principle, the power frequency withstand voltage test, temperature rise test, lightning impulse test and maximum short-time current test are carried out respectively. The test results show that the performance of the test product meets the requirements of relevant national standards and can be applied to the actual power grid.

low leakage magnetic reactor; temperature rise test; power frequency withstand voltage test; lightning impulse test

國網河南省電力公司科技項目（52170220009K）

2022-10-11

2022-12-14

徐銘銘（1985—），男，河南人，博士，高級工程師，從事智能配電網相關方面工作。