1、大容量干式并联电抗器发热特性和样机验证摘要：1000kV 交流特高压第三绕组侧 110kV 采用干式空心并联电抗器进行无功补偿，单相容量高达 80000kVar,是目前交流系统中应用容量最大的干式空心电抗器设备。而对于如此大容量电抗器的发热和损耗情况尚未被充分分析和关注。文章主要研究采用有限元计算方法对电抗器进行建模仿真，并分析计算与实测数据，旨在进一步掌握电抗器发热特性以及该结构尚存在的不足，并适当调整结构参数，同时加强工艺控制水平，实现对电抗器发热特性的整体优化，指导样机研制。 关键词：交流特高压;并联电抗器;有限元分析 中图分类号：TM65 文献标识码：A 引言 110kV、80000k
2、var 干式空心并联电抗器作为交流特高压低压侧主要无功补偿设备之一,目前已经成功应用于国网晋东南-南阳-荆门工程 3 个变电站,合计 48 台设备正在服役运行。该电压等级与容量的电抗器在国内外特高压工程中的应用尚属首次。虽然产品能够满足运行要求，但其自身还存在一些问题，主要表现在电抗器各绕组层发热分布不均衡和损耗偏高，个别绕组层的温度过高会直接影响到电抗器的使用寿命。 本文将主要研究采用有限元计算方法对电抗器进行实际建模，通过对比仿真计算结果与实测发热数据，充分掌握电抗器发热特性以及该结构尚存在的不足，并适当调整结构参数，同时加强工艺控制水平，实现对电抗器发热特性的整体优化，指导样机研制。 设
3、备技术条件及选型 2.1 干式空心并联电抗器主要技术参数 1）额定容量：80000kvar； 2）额定电压：105/kV； 3）额定电流：1320A； 4）额定电感：2*73.1mH； 5）额定频率：50Hz； 6）相数：单相； 7）冷却方式：干式自冷； 8）绝缘水平： LI/AC 650/275kV； 9)损耗：2.45W/kvar； 10）温升限值：绕组平均温升 55K； 绕组热点温升 72K； 绕组间温差10K； 2.2 设备结构选型 根据工程需求，110kV 侧单相感性补偿容量为 80000kvar，若单相做成一台其线圈高度将超过 5m，实际制造和运输都严重受限，且由于容量过大其发热水
4、平将难以控制。经与工程设计方沟通决定单相电抗器分两台 40000kvar 串联设计，分别摆放，因此不但使单台绝缘水平降低为要求的一半，更可以降低单台发热水平，使发热特性更容易掌握和控制。单相两台设计布置图如图 1 所示。 图 1 单相两台设计布置示意图 发热特性仿真计算方法 要充分了解电抗器的发热特性，需先具体掌握电抗器的损耗特性，而要了解其损耗特性，需要对电抗器线圈绕组在交变磁场中产生的直阻损耗和涡流损耗进行分析。 本文将采用有限元 ANSOFT 软件对电抗器的损耗分布进行建模，并采用 FLUENT 软件对电抗器的发热特性进行分析，通过此方法得到在既定结构模型下的电抗器的发热特性，并尝试提出
5、改进设计方案，最终经过重复演算得到最优设计方案。 3.1 磁场计算方法 在磁场分析中，三维磁场有限元中矢量磁势（亦称磁矢位）具有三个分量，和。对于三维线性媒介中的磁场，矢量磁位在的约束下，边值问题应满足公式（1） 。 (1) 3.2 热场计算方法 在热分析中,使用式（2）热传导方程： (2) 其中，T 为温度； 为热导率；Q 为内部发热率；为材料密度；c 为比热；t 为时间。 3.3 磁热耦合计算方法 在磁热场分析中，装置表面的传热系数是给定的，但是，传热系数有时受装置周围对流的影响。在这种情况下，为了精确计算温升，就必须考虑对流。分析采用半拉格朗日（运动）坐标系，用欧拉（固定的）坐标系定义液
6、体流速，用拉格朗日坐标系计算时间导数项。在有运动导体的涡流分析中，拉格朗日坐标系比欧拉坐标系更有优势。 在自然对流的流体分析中，使用的是式（3）带罚函数的 Navier-Stokes 方程: (3) 式中， 是速度矢量；g 为加速度矢量（=9.8m/s2） ； 和 分别是黏度和体延展系数； 是罚数。d/dt 表示拉格朗日坐标下的时间导数。右端第一项（罚项）采用简化积分技术。 现有产品温升仿真分析 由晋东南-南阳-荆门工程并联电抗器设计方案，确定了线圈本体结构。由于目前在用的计算方法尚没有如此大容量电抗器的设计开发经验，所以发热实测结果与预期值存在一定的差距，又因为工艺控制不到位，进一步放大了已
7、有的差距。 根据电抗器发热特性，影响电抗器平均温升和各层热点温升的主要参数有损耗、散热系数、散热面积及绕组高度。其中各层损耗占主要决定因素，损耗与各层电流分布有着直接关系，而各包封层电流分布又与各包封层的自感及各层之间的互感有直接关系，电抗器各层导线在绕制时，高度及外径的些许差别，对电抗器各包封层电流分布有着非常大的影响。 4.1 损耗分析 选用 ANSOFT 进行建模分析，计算模块选择 EDDY LOSS 模块，根据并联电抗器各包封层内径、外径、绕组高度及实际电流分布进行建模分析，通过改变各包封层涡电流分布，保证各包封层损耗与实际相符，从而进行后续温升分布计算。并联电抗器模型如图 2 所示，
8、电抗器线圈本体剖分如图 3 所示，模型整体计算区域如图 4 所示。 图 2 电抗器模型 图 3 电抗器本体剖分网格 图 4 电抗器计算模型区域 通过软件后处理，电抗器磁场分布云图如图 5 所示，电抗器各包封层损耗分布如图 6 所示。 图 5 电抗器磁场分布云图 图 6 电抗器各包封层损耗分布 通过软件的 FIELD CALCULATION 后处理，得出并联电抗器各包封层损耗数值,具体仿真计算数据、实测数据及偏差见表 1。 表 1 仿真与实测损耗对比表 在表 1 中可以看出，电抗器仿真计算损耗与实测损耗偏差最大仅为1.2%，符合仿真计算偏差要求。 4.2 温升分析 将上述模型及计算结果导入到 F
9、LUENT 软件中进行温升分布计算。温升计算模型如图 7 所示，空气区域网格剖分如图 8 所示。 图 7 并联电抗器网格模型 图 8 空气区域网格模型 设置软件环境温度为 300K(环境温度 27)，通过对各个包封绕组温度的计算可以得出各个包封层的最大温升，温升分布云图如图 9 所示。模型中各包封层仿真热点温升如表 2。 图 9 温度场分布云图 表 2 实测温升与理论温升对比表 图 10 温升对比示意图 从表 2 中可以看出，优化前电抗器线圈各包封层热点温升不能满足与平均值偏差10K 的要求，需要对整体结构进行重新设计。但温升仿真计算结果基本与实测值相符，偏差最大的为 3.4K，模型能够反映线
10、圈各包封层热点温升分布情况，该仿真分析方法可以用于并联电抗器温升仿真分析。 结构工艺优化措施 5.1 结构设计优化 原设计方案中，温升值前后高中间低，相对温差过大，实测结果不能满足现有技术要求。鉴于原设计方案温升分布欠均匀的特性，电抗器结构进行设计优化，重新调整了各层绕组匝数，均匀了各层绕组发热水平。 5.2 导线尺寸控制 根据实测导线尺寸偏差修正设计结构，同时编制相关标准，严格控制导线偏差。为保证导线成品后的导线偏差，不仅要对换位线内单股导线尺寸偏差进行限定，还要对绞合后的成品换位线尺寸进行控制。通过对换位线单股导线尺寸、绝缘前导线绞合尺寸及绝缘后导线绞合尺寸偏差严格要求，从而确保了施工与设
11、计的相符性。 5.3 匝间间隙控制 为保证内绝缘强度，线圈绕制过程中，需要进行粘胶处理，因此在导线间出现了间隙。如果该间隙尺寸较大，电抗器固化后，包封与导线将无法有效形成一个整体，噪声水平较预期会有所增加。在研制过程中，通过对比实际数据与设计值，不同规格线规给予不同间隙。 5.4 包封厚度修正 由于包封用的纱有一定的弹性，其实际厚度不易控制，如果实际施工时包封的厚度与设计值不同，会直接影响交流电流在各包封层的分布。通过修正设计包封厚度，使其与实际施工值相符，从而保证各包封层电流分布与设计值相符合。 5.5 绕组周长的控制 在线圈绕制过程中，增加对绕组周长的控制，也就是在各层导线绕制完成后，包纱
12、之前，对导线绕组周长进行控制，并及时进行修正。增加绕组周长的控制可以更好的保证各包封层电流的分布。 优化后温升仿真分析及样机验证 6.1 线圈本体损耗分析 根据优化之后的电抗器结构设计参数进行建模分析，数值分析模型如图 11 所示，模型网格剖分如图 12 所示，整体计算区域如图 13 所示： 图 11 并联电抗器计算模型 图 12 并联电抗器剖分网格 图 13 模型算区域 通过软件后处理器将各包封层损耗计算出来，各包封层损耗计算如表 3 所示： 表 3 实测损耗与仿真损耗对比表 通过上表中可以看出，各包封层损耗基本与实测损耗相同，并且与表 1 中现有产品损耗相比，降低了 2.8%。 6.2 线
13、圈本体温升分析 将上述模型及计算结果数据通过处理导入到 FLUENT 软件中进行温升分布计算。温升计算电抗器网格模型如图 14 所示，空气区域网格剖分如图 15 所示，仿真计算温升分布云图如图 16 所示。 图 14 电抗器本体网格剖分 图 15 计算区域网格剖分 图 16 温升分布云图 表 4 温升对比表 图 17 温升对比示意图 根据上述仿真分析结果，新的电抗器设计方案已经达到了各包封层热点温升在10K 以内。 根据优化后的设计结构方案和工艺控制要点进行了新的电抗器设计，并于 2012 年 12 月完成了并联电抗器样机的制造，温升试验结果如表 4所示。分析各层热点温升，其各层温差为-8.44.7K，满足技术条件要求的各层温差不超过10K 的要求。 7. 结论 （1）提出了一种基于有限元的大容量干式并联电抗器温升仿真分析模型，优化了设计。通过样机试制验证了发热仿真分析的正确性。
