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串联铁心电抗器软件设计和有限元分析.pdf 54页
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国内图书分类号：TM472
工学硕士学位论文
串联铁心电抗器软件设计与有限元分析
硕士研究生： 李环宇
申请学位级别： 工学硕士
学科、专业： 高电压与绝缘技术
所在单位： 电气与电子工程学院
答辩日期：
授予学位单位：
哈尔滨理工大学
Index：TM472
Classified
DissertationfortheMaster in
TheSoftwareandFinite
ofSeriesIron--coreReactor
Candidate：
Supervisor：
Engineering
DegreeApplied
HighVoltage
Specialty：
Technology
March，2014
DateofOralExamination：
ofScienceand
University
University：
Technology
哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《串联铁心电抗器软件设计
与有限元分析》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期
问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不
包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集
体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：考拜言
同期：矽／》拜∥月≯r同
哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书
《串联铁心电抗器软件设计与有限元分析》系本人在哈尔滨理工大学攻
读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈
尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完
全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向
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工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部
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本学位论文属于
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铁心电抗器的电感计算与仿真分析 优先出版
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铁心电抗器的电感计算与仿真分析 优先出版
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二、空心式的结构
空心式电抗器就是一个电感线圈，其结构与线圈相同。空心的特点是直径大、高度低，而且由于没有铁心柱，对地电容小，线圈内串联电容较大，因此冲击电压的初始电位分布良好，即使采用连续式线圈也是十分安全的。空心式的紧固方式一般有两种：一是采用水泥浇铸，故又称为水泥；另一种是采用环氧树脂板夹固或采用环氧树脂浇铸。
空心都做成单相。组成三相组时，有三种排列方式。不同的排列方式，相间互感不同，因而对线圈的绕向和匝数的要求也不同。按图1-4（a）排列的，为了减少相间支撑瓷座的拉伸力，中间一相线圈的绕向应与上下两相相反；按图1-4（b）排列时，重叠两相线圈绕向相反，另一相与上面的那一相绕向相同；按1-4（c）排列时，则三相绕向相同。
图1-4水泥三相排列方式
（a）垂直排列；（b）两相重叠一相并列；（c）水平排列
在空心式中，主磁通与导线交链，因此必须充分注意涡流损耗。在电流较大的水泥中，其线圈均由两根以上的电缆并绕。为了使各并联支路中电流分配均匀，各支路电缆要进行换位，常用的换位法如图1-5所示；水泥一般用DKL型铝电缆绕制，电缆绝缘为0.72mm的电缆纸，外面再绕包棉纱编织带或玻璃布带作护套，在金属模具中绕制成型后，再浇水泥，待水泥硬化后，进行真空干燥处理，以除去混凝土及电缆外包绝缘中的水分，最后浸防潮绝缘漆。
图1-5线圈各并联支路的换位
（a）单根绕；（b）二根并绕；（c）三根并绕
用环氧树脂板夹固的空心式外形与水泥电抗器相似，散热性能较好，但长期使用，其夹固件会因导线的电磁振动而松脱，为了克服上述缺点，可用环氧树脂浇铸，这样抗振动的机械强度增加了，但散热能力变差。
第二节铁心式和空心式的比较
中小型可采用铁心式结构，而大容量较多地采用空心式结构，其理由如下：如图1-6所示，
假设在线圈两端施加正弦交流电压
U（有效值），电流为I，铁心不饱和，因此其磁压降可以略去，并忽略漏磁通的影响，则的容量S 可用下式计算：
U≈E=ωW（Φm/√2）
Φm/√2=BAc
式中，EV）；———自感电势（
W———线圈匝数；
ω———电流的角频率（1/ S）；
Φm———磁通最大值（Wb）；
B———磁通密度的有效值（Wb/㎡）；
Ac———等效气隙导磁面积（㎡）。
由全电流定律知
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中，H------磁场强度（A/m）；
δΣ———气隙总长度（m）。
即：S=ωB H（AcδΣ）
在 B、H一定时，S与气隙体积
AcδS增大时，心柱的横截面积Ac随着增大，气隙总长度δΣ也要增大。当给定单个气隙长度时，气隙数就增多，从而铁心饼数增多，这将给铁心柱的固定带来很大的困难，因此在容量较大的中越来越多地采用空心式结构。Σ成正比，即S∝AcδΣ当容量
铁心式的主磁路由磁导率高的铁磁材料构成，因此对于相同的线圈，铁心式的电抗值比空心式大。当磁密较高时，铁心会饱和，而导致铁心的电抗值变小；空心式电抗器的电抗值总是保持为常数。
3 冲击电压的初始电位分布
空心式没有铁心柱，对地电容小，线圈内串联电容大，因而其冲击电压的初始电位分布良好，而铁心式由于有铁心柱，对地电容较大，其初始分布特性比空心式差。
在小容量时，空心式的总损耗比铁心式大；随着容量的增大，铁心式和空心式的差别减小；当容量达到一定值时，两种结构的损耗基本相同。
5 噪声和振动
在铁心式中，由于铁心饼的磁致伸缩和铁心饼间的吸引力而产生较大的振动和噪声，而空心式没有铁心饼，故振动和噪声相对较小。
铁心的电抗计算
当铁心的线圈中通以交流电流时，它就会产生两部分磁通，如图1-1所示。一部分是主磁通Φm。它沿铁心磁路（铁心饼、饼间气隙、铁轭）闭合，与全部线匝相交链；另一部分是漏磁通Φσ，它主要沿空气（或油）闭合。图1-2是这种电抗器的等效电路。在等效电路中，主磁通所对应的电抗称为主电抗，而漏磁通所对应的电抗称为漏电抗，铁心电抗器的电抗为主电抗与漏电抗之和。本节将分别对主电抗和漏电抗进行讨论。
图1-1铁心的磁通及磁势
图1-2铁心的等效电路
第一节 主电抗计算(磁路法)
铁心的主电抗
式中，LmH），为主磁路对应的电感，即主电感（
式中，W———的总匝数；
Λ———主磁路的磁导。
为了较准确地计算主磁导Λ，首先研究一下主磁通磁力线的分布。如图1-3所示，
主磁通的磁力线可分为两部分，第一部分是穿过铁心饼下气隙面积的磁力线，假定它们都垂直射入（或射出）铁心饼截面，分布是均匀的，这一部分磁路对应的磁导记为Λm1；第二部分是除了第一部分之外的主磁通的磁力线，它们是由边缘效应所产生的，其路径近似为半圆，这一部分磁路对应的磁导记为Λm2，则
Λ=Λm1+Λm2
图1-3 气隙处磁力线分布图
铁心饼下空气隙对应的磁导按下式计算：
Λ=&0&rAδ/δ
式中，δ———铁心饼间气隙长度（m）；
&r———相对磁导率；（一般视为一个常数1）
&0———空气相对磁导率；&0=4πx 10-7 H/m
Aδ———磁路等效导磁面积（㎡），
Aδ= Aδ1+ Aδ2
式中，Aδ1———铁心饼截面的几何面积（㎡）；
Aδ2———衍射等效截面的几何面积（㎡）。
Aδ1=AZ/Kdp
式中，AZ———铁心柱净截面积（㎡）；
Kdp———铁心叠片系数。
Aδ2=2ε（am+bm+2ε）
ε=δ/π ㏑（H+δ/δ）
式中，am———铁心柱最大片宽（m）；
bm———铁心柱最大厚度（m）；
H———铁心饼高度（m）；
当铁心电抗器有n个气隙时，其主电感
Lm=W2Λ= W2&0Aδ/nδ
=2πf W2&0Aδ/nδ
=2πf W24πx 10-7 Aδ/nδ
=8π²f W2 Aδ/nδx 106
=7.9 f W2 Aδ/nδx 106
例1-1 已知图1-1所示的三相铁心电抗器的一相铁心柱由7个铁心饼组成，每个
铁心饼高度为h=50mm，每个气隙长度为δ=12mm，w=208；f=50HZ；AZ=471.5cm2 ,
Kdp=0.93；截面圆直径d270mm；am=260 mm；bm=224 mm。求该电抗器的主电抗。=
解： h=50mm=0.05m
δ=12mm=0.012m
AZ=471.5cm2=0.04715m2
am=260 mm = 0. 26 m
bm=224 mm=0. 224m
ε=δ/π ㏑（H+δ/δ）=0.012/3.14x㏑（0.05+0.012/0.012）=0.0063m
Aδ2=2ε（am+bm+2ε）=2x0.0063x（0.26+0.224+2x0.0063）=0.
Aδ1=AZ/Kdp=0.=0.0507 m2
Aδ= Aδ1+ Aδ2=0.257=0.
Xm=7.9 f W2 Aδ/nδx 106=7.9x50x957/8x0.012x106=10.134
第二节 漏电抗计算
在计算铁心电抗器的漏电抗时，不管用本章的哪一种方法。都不考虑铁心柱戒气隙的影响，即把电抗器铁心当作普通变压器铁心处理。
（一）饼式线圈的漏电抗计算
1& 漏磁场分布及磁势分布
饼式线圈的漏磁场分布如图2-1所示。图中画有4根典型的磁力线。在半径为R
处磁力线交链的安匝数为0；当半径大于R2且小于R时，磁力线所交链的安匝数与X/（R-
R2）成正比；当半径小于或等于R2时，磁力线与全部安匝相交链。因此可得到图2-1上部的磁势分布曲线。
图2-1饼式线圈电抗器漏磁场分布及磁势曲线
2& 漏电抗计算公式推导
在漏磁磁路计算中，认为等效磁路长度为
式中，h———线圈高度（m）；
ρL—-—洛氏系数。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
ρL=1-2（BH+S）/兀h
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串联铁心电抗器软件设计与有限元分析
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3秒自动关闭窗口干式带气隙铁心电抗器电感计算方法
0引言干式铁心电抗器具有体积小、损耗低、漏磁小、阻燃防爆等优点,其缺点是电感具有非线性,存在磁滞饱和现象[1-8]。为改善电感的线性度,干式铁心电抗器一般采用带气隙铁心[9-14]。在干式铁心电抗器设计中,电感值的准确计算是关键问题之一。目前,对铁心电抗器电感值的计算一般采用传统解析近似法。该方法在求解带气隙铁心电抗器主电感值时基于简化的磁路,即假设气隙衍射磁通路径为半圆形[15-16],该方法用于求解带气隙铁心电抗器电感值时存在较大误差,在产品生产时需要对气隙厚度进行反复调整,才能达到满意的电感值。为了更加准确地计算主电感可以采用磁场计算法[16-17],该方法假定铁心由无穷多个圆柱形铁心饼—气隙单元串联组成,从而将电抗器磁场近似为轴对称磁场问题,然后采用分离变量法求解其磁场分布。该方法在计算边缘效应系数时涉及到修正贝塞尔函数,计算过程比较复杂。对于大气隙铁心电抗器电感值的计算,文[17]从求解磁场方程出发,在计算中假设铁心是...&
(本文共4页)
权威出处：
带气隙铁心电抗器铁心尺寸计算的代数求根法孙彭年，辛小南，王利川（郑州工学院）摘要：介绍了气隙铁心电抗器设计的一种新方法。它是先设定电抗器的各主要尺寸与铁心柱直径（或宽度）之间的比例关系，然后用这些比例关系以及根据所用材料和电压等级选定的电磁参数和鲍缘尺寸等，分别导出电抗器的心柱、铁轭、气隙和漏磁等各个部分的磁化功率与心柱直径之间的函数表示式，并与所要求的总磁化功率组成三次代数方程式，来求得所要设计电抗器的心柱高度、铁轭宽度、各气隙长度和气隙数等。叙词：电抗器，铁心，产品设计，电磁参数对于带气隙铁心电抗器，目前通用的设计方法是在初步估算出铁心各主要尺寸后，再逐项进行电磁计算，看所得的磁化功率（或电抗值）是否达到所规定的指标。如果不符，则调整某些尺寸，直到达到规定要求为止。这种计算方法的基本特点是通过预定尺寸来计算它是否符合规定的指标。而本文所介绍的方法其基本特点是根据所规定的指标来直接求取满足这一指标的确切尺寸。也就是在设定电抗器...&
(本文共5页)
权威出处：
在交流同步发电机组励磁系统移相电抗器绕组重绕修理后，其电抗值与原装机参数相比有所变化，如果不作调整，直接装机使用，很可能会出现电压调节范围不对或电抗器绕组过热烧损。因此，在重绕装机后应对气隙作适当调整，具体方法及原理如下：（１）正确连接移相电抗器的输出端子。根据机组的外特性，当整定范围为９５％～１００％额定电压时，电抗器连接片接到最大匝数端；当整定范围为１００％～１０５％额定电压时，电抗器连接片接到匝数较少端。（２）通过空载试验，确定移相电抗器的气隙厚度。发电机组满负荷...&
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权威出处：
根据一些企业使用铁心电抗器的反馈结果,上下移动电抗器线圈可使电抗器损耗变化20%以上,改变气隙尺寸也可使电抗器损耗变化接近20%[1]。通常铁心电抗器夹件引起的附加损耗仅占总损耗的2%~4%[2-3],而由于铁心与线圈布局不合理产生的附加损耗可使总损耗增加20%~30%。根据对铁心电抗器磁场的计算与分析,铁心心柱中的气隙大小、气隙与铁饼的关系、气隙布局与线圈的关系都会对铁心电抗器的损耗产生较大的影响。本文用ANSYS软件对干式铁心电抗器的结构进行磁场计算,从而得出了结构参数对铁心电抗器涡流损耗的影响。1铁心电抗器的磁场分布铁心电抗器铁心中的磁通是由外部线圈产生的,铁心被看成良好的导磁体,而磁阻主要来自气隙[4]。为降低附加损耗,铁心柱有若干个气隙与铁饼组成,每个铁饼中的磁场取决于与之相关线圈的安匝数,如图1所示。当每部分安匝数相同,即IW1=IW2=IW3时,相对应铁心部分的磁场近似相等,因此空间磁场不会存在跳过铁饼绕行,故空间...&
(本文共4页)
权威出处：
铁心电抗器的结构主要是由铁心和线圈组成的,铁心柱带有一定数值的气隙。铁心电抗器出厂的电抗实测值一般与额定值之间存在一定的容许偏差。根据国家标准GB/T 11和电力行业标准DL/T 462—1992的规定,并联铁心电抗器在额定电压下的每相电抗值容许偏差为额定值的±5%;中性点接地用的消弧线圈(单相铁心电抗器)在额定电压下最小电感时的电抗值容许偏差为额定值的±5%,其他位置时的电抗值容许偏差为规定值的±10%;高压并联电容器用的串联铁心电抗器为避免主谐波下可能和电容器发生谐振、串联电抗值容许偏差全部为正偏差,例如当额定电抗率大于或等于4.5%时额定电流下每相电抗值容许偏差为额定电抗值的0~5%。对于限流电抗器等其他用途的铁心电抗器来说,电抗值偏差也都有一定的允许范围[1-3]。在产品组装阶段由于线圈的匝数、线圈和铁心的尺寸皆已固定,此时对于铁心电抗器来说,为保证电抗值偏差的合格,唯一有效可调的就是铁心柱中气隙数值的...&
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权威出处：
本刊1983年沁4的“铁心电抗器心柱接地片的安装”一文,介绍的接地片有两个地方存在不足之处。 1.由于绝缘气隙垫片只比心柱凸出2 mm,所以待紧完铁心后再将接地片沿立面奄过来,虽然当时可以做到不与铁心叠片贴紧,但在绕组套装后,容易使弯过来的接地片部分错动位置,则可能与铁心贴靠而造成多点接地, 2.这种接地系统为串联接地,中间有一个环节脱落,就使以后的铁心部分产生悬浮电位而导致对地放电。...&
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