新型磁控电抗器的损耗温升分析

许晖　尹忠东

摘 要：磁控电抗器（MCR）作为一种新型的可控电抗器，其补偿容量可以连续调节，从而实现无功的就地平衡、降低网损。但是损耗和温升限制了其优势的发挥。文章对其损耗和温升进行了全面分析，为其结构优化提供了思路和方法。

关键词：MCR；损耗；温升；磁场

引言

磁控电抗器简称MCR（Magnetic Control Reactor），它是一种容量可调的并联电抗器，基于MCR的磁控式静止无功补偿器主要用于电力系统的动态无功补偿。它利用铁磁材料的磁饱和特性，通过控制绕组上直流激励源的激磁作用来改变铁芯的磁饱和度，进而实现电抗器输出无功功率的连续平滑调节。随着电力系统的发展，电压等级不断提高，对无功的需求也越来越苛刻[1][2]。MCR以其显著的优势，非常适合应用在高压系统的无功补偿中。为突破其损耗和温升的限制，进一步扩大其应用范围，需要更合理的设计其结构。但在实际当中，设计周期长、费用大，这无疑增加了应用成本。为弥补以上不足，文章利用有限元分析软件ANSYS对MCR进行了合理建模，对损耗和温升问题进行了研究。

1 MCR分析

1.1 磁场分析

损耗包括铁损、铜损和杂散损耗。在这些运行损耗中，除绕组的电阻损耗外，其余损耗都是由磁通产生的。而损耗的计算是温度场分析的基础[3]，因此首先需要分析MCR的磁路分布。这里选用的分析对象是单相干式MCR，电压等级为380V，额定电流IN=13A。

为更准确全面的分析MCR，在ANSYS中采用了3D模型，求解方式为瞬态求解法。根据后处理模块得到的磁路分布图可以看出，当只有直流激磁电流时，左右铁心柱的电流方向相反。因此中间磁轭的磁通相互抵消，磁通基本只分布在左右两边的铁心柱上。交流电流处于正向峰值时，左边铁心柱中的交流和直流方向一致，有助磁作用，右边铁心柱中的交流和直流方向相反，有消磁作用。所以左边磁路饱和，右边不饱和，中间铁轭有磁通。交流电流处于反向峰值时，左边铁心柱中的交流和直流方向相反，有消磁作用，右边铁心柱中的交流和直流方向一致，有助磁作用。所以左边磁路不饱和，右边饱和，中间铁轭有磁通。磁感应强度在中间铁芯处的值较小，为0.472T。这是因为中间铁芯没有绕组，仅作为磁路的通道。而在两边铁芯的磁阀处，磁感应强度达到了最大值2.231T，这个时候磁阀已经接近磁饱和。

1.2 损耗分析

MCR的损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗构成。在工频条件下，取向和非取向的低碳硅钢片中磁滞损耗和涡流损耗的大小基本一致。在低频下，工程计算一般采用（1）式：

由式（1）可知，在得出了磁通密度的情况下，就能算出损耗值。这里，用ANSYS软件的单元表和自动计算功能，通过输入相应的参数，得到的涡流损耗为15.76W。由于软件功能的限制，无法显示其各个节点损耗值的分布，只能得出总体损耗，但这并不影响对损耗的分析和理解。由于涡流损耗与磁通密度B成正比，因此我们可以通过磁通密度分布图间接的定性分析损耗的分布，整体的定量分析就可以交给软件自动计算。对于厚度为0.35mm的硅钢片制造的MCR来说，涡流损耗约占磁滞损耗的43%。在额定电压下，铁耗和铜耗的值相当。因此可利用这个比例算得，此MCR的总损耗为：

此MCR的容量为3000VAR，可知此损耗占容量的百分比为1.9%。MCR损耗的理论值占总容量的1%至2%左右，因此这个值可以认为是合理的，可以为设计新结构的MCR以减小损耗提供对比数据。

1.3 温升分析

温升主要是由MCR运行中所产生的损耗引起的[4][5]。这里把磁场中求得的损耗焦耳热作为生热源，并通过ANSYS耦合模块加载到温度场分析中。在不影响精度的情况下，做出了以下简化：（1）远离绕组的空气温度恒定，相对压强为零；（2）认为空气为理想气体，其参数不随温度和压强而变化；（3）忽略匝间绝缘、垫块、夹件。铁芯温升数学表达式为：

式中：Tc为铁芯温升；qc为铁芯的有效表面负荷；Pc为铁芯损耗；Sc为铁芯有效散热面积。

在温度场分析前，读入磁分析结果库中的数据，作为载荷施加在实体模型上。通过耦合场求得的温度分布图中可知：铁芯的温度分布并不均匀，从低端到顶端的总体温度呈又高到低，又由低到高的马鞍形分布。通过温度和磁场的路径分布图可以看出，其分布规律和趋势基本一致，这是由于磁滞损耗与磁场强度成正比，涡流损耗与磁通密度成正比，温度又与损耗成正比。因此在磁饱和区域，温度较高。其余未饱和区域，温度较低。

2 结束语

从以上分析可知，磁饱和的位置为磁阀处。此处的损耗的温升都为最高值，属于运行薄弱环节。因此在运行中应加强此处的检测和管理。在结构优化设计中，应该着重改进此处的结构，降低此处磁场强度。

文章所建立的三维模型，可以为MCR的结构优化设计提供建模方法和理论依据。同时也能缩短设计周期，降低设计成本，为提高产品质量和经济效益有积极意义。

参考文献

[1]余梦泽，陈柏超，田翠华，等.采用磁控电抗器的静止型高压动态无功补偿装置[J].高电压技术，2009，35（7）：1770-1775.

[2]甘艳，阮江军，陈允平.一维有限元与三维有限元偶合法在接地网特性分析中的应用[J].电网技术，2004，28（9）：62-66.

[3]代忠滨.干式空心电抗器损耗及温度场研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2012.

[4]Jansak L，Zizek F，Jelinek Z，et al.Loss analysis of a model transformer winding[J].IEEE Transactions on Applied Super Conductivity，2003，13（2）：2352-2355.

[5]Rahimpor E，Azizian D.Analysis of temperature distribution in cast-resin dry-type transformers[J].Electrical Engineering，2007，89（4）：301-309.