高压并联电抗器损耗降低与噪声控制的措施

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：①、选用低电阻率的无氧铜导线。②、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。③、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：①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。②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。③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：①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。②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。③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单相并联电抗器，产品采用AREVA变压器业务部标准技术进行设计制造。该产品总损耗测量值98KW（要求小于100KW），噪声测量值仅为61.4dB（A）（要求小于80dB（A），邮箱振动幅度测量值：平均值6um（峰-峰）（要求值小于60），最大值16um（峰-峰）（要求值小于100），箱底12.36um（峰-峰）（要求值小于20），产品性能完全满足用户需求。