随着电网规模的不断扩大和负荷容量的持续增长,电网系统的短路电流也越来越高,逐步成为制约电网发展的一个重要因素,因此限制其短路电流的提高成为电网系统需要迫切解决的问题。

限制短路电流一般从以下三个方面着手：电网结构、运行方式及应用限流设备。其中前两者的限流措施是以牺牲电网的安全性和可靠性为代价^[1],而串联电抗器等短路电流限流设备因为技术成熟可靠成为目前主要的限流措施。作为电抗器的一种主要结构形式,空心电抗器由于具有较大的电感线性范围、重量轻、接线简单、运维方便而得到了更加广泛的应用^[2]。但空心电抗器漏磁大,对周围环境造成电磁污染, 甚至在附件的导体或闭合回路形成感应电流,导致发热,因此必须采用磁屏蔽结构来约束磁力线分布,降低电磁污染,减少损耗。

本文通过设计220 kV用空心电抗器两种不同类型的磁屏蔽结构,即全屏蔽和部分磁屏蔽结构,分析了两种模型的磁屏蔽原理和作用,并与无磁屏蔽结构的空心电抗器进行比较,同时得到了电抗器磁场的分布、磁通密度和电感等参数;为空心电抗器的设计提供理论指导和设计参考。

普通空心电抗器的磁路主要通过励磁线圈产生磁通^[3,4],由励磁线圈内部扩散到外边的空气中,形成闭合回路。由于电流的增加,导致磁场不断增加, 在附近的导体或闭合回路形成涡流,导致发热,进一步损坏导体,同时分布在空气中的磁场对二次元件及仪表形成电磁干扰,对周围环境造成电磁污染,因此不含磁屏蔽的空心电抗器要求的工作区域比较大。我国电力行业对变电站作业场所工频磁场强度和居民区评价标准为100 T^[5],这就要求必须对变电设备的电磁污染采取控制措施。

就空心电抗器而言,在励磁线圈周围布置高磁导率铁磁材料制成的磁屏蔽层,这样线圈产生的磁力线在磁屏蔽区域发生畸变,使磁屏蔽周围区域的磁力线密度大为减少,磁场强度显著减弱,从而达到抑制空气中漏磁的目的。如图1所示,绝大部分磁力线都穿过磁屏蔽区域。

以某220 kV变压器用空心电抗器为例,具体计算参数如下：额定电流：3 810 A;匝数：42;线圈截面积：920×120 mm²;磁屏蔽截面积：700×250 mm²;磁屏蔽材料：B30P120型。

建立如图2所示三种不同类型的空心电抗器：

无磁屏蔽型、全磁屏蔽型及含上下轭的磁屏蔽型。其中全屏蔽型上下铁轭长度为2 810 mm,左右柱长度为1 020 mm,含上下轭的磁屏蔽型的上下铁轭长度为2 810 mm。

应用Ansoft Maxwell电磁场仿真软件建立上述空心电抗器三维计算模型,因为模型的对称性,取1/2模型进行计算,Ansoft Maxwell 具有强大的自适应网格划分工具,采用Ansoft Maxwell 默认划分方式,得到上述三个模型的网格模型,如图3所示。

采用Ansoft Maxwell的时谐场模块(eddy current),基于频率50 Hz计算,建立足够大小的求解域,获得图4磁通密度分布。由图4可见,磁屏蔽的存在对空心电抗器的磁通密度大小和分布区域有很大影响,无磁屏蔽型空心电抗器最大磁通密度为0.28 T,位于线圈内圈区域,全磁屏蔽型空心电抗器最大磁通密度为0.42 T,位于磁屏蔽上下轭处,含上下轭的部分磁屏蔽型空心电抗器最大磁通密度为0.55 T。可见磁通密度都远远小于许用磁通密度。

磁力线分布如图5所示。磁屏蔽的存在对磁力线的方向和分布有很大影响,为便于考察,在无磁屏蔽型电抗器周围建立参考区域,该参考区域与磁屏蔽区域大小保持一致。图6为上述三种计算模型初始时刻(0º相位)参考平面的磁通密度矢量图。结合图5和图6可知,无磁屏蔽型空心电抗器磁力线不仅分布于参考区域内部,而且也分布于参考区域外边,方向与参考区域的平面相垂直,磁力线分布分散,而全磁屏蔽型和部分屏蔽磁型磁力线分布相似,分布集中于磁屏蔽区域,方向与磁屏蔽区域的平面相平行。但含上下轭的部分磁屏蔽型因硅钢片用量较少,具有经济优势。

忽略硅钢片叠片内部的涡流效应,仅考虑由于磁滞效应带来的铁损,全磁蔽型和部分磁屏蔽型的涡流密度分布如图7所示,对整个区域进行积分可以得到全磁屏蔽型电抗器的铁损为145 W,而含上下轭的磁屏蔽型电抗器的铁损为281 W。与减少的硅钢片费用相比,增加的损耗所产生的费用有限,因此含上下轭的部分磁屏蔽型经济性较好。

空心电抗器很重要的一个技术参数是电抗值。其计算式为

式中,ω为角速度;f为频率值;L为电感值。

通过Ansoft Maxwell可以方便地计算上述各种计算模型的电感值,计算结果见表1,可见全磁屏蔽型的电感值和含上下轭的部分磁屏蔽型的电感值差异不大,同样含上下轭的部分磁屏蔽型因硅钢片用量较少,更具有经济优势。

不改变磁屏蔽的位置,通过改变磁屏蔽的高度来考察磁屏蔽厚度对空心电抗器的电感值影响,计算结果见表2。计算结果表明,磁屏蔽厚度对空心电抗器的电感值影响很小。

通过建立无屏蔽型、全屏蔽型和部分屏蔽型三种不同类型的空心电抗器计算模型,基于Ansoft Maxwell进行了电磁场仿真分析计算,获得了各种不同类型的电抗器的磁通密度分布、大小及电感值,并进行了对比分析,结论如下。

(1) 施加相同的励磁电流,无屏蔽型空心电抗器、全屏蔽型和部分屏蔽型的空心电抗器的磁通密度大小和磁通密度分布有很大差异,无屏蔽型空心电抗器的最大磁通密度分布在励磁线圈内侧,而其余两种类型磁屏蔽的电抗器分布于磁屏蔽处。无屏蔽型空心电抗器的磁力线方向与磁屏蔽区域的平面相垂直(见图6a),磁力线发散,而全屏蔽型和部分屏蔽型的空心电抗器的磁力线几乎都集中于磁屏蔽区域,且平行于该区域平面(见图6b、6c)。

(2) 全屏蔽型和部分屏蔽型的空心电抗器的磁通密度分布很相近,虽然磁通密度大小略有不同,但都小于硅钢片的许用值。部分屏蔽型的空心电抗器的损耗要比全屏蔽型的损耗要大,但由此增加的费用有限。

(3) 无屏蔽型空心电抗器的电感要比全屏蔽型和部分屏蔽型的空心电抗器的电感值要小一些。全屏蔽型和部分屏蔽型的空心电抗器的电感值差异不大,而且部分屏蔽型的空心电抗器因硅钢片用量少,具有很好的经济性。

(4) 磁屏蔽的厚度对空心电抗器的电感值影响不大。