一种无环流空心电抗器的设计方法和无环流空心电抗器

1.本发明属于电抗器设计技术领域，特别是涉及到一种无环流空心电抗器的设计方法和无环流空心电抗器。


背景技术：

2.干式电抗器广泛应用于35kv-500kv变电站，在过电压抑制、滤波、无功补偿等环节发挥重要作用。其中高压干式空心电抗器技术引入国内已经三十余年，现有技术采用多包封、包封多层支路并联结构，可实现各种容量和电压等级的电抗参数要求，在中、高压和特高压电网中得到了广泛的应用。然而多年的运行和故障分析表明，这种传统的空心电抗器结构也暴露出越来越多的绕组结构、导线绝缘、包封绝缘、制造工艺等方面的不足和致命缺点；另外对于大电感、小电流和小电感、大电流型式的电抗器仍采用一般电抗器的结构设计也会导致小容量大体积、极低设计温升和分数匝误差大等问题，这些长期存在的设计、工艺和材料方面的问题，导致高压干式空心电抗器在敞开式运行环境中容易造成损耗过大、局部环流发热后包封开裂，最终可能引发电抗器起火燃烧等重大事故。
3.现有的干式空心电抗器技术无法有效解决包封开裂、分数匝后产生环流引起局部过热、多线规复杂绕组等长期运行和工艺生产等方面关键技术问题，严重制约户外干式空心电抗器技术的发展和完善。
4.因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种无环流空心电抗器的设计方法和无环流空心电抗器，用于解决现有技术不能消除电抗器包封环流、引起局部发热这一的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无环流空心电抗器的设计方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
7.步骤一、根据电抗器电压等级、电抗率和额定电流，计算所需设计的电抗器理论电感值、绕制时采用的铝扁线横截面尺寸、导线内的电流密度值和包封间气道宽度，确定电抗器的内径、高度和包封数目的取值范围；
8.步骤二、在步骤一确定的电抗器内径、高度和包封数目的取值范围内选取任一数值，将电抗器内各包封均等效为单匝线圈，建立各包封线圈的串联模型，获得串联等效线圈耦合方程组1，进一步获得电抗器等效互感系数及等效匝数的理论计算表达式2，确定电抗器等效为单一包封形式的等效匝数；
[0009][0010][0011]
其中，ω为角频率，单位：弧度/秒；m
ij
为各包封间的互感、自感值，i＝1,2
…
m，j＝1,2
…
m，当i＝j时为自感值，i≠j时为互感值，单位：毫亨；in为额定电流值，单位：安；ui为各包封分担的电压值，i＝1,2
…
m，单位：伏；f
ij
为各包封间的互感、自感系数，根据互感、自感系数与各包封内的等效匝数即可确定各包封间的互感、自感值；fe为将多包封电抗器等效为单包封电抗器后的自感系数；ln为电抗器理论电感值，单位：毫亨；m为包封数目，单位：个；ne为将多包封电抗器等效为单一包封形式的等效匝数，单位：匝；
[0012]
步骤三、设定包封初始厚度，通过步骤一获得的铝扁线横截面尺寸及电抗器包封设计高度，确定轴向匝数；通过步骤二获得的等效匝数及轴向匝数，确定电抗器的辐向匝数；
[0013]
步骤四、结合步骤二得到的电抗器的等效匝数，根据如下公式，获得电抗器的等效损耗；
[0014]
pe＝k
p
ρπdenei
njꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
其中，pe为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；k
p
为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9
×
10-8
欧
·
米；de为电抗器的等效直径，为电抗器内径和电抗器外径的算术平均值，单位：米；ne为电抗器等效匝数，单位：匝；in为额定电流，单位：安；j为导线内的电流密度值，单位：安/平方米；
[0016]
步骤五、根据额定电流、铝扁线横截面尺寸、铝扁线内的绕合系数，取整计算得到单匝线内所需的铝扁线数量，并以此确定电抗器星架臂的数量，每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕；
[0017]
步骤六、根据步骤三获得的电抗器的辐向匝数及步骤五得到的单匝线内所需的铝扁线数量获得电抗器单层结构中缠绕的铝扁线的总数；
[0018]
步骤七、根据包封等温升时，各包封热负荷相等原则可得：
[0019]
[0020][0021][0022][0023]
其中，k
p
为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9
×
10-8
欧
·
米；di、dj分别为第i、j个包封的等效直径，单位：米；hi、hj分别为第i、j个包封的高度，单位：米；a
i1
、a
i2
与a
j1
、a
j2
分别为第i、j个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k
i1
、k
i2
与k
j1
、k
j2
分别为第i、j个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；ni、nj分别为第i、j个包封的等效匝数，单位：匝；ai、aj分别为第i、j个包封内轴向金属总宽度，单位：米；
[0024]
各包封内铝扁线的数目应满足公式7相同的比例关系，据此获得单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数；
[0025]
步骤八、根据步骤七中得到单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，重新计算包封厚度，并将新的各包封厚度重复步骤三至步骤八过程，直至两次根据公式3计算的电抗器等效损耗的相对误差值小于1％后结束循环，得到各包封的厚度、匝数；
[0026]
步骤九、根据步骤四中获得的电抗器等效损耗值，根据如下公式获得电抗器的等效温升θ，
[0027][0028]
其中，pe为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；m为包封数目，单位：个；di为第i个包封的等效直径，单位：米；hi为第i个包封的高度，单位：米；a
i1
、a
i2
与分别为第i个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k
i1
、k
i2
分别为第i个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；1.35为考虑全部谐波损耗后的修订系数；
[0029]
判断温升θ是否大于75k，温升θ大于75k时，改变电抗器内径、高度和包封数目，重复步骤二至步骤八，直至温升θ小于75k，得到电抗器的结构尺寸；
[0030]
步骤十、根据步骤九中确定的电抗器的结构尺寸结合公式2，计算得到电抗器的实际电感值，实际电感值与理论电感值相对误差值小于3％时，得出电抗器各设计参数，否则重复步骤二至步骤九，调整电抗器内径、高度、包封数目；所述电抗器的结构尺寸包括内径、高度、包封数目、包封厚度、包封匝数和气道宽度；
[0031]
步骤十一、根据步骤十最终确定的电抗器的结构尺寸、电抗器星架臂的数量以及单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，开始缠绕电抗器线圈；每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕，设电抗器星架臂的数量为n，每根铝扁线每圈只缠绕n分之一圈便进入下一圈，n根铝扁线恰好按照单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反
向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈缠绕完成。
[0032]
一种无环流空心电抗器，包括星架臂、包封、包封间撑条和电抗器线圈，所述星架臂为n个；所述电抗器线圈由n根铝扁线缠绕而成；所述铝扁线在每个星架臂上独立起绕，每根铝扁线每圈只缠绕n分之一圈便进入下一圈，n根铝扁线恰好按照单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈缠绕完成。
[0033]
所述星架臂数量、单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数和各包封缠绕的轴向铝扁线层数采用任一如权利要求1～3所述一种无环流空心电抗器的设计方法确定。
[0034]
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
[0035]
1、与传统空心电抗器设计相比，实现了电抗器设计中仅采用单一的铝线规格，减小制作难度与成本。
[0036]
2、与传统空心电抗器相比，在电抗器各包封中绕线等长，电抗器空间结构完全对称，实现了包封中无环流，消除了由环流引起的电抗器局部过热问题。
[0037]
3、解决了传统空心电抗器小容量大体积、极低设计温升和分数匝误差大等问题。
附图说明
[0038]
图1为本发明一种无环流空心电抗器的设计方法的流程图。
[0039]
图2为本发明一种无环流空心电抗器的设计方法的具体实施例中电抗器内径与设计电感值关系图。
[0040]
图3为本发明一种无环流空心电抗器的单层绕线结构的布线图。
[0041]
图4为本发明一种无环流空心电抗器的结构示意图。
[0042]
图中10-星架臂、11-包封、12-包封间撑条、13-电抗器线圈。
具体实施方式
[0043]
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，在不脱离权利要求中所阐述的发明机理和范围的情况下，使用者可以对下列参数进行各种改变。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。
[0045]
由附图1～4所示：一种无环流空心电抗器的设计方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
[0046]
步骤一、根据电抗器电压等级、电抗率和额定电流，计算所需设计的电抗器理论电感值、绕制时采用的铝扁线横截面尺寸、导线内的电流密度值和包封间气道宽度，确定电抗器的内径、高度和包封数目的取值范围；
[0047]
步骤二、在步骤一确定的电抗器内径、高度和包封数目的取值范围内选取任一数值，将电抗器内各包封均等效为单匝线圈，建立各包封线圈的串联模型，获得串联等效线圈耦合方程组1，进一步获得电抗器等效互感系数及等效匝数的理论计算表达式2，确定电抗器等效为单一包封形式的等效匝数；
[0048][0049][0050]
其中，ω为角频率，单位：弧度/秒；m
ij
为各包封间的互感、自感值，i＝1,2
…
m，j＝1,2
…
m，当i＝j时为自感值，i≠j时为互感值，单位：毫亨；in为额定电流值，单位：安；ui为各包封分担的电压值，i＝1,2
…
m，单位：伏；f
ij
为各包封间的互感、自感系数，根据互感、自感系数与各包封内的等效匝数即可确定各包封间的互感、自感值；fe为将多包封电抗器等效为单包封电抗器后的自感系数；ln为电抗器理论电感值，单位：毫亨；m为包封数目，单位：个；ne为将多包封电抗器等效为单一包封形式的等效匝数，单位：匝；
[0051]
步骤三、设定包封初始厚度，通过步骤一获得的铝扁线横截面尺寸及电抗器包封设计高度，确定轴向匝数；通过步骤二获得的等效匝数及轴向匝数，确定电抗器的辐向匝数；
[0052]
步骤四、结合步骤二得到的电抗器的等效匝数，根据如下公式，获得电抗器的等效损耗；
[0053]
pe＝k
p
ρπdenei
njꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
其中，pe为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；k
p
为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9
×
10-8
欧
·
米；de为电抗器的等效直径，为电抗器内径和电抗器外径的算术平均值，单位：米；ne为电抗器等效匝数，单位：匝；in为额定电流，单位：安；j为导线内的电流密度值，单位：安/平方米；
[0055]
步骤五、根据额定电流、铝扁线横截面尺寸、铝扁线内的绕合系数，取整计算得到单匝线内所需的铝扁线数量，并以此确定电抗器星架臂的数量，每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕；
[0056]
步骤六、根据步骤三获得的电抗器的辐向匝数及步骤五得到的单匝线内所需的铝扁线数量获得电抗器单层结构中缠绕的铝扁线的总数；
[0057]
步骤七、根据包封等温升时，各包封热负荷相等原则可得：
[0058]
[0059][0060][0061][0062]
其中，k
p
为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9
×
10-8
欧
·
米；di、dj分别为第i、j个包封的等效直径，单位：米；hi、hj分别为第i、j个包封的高度，单位：米；a
i1
、a
i2
与a
j1
、a
j2
分别为第i、j个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k
i1
、k
i2
与k
j1
、k
j2
分别为第i、j个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；ni、nj分别为第i、j个包封的等效匝数，单位：匝；ai、aj分别为第i、j个包封内轴向金属总宽度，单位：米；
[0063]
各包封内铝扁线的数目应满足公式7相同的比例关系，据此获得单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数；
[0064]
步骤八、根据步骤七中得到单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，重新计算包封厚度，并将新的各包封厚度重复步骤三至步骤八过程，直至两次根据公式3计算的电抗器等效损耗的相对误差值小于1％后结束循环，得到各包封的厚度、匝数；
[0065]
步骤九、根据步骤四中获得的电抗器等效损耗值，根据如下公式获得电抗器的等效温升θ，
[0066][0067]
其中，pe为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；m为包封数目，单位：个；di为第i个包封的等效直径，单位：米；hi为第i个包封的高度，单位：米；a
i1
、a
i2
与分别为第i个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k
i1
、k
i2
分别为第i个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；1.35为考虑全部谐波损耗后的修订系数；
[0068]
判断温升θ是否大于75k，温升θ大于75k时，改变电抗器内径、高度和包封数目，重复步骤二至步骤八，直至温升θ小于75k，得到电抗器的结构尺寸；
[0069]
步骤十、根据步骤九中确定的电抗器的结构尺寸结合公式2，计算得到电抗器的实际电感值，实际电感值与理论电感值相对误差值小于3％时，得出电抗器各设计参数，否则重复步骤二至步骤九，调整电抗器内径、高度、包封数目；所述电抗器的结构尺寸包括内径、高度、包封数目、包封厚度、包封匝数和气道宽度；
[0070]
步骤十一、根据步骤十最终确定的电抗器的结构尺寸、电抗器星架臂的数量以及单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，开始缠绕电抗器线圈；每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕，设电抗器星架臂的数量为n，每根铝扁线每圈只缠绕n分之一圈便进入下一圈，n根铝扁线恰好按照单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反
向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈缠绕完成。
[0071]
进一步铝扁线由多根圆铝线压制而成，因此存在空隙，步骤五中所述铝扁线内的绕合系数为0.83。
[0072]
进一步的步骤五中所述单匝线内所需的铝扁线数量取偶数。
[0073]
一种无环流空心电抗器，包括星架臂10、包封11、包封间撑条12和电抗器线圈13，所述星架臂10为n个；所述电抗器线圈13由n根铝扁线缠绕而成；所述铝扁线在每个星架臂10上独立起绕，每根铝扁线每圈只缠绕n分之一圈便进入下一圈，n根铝扁线恰好按照单层结构中各包封11缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈13缠绕完成。
[0074]
这种无环流空心电抗器与传统空心电抗器设计相比，实现了电抗器设计中仅采用单一的铝线规格，减小制作难度与成本；在电抗器各包封中绕线等长，电抗器空间结构完全对称，实现了包封中无环流，消除了由环流引起的电抗器局部过热问题。
[0075]
进一步的所述星架臂10的数量、单层结构中各包封11缠绕的幅向铝扁线数和各包封11缠绕的轴向铝扁线层数采用任一如权利要求1～3所述一种无环流空心电抗器的设计方法确定。这种通过计算等温升电感来设计无环流空心电抗器的结构的方法解决了传统空心电抗器小容量大体积、极低设计温升和分数匝误差大等问题。
[0076]
具体实施例中，具体的设定所述的额定电压值为11000伏、电抗率为6％、额定电流值为100a、电流密度为1安/平方毫米、包封气道宽度为19毫米、铝扁线横截面尺寸为高10毫米、宽2毫米，电抗器内径范围设定为0.5米～2米、高度范围设定为0.2米～1.8米、包封数目范围为1个～14个。根据本发明方法的反复迭代计算，在考虑损耗、温升、设计电感值误差等符合方法限定的边界条件下，得到以下电抗器设计参数，其内径为0.72米、高度0.832米、包封数为4个时采用本发明算法进行计算电抗器等效直径de为0.807m，等效匝数为160匝，辐向匝数为2匝，轴向匝数为80匝，四个包封的厚度由内至外分别为10毫米、5毫米、5毫米、10毫米，四个包封的等效匝数由内至外分别为53.333匝、26.667匝、26.667匝、53.333匝，单匝线内铝扁线数量为6根，各包封单层结构内分得铝扁线数分别为：第一个包封为4根、第二个包封为2根、第三个包封为2根、第四个包封为4根，单层电抗器结构排线方式如图3所示。
[0077]
电抗器内缠绕铝线的总电阻值为0.1592欧姆，电抗器温升为48.0127开尔文，设计电感值为12.207毫亨，电阻损耗为1886.4瓦特、热损耗为3468.7瓦特，根据具体实施例中额定电压、电流、电抗率进行计算目标电感值为12.1292毫亨。采用本发明方法设计电感值与目标电感值的相对误差为0.641％，满足工程5％计算误差的要求。
[0078]
新型无环流电抗器结构如图4所示，包封11为四个，内部匝数分别为53.333匝、26.667匝、26.667匝、53.333匝。六根铝扁线在六个星架臂10上分别起头，每根铝扁线在最内部包封11绕制三分之二匝时转换至下一包封11，再绕制三分之一匝时转换至下一包封11，再绕制三分之一匝时转换至最外部的包封11，在最外部的包封11绕制三分之二匝完成单层结构，因此幅向共绕制2匝，继续沿反向由外向内缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈13缠绕完成，在绕线转换包封中均在星架臂上完成。具体到铝扁线的排线方式为所述六根铝扁线在六个星架臂10上独立起绕，每根铝扁线每圈只缠绕六分之一圈便进入下一圈，六根铝扁线恰好按照单层结构中各包封11缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈13缠绕完成。
[0079]
本发明对相同电抗器高度0.832米、相同包封数均为4个、不同内径下电感值进行计算，内径取值范围0.4～1.2米，电抗器内径与设计电感值关系如图2所示。根据计算结果可知内径在0.4～0.5米之间，由于电抗器内径小，为满足电抗器电感值，辐向匝数为3匝，总匝数为240匝，电感值随内径增加而增加；内径在0.55～1.0米之间，辐向匝数为2匝，总匝数为160匝，电感值随内径增加而增加；内径在1.05～1.2之间，辐向匝数为1匝，总匝数为80匝，电感值随内径增加而增加，曲线中的突变点是由于内径增大幅向匝数减小所引起的，在其变化范围内均存在最优值接近目标电感值。
[0080]
因此可通过上述新型无环流空心电抗器包封等温升电感计算方法，可实现无环流电抗器结构参数设计。
[0081]
显然，上述所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。