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關(guān)于戶外干式空心電抗器的設(shè)計

文檔作者：付銀倉文檔來源：西安天虹電器有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月26日
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第29卷第6期
2008年l2月
電力電容器與無功補償
Power Capacitor＆ Reactive Power Compensation
Vol_29 No．6
Dee．20o8
關(guān)于戶外干式空心電抗器的設(shè)計
付銀倉
(西安天虹電器有限公司。西安7l0065)
摘要：論述了空心電抗器基本設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)特點、安裝方式以及線圈匝間絕緣判斷方法等，
對干式空心電抗器設(shè)計有一定的參考作用。
關(guān)鍵詞：空心電抗器； 自感； 互感； 高頻振蕩
中圖分類號：TM47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674—1757(2008)06-0015-05
Design of Outdoor Dry·type Air·core Reactor
FU Yin—cang
(Xi’an Tianhong Co．，Ltd，Xi’an 710065，China)
Abstract：This article discusses the design method，structure feature，installation mode as well as
judgment method on inter—turn insulation of the dry-type air—core reactor，which is helpful for the de—
sign of dry-type air·core reactor．
Keywords：Dry—type air—core reactor；Self inductance；Mutual inductance；High-frequency oscilla—
tion
0 引言
在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的電抗器主要是鐵心電抗
器和近年開發(fā)的戶外干式空心電抗器，包括并聯(lián)電
抗器、濾波電抗器、限流電抗器和串聯(lián)電抗器等。
串聯(lián)電抗器是串聯(lián)連接在并聯(lián)電容器回路
中，以抑制電網(wǎng)波形畸變和限制電容器合閘時產(chǎn)
生的涌流。串聯(lián)電抗器的電壓等級為6 kV一35
kV，最大容量為60 000 kvar；濾波電抗器與電容
器配合使用，構(gòu)成LC諧振支路，針對特定次數(shù)的
諧波達(dá)到諧振，濾除系統(tǒng)中有害次諧波；限流電抗
器串聯(lián)于電力系統(tǒng)中，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，用以限
制短路電流。限流電抗器電壓等級為6 kV～10
kV，最大電流為4 000 A；并聯(lián)電抗器并聯(lián)連接于
電力系統(tǒng)LfJ，在額定電壓下吸收的無功功率，用以
補償系統(tǒng)的電容電流．、電壓等級為750 kV及以
F，最大容幢為50 Mvar。
， ~b-t：式 心電擾器是 1前世界上各制造廠
家競相研制 發(fā)展的新 電抗器，它具有結(jié)構(gòu)簡
收稿fI期：2008-05-20
單、重量輕、線性好、損耗低、噪音小、運行方便、防
火等特點。在50年代末期，國外限流用的干式空
心電抗器大多采用水泥電抗器，而系統(tǒng)中并聯(lián)的
無功補償裝置(感性)多采用鐵心電抗器。到6o
年代后期，針對水泥電抗器中的水泥由于易吸濕
而留有空隙，產(chǎn)生絕緣擊穿問題，因而相繼推出了
采用有機(jī)絕緣材料的新型戶外干式空心電抗器結(jié)
構(gòu)，如圖1所示。
1．引拔條；2．接線臂；3．包封絕緣
圖l 戶外于式空心電抗器
· l5 ·
第29卷第6期
2008年l2月
電力電容器與無功補償
Power Capacitor&amp;amp; Reactive Power Compensation
Vol_29 No．6
Dec．20o8
隨著電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，電抗器設(shè)計計
算得于長足發(fā)展。目前，國外干式空心電抗器的
生產(chǎn)廠家，有意大利的TRENCH、瑞士的BBC、
HAEFLY和奧地利的SPEZIELEKTRA等廠家，其
中，產(chǎn)品在世界上覆蓋率較高的是TRENCH和
SPEZIELEKTRA公司，它們的技術(shù)水平基本接近。
國內(nèi)開發(fā)研制于式空心電抗器起步較晚，但發(fā)展
較快，有代表性的廠家是北京電力設(shè)備總廠、上海
MWB公司和西安中揚電氣等廠家。目前國內(nèi)正
開發(fā)研制66 kV、20 Mvar以上電抗器系列產(chǎn)品以
及±800 kV級以上空心平波電抗器。隨著我國
電力工業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，采用性能先進(jìn)的于式
空心電抗器替代5O年代以來生產(chǎn)的水泥電抗器
與鐵心電抗器是主要的發(fā)展趨勢。
1 等電阻電壓的設(shè)計方法
1．1 自感系數(shù)與互感系數(shù)的定義
眾所周知，兩個同心無限薄有限長密繞的螺
線管之間的互感計算公式如下?
M=nin D ，H ，D ， ，H f) (1)
式中，n ，D ，H 分別表示為第i個螺線管的
匝數(shù)，直徑與高度；n ，D 日 表示為第 個螺線管
的匝數(shù)，直徑與高度；H 表示為第 個螺線管與第
． 個螺線管之間的中心距離。
由(1)可見 (D ， ，D ， ， ，)僅與兩線圈
的結(jié)構(gòu)尺寸和相互問的位置有關(guān)，而與兩線圈的
匝數(shù)無關(guān)。
當(dāng)D =Df；H ： 且H =0時，廠(D ，H ，D ，
，H )為自感系數(shù)，否則，稱之為互感系數(shù)。
以下將自感系數(shù)與互感系數(shù)分別表示為 和
，這樣第 個線圈的自感與 √兩線圈的互感可
分別表示為：
L。=n ； M =nin
式中，n 、n 分別表示為第i個螺線管的匝數(shù)
與第 個螺線管的匝數(shù)；L 為第i個螺線管的自
感； 偽第i√兩個線圈間的互感。
由于戶外千式空心電抗器的線圈是由直徑小
于4 mm的圓鋁導(dǎo)線繞制成多個并聯(lián)圓筒式線圈
構(gòu)成，因而在計算各圓筒線圈的自感和線圈問的
互感時可將其假設(shè)為無限薄螺線管式線圈，實踐
表明由這種假設(shè)引起的誤差完全可以忽略不計．
I．2 各個包封等溫升的條件
． 16 ·
對于戶外干式空心電抗器各包封溫升的計
算，本文采用文獻(xiàn)[2]的計算方法。該方法曾成
功地用于計算干式變壓器的溫升 J，其主要計算
方式如下：
g =kiP ／S (2)
0 =0．36 (3)
S f=Sia (4)
= 0．56 [口 1．6／(Hi×1 000)] (5)
式中，g 為第i個包封有效單位面積散熱量
(w／m)； 為第i個包封平均溫升的未校正值；
為第i個包封線圈的電阻損耗； 為第i個包封的
其他附加損耗系數(shù)；s 為第i個包封的有效散熱
面積(m )；S 為i個包封的實際散熱面積(m )；
為第i個包封散熱面的散熱系數(shù)；a 為第i個
包封風(fēng)道有效寬度(milq)； 為第i個包封氣道
的有效高度(m)。由式(2)及式(3)可見，只要保
證電抗器每個包封的有效單位面積散熱量相同，
則電抗器各包封的溫度相同(最內(nèi)包封與最外包
封在初步設(shè)計時均按內(nèi)包封考慮)。由于電抗器
各包封的散熱高度，氣道寬度和各包封的溫度限
值是分別相近與相同的，可將式(2)與式(3)簡化
為：
c、0 ． 36 ： 1 ． 12 Kn 器一 ㈤
式中P 為溫度限值的導(dǎo)線電阻率；J 為第i
個包封導(dǎo)線的電流密度值；n 為第i個包封的等
值匝數(shù)；， 為流經(jīng)第i個包封的電流；K 為撐條
影響散熱的修正系數(shù)；k 為第i個包封的附加損
耗系數(shù)；Ⅱ為電抗器氣道的有效寬度；H為電抗器
氣道的有效高度；0為各包封的溫升限值。當(dāng)初
步選取電抗器各包封的電流密度為相同值時；K
： 0．9；且k =1．2，0=75K時由式(6)得
一 1 18 no·
I'tiIi — 廠
= C (i：1，2，3，? ? ，n ) (7)
式中n 為電抗器的包封數(shù)目。
式(7)即為推導(dǎo)出電抗器各包封等溫升的條
件，該等式表明一個包封不超過溫升限值所能承
擔(dān)的最大安匝數(shù)值。
1．3 電抗器包裝數(shù)目的確定
第29卷第6期
2008年l2月
電力電容器與無功補償
Power Capacitor＆ Reactive Power Compensation
V01．29 No．6
Dec．2008
由式(7)可得出以下幾點結(jié)論：
1)若使電抗器各包封的溫升不超過指定的
溫升限值0，則各包封的安匝數(shù)ni， 必須小于等于
C ；
2)若使電抗器各包封的溫升相同，則需保證
ni， =n，J =C(常數(shù))≤C ( )。
由以上兩點結(jié)論可得到確定電抗器包封的方
法。即在計算初步估算出各包封的等值匝數(shù)和電
流之后，計算出某一包封的安匝數(shù)ni 當(dāng)該值大
于C?時，包封數(shù)目增大，該過程直到rti[i值小于
等于c?時為終值。
1．4 電抗器各層匝數(shù)和電流的計算公式
由于戶外干式空心電抗器的線圈是由若干個
獨立支路構(gòu)成的，因此由電工原理可得方程組
jtoLl，l+ l2，2+?? +jwMl ， +尺l，l：U
jtoM2l，l+jtoL2，2+?? +j~M2 ， +R2，2=U
jcoM~lI I+jmM|2I 2+??+jtoLnl n+R I n：U
l l+I 2+ I 3+? ? + l n：l～
(8)
式中，厶為第i個圓筒線圈的自感(i=1，2，
3，??n)； 第i與 線圈間的互感(i≠ ；i=
1，2，? ? ，n； =1，2，?? ，n)；， 為流經(jīng)第i個線
圈的電流(i=1，2，3，?? ，n)；， 為電抗器的額
定電流；n為線圈總的獨立支路數(shù)；U為電抗器的
端電壓；尺 為第i個線圈的電阻值，(i=1，2，3，
??n)。求解這樣一個方程組是不可能的，因此
這里各個線圈的匝數(shù)和電流均是未知的，因而需
找另一個方程組。這里發(fā)現(xiàn)：若使式(8)中 ，
=R，，，(i≠ ；i=1，2，?n； =1，2，??n)，則不僅
使得方程的求解簡單，而且電抗器的損耗具有最
小值。由于這一求解方法是建立在各個獨立線圈
的電阻電壓均相等的基礎(chǔ)上，因而把這一方法稱
為等電阻電壓法，這樣可得到另n—1個方程式
R ， =尺，，， (i≠ ) (9)
可以消除相位的因素，因此式(8)與式(9)可簡化
為一般的非線性方程組形式
n ： + ．．· =
：， +n +．．·+ =
i
n ， 。+n n +?+n：， =
I L+l2+l3+? ? +In：l N
=
(10)
(11)
(12)
式中，n 為第i個圓筒線圈的匝數(shù)(i=1，2，
3，?n) 為第i與第 線圈間的互感系數(shù)( ≠ ；i
=1，2，?n； =1，2，?11,)；li為流經(jīng)第i個線圈的
電流( 1，2，3，?n)；p 為第 個線圈實際運行
時導(dǎo)線的電阻率；or 為繞制 個線圈的導(dǎo)線截面
積( 1，2，3，?rt)；n為線圈總的獨立支路數(shù)；U
為電抗器的端電壓；第 為第i個線圈的自感系
數(shù)；6o為電源的角頻率；IN為電抗器的額定電流。
將式(11)、(12)帶入式(10)，經(jīng)整理得：
避
，
Σ．
k
，Ⅳ。Σ．
k
， = 旦} (14)
后
一p
—
jD
—
jor ~
“
PiD I叮
(15)
式(13)、(14)為從電抗器各層的電阻電壓相
等的角度出發(fā)而推導(dǎo)出計算各層的匝數(shù)及流經(jīng)電
流的公式。
1．5 三相阻抗的平衡條件
三相垂直疊放的電抗器，相間存在著互感，在
設(shè)計時需考濾互感的影響，否則設(shè)計出的產(chǎn)品阻
抗將不能滿足指標(biāo)要求。三相電抗器在正常運行
時，三相電流基本平衡，根據(jù)這一條件，利用電工
原理可得三相垂直疊放電抗器的關(guān)系方程組
UA=jmL～l～七j∞M^B| +j∞M^(：|(
Ul{=jmM R l～+j∞LRI q+j(t)M l c
UI =jtoMc～l～+j(oMt HI H+ mL【 I f
l～ 戲l R=Otz 1t
O／= 如。
(16)
· l7 ·
第29卷第6期
2008年l2月
電力電容器與無功補償
Power Capacitor＆ Reactive Power Compensation
V01．29 No．6
DCC．20o8
式中 、 、c， 一三相電抗器的端電壓；
， 、， 、， 一流經(jīng)三相電抗器的電流；
、￡ 、 一三相電抗器各相的自感；
、 、 嬲一三相電抗器相間的互感。
由于三相垂直疊放電抗器具有L ：L 且B
相線圈與A、C兩相線圈繞向相反的特性，因此由
式(16)可得：
訓(xùn)一一 一 c lI (17)
=如( ) J
式中 ，z 一三相垂直疊放電抗器A相與
相的阻抗。
可見此時三相垂直疊放電抗器的端電壓相差
不是120。。因此設(shè)計時若假設(shè)三相電抗器的端
電壓是對稱的三相電源，必然會導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果錯
誤，即實測B相的阻抗要大于A相或C相的阻
抗。
由式(17)可見，若使三相垂直疊放電抗器的
阻抗平衡，則必須滿足：
z I： l I (18)
式(18)就是三相垂直疊放電抗器阻抗平衡
的條件。
1．6 匝數(shù)的計算
由于戶外干式空心電抗器的每一相線圈是由
若干個并聯(lián)支路構(gòu)成的，因此根據(jù)式(17)與式
(18)得
l =譬【喜( ) ( (‘ )+ ‘ ㈣一
’ ) + 詈砉(n ‘) ( )~ijA 一
，
仉
!
：餐 m ni【『{】 j‘
： ，一 (i：1，2,3，? 一，1) (19)
武中n～ 一相電抗器的支路總數(shù)；
n -A卡H電抗器第i個支路的匝數(shù)；；
n ～B卡H電抗器第i個支路的匝數(shù)；
．
㈣一A相電抗器第 個支路與B相電抗器
第-『個支路間的互感系數(shù)；
．∥ 一表示A相電抗器第i個支路與c相電
抗器第． 個支路之間的互感系數(shù)；
．∥ 一表示A相電抗器第i個支路與第 個支
路之間的互感系數(shù)；
一表示B相電抗器第i個支路與第 個支
路之間的互感系數(shù)；
，i一表示流經(jīng)第i個支路的電流。
由于式(19)中有2凡+1個方程式，卻有2n
個匝數(shù)與n個支路電流是未知量，雖然可以將所
有的互感系數(shù)計算出來，但要求解出匝數(shù)還需要
找到n—1個關(guān)系式。在這一點上，設(shè)計者可以從
不同出發(fā)點來得到，如從每個支路的電流密度相
同的角度出發(fā)或從各個包封的溫升相近且包封內(nèi)
各支路電流密度相同的角度出發(fā)等，均可得到所
需的一組n—1個方程。求解這一非線性方程組
就可以精確解出三相垂直疊放戶外干式空心電抗
器各相的各個支路匝數(shù)。
2 結(jié)構(gòu)簡述
2．I 干式空心電抗器采用單相設(shè)計
電抗器設(shè)計時，盡可能地使線圈導(dǎo)線與絕緣
膠的膨脹系數(shù)相近，避免產(chǎn)生絕緣開裂的可能性。
通常采用的絕緣膠其線膨脹系數(shù)為(3．0—3．9)
x 10 ／℃ ，當(dāng)采用銅導(dǎo)線時，其線膨脹系數(shù)為
(I．68～10 )／℃ ，相差較大，易產(chǎn)生開裂；因而
=F式空心電抗器采用鋁線，其線膨脹系數(shù)為(2．4
一10 )／℃ ，與絕緣膠彼此較近，可避免開裂現(xiàn)象
的發(fā)生。
干式空心電抗器采用( 2～ )mm的園鋁
導(dǎo)線。為了減少渦流損耗，選用了小截面的鋁導(dǎo)
線。每一包封中線圈導(dǎo)線排列如圖2所示。
為l『滿足耐溫等級(F級)絕緣的需要，經(jīng)試
驗研究，導(dǎo)線絕緣采用聚脂薄膜作為導(dǎo)線絕緣。
絕緣膠耐熱等級也必須達(dá)到F級。
各線圈包封包封問設(shè)有散熱氣道，其距離由
散熱條件確定，初步確定采用19 mn 、25 mm的引
拔條構(gòu)成。
于式空心電抗器的線圈由多個包封構(gòu)成，每
一包封由園銷導(dǎo)線繞制的多層層式線圈和內(nèi)外包
封構(gòu)成，各包封間用引拔條構(gòu)成的風(fēng)道隔開，為控
第29卷第6期
2008年l2月
電力電容器與無功補償
Power Capacitor＆ Reactive Power Compensation
Vo1．29 No．6
Dec．2008
制電抗率(％)，產(chǎn)品設(shè)計時各包封的導(dǎo)線直徑不
同，匝數(shù)不同。
1．撐條；2．包封絕緣；3．鋁導(dǎo)線；
4．綁扎帶；5．接線端子；6．端絕緣
圖2 包封線圈
當(dāng)線圈結(jié)構(gòu)一定時，通常是按給定時的電感
及其允許偏差，確定線圈的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，即并聯(lián)導(dǎo)線
數(shù)(N)線圈的輻向尺寸(B)、線圈平均直徑(D )
及線圈高度(H)。
設(shè)計的干式空心電抗器采用繞包絕緣(FRP)
技術(shù)，也可稱為玻璃纖維增強塑料，其中玻璃絲纖
維占80％左右，玻璃絲繞制前幾小時通過膠槽預(yù)
浸，然后纏在線盤上待繞制使用。玻璃絲交叉角
約為l5+5。，線圈繞制完后，經(jīng)整體固化后形成
剛體。線圈的機(jī)械強度大為增強，玻璃絲在和絕
緣膠固化后，抗拉強度可達(dá)(600～700)N／mm ，
超過了銅導(dǎo)線的230 N／mm 抗拉強度。一般繞
包絕緣的抗開裂強度為真空澆注干式變壓器的3
倍～4倍。戶外干式電抗器絕緣表面噴涂三防漆
RTV及應(yīng)具有耐紫外線作用的表面漆，以便在運
行條件下能承受戶外惡劣的氣象條件，保證運行
的可靠性。
線罔由多根導(dǎo)線繞制，為r減少循環(huán)電流產(chǎn)
的附加損耗， 一I『能使各支路電流·l’j沒計值相
篾艇本一·致 為liL：侄設(shè)計及l(fā) L豈過程If1成控制循
環(huán)電流，一般應(yīng)控制在各包封并聯(lián)支路r}1 均電
抗在5％ 以內(nèi) 為此各包封中的鋁導(dǎo)線采用分?jǐn)?shù)
Ill (按接線臂數(shù))．連接于 架的各接線臂卜，同
時電抗器是由多個包封組成，為J 實現(xiàn)分?jǐn)?shù)匝和
夾緊固定的需要，采用了上下對稱的星形線臂。
接線臂采用高強度鋁合金板焊接而成，并用浸以
絕緣膠的玻璃纖維綁扎帶將上下接線臂與線圈可
靠地綁扎成一整體，從而使電抗器具有很高的機(jī)
械強度和整體穩(wěn)定性。
3 安裝方式對電抗的影響
空心電抗器一般安裝方式為：三相疊裝、兩疊
一平、三相水平三種方式。
三相疊裝擺放時，B相與A、C兩相繞向相
反，可以增大三相電抗器等效電抗，因此可以節(jié)約
材料、減小電抗器體積。但是，在互感的影響下，
A相、C相線圈的等效電阻增大了，使得A相、c
相等效品質(zhì)因數(shù)大大降低，影響到濾波效果，并且
等效電抗三相不均衡；兩疊一平擺放時，A相、B
相疊放，C相獨立放置，B相與A相、C相繞向相
反，這樣可以減小三相電抗器對絕緣子的拉力；三
相水平放置時，三相線圈繞向相同，由于互感的影
響，A相線圈的等效電抗升高，而A相的等效電
阻朝其固有電阻降低的方向變化，B相線圈的等
效電抗大大升高，而B相的等效電阻基本不變，C
相線圈的等效電抗升高，C相的等效電阻也升高。
4 線圈匝間絕緣的判斷方法
倍頻倍壓試驗雖然作用時間較長，能量較高，
但試驗電壓較低，匝數(shù)較多時難以查出缺陷；雷電
沖擊試驗電壓較高，但作用時問較短，能量較低，
無論以外觀檢查還是波形比較，常常難以判斷是
否合格。目前電抗器廠家采用一分鐘高頻振蕩試
驗判斷線圈匝間斷路非常有效。
匝間短路之所以減少電抗器的電感量，不僅
僅是因為匝間短路減少了線圈的匝數(shù)，更重要的
是短路環(huán)中感應(yīng)電流所產(chǎn)乍的磁場對線圈主體磁
場起去磁作用。高頻下短路環(huán)的電抗分量是其阻
抗的主體，短路環(huán)電流產(chǎn)生的磁場與線圈主體磁
場的夾角l~t-I；頻下更接近18O。，對線圈主體磁場
的抵消作用更加明顯。
于式窄心電抗器匝問存在嚴(yán)重的絕緣缺陷
時，采用一·分鐘高頻振蕩試驗比較波形相位差明
顯小同，震蕩的周期 問短路后明顯減小，由此
IJT判斷匝問絕緣損壞。
5 結(jié)論
1)我公 采用于式空心電抗(下轉(zhuǎn)第39頁)
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第29卷第6期
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電力電容器與無功補償
Power Capacitor＆ Reactive Power Compensation
Vo1．29 No．6
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5ms／div 5ms／div
(e) =O 95(~ba、b) (f)^=O 98(~bc、d)
圖9 補償后波形圖
6 結(jié)論
該裝置采用低功耗、高性能的單片機(jī)，能快速
的檢測并顯示電網(wǎng)的運行參數(shù)，動作時間及投切
門限可調(diào)。其電路簡潔，控制器的體積小，具有高
電壓，低負(fù)荷判斷，顯示，閉鎖等功能，針對低壓變
電站、配電所和中小型企業(yè)的無功補償具有重要
作用。其能有效的改善電能質(zhì)量，降低損耗，具有
良好的推廣實用價值。
參考文獻(xiàn)：
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新一代智能功率因數(shù)自動補償器[J]．儀器儀
表學(xué)報，2003，24(6)：629-631．
作者簡介：
趙文龍(1963一)，男，江西人，教授，主要從事智能控制方
面的教學(xué)、研究工作。
張釗(1977一)，男，四川人，碩士研究生，主要從事智能
控制方面的學(xué)習(xí)與科研工作。
任明珠(1981一)，女，黑龍江人，碩士研究生，主要從事智
能控制方面的學(xué)習(xí)與科研工作。
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(上接第19頁)
器計算機(jī)設(shè)計軟件通過這種設(shè)計方法所計算的電
抗、電流分布與試驗偏差很小，具有較高適應(yīng)性。
2)戶外于式空心電抗器具有明顯優(yōu)點，但缺
點也決不可忽視，即安裝于戶外時，在雨水的侵襲
下，由于絕緣防護(hù)不盡完善，國內(nèi)外生產(chǎn)的戶外干
式空心電抗器均發(fā)現(xiàn)絕緣損壞故障，而采取相應(yīng)
的技術(shù)措施。
3)為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，繞包機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)
合理控制是關(guān)鍵，必須保證在繞制過程中絕緣膠
不滴下和不被甩出。
4)導(dǎo)線夾渣易造成絕緣損壞以致匝間短路，
在繞制線圈時應(yīng)仔細(xì)檢查防范。
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參考文獻(xiàn)
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障對總體特性的影響及檢測方法[J]．變壓
器，2000，7(9)：32-25
作者簡介：
付銀倉(1975一)，男，陜西岐山人，工程師，主要從事變
器及電抗器設(shè)計及技術(shù)管理工作
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聯(lián)系人：譚藝玲于淑霞雷西寧 電話：(029)84221423
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