干式空心电抗器原理及工艺

干式电抗器设计原理及其材料高压电器产品设计包含这多方面的学科的内容，仅就变压器（电抗器）而言，就包含《电路分析》、电磁学、高电压绝缘、电工材料等门内容。具体到每个产品，我们在设计时还应同时考虑到工艺、材料、成本等问题，它们之间相互依存、相互作用，产品设计时不能只单独来考虑其中一个或两个。由于水平有限，本次讲座不能具体到产品设计的每个细节，只能就设计过程中必须的一些基本原理和关键工艺和材料给大家做一个简要的介绍。不需要大家都记住，只要大家知道这些概念，以后在设计或生产服务是能知道他们，并有目的的去寻找有关资料就可以了。一、基本电磁原理概述电抗器是由于它的电感而被电力系统应用的高压电器。它属于特种变压器范畴，其区别于一般变压器的方面在于它通常只有一个励磁线圈，在有励磁电流通过时能产生一定电抗。但是，其在电磁分析原理方面还是同变压器基本一致。变压器在学科中包含在《电机学》这门课程里，这门课主要分成两部分内容，其一是在静态情况下的能量转换和传递——变压器。其二是在动态情况下的能量转换——电动机和发电机。变压器中只有感生电动势，没有动生电动势。而电动机和发电机中则既有感生电动势又有动生电动势。场是物质构成的一种基本形态，在自然界中有着各种各样的场，其中与变压器和电抗器有关的场有：1、电场——电气绝缘2、磁场——磁路3、温度场??——损耗和温升4、音场——噪音这些场的存在对各种电器产品的性能和质量产生极大的影响，所以，我们在产品设计时往往是围绕它们在进行的。只有了解这些场的基本性质才能在电器结构设计中将各种材料合理地组合起来。一）电场1.1静电场：通常把不随时间变化的电场称为静电场。对高压电器产品而言，无论在工频还是在冲击电压时，其各处的电磁场变化均可认为仅比例于外加电压而变化，其电场分布是相似的，完全可以作为静电场来处理。1.2电位与电场强度电位是指静电场中在电荷作用下各点所具有的位能，它由库伦定律决定。电场强度在数量上等于电位梯度，它表征电场的强弱，其单位为kV/mm或kV/cm在高压设备的绝缘设计中，其基本原则是应使电场作用各部位的“电场强度”均小于绝缘材料的“许用场强”。1.3电力线和等位线电力线和等位线是表征电场特性的重要图形。电力线和等位线相互垂直。等位线是电场中电位相等各点两连的轨迹，它们可以形象地表示出电场分布的特性。例如：等位线密集的地方电场强，反之等位线稀疏的对方电场强度弱。根据电场数值计算进行绘制等位线相对较易，有时根据绝缘设计要求需要绘制电力线，相对较难。1.4均匀电场与不均匀电场完全均匀的电场是不存在的，对于有限长度的平行平板电极可以近似认为是均匀电场，而球对球和同轴圆柱均属于稍不均匀电场。对于针对板和线对平面电极择属于极不均匀电场。总的来说，电场的均匀程度与电极形状以及电极间的相对位置（总称电极分布）有关。在高压电器设备的绝缘设计中，应注意电场的调整，尽量降低电场的不均匀度，避免电场集中现象的发生。尤其是在绝缘结构复杂的变压器和铁芯电抗器中。二）磁场2.1磁场的产生磁铁和电流都能在周围的空间激发磁场，其表现的磁效应为磁场对电流和磁铁都有作用力—磁效应2.2磁效应的根源本质都是电流即运动电荷的场，并对电流有力的作用。2.3磁感应线的特性：2.3.1磁感应强度矢量B磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，磁感应强度矢量B的方向用右手螺旋定律确定。单位是T(特斯拉)--N/A*m。○1磁感应线是无头无尾的闭合曲线。静电场是有头有尾的○2磁感应线总是与电流相互套和，磁感应线的方向与电流的方向密切相关。2.3.2磁通Φ均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。2.3.3磁导率μ磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。真空的磁导率非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。2.3.5磁场强度H或磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安／米（A／m）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。2.3.4磁势2.4磁场的基本定律2.4.1毕奥-萨法尔定律磁场是由电流激发的，毕奥-萨法尔定律是描述电流激发磁场的定律。（空气中）可以看出：磁感应强度B与电流I有关，与距离有关载流螺线管中对磁感应强度B当螺线管长度比直径大很多时，其内部很大范围内的磁场是均匀的，只是在端点附近的磁感应强度B才显著下降。其内部的磁感应线密集，外部的磁感应线稀疏。2.4.2磁场的高斯定理倍。磁感应通量Φ简称—磁通，是沿ds垂直方向穿过单元面积磁感应线的根数。通过任意闭合曲面的磁感应通量恒等于零----高斯定理。2.4.3安培环路定理磁感应强度沿任意闭合环路的线积分等于穿过这个环路的所有电流强度代数和的μo倍。F=NI称为磁动势，单位是安（A）。2.4.4磁路欧姆定律称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。2.5电磁感应2.51—变化的电场和磁场在一定条件下，磁场可以产生电场---感应电流导体回路与永磁体之间相对运动导体回路与载流线圈之间相对运动嵌套变流线圈在磁场中导体回路面积发生改变2.52感应电流的方向楞次定律：闭合导体回路中的感应电流的方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁感应通量，去补偿或者说反抗引起感应电流的磁感应通量的改变。2.5.3法拉第电磁感应定律：导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁感应通量对时间的变化率成正比。即：对N匝线圈2.5.4动生电动势——针对于过磁线圈面积的变化2.5.5感生电动势；感生电场电场的种类：a、由电荷激发的静电场有源场，静电场力做功与路径无关b、由变化的磁场激发的感生电场无源场感生电场做功与路径有关2.5.6自感现象对于一个线圈→电流变化→激发磁场变化→磁通变化→产生感生电动势负号表示自感电动势反抗回路中电流的变化2.5.7互感现象变化的电流在临近的线圈中产生感生电动势M21=M12=M(在有漏磁情况下互感电动势的大小与两线圈的耦合情况有密切的关系变压器就是根据这个原理按原线圈中输入交流电压的大小适当地选择副线圈的匝数，即可在副线圈中获得某一特定数值的感生电动势。一、按电抗器用途分类：电抗器的用途主要分为两类：由于它的电感而被电力系统应用的电器称为电抗器。一是限制系统的短路电流（如限流电抗器、串联电抗器、启动电抗器等）；二是补偿系统的电容电流（如并联电抗器、中性点用消弧线圈等）。1.串联电抗器——在并联补偿装置中,与并联电容器串联，在电容器回路投入时起到抑制冲击电流的作用。同时，还与电容器组一起组成谐波回路，起特定谐波的滤波作用。我公司生产CKGKL（空芯）、CKGL（半芯）、CKSC(铁芯)三种串联电抗器。2.并联电抗器——在高压远距离输电系统中，一般并联于220kv～500kv变电站的低压侧或变压器的三次线圈上,用于补偿长距离线路的电容性充电电流，限制系统电压升高和操作过电压，从而降低系统的绝缘水平要求，保证线路可靠运行。我公司生产BKGKL(空芯)和BKGL（半芯）、铁芯(另见说明)三种干式并联电抗器。其中：——特征阻抗——相位系数当XL→0时，即电抗器容量为无穷大，上式可化为＞1当XL→∞时，即电抗器容量为零，上式U2→0若人为地选择电抗器的容量，可将线路末端的工频电压升高比值限制在允许的范围内。3.限流电抗器——一般串联连接于变电站低压馈线分支，在馈线分支发生短路时，用以限制短路电流，将短路电流降低至设备允许的数值。其产品代号(XKGKL)。若使短路电流限制在三倍额定电流以内，即则限流电抗器电抗值应为：∵Xk＞＞Rk∴4.分裂电抗器——串联在两个分离输电的系统中，用于限制故障电流，在正常运行时呈低阻抗，系统一旦出现故障，则呈较大阻抗。其产品代号(FKGKL)。5.滤波（调谐）电抗器——使用在交流系统中，常串联连接于电容器回路，与电容器组成谐振回路，为某次谐波提供一个低阻抗通道，避免谐波过多进入系统。其产品代号(LKGKL)6.中性点接地电抗器——也称消弧线圈，用来补偿输电系统对地故障时容性电流。7.接地变压器――用在中性点绝缘的三相电力系统中，用来为这种系统提供一个人为的中性点。该中性点可以直接接地，也可以经过电抗器、电阻器或消弧线圈接地。5.塞流电抗器——阻止谐波进入系统，保护设备不受谐波损害。8.静止无功补偿并联电抗器——用于晶闸管快速无功补偿装置（SVC）中。9.平衡电抗器——接于两组整流回路之间，以平衡非同期换相组的瞬变电压差，使两组整流电路能同时并联工作。10.启动电抗器——用于与大型交流电动机串，限制启动电流，降压启动。若直接启动交流异步电动机，则启动电流为额定电流的5～7倍，同时对电源容量的要求也大为提高。11.平波电抗器——用于高压直流输电系统（HVDC）和大功率直流传动装置中。以降低直流回路中的脉动电流分量，保证直流电流的稳定。二、按电抗器结构类型分类：1.空心电抗器：由包封绕组构成、不带任何铁芯的电抗器。2.铁芯电抗器：由绕组和带间隙的铁芯构成的电抗器。3.半芯电抗器：由包封绕组和不构成闭合磁路的导磁体构成的电抗器。注：干式电抗器是相对于油浸式电抗器而言的，另外还有水泥电抗器等。1.干式电抗器（空芯或半芯）均由多个并联的包封组成，每个包封由环氧树脂浸渍过的玻璃纤维对线圈进行包封绝缘。（见图1）2.电抗器线圈采用截面很小的绝缘铝导线单根或多根平行并绕，有效地降低了谐波下导线中的涡流损耗。3.电抗器线圈采用优质铝导线并以绝缘性能优良的绝缘材料作为导线的匝绝缘。4.电抗器线圈包封间，采用聚酯玻璃纤维引拔棒，作为轴向散热气道支撑，形成自然对流冷却，具有优良的散热性能。5.电抗器经高温固化后，具有良好的电气绝缘性能和机械性能。维护简单，运行方便。6.电抗器由计算机优化设计，在温升计算时，严格控制了热点的最高温度，并留有相当裕度，从而保证了电抗器的长期安全运行。7.电抗器线圈的多层包封并联结构，使线圈的轴向电应力为零，在稳态工作电压下沿线圈高度方向的电压分布均匀，使产品运行更安全。8.半芯电抗器由于在线圈中放入了由高导磁材料做成的芯柱，从而使通过线圈中磁通大大增加。因此半芯体积小、能耗低，其铁芯采用优质的导磁材料，具有良好的线性度。经特殊处理，适用于户内外运行。9.电抗器采用星形吊臂结构，星形臂采用铝合金或铝合金不锈钢复合排，机械强度高，涡流损耗小，可满足线圈分数匝的要求。并且，电抗器的导线接头部分均以氩弧焊焊接于铝合金导电排上，机械结构上无紧固零件，大大提高了运行可靠性。10.电抗器安装方式灵活，一般较小容量电抗器可以按三相叠放或两叠一平布置，大容量的电抗器一般按一字形或品字形水平布置。电抗器进出线角度和相间出线角度可由用户指定。11.电抗器表面覆盖有耐紫外线辐射、抗老化的绝缘漆。对并联电抗器和35KV电压等级以上串联电抗器，产品表面还另外喷涂有PRTV胶（憎水性涂料），以防产品表面出现树枝状爬电，使产品具有良好的耐恶劣气候特性。铁芯电抗器的结构主要是由铁芯和线圈组成的。铁芯是电抗器的磁路，是由磁导率极高的铁磁介质即硅钢片组成，因为其磁化曲线是非线性的，故在铁芯电抗器中的铁芯柱是带间隙的。带间隙的铁芯，其磁阻主要是取决于气隙的尺寸。由于气隙的磁化特性基本上是线性的，所以铁芯电抗器的电感值将不取决于外在的电压和电流，而是取决于其自身线圈匝数以及线圈会铁芯气隙的尺寸。干式铁芯串联电抗器采用环氧树脂成型固体绝缘结构，三相共体（大容量也有单相分体的）。电抗器铁芯以硅钢片为导磁介质，由铁轭、高填充系数的铁芯柱（带气隙叠片式或辐射式铁饼）组成框形磁路结构。夹紧装置使铁轭、铁芯柱彼此连接在一起，形成完整而牢固的整体。套有绕组的铁芯部分称铁芯柱，不套绕组连接各铁芯柱构成闭合磁路的铁芯部分称铁