油浸式并联电抗器结构分析及设计优化措施

宫林平

摘 要：本文以油浸式并联电抗器产品结构分析为出发点，阐述了在并联电抗器结构设计方面可采取的优化措施，通过研究并联电抗器产品的结构特点，并在并联电抗器的产品设计中加以运用，已经有国内外多台并联电抗器产品的成功投运。在总结了这些产品取得的研究成果的基础上，进行结构设计优化，使我公司的并联电抗器技术性能指标达到同行业先进水平。

关键词：并联电抗器 结构特点 优化措施

中图分类号：TM472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（c）-0096-02

我公司生产制造电压等级从10kV到1100kV，容量从10kvar到200Mvar的电抗器类产品。从国内电抗器产品在结构设计过程中，经过了认真的验证和评审，保证了后续生产的顺利实施和产品试验一次合格。通过一系列国内电抗器项目产品的试验，为我公司承接出口国外大批量电抗器的产品结构定型，打下了坚实的基础。电抗器的总体结构方案都进行了严格的验证计算，同时在设计过程中严格考虑产品在运输及运行过程中的安全可靠性。

1 产品结构特点

在保证绝缘性能长期运行可靠的情况下，电抗器类产品的特点是振动、噪声和局部过热，因此我公司产品结构特性主要保证振动、噪声和局部过热，下面将从上述几个方面进行分析。

1.1 铁心结构

铁心结构是产品磁路的基本保证，同时更是保证电抗器产品损耗、振动和噪声指标的关键，为了使结构设计、生产过程中得到更好的管控，经过分析并联电抗器的产品结构特点，制定了以下方案及措施。

1.1.1 厚轭结构

铁芯结构采用大厚度铁轭结构，端部没有大饼，器身端部磁屏蔽结构，用铁轭厚度来屏蔽主漏磁空道。如图1所示，图中铁芯饼和线圈之间的距离为主漏磁空道，多数漏磁通在这个空道中流通。当加厚铁轭后，铁轭将吸引这些漏磁通，阻止漏磁通流向别处。防止由漏磁通引起的局部过热现象，并大大降低了产品的损耗。

1.1.2 夹紧结构

以三相五柱式的铁心结构为例，包括三个铁芯柱，两个旁轭，上轭、下轭。铁心的旁轭和下轭由U型夹紧装置和M16穿心螺杆夹紧，上轭由夹件装置和穿心螺杆进行夹紧，其中上下轭、旁轭采用双排穿心拉螺杆进行夹紧。两旁轭上端由可拆卸下的短硅钢片叠成，当压紧心柱铁芯饼时，两旁轭上端部断开，使上轭仅由心柱铁芯饼支撑，从而使压紧力完全作用在心柱上，这种结构也是我公司多年来的成熟结构，在压紧方面有丰富的成熟的经验，确保铁芯饼压紧，减小振动，降低噪声。心柱由多个铁芯饼和多个气隙分隔组成，每个铁芯饼在交变磁通作用下在两个断面产生磁极，铁芯饼与饼在交变磁通流过时互相吸引和排斥产生振动，硅钢片的磁滞伸缩也要引起铁心的振动和噪声，所以电抗器的铁心结构设计不仅要保证磁路饱和特性，还要保证铁心的低振动和低噪声。

1.1.3 铁芯饼叠装

铁芯饼在专用的真空压力浇注模具中进行真空度为13Pa以下的真空压力浇注环氧树脂，使铁芯饼与气隙大理石块牢固地粘结成一个整体。精加工的专用浇注模具能确保铁芯饼的制造精度，使心柱所有铁芯饼摞迭一起后保证了彼此之间的吻合度。确保铁心柱的压紧，降低了电抗器振动和噪声，增强运行的安全可靠性。同时对铁芯饼叠装工艺进行优化，提高叠装效率。

1.1.4 铁心磁密控制

由于铁心磁密关系到产品的噪声和重量、损耗等重要性能指标，特别是噪声控制，经过与其它厂家产品对标后，综合考虑将来现场运行的各供应商产品的优势，铁心及铁轭材料采用具有高导磁，低损耗，低噪声的优质晶粒取向冷轧硅钢片，并在满足性能要求的前提下，选取合适的铁心磁密进行合理优化设计。

1.2 器身绝缘结构

根据多年的科研成果和已生产投运电抗器的设计生产实践经验，主绝缘采用薄纸板小油隙的绝缘结构，并计算隔板的数量直接影响油隙的电气强度差别，进行优化选取。利用引进的计算程序精确地计算出主绝缘电场分布和各种的复合电场强度。根据等场强的原则来调整绝缘结构，确定各部位的电极曲率，绝缘覆盖厚度，角环的放置以及特殊部位的电场屏蔽措施，使各处场强趋于均匀，且留有相当的裕度，使绝缘结构设计合理，保证产品的绝缘可靠性。在线圈端部结构上采用成型绝缘件，保证绝缘及其尺寸的稳定性，以及油隙的尺寸，从而保证了油隙的电气强度。保证隔板及成型绝缘件的形状稳定、材料的纯度，避免隔板发生沿面爬电。

为使所有的漏磁通都沿着所规定的通道流通，在上下轭的夹件上安装磁屏蔽，在线圈对应的油箱壁上安装磁屏蔽，其与加厚的铁轭形成一个全方位的漏磁通通道。完全杜绝了该漏磁通进入夹件、油箱等金属结构件中，消除了由漏磁通引起的局部过热现象，并大大降低了损耗。

1.3 引线结构

（1）引线首端出线结构：以往的高电压等级电抗器产品，其高压引线一直采用出线绝缘结构，其成本占据了一定的比例，经过对比分析不同厂家并联电抗器的产品引线结构，确定了此项目产品高压引线采用均压球纸浆方案，大大简化了首端出线结构。

（2）引线出线位置：经过对同侧出线实际布局，综合整体性能和运输风险，最终采用两侧出线的具体因素。同侧出线，中性点套管要在油箱侧壁出线，升高座部位的振动大，对中性点引线长期運行不利。

由于高压套管的绝缘装置设计方案是固定在本体内运输，这样节省了大量的运输筒的制作和运输量，两侧出线避免了同侧出线运输过程中，出线绝缘一旦松动撞击损坏的风险。

两侧出线要加平衡绕组，其重量是很少的，实际上平衡绕组不仅是为了避免穿窗造成的损耗、噪声差异，同时对两旁轭在叠片时造成的工艺偏差也有平衡作用。特别是国外用户要求的油箱结构与国内产品要求的视察窗和人孔布局有特殊之处，为确保油箱整体振动性能，中性点出线在另侧想盖上是非常合理的。

1.4 主、纵绝缘结构

绕组线圈结构采用纠结、内屏、连续式、中部出线，各段中的匝数尽可能采用接近等匝分布，减少内、外垫，提高导线的填充率。

根据雷电冲击梯度电压分布及雷电冲击爬电梯度分布计算及电场强度计算结果定线圈的绝缘结构，充分保证线圈的抗冲击能力和耐电能力，线圈匝间工作场强控制在2kV/mm以下。

线段采用优质的大宽度组合铜导线，以增大高压线端的线匝间电容量，有效的改善线圈的冲击电位和梯度的分布。末端采用小厚度的优质铜扁线制成的换位导线，以降低漏磁通引起的涡流损耗，避免过热。

线圈设置横向油道和轴向油道，确保线匝的散热降低线圈温升，避免过热，由于出口项目产品的温升要求较低，将线圈的轴向油道进行了调整，将“之“字型的油路改为上下对齐的层间油道。

在国外重点项目方案确定时，为确保产品绝缘长期运行的可靠性，在国内电抗器产品的成功经验基础上，同时考虑到套管周围绝缘安装和运输的方便，套管中心到绕组和箱壁的距离充分考虑了电抗器能承受1.05～1.5倍额定电压反复工频过电压无故障的要求和工频耐受电压试验要求，套管中心到绕组的距离比以往大大缩短，并且到箱壁的距离不变，调整后能够保证此引线结构是安全可靠的，同时也节省变压器油，降低成本。

1.5 油箱结构

关于油箱结构的确定，除了要保证正压和真空强度要求外，主要考虑产品的振动，噪声的传递控制，通过我公司多年来的油箱制造经验以及与其它厂家结构的振动噪声指标对比后，采用了筒式油箱结构，采用槽形折板加强铁加强油箱，此结构具有以下特点：

（1）由于筒式油箱的箱底是一块铁板，在产品实际安装，运行时能与平面基础有效接触，利用基础具有吸噪声作用来减少现场噪声；

（2）筒式油箱的布局是以器身中心对称的，电抗器产品采用对称布置，对振动、噪声的传递起到均衡作用；

（3）根据磁通分布，油箱内部只在低压侧放置磁屏蔽，保证了油箱无局部过热；

（4）油箱槽形加强铁中加装阻尼物质，可降低产品振动及噪声。

2 其他改进措施

2.1 整体外观结构改进措施

将并联电抗器上所有的仪表全部从本体上移入端子箱中，便于现场维护人员的观察和安装，同时也避免了由于并联电抗器振动引起的仪表误动作。

2.2 降低本体振动和噪声措施

改进铁心夹紧力及穿心螺杆扭矩，改进线圈压紧力，采用常温固化的Arldit 2014 叠装粘合铁芯饼，检查饼间粘接牢固后装配线圈。

2.3 器身固定及压紧力改进措施

针对国内项目现场安装过程曾出现过的旁轭拉杆松动，压钉松动，磁屏蔽扇形垫块开裂，压板垫块松动等现象，在后续项目产品上都采取了螺杆铆点，垫块螺杆拔桩固定等措施，并对产品在持续振动状态下可能引起的螺栓、螺杆、接地紧固件松动等进行了结构设计加强措施。

3 结语

通过开发研制高电压等级并联电抗器，进一步掌握了超高压并联电抗器的核心技术，以建设的国内工程为依托，研制具有独立自主知识产权的，技术先进的并联电抗器，满足电力事业的发展需求，在保证绝缘性能和长期运行可靠性的基础上，使产品的振动和噪声指标达到国际领先水平，使之既满足实际工程产品技术性能指标要求，又做到經济、合理。

参考文献

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[2] 崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1995.

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