高压并联电抗器损耗降低与噪声控制的措施.doc

高压并联电抗器损耗降低与噪声控制的措施 摘要：简要介绍了并联 电抗器的各损耗分量及降低这些损耗分量 的措施。通过对并联 电抗器 的振动分析，介绍了降低 并联 电抗器振动与噪声的措施。以为东北电网公司500Kv 林海站提供的单相并联 电抗器产 品的总损耗测量值、噪声测 量值及油箱振动测量值为例说明了对高压单相并联 电抗器采取这些损耗降低与噪声控制措施后所取得的效果。 引言 ： 目前，随着我国500KV电网建设速度的加快，对高压并联电抗器的需求也在相应的增加。并接于电力系统中的并联电抗器，用于吸收系统中的容性无功功率、限制过电压、抑制同步 电机带轻载时可能出现的自励磁现象，起到稳定和保护电力系统的作用，在电力系统中是不可缺少的电气设备。 1、并联电抗器损耗降低的措施 通常，并联电抗器并联在网络输电线上，通过电抗器的电流总是和系统电压成正比，因此并联电抗器的铁损和铜损在接入系统后同时存在，也就是说其总损耗经济评价指标等同于变压器空载损耗。目前，国家电网公司对输电线路空载损耗的评价值为5万元/KW，所以降低并联电抗器损耗对提高电网输送能力非常有意义。 1.1. 并联 电抗器运行损耗的类别并联电抗器运行损耗分为如下几类：1、铜损。绕组内产生的损耗，包括 电阻损耗、绕组 内的涡流损耗、边缘磁通产生的涡流损耗； 2、铁损。铁心内产生的损耗，包括磁滞损耗、涡流损耗、边缘磁通产生的涡流损耗； 3、杂散损耗。漏磁场在铁心夹紧件、油箱等结构 件中产生的损耗。 从并联 电抗器的运行损耗分类可 以看 出，与运行变压器损耗不同，边缘磁通产生的损耗是并联 电抗器 所特有的。这是 因为并联 电抗器 的铁心柱是 由许 多 气隙和铁饼组成的，气隙与铁饼 的边缘部分磁通在铁 心和绕组中产生了这种损耗。为了减少这种损耗，在 铁心柱的结构设计 中进行考虑是非常必要 的。气 隙 与铁饼边缘部分磁通的示意图如图1所示。 在上述运行损耗 中，除绕组 的电阻损耗外，其余损耗都是 由磁通产生的，因此对磁场分布进行分析计算与控制至关重要。另外，对绕组、铁心 的合理设计， 即选择合理的铜铁 比是关键。再者，由于并联 电抗器在额定电压下运行，即满载运行，所 以不必像变压器 那样考虑运行条件造成的效率 问题，主要应考虑 的是 如何使满载时的总损耗能降下来。 对于为降低并联 电抗器 的损耗而需采取 的方法， 应联系成本来进行研究。在考虑并联 电抗器损耗 的总降低时，应先将所有 的损耗进行分类，弄清各 自在 总损耗中所 占的比例是非常必要 的。根据经验，总损 耗中铜损所 占比例最大，为总损耗 的70% 左右，所 以降低损耗以降低铜损最见效。 1.2并联 电抗器的损耗降低 1.2.1 铜损（1）绕组 电阻损耗。要 降低绕组 电阻损耗只有 减小绕组电阻，具体来说可从 以下方面考虑：、选用低 电阻率的无氧铜导线。、加大绕组 中导线 的截面 来降低绕组 电阻。但绕组 中导线截面 的加大会使涡 流损耗增加，所 以在加大导线截面 的同时还要考虑不 加大导线幅 向厚度。、通过增加绕组每匝交链 的磁通来减少绕组匝数，从而达到减小绕组电阻的 目的。 增加绕组每匝交链的磁通可以采取2种方法： 加大铁心直径。由于电抗器阻抗与绕组匝数的平方成正比，尽管增加绕组每匝交链 的磁通需要考虑随铁心截 面增加而增加的铁损和 由于绕组平均长度增大而增大的铜损，但该措施总的来说对 降低损耗还是最为有效 的。如果一味地增大铁心设计，电抗器本身的体积就 会增大，这样不仅会受到运输上的限制，也会使成本显著增加，所以这种做法是有限度的。增加磁通密度。 值得注意的是，在磁通密度增加的同时，铁损会随之增 加，振动和噪声加剧。由于并联 电抗器 的铁心柱上有气隙结构，一般来说噪声较高，与变压器相比，其磁通密 度要低得多。铁心磁通密度还受到用户提出的饱和特性曲线要求的限制。另外 由于铁心叠片系数的提高 和绕组绝缘的改进，器身体积缩小，铁心质量减轻，铁损降低；由于绕组平均直径变小，铜损也降低了。 绕组每匝交链 的磁通取值受制于空心绕组 阻抗 与总阻抗的比值，即该 比值越小，绕组每匝交链 的磁 通取值越大，因此用户在选取 电抗器饱和后伏安特性 曲线斜率与饱和前伏安特性 曲线斜率 比值 时应考虑 这一因素。该比值一般为不小于1/3，如果该值取小， 在降低 电抗器总损耗的同时，也会提高 电抗器抑制 网 络过 电压的特性。 （2）绕组 内的涡流损耗。涡流损耗是漏磁通穿 过绕组导体而产生的损耗，它和与漏磁通成垂直方 向 的导线厚度的平方成正 比。所 以，可将几根厚度较小 的导线并联使用。各并联导线要充分换位，减小并联 导线之间的环流，为此也可以采用换位导线。 （3）绕组 因边缘磁通产生 的涡流损耗。通过有 限元分析，在设计 中调整铁心气 隙长度、铁心至绕组 的距离，使边缘磁通在绕组区域 的水平分量接近零， 这样可以使绕组因边缘磁通产生的涡流损耗最小。 1.2.2铁损 铁损分为磁滞损耗和涡流损耗。从铁损计算经 验公式可知，总的铁损等于铁心单位损耗与铁心质量 的乘积。因此，降低铁损应考虑如下方面：采用单 位损耗较小的冷轧取 向性硅钢片。为了充分地利用 这个特性，还可以使磁通方 向和硅钢片的轧制方 向一致。减小磁通密度。磁通密度减小确实使铁损 降低了，但绕线匝数 由此增加从而使 电阻损耗也增加，作为整体来说往往使总损耗增加。由于铁心叠片系数的提高和绕组绝缘的改进，便减少了铁心磁路长度，使铁心质量减轻，因而能降低铁损。 边缘磁通引起 的涡流损耗。边缘磁通 的分布 由 每个气隙的长度决定，减少气息长度就能降低涡流损 耗。对铁心来说，涡流损耗和与磁通成垂直方 向的硅 钢片宽度的平方成正 比，可 以认为，与磁通成垂直方向的直角面小的辐射形铁心对抑制边缘磁通 引起 的 涡流损耗具有理想的外形。 1.2.3杂散损耗 杂散损耗系指在 铁心绕组 的紧 固件及油箱 中由 漏磁通产生的损耗。要降低这些损耗，就要求对细部进行周密的设计，精确 了解漏磁通 的分布情况，根据有限元分析结果，合理 的在油箱里面设屏蔽，选择紧固件的材质、形状和尺寸等。 1.3 对损耗与成本的综合评价方法 如上所述，电抗器各结构、电气参数及损耗各分量都是密切相关 的，而且受成本影响很大，因此在设计时应综合考虑。对损耗与成本 的综合评价一般有2种方法： （1）综合指标法。以用户根据 电网运行综合指 标确定的每千瓦价格，按照 电抗器制造价格与损耗评估价格之和作为优化设计 目标函数。 （2）10年运行成本分析方法。以10年运行费用加一次性投资费用作为优化设计 目标函数。 2. 噪声控制 下面以单相并联 电抗器 的振动分析为例，介绍控制振动及降低噪声的措施。2.1 结构与振动：电抗器的结构简图见图2 。并联 电抗器产生振动 的原因有2种： （1）并联 电抗器铁心磁 畴伸缩导致铁心振动。这种振动与变压器的一样，图2中虚线表示并联 电抗器外框回路振动幅度分布情况。 2 ）并联 电抗器只有初级绕组，没有与初级绕组相抵消安匝的次级绕组，这一点与变压器不 同。以单相并联 电抗器为例，绕组产生的主磁通通过 由带有间隙的铁饼组成铁心 的主柱与外框形成 回路。由于主磁路经过高导磁的铁饼与低导磁 的间隙2种介质，铁饼之间会产生使磁场 能量变小趋势 的吸引力麦克斯韦尔力。这种力只随电流的大小而变化，因此他 的频率是电流频率 的 2 倍。麦克斯韦尔力波形与 电 流波形的对 比见图3 。 2.2 振动与噪声控制措施： 如上所述，并联 电抗器产生振动 的第 1种原因源 自铁心磁畴伸缩，但并联 电抗器磁路磁通密度较低，一般约1.4T，远低于变压器，由此引起 的振动与噪声较小。引起并联 电抗器振动与噪声的主要 因素是主磁路间隙材料在麦克斯韦尔力作用下伸缩而引起 的铁饼振动，对 电抗器整体产生的振动与噪声，因此解 决间隙材料 的伸缩 问题是控制并联 电抗器振动与噪 声的根本。根据 以上分析，在设计 中采取 以下措施来 控制振动与噪声：（1）提高间隙材料硬度。上海 阿海珐变压器有 限公司的并联 电抗器产 品采用产 自意大利 的天然高 硬度石材作为间隙材料。（2）铁心柱采取强力压实措施。为了保证铁心柱在长期运行中恒定压力，设计中采用了蝶簧压紧结构。（3）器身与油箱间放置弹性垫减震。（4）油箱上下端采用球形断面更有利于减少振动，控制噪声。3、结束语 上海阿海珐变压器有限公司2006 年为东北电网公 司方 牡 敦 包 500KV输电线林海站提供了2 组共6 台 40Mvar 单相并联