正交鐵心式可控電抗器損耗分析

蔣雷敏+李佶

摘 要：在當(dāng)今電力系統(tǒng)中，可控電抗器占據(jù)著十分重要的地位，它能應(yīng)用在控制電力系統(tǒng)電壓和無功功率補償?shù)戎T多方面。可控電抗器的應(yīng)用與發(fā)展，為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量做出了巨大的貢獻(xiàn)，因此對其損耗進(jìn)行分析應(yīng)是一個需要重點研究的問題?；诖?，文章選取正交鐵心式可控電抗器進(jìn)行研究，深入分析其結(jié)構(gòu)和基本原理，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)其損耗情況，提出不同損耗種類的解決措施，為可控電抗器的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：正交鐵心；可控抗電器；損耗分析

前言

伴隨著電力系統(tǒng)的技術(shù)水平不斷提高，可控電抗器在動態(tài)的無功補償、自動調(diào)諧消弧圈等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用?？煽仉娍蛊鞯姆N類有直流可控電抗器以及正交鐵心式電抗器兩種。其中直流可控電抗器控制簡便、工作性能可靠；而正交鐵心式電抗器是由固有的磁路構(gòu)成，具有近似線性的控制特點以及相對較低的諧波含量。通過改變鐵心的結(jié)構(gòu)控制磁路的方向，對計算其損耗具有重要的意義。文章重點研究正交式電抗器的損耗，并尋求減小損耗的具體方法。

1 正交鐵心式可控電抗器的結(jié)構(gòu)和原理

正交鐵心式電抗器是由兩個形狀完全相同的U型鐵心旋轉(zhuǎn)90°角之后連接而成的，可控電抗器兩個繞組被分別固定在了兩個U型的鐵心上。為了在工作運行中能夠充分利用到鐵心的磁性，需要選用合適的結(jié)構(gòu)以及尺寸比例，如果鐵心的各個部位呈現(xiàn)出不均勻磁化，或鐵心磁路的個別段磁化方向和材料的最易磁化方向不一致，將會在很大程度上影響鐵心的性能[1]。選擇鐵心的機構(gòu)和幾何比例尺寸時要始終堅持以下的原則：首先要充分利用材料原有的磁性能，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，要使鐵心的體積和重量最小化，最后才是考慮其經(jīng)濟(jì)性和工藝性。

在工作運行中，當(dāng)電抗器控制繞組中沒有控制電流通過時，鐵心中就只存在單一的磁通，由于對稱性等原理，在控制繞組中不會發(fā)生耦合磁通的變化，也就是說電抗器的主繞組對控制繞組沒有耦合[2]。調(diào)節(jié)控制繞組中的電流能夠有效改變磁通的方向，對電抗器內(nèi)總磁通有間接影響作用。兩個正交鐵心接觸面的磁通主要由兩部分組成，一是主繞組所加的交流電源產(chǎn)生的交變磁通；另一種是直流控制繞組兩端的直流電源所產(chǎn)生的直流磁通。直流磁通對于電抗器控制特性的影響很大，其控制著鐵心接觸面的磁通飽和度。

2 正交鐵心可控電抗器的有限元分析

正交鐵心式可控電抗器的有限元，是準(zhǔn)確分析磁場的重要工具之一。對于有限元的分析方法，就是要將所分析的區(qū)域分割成多種很小的子區(qū)域。在這些小的子區(qū)域當(dāng)中，要選取適當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，對其進(jìn)行電磁場的問題求解。最后再將整個區(qū)域當(dāng)中的結(jié)果求和，進(jìn)而計算出整個所求區(qū)域的解。對正交鐵心式可控電抗器的有限元進(jìn)行科學(xué)的分析，不僅能夠了解到電氣系統(tǒng)的關(guān)系，同時可以全面掌握磁通分布的情況，對可控電抗器的損耗程度研究具有重要的指導(dǎo)意義。

在研究其有限元時，可以通過ANSYS軟件建立出正交鐵心式可控電抗器有限元仿真實體參數(shù)以及鐵心的有限元網(wǎng)格劃分。和其他電力器件的有限元分析相類似，正交鐵心式可控電抗器的有限元分析瞬變電磁場一共分為三個步驟，分別是建模步驟、加載分析步驟以及后處理步驟[3]。在ANSYS的軟件中，可以采用軟件中自帶的三維建模工具按照實際模型的真實尺寸，描繪出正交鐵心式可控電抗器的三維立體圖形，并根據(jù)加載工具對電抗器的繞組進(jìn)行加載分析，最后利用分析所得出的數(shù)據(jù)采用后處理的工具在圖形界面當(dāng)中直接描繪出繞組中的電流電壓的波形和鐵心當(dāng)中的磁通分布情況。在兩個鐵心的四個交界點中，磁通的密度空間和時間是相互對稱分布狀態(tài)時，其他部分地磁通密度就會比較小。因此，在對可控電抗器的損耗情況分析時，只需要考慮到四個交界點的磁阻，而忽略其他部分的磁阻即可。只有兩個U型鐵心的交界部分在調(diào)節(jié)的過程當(dāng)中處于飽和的狀態(tài)，此時的正交鐵心式可控電抗器的損耗程度最小。通過對磁場的調(diào)節(jié)，能夠控制電抗器的損耗情況。而針對不同的損耗類型，也有著不同的解決方案。

3 有效降低正交式可控電抗器的損耗措施

3.1 銅損損耗

要想降低可控電抗器的銅損損耗就要減小繞組的電阻，在實際操作中分具體分為：選用低電阻的無氧銅導(dǎo)線，加大繞組當(dāng)中的導(dǎo)線截面來降低繞組的電阻。但如果繞組的導(dǎo)線截面加大，會在一定程度上使渦流的損耗增加，因此降低可控電抗器的銅損損耗時，還要考慮到不加大導(dǎo)線的幅向厚度。通過增加每匝繞組的磁通量，也是減小繞組電阻的重要途徑。

增加每匝繞組的磁通量，通常情況下可以采取兩種方法：一種是加大鐵心的直徑，在可控電抗器的結(jié)構(gòu)中，其阻抗和繞組匝數(shù)的平方呈正比關(guān)系。盡管在實際的操作中增加每匝繞組的磁通量需要考慮會隨著鐵心的截面增加而加大的鐵損和會隨著繞組長度增加而增大的銅損，但是這種方法無疑是最簡單有效的。如果在減少電抗器損耗情況的措施中通過增大鐵心來實現(xiàn)，那么電抗器的自身體積也會增大，這種情況會加重成本上的負(fù)擔(dān)[4]。另一種增加磁通量的方法是增加繞組磁通的密度。但是在磁通密度增加時，相對而言鐵損也會加重，而電抗器在工作中的噪聲和振動也會隨之增加。在這個方法中，由于鐵心疊片系數(shù)的提高以及繞組絕緣的改善，電抗器的體積變小，鐵心質(zhì)量就會減輕，鐵損就會降低；而繞組的平均直徑減小，相對而言銅損也會降低。

3.2 鐵損損耗

在正交鐵心式可控電抗器中，鐵損損耗分為磁滯損耗以及渦流損耗。根據(jù)鐵損的計算公式來分析，可以得知鐵損的總面積等于鐵心單位的損耗和鐵心質(zhì)量的乘積，因此在對降低電抗器的鐵損應(yīng)該要考慮到以下幾個方面的內(nèi)容：首先，在實際工作中要采用單位損耗比較小的冷軋取向性硅鋼片。為了能夠充分利用到這個特點，還可以在具體的運用中使磁通的方向和硅鋼片的軋制方向保持一致。其次，要有效減小磁通的密度，磁通密度的減小能在很大程度上使鐵損損耗降低，但在另一方面也會使繞線匝數(shù)增加而讓電阻的損耗也增加，因此從整體上來看，總體損耗也在增加。

在由電抗器的邊緣磁通所引起的渦流損耗中，邊緣磁通的分布是由每一個氣隙的長度來決定的，因此說減少氣隙的長度就能降低渦流損耗[5]。對于正交鐵心來說，渦流的損耗程度與磁通所垂直方向的硅鋼片寬度的平方成正比關(guān)系，由此看來，和磁通成垂直方向的直角面小的輻射形鐵心對渦流損耗具有理想的抑制作用。

4 結(jié)束語

文章通過分析正交鐵心式可控電抗器的結(jié)構(gòu)和原理，能夠有效分析其有限元。而通過在ANSYS軟件中對其有限元進(jìn)行分析，能夠得出電抗器的磁場分析比較以及損耗的情況對比。針對正交鐵心式可控電抗器的各類損耗類型總結(jié)出解決的方案，能夠在很大程度上降低電抗器工作過程中的損耗率，從而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]牟憲民，王建賾，紀(jì)延超.正交鐵心可控電抗器原理分析[J].變壓器，2013，6（24）：27-29.

[2]牟憲民，王建賾，魏曉霞.新型正交鐵心可控電抗器[J].中國電機工程學(xué)報，2013，7（21）：57-62.

[3]王子強，尹忠東，周麗霞.基于ANSYS的可控電抗器磁路結(jié)構(gòu)與損耗分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，12（4）：168-172.

[4]魏曉霞，胡曉光，劉杰.基于平面結(jié)構(gòu)的正交可控電抗器磁通特性分析方法[J].電子器件，2012，11（4）：828-832.

[5]王建賾，紀(jì)延超，魏曉霞.可控電抗器現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].電氣應(yīng)用，2013，4（30）：1-4.endprint