铁心式并联电抗器局部过热振动问题.doc

铁心式并联电抗器局部过热振动问题铁心并联电抗器的中心问题是漏磁问题和铁心特殊问题。由此带来的易发生局部过热问题和振动可能较大问题，迄今为止仍号称铁心电抗器的两个世界性难题。要解决这两个问题，所涉及的基础学科和研究领域很深很广，难度很大，造成并联电抗器产品技术会含量高。但为了为用户提供安全可靠的产品，这些基础研究和关于磁化特性的前沿研究必须深入进行。1. 铁心电抗器发生局部过热的根源大量值的漏磁通在铁心夹件和紧固件、油箱钢板中流通，产生大量值的涡流损耗，造成局部过热。2. 造成铁心电抗器漏磁通大的根本原因铁心电抗器特殊结构决定了其本质是漏磁通特别大。一个简单的空心线圈就是一台简单的电抗器。其电感为：L=0.32W2 Rp 2 10-3 /(6 Rp +9 hr +10 Bk)其中：L电感，mh；W绕组匝数；Rp平均半径，cm；hr电抗高度，cm；Bk绕组平均厚度，cm；当然所遵从的规律是电感定义和法拉第电磁感应定律。由电感定义LI得其中R成为磁阻，表达式与电阻公式Rl/S相似。由上式可以看出电感除了与绕组匝数有关外，还与磁路特性有关。由此人们想到在空心线圈插入铁磁物质铁心，由于其导磁率大，使磁阻变小，则该线圈可提供更大的电感，这是铁心电抗器的由来。另一方面，由于硅钢片的导磁率随磁密的变化而变化，在交流电激磁的情况下，插入的铁心必须带有气隙，才能使铁心电抗器具有稳定的电感、电抗和容量。下面是两台理想电抗器器身结构示意图，图9所示电抗器是将图8所示电抗器的铁心柱分段带有气隙得到的，其它不变。假设这两台理想电抗器的电磁参数各处均匀，则这两台电抗器有相同的参数如下：主磁路回路总长l、硅钢片导磁率、绕组匝数W、激磁电流I、铁心柱及铁心饼的有效面积S。有不同的参数如下：图8中：铁心中磁通密度B1，磁场强度H1，主磁通1，漏磁通2，主磁通激磁电流I1，漏磁通激磁电流I2；图9中：铁心饼及铁轭中磁通密度B2、磁场强度H2、主磁回路中硅钢片部分总长，气隙部分：总长、有效面积SS、导磁率0、磁通密度B3、磁场强度H3。图9中主磁通3，漏磁通4，主磁通激磁电流I3，漏磁通激磁电流I4,下面来讨论这种结构变化造成了什么结果：图8、图9总激磁磁势不变，都等于IW，总激磁磁势主磁通激磁磁势漏磁通激磁磁势。而图9与图8漏磁通回路是一样的，如果忽略主磁通回路的变化对漏磁回路的微弱影响，则12。于是两图的主磁通激磁磁势相等。即：图8中 F总IWI1W+I2W图9中 F总IWI3WI4W对图8主磁通回路应用全电流定律 I1WH1dlH1l对图9主磁通回路应用全电流定律，并注意图9中铁心饼与气隙流过同一主磁通，得出 I3WHdlH2（l）H3B2（l）/B3/0由于气隙与铁心饼流通的是同一磁通主磁通3，所以：B23/(S) B3=3/(S+S)在工程中S约为S的十分之一，所以SSS，B3B2式可写成I3WB2（l）/B2/0由于硅钢片的导磁率是空气的两万倍，200000， （l）（1040）所以上式中第一项远远小于第二项，可写成I3W3/（S0）即式可写成 I3WH3式的物理意义在于：带气隙的铁心电抗器的主磁通激磁磁势几乎全部消耗在气隙上。而气隙的导磁率为恒定值0410-7，这使得电感为恒定值；而漏磁回路中相当于空气的部分占得更多，所以漏电感更稳定。主电感、漏电感都稳定使总电感稳定。因此气隙使电抗器获得稳定得电感、电抗、容量。气隙是铁心电抗器必须的。即使象饱和电抗器和自饱和电抗器这样没有气隙的铁心电抗器，由于其铁心的工作磁通密度在饱和区，相当于有一定长度的气隙段。下面来讨论铁心电抗器带气隙后，电感、电抗、容量有何变化。图8主电感L1主W2S/l，图9主电感L2主W2/(l)/（S）/（0S）图9主磁通回路的磁阻是铁心磁钢片段和气隙段的磁阻的串联：R2（l）/（S）/（0S）/（0S）所以L1主/L2主R2/ R1/020000倍，因此带气隙后，主电感降低为无隙的1/20000，导致总电感急剧降低。电抗XL2fL也急剧降低，容量SI2X也急剧降低。为了使带气隙的电抗器的容量维持原值，必须增大总激磁磁势IW，在I不变的情况下增大W。一般情况下，如果维持铁心直径不变，绕组匝数需提高至原值的2.5到3倍。于是漏磁通不变的状况也被打破：因为在总激磁磁势增加时，漏磁激磁磁势也在增加，漏磁阻不变，所以漏磁通也变为原来的2.5至3倍。另一方面同容量的电抗器与变压器相比，也能说明电抗器的漏磁通特别大。根据法拉第电磁感应定律，变压器一二次绕组总是互相去磁，而电抗器只有一个绕组，没有与其平衡的二次绕组，再者由于其气隙的影响，使电抗器绕组匝数是变压器高压绕组匝数的数倍，所以铁心电抗器漏磁通大。3. 铁心电抗器局部过热的根源以上结合工程实际利用电磁学的基本原理说明了铁心电抗器的特殊结构（有气隙、无反磁绕组）说明了铁心电抗器漏磁通特别大。如果不能科学地处理漏磁通，则如此大量值地漏磁通在铁心地夹件、紧固件、压梁、垫脚、油箱钢板中流通，则必将产生很大地漏流损耗，此损耗转化成的热量如果不能及时散出，就会造成局部过热。另外，普通变压器由于一二次绕组互相去磁的原因，使漏磁通基本集中在内绕组内圆至外绕组外圆之间的空间，在内绕组内圆周以内及外绕组外圆周以外的空间漏磁通密度几乎为零，其铁心夹件处于漏磁密度几乎为零的区域；而铁心电抗器则不同，其漏磁通分布图为从铁心柱外圆周起至绕组外径止直角梯形，激磁磁势又远大于变压器，其夹件处于最大漏磁密度区，因此其夹件更易过热。4. 彻底根除铁心电抗器发生局部过热的可能性的科学方法，全方位漏磁屏蔽：以上已经说明漏磁大是铁心电抗器自身结构所决定的自然规律。我们只能从一定值（较小幅度）去降低漏磁，却无法从根本上降低和消除漏磁。于是我们的注意力转移到如何去用科学的方法处理漏磁。经过艰苦的探索，我们研究出并应用了如下方法：利用高导磁率的漏磁回路为几乎全部漏磁通提供完整的回路，使漏磁通在此屏蔽内流通,而无法进入夹件、油箱钢板中,以而彻底根除了铁心电抗器发生局部过热的基本可能性。我们把这个科学的方法命名为全方位漏磁屏蔽。具体的方法是：在绕组上下端设置器身磁屏蔽，在油箱对应为止设置箱壁磁屏蔽，器身两面的器身磁屏和箱壁的磁屏将夹件、油箱钢板屏蔽在外。 当然该理论由提出到应用到实践探索中改进，直至现在形成一个专业理论，也经常过了约十年的发展历程。其结构、形状、几何尺寸、相对位置等，不能出任何偏差。例如如果其结构不合理，如最早消除其尖棱所用的屏蔽管就限制了漏磁通的顺利导通，并且漏磁通过此屏蔽管时，该管过热。再比如器身磁屏蔽相对于铁心的位置不对，如未插入铁窗或插入不深，此时如果再有屏蔽管反磁，漏磁通的大部分就不按漏磁回路流通，仍然要穿夹件，可能发生局部过热。 全方位漏磁屏蔽系统彻底解决了铁心电抗器局部过热问题，同时这大大降低了产品总损耗和成本，采用该系统后铁心夹件材料为普通钢。我们利用热电偶在BKD2-60000/550-66和BKD-30000/330上试验验证，产品结构件最大温升都不超过64K，证明全方位漏磁屏蔽系统是解决铁心电抗器局部过热问题的科学方法。 在电抗器设计中，从设计方案上讲我们只能从一定程度上去减少漏磁，却不能从根本上大幅度降低它。较大的漏磁通在钢铁件中流通必然易发生局部过热，因此解决局部过热的关键是如何处理较大量值的漏磁通；为了使铁心式电抗器有稳定的电抗和容量，其铁心是分段而带有气隙的，其电抗为主磁通回路的电抗和漏磁通回路的电抗之和。由于漏磁通回路主要部分是非铁磁回路，其磁导率为常数，所以漏电抗基本为恒定值，主磁通回路中如果没有气隙而全部是硅钢片，由于铁磁物质的磁导率与磁密有关，而磁密是交变的，则主电抗不恒定，就会使电抗器的电抗、容量不恒定，而设置了气隙之后，气隙几乎消耗了全部的主磁通激磁磁势，气隙具有恒定的磁导率，所以气隙使铁心电抗器的总电抗、容量恒定，因此铁心式并联电抗器必须有气隙。但是交变的电压、交变的电流、交变的磁势产生的磁场，铁心磁密是交变的，由于磁铁间的磁场力与磁密的平方成正比，相邻铁心饼任何瞬间时都是异性磁极相邻，所以其间的磁场力为吸引力（见下图3），且吸引力在零与最大值之间以两倍电源频率的频率交变（见下图4），从而由电磁力交变造成铁心饼弹性变形交变而产生机械振动。 因此认清发生局部过热及机械振动的机理，找出解决方法是我们科研开发工作的关键。还有铁心夹紧在运行中的松动问题，例如某些制造商在其安装使用说明书中明确规定产品每运行两年需停电紧固一次，不仅影响供电，而且会使运行成本大幅增加；所以夹件均是价格昂贵的不导磁不锈钢和低磁钢，其加工困难；电抗往往计算不准，一般都要调整，磁化特性无保证等，这些问题也是我们科研攻关的重点。须注意以下问题：1. 全方位漏磁屏蔽系统及反磁系统配合使用：铁心电抗器的漏磁通大，夹件处于最大漏磁通区，实践证明局部过热的多发部位是上、下夹件腹板，原因是大量漏磁通的回路是绕组上夹件箱盖箱壁箱底垫脚下夹件绕组，大漏磁在钢铁件中流通产生大涡流，产生大损耗，引发局部过热。既然铁心电抗器漏磁大是其必然规律，我们虽然能尽量减少它，但这并不能根除局部过热的危险，我们就提出了全方位漏磁屏蔽理论，设置全方位漏磁屏蔽系统，为几乎全部漏磁通提供了高导磁、低电导率的完整回路，将夹件、油箱屏蔽在该系统之外，使漏磁通不能再进入夹件、油箱钢板中，从而根除了局部过热的可能。全方位漏磁屏蔽系统包括位于绕组与上铁轭之间的上器身磁屏蔽、布置在器身与箱壁之间的箱壁磁屏蔽等，使漏磁通的回路变为：绕组上器身磁屏蔽箱壁磁屏蔽下器身磁屏蔽绕组（见图5，图6），磁屏蔽主体由薄片硅钢片制成，其窄面面向漏磁源，所以它本身只要磁密选择适当是不会过热的。另外由于对下槽式下节油箱的产品，下器身磁屛蔽与箱底之间的磁阻有时可能小于下器身磁屛蔽与箱壁磁屛蔽之间的磁阻，此时会有较多的漏磁通进入箱底，针对这一问题，我们提出并验证了反磁理论；依据电磁感应原理，在下器身磁屏壁与箱底之间设置反磁铜板或铝板，若有磁通从下器身磁屏壁进入箱底，则必穿过此板，该铜板或铝板感应出涡流并反磁，只要依据电磁波透入深度合理选择此板厚度，则完全隔绝磁通通过。该两项技术的应用不仅彻底根除了局部过热的危险，而且使产品附加损耗大幅度减小，使总损耗下降约1/4。2使产品具有较小漏磁的本性：漏磁通由绕组产生，它产生铜涡损，该损耗不致引起局部过热，却使损耗增加。因此我们的技术措施是尽量使绕组具有大电抗高度、小辐向宽度的饼式绕组，其特点是机械强度、电气强度好，冲击分布均匀且无振荡，并在其中设置了特殊的冷却油路，据原子能所计算，该种绕组温度场均匀，最热点温度与平均温度之差不超过6k，而且产品实测铜油温差不超过15k，表明此产品具有很强的过载能力。必须注意的是绕组高度增大可能使器身顶端的振动幅度增大，因而必须采取必要的降低振动的措施。3铁芯的三处压紧及止退系统：由铁芯饼摞成的芯柱在交流电作用下其弹性形变周期性变化是产生机械振动的根源。因此从理论上、结构上来讲，要减小振动必须增大对铁芯饼的压紧，并使铁芯固有频率远离交流电所引起的振动频率。由此我们发明了三处强力压紧及防松止退系统。目前国内外所有铁芯式并联电抗器仅在铁芯柱处有一处压紧，且无止退措施，规定每运行两年紧固一次。我们在两旁柱外侧各设置一处压紧，芯柱中孔轴线上设置一处压紧，并且三处压紧都设置了螺座、管螺母、螺母帽、止动螺盘，螺栓等构成的止退系统。其优点是：第一，对铁心饼的总压力成倍增加。我们的研究成果证明总压力增大的结果是增大电磁噪声、减小机械振动和机械噪声，将对铁心饼的总压力提高，使施加到铁心饼上的压强为适当值，则机械噪声的降低值大于电磁噪声的增大值，总噪声减小，机械振动幅度减小。第二，增设了两处压紧，虽然使铁心物理结构发生质变，但是我们研究成果证明仍然可以使铁心固有频率远离交流电所引起的振动频率。按照理论力学与材料力学的基本原理综合分析结构固有频率与约束数、约束程度的关系，铁心中约束数增多则铁心固有频率增大，但是铁心压紧材料的疲劳特性和延伸率等因素又使对铁心的约束程度降低、导致固有频率降低，合理增多约束，则增多约束造成的固有频率的增大值可以与由压紧材料的疲劳特性、弹性变形所引起的约束程度的降低所造成的固有频率的减小值相补偿，例如50Hz的交流电引起铁心的振动频率是100Hz，而有三处压紧系统的并联电抗器的铁心固有频率的计算机模拟计算十阶，其一阶固有频率仅为10Hz，因此谐振程度低；第三，止退系统使铁芯压紧装置不存在松退的可能，从而避免了原产品寿命周期内十数次的停电维修，节约大量运行成本。4夹件防热措施使夹件由昂贵的低磁钢，不锈钢变成了普通钢。在主、漏磁路分析计算中，主磁通在芯柱两端处的绕行及漏磁的杂散，使国内外所有厂家都不敢利用普通钢板来制造夹件。我们在发明应用全方位漏磁屏蔽技术、反磁技术的最有效措施之下，又进一步研究出夹件防热措施：其一，在夹件强度满足要求的前提下，将夹件在铁芯窗口侧适当缩回，让出漏磁进入铁芯的通路；其二，在夹件窗口侧钻相交的孔或开槽，一方面减小涡流，另一方面增强其散热能力。有了全方位漏磁屏蔽系统、反磁系统、夹件自身防热结构三方面保证，由普通钢制成的夹件代替低磁钢夹件，使产品原材料成本及加工成本大幅度下降。5油箱对器身的强力定位及减震技术：油箱本身的减震降噪声技术：考虑产品振动、运输冲击等因素，易造成器身位移、危及安全运行。为此我们研究出了油箱对器身的强力定位机构：箱底定位钉为加粗圆钢带螺纹结构，对器身实现强力且绝缘的定位，器身顶部与箱盖之间由成120角的三个M42钢压钉实现对器身顶部的万向钢性定位，从而使器身由一端固定的悬臂梁变成两端支撑的简支梁，经分析计算证明产品能承受4g及以下的冲击加速度。在器身与油箱之间设置了减小振动、阻尼振动传播的减震系统，在油箱与加强铁中填充阻尼物来阻尼振动和声波，保证了产品的小振动、低噪声性能。6特殊工艺：我们研制出了铁芯饼真空压力浇铸工艺、铁芯紧固工艺和工装。铁芯剪片由计算机控制铁芯饼自动剪板叠板机剪片，置于精加工模具中进行全真空压力浇铸，既保证了铁芯饼的钢度强度，又保证了所有间隙均被环氧树脂填满，根除了间隙中气体析出对安全运行的危害。同时精加工模具保证了铁芯饼高度尺寸、铁芯饼两面的平行度及每面的平面度都在5道范围以内。三处压紧系统中各处各自集中，使液压紧固成为可能，所以器身紧固都是在液压状态下进行的，既不损伤螺纹没，又使操作量化。7磁化特性的研究：铁磁物质的磁导率随磁密变化而变化，所有铁芯式电抗器都有磁化特性方面的要求。产品的磁化特性是其运行特性的重要参数。国内外所有厂家都有电抗计算不准、磁化特性定性定量分析