CN108962557A - 一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，通过计算在特定谐波下频谱下铁心滤波电抗器的等效磁密，来计算以及准确控制其噪声水平，结合良好的工艺方法，电抗器的噪声水平得到有效及可靠控制。

Description

一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法

技术领域

本发明涉及铁心电抗器。

背景技术

铁心电抗器相对于空心电抗器由于其体积小，漏磁污染小，损耗低，得到广泛应用，特别是在沿海经济发达地区，铁心电抗器是智能化，小型化变电站建设的必然选择。但是，普通铁心电抗器对抗谐波能力特别差，尤其是当铁心电抗器吸收了常见的3，5，7次谐波后，会出现噪声剧烈增大，以及线圈铁心温升显著升高，从而导致电抗器故障频繁发生。最近几年的事故统计及技术跟踪显示，这种趋势以及故障数量在逐年上升，有些振动甚至引发变电站统一建筑内的自动装置及继电保护告警，动作，有些温升超标直接导致铁心、线圈烧毁。

特别是，随着电力电子装置在电力系统的广泛应用，公用网母线上的谐波污染越来越严重，早期按照铁心串联电抗器设计生产的设备实际运行中被迫当作“滤波电抗器”使用。

目前电力行业内针对特定谐波下，如何保证铁心电抗器的噪声、温升等性能指标满足安全要求，还没有提出一套可靠的，行之有效的方案。并且，受限场地以及漏磁限制要求，必须将现场铁心串联电抗器改造，或者更换成并联无功补偿，以及兼具滤波功能的铁心滤波电抗器，而无法更换成干式空心电抗器，因此导致了变电站运行现场的大量无功补偿装置无法投运，造成大量的资源浪费，并且由于并联电容器无法投运致使电抗器功率因数偏低，电网电压偏低，电网损耗增加的诸多问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，滤除特定的谐波电流，降低系统电压波形畸变率，有效改善电能质量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，包括如下步骤：

步骤S1，计算在特定谐波下铁心滤波电抗器的等效磁密，

其中，B_m为等效磁密，h为谐波次数，U_h为谐波下的电抗器两端的电压降，I_h为谐波电流，X_h为谐波频率下的电抗；

步骤S2，采用等效磁密法计算出铁心滤波电抗器噪声，

其中，G为电抗器总重，H/D为铁心柱高与铁心直径比，K值是与G相关的修正系数，G≤5T时，K取-3～-5；B_o为拐点磁密；

步骤S3，根据步骤S2选取高压铁心滤波电抗器的设计参数。

优选的，包括上支架、下支架、并排设置在上支架和下支架之间的三个铁心柱、设于铁心柱上侧和下侧的铁轭、绕制在铁心柱上的电感线圈绕组，所述上支架上安装有与铁心柱对应的接线端子，所述接线端子与电感线圈绕组连接，所述铁心柱采用硅钢片制成，所述铁心柱在硅钢片的间隙内填充有树脂绝缘材料，所述铁心柱和铁轭之间设有气隙隔片，。

优选的，所述气隙隔片为圆形，所述气隙隔片沿周向分布有引导树脂绝缘材料进入铁心柱的引胶槽。

优选的，所述铁轭的截面与铁心柱截面相当。

优选的，所述硅钢片采用取向硅钢制成。

优选的，所述铁心柱的外露部分设有绝缘保护层。

本发明提出一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法：通过计算在特定谐波下频谱下铁心滤波电抗器的等效磁密，来计算以及准确控制其噪声水平，使电抗器的噪声水平得到有效及可靠控制。此设计方法已经过电力系统常用的三种不同型号/结构的真型设备试验验证，噪声实测值与计算值非常吻合。

另外，本发明的高压铁心滤波电抗器，其结构设计具有如下有益效果：

1、引胶槽保证树脂充分渗入硅钢片中，保证其稳固性，从而减少振动，有利于控制噪声。

2、取向硅钢具有低损耗、磁滞系数小的优点。

3、由于铁轭的截面与铁心柱截面相当，可以额防止磁场从“宽路径”进入“窄路径”时造成磁路不一致，造成磁场反射波动，导致噪声骤变。

4、外露铁心部分浸渍或涂刷绝缘胶或环氧树脂进行固化处理，保证使用的安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明中高压铁心滤波电抗器的主视图；

图2是本发明中高压铁心滤波电抗器的侧视图；

图3是高压铁心滤波电抗器采用的气隙隔片结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

铁心电抗器的噪声来源复杂，并且有一定的随机性。噪声主要来源于铁心，其发出的声波取决于工频电流及其他频率电流，其噪声与电抗器几何尺寸，磁通密度基本成正比关系。

目前铁心声级计算已提出采用有限元方法进行准确计算，但计算复杂，工程难度非常大。工程上，国内有研究指出，电抗器铁心的噪声可按照下列经验公式计算：

其中：G为电抗器总重，H/D为柱高与铁心直径比，B为磁密，K为修正系数。

公式1是基于工频电流(或谐波含量可忽略不计的情况下)下的工程经验公式，其声级计算简单可行。

铁心电抗器的铁心由于存在气隙，气隙在一个周波内进行能量的吸收和释放，铁心噪声比电抗器要严重。即上述公式应用于铁心电抗器时，声级基准值比电抗器大。

显然，不管从理论上分析还是实测结果看，若铁心励磁电流中含有较高的谐波含量时，公式1将失效。因此，本发明提出了新的“等效磁密法”的概念，即认为存在某种频谱下的合成声压级与纯工频条件下一定电流下的噪声相当，且认为在工作范围内近乎线性关系。

具体计算方法如下：

在不考虑漏磁的情况下，在铁心励磁曲线未饱和区域，根据电磁感应定律可推导出：

其中，A为铁心截面积，N有效匝数，L为电感，I为电流。

从公式2可以看出，在电抗器结构一定的情况下，磁密B正比于电流，与频率无关。而实质上，铁心产生噪声来源主要是磁滞伸缩，铁饼间电磁力及磁畴位移，这与励磁电流大小和频率密切相关，其中磁滞伸缩随励磁电流频率的2 倍频率做周期性振动。

高频情况下，磁滞伸缩产生的振动非常明显，当铁心的固有频率与磁滞伸缩频率相近时将产生共振，噪声骤增。

若将公式1推广应用于铁心滤波电抗器，即谐波含量不可忽视的情况下，B 值应考虑采用“等效磁密法”计算，否则失效。

根据等效磁密法的概念，在不考虑漏磁的情况下：

其中，h为谐波次数，U_h为谐波下的电抗器两端的电压降，I_h为谐波电流，X_h为谐波频率下的电抗。本发明中特定谐波指的是给定的谐波量，就是工程项目实际的谐波量。

进一步，采用等效磁密法计算出的铁心滤波电抗器噪声为：

其中，K值是与G相关的修正系数，对于一般铁心滤波电抗器G≤5T时，一般取-3～-5，铁心串联电抗器一般重量不大于5T，如大于5T，同样也需要修正，具体数值需要实际测试；B_o为拐点磁密，与硅钢片材质有关，取向钢一般取 1.4～1.5，无取向硅钢片一般小于1.4。当等效磁密在拐点磁密附近时或者越过拐点时，电抗器的噪声会出现一定的波动或骤然变大。

最后，根据公式4选取高压铁心滤波电抗器的设计参数。

从公式(4)可知，要降低噪声A，需要尽可能降低电抗器的总重，降低 H/D比值及降低磁密：

电抗器的总重对噪声的影响相对要小的多，可不优先考虑；

要降低H/D，即降低电抗器的重心，提高整体的刚度系数，尽可能做成“矮胖型”结构；

降低等效磁密是降低噪声最直接有效的方式。结合公式(3)可知，当总谐波量及电感值(即在铁心未饱和区域)一定时，谐波总压降基本保持不变，降低等效磁密可提高铁心截面(相当于增大D)或增加匝数(相当于增大H)来解决，同时这也改变H/D值，增加工艺难度，需综合评估找到最优点；Bo与硅钢片的材质，生产的工艺水平有关，Bo越大，说明材质的性能越好，比如厚度小，磁致伸缩系数低，也说明工艺控制水平越好。

如图1至图3所示的高压铁心滤波电抗器，包括上支架1、下支架2、并排设置在上支架和下支架之间的三个铁心柱3、设于铁心柱上侧和下侧的铁轭、绕制在铁心柱上的电感线圈绕组4，所述上支架上安装有与铁心柱对应的接线端子 5，所述接线端子5与电感线圈绕组4连接，所述铁心柱3采用硅钢片制成，所述铁心柱的间隙内填充有树脂绝缘材料，所述铁心柱和铁轭之间设有气隙隔片 6，所述气隙隔片为圆形，所述气隙隔片沿周向分布有引导树脂绝缘材料进入铁心柱的引胶槽61，引胶槽保证树脂充分渗入硅钢片中，保证其稳固性，从而减少振动，有利于控制噪声。

参考图3所示，所述引胶槽61围绕气隙隔片6的圆心呈十字形分布，保证树脂从多个方向充分渗入硅钢片中。

其中，所述铁轭的截面与铁心柱截面相当。可以额防止磁场从“宽路径”进入“窄路径”时造成磁路不一致，造成磁场反射波动，导致噪声骤变。

本实施例中，所述硅钢片采用取向硅钢制成，取向硅钢具有低损耗、磁滞系数小的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1，计算在特定谐波下铁心滤波电抗器的等效磁密，

其中，B_m为等效磁密，K为修正系数，h为谐波次数，U_h为谐波下的电抗器两端的电压降，I_h为谐波电流，X_h为谐波频率下的电抗；

步骤S2，采用等效磁密法计算出铁心滤波电抗器噪声，

其中，G为电抗器总重，H/D为铁心柱高与铁心直径比，K值是与G相关的修正系数，G≤5T时，K取-3～-5；为拐点磁密；

步骤S3，根据步骤S2选取高压铁心滤波电抗器的设计参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于：其中高压铁心滤波电抗器包括上支架、下支架、并排设置在上支架和下支架之间的三个铁心柱、设于铁心柱上侧和下侧的铁轭、绕制在铁心柱上的电感线圈绕组，所述上支架上安装有与铁心柱对应的接线端子，所述接线端子与电感线圈绕组连接，所述铁心柱采用硅钢片制成，所述铁心柱在硅钢片的间隙内填充有树脂绝缘材料，所述铁心柱和铁轭之间设有气隙隔片,。

3.根据权利要求2所述的一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于：所述气隙隔片为圆形，所述气隙隔片沿周向分布有引导树脂绝缘材料进入铁心柱的引胶槽。

4.根据权利要求2所述的一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于：所述铁轭的截面与铁芯柱截面相当。

5.根据权利要求2所述的一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于：所述硅钢片采用取向硅钢制成。

6.根据权利要求2所述的一种基于等效磁密法的高压铁心滤波电抗器的设计方法，其特征在于：所述铁心柱的外露部分设有绝缘保护层。