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1、1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
2、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；R p平均半径，cm；h r电抗高度，cm；B k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2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
3、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l磁率 0、磁通密度 B3、磁场强度 H3
4、。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：3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 1 2。于是两图的主磁通激磁磁势相等。即：图 8 中 F 总 IWI 1W+I2W图 9 中 F 总 IWI 3WI 4W对图 8 主磁通回路应用全电流定律 I 1W H1dlH 1l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I3W HdlH 2（l）H 3B
5、2（l）/B 3/ 01由于气隙与铁心饼流通的是同一磁通主磁通 3，所以：B2 3/(S) B3= 3/(S+S)在工程中 S 约为 S 的十分之一，所以 SSS，B 3B 2式可写成 I3WB 2（l）/B 2/ 04由于硅钢片的导磁率是空气的两万倍，20000 0， （l）（1040）所以上式中第一项远远小于第二项，可写成 I3W 3/（S 0）即式可写成 I 3WH 3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
6、。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 W 2S/l，图 9 主电感 L2 主 W 2/(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 R 2 / 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
7、也急剧降低，容量 SI 2X 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5I 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。
8、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
9、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6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
10、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
11、为普通钢。我们利用热电偶在 BKD2-60000/550-66 和 BKD-30000/3307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
12、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8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
13、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9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。
14、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。10另外由于对下槽式下节油箱的产品，下器身磁屛蔽与
15、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。112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
