叠积式油浸铁芯串联电抗器电抗值偏差及控制措施探讨

张燕华　颜红岳　王小娟　沈钰伟

摘  要：文章重点阐述了铁芯电抗器中气隙的重要性及电抗值在设计及制造过程中的注意事项，通过参数的经验设计、部件加工的偏差控制、试验的预期调试等方法最终达到电抗值偏差控制的效果。

关健词：铁芯电抗器;电抗值;偏差;磁阻

中图分类号：TM47         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）07-0129-03

Abstract： This paper focuses on the importance of the air gap in the iron core reactor and the matters needing attention in the design and manufacture of the reactance value. The effect of reactance deviation control is finally achieved by means of empirical design of parameters， deviation control of component processing， expected debugging of test and so on.

Keywords： iron core reactor; reactance value; deviation; magnetoresistance

前言

電抗器又被称作电感器，是一种动态能量存储元件，当电路工作于不同的模式下，电抗器不仅起到存储电能的作用，同时也可释放所存储的电能。当电抗器与电容器串联时，起到限制合闸涌流及抑制谐波的作用。为了限制合闸涌流，一般配置电抗率1%的串联电抗器。但当系统中含有高次谐波，就要配置不同电抗率的电抗器，电网背景谐波为五次及以上时，这时一般配置电抗率为5%的电抗器，电网背景谐波为三次及以上时，这时一般配置电抗率为12%的电抗器，这样不仅可以限制合闸涌流同时还可以抑制谐波。

电抗值选定在无功补偿装置中起到至关重要的作用。尤其对于串联电抗器来说，电抗值一旦偏离范围，就有可能造成谐振，后果极其严重。电抗率为5%的电抗器，用以抑制5次谐波，它的谐振频率为223Hz，离5次谐波频率250Hz较近。而电抗率为12%的电抗器，用以抑制3次谐波，它的谐振频率为144.5Hz，离3次谐波频率150Hz则更近。这时电抗值的偏差控制在电抗器设计值中更是重中之重。对于铁芯电抗器来说，受到磁性材料本身特性的影响，电抗值会随着磁导率变化而变化，此时需要引入气隙，本文先从铁芯电抗器引入气隙的意义论述，再介绍35kV及以下叠积式油浸铁芯串联电抗器是如何在设计及制造过程中保障电抗值达到预期要求的。

1 铁芯电抗器引入气隙的意义

磁阻与材料的相对磁导率相关。应用于磁性材料中的磁场强度是非线性的。无气隙时，磁通被限制在磁心内部，一个具有足够多匝数的小电流线圈就很容易使磁心饱和。有气隙时，由于气隙的磁阻远大于磁心磁阻，此时气隙中的磁场强度比磁心内部的磁场强度大的多，同时能量大部分被存储在气隙中。因而提高了系统的储能能力，这时将需要更大的电流才能使磁心饱和。

我们知道，在磁学中磁导率μ代表材料导通磁通的能力，是磁通密度B对磁场强度H的比值，即μ=B/H。在给定磁感应强度的情况下，磁导率体现的是磁性材料能够被磁化到这个磁感应强度难易程度。一方面，具有高磁导率的磁性材料对温度、压力、励磁电压和频率都很敏感;另一方面，电感的变化与磁导率的变化成正比，同时电感的变化将对励磁电流有影响。因而电抗器应该有一个稳定的磁导率即等效磁导率μeff。把气隙引入磁路中，将获得减小并且稳定的等效磁导率。

假定气隙长度为g，分布的整个磁心的长度为Lc，那么磁心的等效磁导率将由μr（相对磁导率）减小到等效磁导率μeff。当相对磁导率μr>>1时μeff≈Lc/g。由于气隙的引入，使得等效磁导率大大降低，这样最大磁通密度Bm可以达到饱和磁通密度Bs。由于气隙存在，随其面积的增加，带气隙磁心所存储的能量也随之增加，大多数磁性材料特性随着温度、磁通量大小、样式、厂家不同而不同。气隙可以减少整体电感对这些参数的依赖，使电感值可计算性增加。气隙满足μeff<<μr，则与磁饱和、磁滞、矫顽力相关的问题都被弱化。总结带气隙磁心优点：（1）磁饱和情况发生于更大的电流值出现时刻;（2）基于现有的电感量，能够存储更多的能量;（3）电抗值受不同磁心特性的影响变小。

当包含固定气隙的电抗器正常工作时，磁心中的磁感应强度小于饱和值，此时电抗值是恒定的，并且该电感值由气隙的长度直接决定。通常设计的铁芯电抗器气隙采用分布式结构。这样做的优点有：（1）单个气隙减小，具有更小的边缘磁通量;（2）电磁干扰影响将会下降;（3）边缘效应的线圈损耗将会减少;（4）当达到饱和（μeff≈μr），磁心磁导率μ下降，导致电感值降低。由于气隙是离散的，这样影响会降低。因为与磁心初始磁导率相比，磁心固有磁导率会更高一些。

2 铁芯电抗器额定电抗计算及气隙分布

2.1 电抗值计算

当铁芯电抗器的线圈中通以交流电流时，它就产生两部分磁通。一部分是主磁通φm，它沿铁芯磁路（脚部铁芯、气隙、轭铁）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（或者油）闭合。主磁通所对应的电抗称为主电抗Xm，而漏磁通所对应的电抗称为漏电抗。

铁芯电抗器的电抗XK为主电抗和漏电抗之和XK=Xm+Xσ。

根据电抗计算公式可以得出：当频率f、圈数W、铁芯截面积Aδ确定后，能对电抗值进行调整的部分只有气隙长度δ。可见，气隙长度成为电抗值精确度的关键。

按照电抗器设计程序分别计算出铁芯截面积、线圈圈数、铁芯气隙总长δ∑等参数。考虑电抗偏差范围在（LA%～LB%），设计时电抗的目标偏差值按照（LB%-LA%）/2偏差计算。因此，实际间隙总长。

2.2 铁芯柱中各个气隙分布原则

根据气隙中的磁阻可以看出，气隙长度越大，磁阻越大，磁场储能越大。此时边缘磁通也会增大。边缘磁通将依气隙的长度向远离气隙的方向扩散。如果励磁导线在磁心上并且包裹着气隙，围绕着励磁导线产生的磁通将迫使边缘磁通回到磁心中。因此，气隙要求分布在有励磁导线的部分。由于铁芯柱中部磁力线较集中，而头尾靠近轭部位置则开始发散，因此，每柱气隙长度分布以芯柱中间厚，两边薄为原则。由于气隙附近的边缘效应，使铁芯中向外扩散的磁通一部分在进入相邻的铁芯饼叠片时，与硅钢片平面垂直，这样会引起很大的涡流损耗，可能形成严重的局部过热，所以铁芯块高度一般要求尽量低。单个气隙长度要小。

3 为保证电抗值，对气隙及铁芯组装的工艺要求

3.1 气隙板厚度偏差要求

在铁芯组装前，将每相气隙板按照图纸要求全部叠装放置在同一水平面上，并用C型夹固定，测量每相氣隙板总厚度，控制总厚度偏差在工艺规定偏差之内，调整完毕后记录三相气隙板总厚度及调整气隙板的厚度并标识，以便组装时不会混淆。

3.2 铁芯加工及叠装要求

铁芯的不平整会增加气隙，导致实际电抗值比设计电抗值偏大。因此，硅钢片的加工尺寸要满足图纸要求，尺寸公差要满足工艺要求;铁芯的叠装需要在平整度极高的平台上完成，以保证铁芯块表面的平整度。

3.3 铁芯柱总长

为保证三相电抗值平衡，需要控制三相铁芯总长度偏差。工艺：在铁芯组装完成后，通过双头螺栓将上铁芯与下铁芯组装并预加扭力后，测量三相铁芯柱的总长。控制三相铁芯柱总长在规定偏差内。

3.4 铁芯压紧扭力要求

铁芯与线圈的紧固方式通过双头螺栓来实现。线圈与铁芯组装后，逐步对称施加扭力，以保证铁芯受力的均匀性。

4 电抗值初步试验

4.1 初步测定电抗值试验（即产品装箱前）偏差范围指定

为确保成品电抗值在标准偏差范围内，对42台初步测定电抗值与成品状态电抗值偏差进行比较，试验和分析数据见表1和表2，分布图见图1和图2。

从图1、图2可知，△X（成品电抗值-初步测定电抗值偏差）主要集中出现在0～1.5%范围内，在-0.5～2%范围内，累计概率可达100%。以DL462-1992标准要求为例，电抗器成品状态电抗值偏差范围为0～5%，初步测定电抗值偏差为0.5～3%的范围时，成品状态电抗值合格率为100%。

4.2 电抗值初步试验

铁芯与线圈组装、接线完毕后，需在器身状态进行电抗的初步测定，试验前需对试验电源的三相一致性进行检查，防止由于电源的不一致性导致电抗的偏差不符合要求。

通过电抗测试，得到电抗的初步数据，如不符合初步电抗值判断范围，可按下述方法进行调整：

（1）计算出三相电抗偏差的平均值

（2）计算调整后的气隙总长

（3）计算可变气隙长度

如果三相电抗值偏差超过±2%，需检查三相电源的一致性及铁芯组装三相芯柱高度（含气隙板）。芯柱高度检查方法是：首先测量三相芯柱高度值是否偏差过大。如三相芯柱高度偏差在合理范围内，则通过在可调气隙板间增加复印纸后，增紧压力后，检验复印纸的痕迹，来确定各相铁芯的受力是否均匀。

5 结论

本文主要介绍了铁芯电抗器电抗值控制的重要性及控制的关键点。由电抗值计算公式可以看出，电抗器在频率、圈数、铁芯截面积确定后，铁心柱的气隙长度可以计算得出。此时，电抗值的偏差控制取决于气隙长度和铁芯平整度的控制。通过电抗器初步试验，可以确保电抗器制品试验时电抗值偏差的合格率，进一步提高了工效及生产周期。

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