干式空心限流电抗器连接环发热原因分析及改进措施研究

郭坤，樊得平，王川，周广东，王恒帅

（山东泰开电力电子有限公司，山东 泰安 271000）

0 引言

随着电力系统的不断发展，电网容量和用电负荷越来越大，造成短路电流不断增大，系统中安装限流电抗器的容量也不断增大，大型限流电抗器电流已达5 000 A，这样大的电流即使阻抗很小，向周围发散磁场也很大，造成电抗器周围金属附件，包括星架臂和连接环、围栏、接地扁铁等发热严重，不仅损耗大幅增加，而且对产品安全运行造成隐患，甚至引发电抗器故障[1-9]。广东东莞某站户内运行的10 kV 干式空心限流电抗器，在满容量运行时，连接环的温度达到160℃以上，严重影响设备安全运行。

本文采用ANSYS workbench 多物理场有限元分析软件对限流电抗器（型号：XKGKL-10-4000-10）的星臂和连接环进行建模，同时对损耗和温升进行有限元分析和预测，提出了加装导磁装置、优化尺寸结构等措施，加装导磁结构可以降低连接环位置的磁感应强度、通过优化尺寸结构减小金属件垂直于磁场方向的尺寸，达到降低连接环损耗和温升的目的，根据仿真和试验结果，此方案可有效降低产品附加损耗、降低温升[10-12]。

1 电抗器星臂与连接环损耗和温升计算

干式空心电抗器的物理性质和特殊结构决定了电抗器运行时，在其周围产生比较强烈磁场，电抗器连接环处于强磁场中会在内部产生涡流，其中连接环除产生涡流外，还形成一定数值的环流，从而产生发热现象[13-20]。

1.1 磁场分布特性描述与损耗温升的关系

在线圈端部，距离线圈很近的地方，尤其是中心轴线附近，磁场线以轴向为主，径向分量非常小，所以星臂和连接环的涡流损耗主要是轴向磁场产生的，而且磁场比较均匀。根据电磁场理论，在这种条件下每小段铝板的涡流损耗可由下式确定：

式中：P为涡流损耗；ρ为电阻率；f为频率；I为电流；B为磁感应强度；σ为铝板厚度；b为铝板宽度。

铝板等效模型见图1。

图1 铝板等效模型Fig.1 Equivalent model of aluminum sheet

根据热传导理论可知，连接环在空气中的温升与损耗P和散热面积关系公式为式中：ΔT为温升；k为温升系数；ρ为损耗；s为截面积。

通过公式（1）可以准确计算出连接环的损耗p，温升系数k与发热体的材料、尺寸、厚度、摆放型式等有关，通过具体试验才能确定。

1.2 计算分析与对比

1.2.1 电抗器基本参数

电抗器基本参数见表1。

表1 XKGKL⁃10⁃4000⁃10干式空心限流电抗器基本参数Table 1 Basic parameters of XKGKL⁃10⁃4000⁃10 dry type air core current limiting reactor

1.2.2 仿真和试验结果

根据XKGKL-10-4000-10 干式空心限流电抗器设计方案，分别对电抗器连接环（含星臂）的磁场分布、损耗情况进行仿真，分析结果见图2。

图2 电抗器磁感应强度分布和星臂涡流损耗密度分布Fig.2 Distribution of magnetic induction intensity and eddy current loss density of star arm in reactor

现场实际运行过程中，利用热成像仪拍下限流电抗器温度图见图3。

图3 电抗器运行时连接环测量温度Fig.3 Measurement temperature of the connection ring in the operation of reactor

根据现场测量温度，确定ANSYS workbench 温度场仿真中的热辐射系数，仿真结果见图4。

图4 连接环温度仿真结果Fig.4 Simulation result of temperature of the connection ring

将连接环断开可以避免形成环流，计算连接环是否开断口两种情况下连接环的损耗和温升见表2。

表2 连接环有无断口情况下的损耗和温升Table 2 Loss and temperature rise of connection ring with or without fracture

根据表2 计算结果，对10 kV 干式空心限流电抗器，连接环开断口后对温升的影响有限，说明造成连接环温升高主要是自身涡流损耗引起的。

2 抑制连接环发热的措施和试验验证

限流电抗器连接环发热主要的原因是在磁场作用下产生的环流和涡流，同时星臂发热，对连接环也有传导作用，因此可从以下3 个方面来降低连接环的温升。

1）将连接环闭合回路切断，消除连接环的环流。

2）在连接环周围加装磁屏蔽装置，降低连接环所处位置的磁感应强度，从而降低连接环的涡流损耗。

3）通过增加星臂和连接环的高度，减小星臂和连接环的厚度（保证载流量不变），减小附加损耗。

2.1 正常状态下连接环温度情况

以XKGKL-10-4000-10%为例进行厂内试验，分别施加2 000、2 300、2 600、2 900、3 200、3 500、3 800、4 000 A 电流，连接环温度稳定后，温度情况见表3、图5。

表3 未采取措施时星臂和连接环温度（环境温度28 ℃）Table 3 Temperature of star arm and connecting ring without taking measures（at ambient temperature 28 ℃）

图5 热成像仪测温图Fig.5 Thermograph of thermal imager

2.2 加断口情况下连接环温度情况

连接环加断口后可消除连接环自身环流产生的附加损耗，降低连接环温升。试验电抗器型号与2.1 相同，试验结果见表4、图6。

图6 热成像仪测温图Fig.6 Thermograph of thermal imager

表4 未采取措施时星臂和连接环温度（环境温度26℃）Table 4 Temperature of star arm and connection ring without taking measures（at ambient temperature 26 ℃）

根据2.1 和2.2 试验结果对比，将连接环开口断开后，不同负荷下，连接环的温升仅降低了3~5 K，远未达到预期的数值，切断口方案降低温升的效果不明显，说明环流损耗占比较小，不是造成温度升高的主要原因。

2.3 增加磁屏蔽装置

2.3.1 磁屏蔽装置原理

连接环附近磁场聚集是造成连接环温度过高的原因，将导磁装置安装在连接环附近星臂上，每个星臂两侧各有一个，将穿过连接环的磁场导出，对连接环形成屏蔽，进而降低连接环温升，导磁装置安装见图7，磁屏蔽装置见图8。

图7 加装磁屏蔽装置后的磁场分布示意图Fig.7 Schematic diagram of magnetic field distribution after installing magnetic shielding device

图8 磁屏蔽装置Fig.8 Magnetic shielding device

2.3.2 磁屏蔽装置效果验证

1）对电感值影响的试验验证。

加装导磁装置后，由于磁场分布产生了变化，因此电抗器电感值略微增加0.4%，较额定值的偏差为2.7%，满足国家标准和技术规范要求（0~+10%），见表5。

表5 加装磁屏蔽装置后电感变化Table 5 Inductance variation after installing magnetic shielding device

2）温升试验结果。

加装磁屏蔽装置后星臂和连接环温度见表6，热成像仪测温图见图9。

表6 加装磁屏蔽装置后星臂和连接环温度（环境温度26℃）Table 6 Temperature of star arm and connection ring after installing magnetic shielding device（at ambient temperature:26 ℃）

图9 热成像仪测温图Fig.9 Thermograph of thermal imager

根据2.1 和2.3 试验结果对比，增加磁屏蔽装置后，连接环的温升有明显降低，电流为4 000 A时，连接环的温度降低到116 ℃，温升降低到83 K。

2.4 减小星臂和连接环厚度

2.4.1 星臂损耗计算

针对现场改造项目可通过加装磁屏蔽的方式达到降低温升的目的，但该方案成本高，对于厂内的产品，可通过增加星臂宽度、减小星臂厚度的方式减小产品涡流损耗，增加星臂和连接环宽度的同时将厚度分别由14 mm 和20 mm 降低为12.8 mm和15 mm。理论核算星壁损耗计算见表7。

表7 星臂损耗计算Table 7 Loss calculation of star loss

2.4.2 试验结果

改进后温升结果见表8，连接环和星臂温升随时间变化曲线见图10。

表8 改进后温升结果（环境温度20℃）Table 8 Result of temperature rise after improvement（at ambient temperature:20℃）

图10 连接环和星臂温升随时间变化曲线Fig.10 Temperature rise variation curve of link ring and star arm with time

将以上试验结果与2.1 试验结果比较，额定电流下，连接环和星臂温度明显降低。

3 结语

1）由于干式空心电抗器的磁场发散结构，处于强磁场中的连接环同时包含涡流损耗和环流损耗，通过理论计算和ANSYS 仿真的方式得到连接环的损耗和温升，并根据试验结果修正热辐射系数，保证温升的准确性。

2）根据附加损耗产生的机理，对于10 kV 干式空心限流电抗器产品，根据试验结果，确定了3 种降低损耗的措施：

①切断口的方式并不能大幅降低连接环温升。如果产品电压等级、容量等发生变化，环流损耗在连接环总损耗中的占比也会变化，环流损耗占比越大，连接环开断口的效果越明显。

②增加磁屏蔽可大幅降低连接环温升，此种方案适用于现场已安装产品的改造，不用对电抗器进行二次吊装，简单易维护。

③减小连接环和星臂厚度（增加宽度保证载流量）同样可以大幅降低连接环的温升，适用于产品未生产的情况下，星臂减薄后会随之带来强度不足和振动隐患，可通过增加玻璃丝支撑数量对星臂进行加固，防止振动，同时也在星臂上并接一段不锈钢板，增加星臂的吊装强度和支撑强度。