基于全损耗计算的空心电力电抗器温度场研究
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等温升法干式空心电抗器设计的电磁计算及损耗研究
交直流电流电抗器的可行性和损耗的合理性,有效提高了电抗器运行的可靠性。
关 键 词 :等温升法; 干式电抗器; 涡流损耗; 交流复合电阻
中 图 分 类 号 ：TM47
文献标志码： A
文 章 编 号 :2095 -6 8 43 (2 01 9 )0 5 -0421 -0 8
Research on electromagnetic calculation and loss of the design of dry-type air core reactor by isothermal rise method
Abstract ：On the basis of introducing the design principle
of
drytype air-core reactor with isothe
and aiming at the eddy current loss of the reactor , a Bartky transformation method is proposed to calculate the mag
1 1 2, 3, 1 李 中 元 王 鲁 昕 刘 芳
刘力伟
姜鹏
( 1 . 国 网 黑 龙 江 省 电 力 有 限 公 司 电 力 科 学 研 究 院 ，哈 尔 滨 1 5 0 0 3 0 ; . 中 国 石 油 集 团 电 能 有 限 公 司 热 电 一 公 司 ，黑 龙 江 大 庆 1 63 3 1 4 ; . 国 网 黑 龙 江 省 电 力 有 限 公 司 ，哈 尔 滨 1 50 03 0 )
摘 要 :在介绍等温升法干式空心电抗器设计的原理基础上，针对电抗器的涡流损耗，提出了采用B a t k y 变换法计算电抗器
开放式空心试验电抗器的设计研究
Key words: low voltage ride through; open-type air-core test reactor; inductance calculation; calculation of temperature rise
0 引言
低电压穿越是指电网故障或扰动引起风电场并 网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电 或光伏机组能够坚持并网运行，直到电压恢复如常， 从而维持电网稳定。电抗器在低电压穿越测试装置 中起到阻抗分压作用，通过限流电抗器和短路电抗 器的阻抗分压来控制机组上电压跌落的百分比，从 而起到测试风机是否具有低电压穿越能力的作用， 是测试装置的核心设备 。 [1-4]
图1 开放式空心试验电抗器结构图
2 工作原理
试验电抗器在低电压穿越测试装置中分两种：限 流电抗器和短路电抗器 [1-2，4]。图 2 为开放式空心 试验电抗器电感调节方式。
CB2
交流
电网
X10
～ 变压 CB1 K11 器1
限流电抗X1 X11 X12 X13 CB3
K12 K13 K14 CB4
被测 风机
Abstract: The reactor plays the impedance and partial pressure part in low voltage ride through test device. This paper carried out research on the design method for a kind of open-type air-core test reactor. Introduction was made to its inductance calculation, insulation design and calculation of temperature rise. This paper compiled the software of inductance calculation based on VB and carried out simulation verification for the inductance and coil loss by Maxwell. The actual measurement result shows that the prototype has a little bias inductance, sweeping through insulation test with a little higher temperature rise than the designed value, which meets the engineering requirement of the project.～ 变压 器2来自移动式LVRT测试装置
0 引言
低电压穿越是指电网故障或扰动引起风电场并 网点电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电 或光伏机组能够坚持并网运行，直到电压恢复如常， 从而维持电网稳定。电抗器在低电压穿越测试装置 中起到阻抗分压作用，通过限流电抗器和短路电抗 器的阻抗分压来控制机组上电压跌落的百分比，从 而起到测试风机是否具有低电压穿越能力的作用， 是测试装置的核心设备 。 [1-4]
图1 开放式空心试验电抗器结构图
2 工作原理
试验电抗器在低电压穿越测试装置中分两种：限 流电抗器和短路电抗器 [1-2，4]。图 2 为开放式空心 试验电抗器电感调节方式。
CB2
交流
电网
X10
～ 变压 CB1 K11 器1
限流电抗X1 X11 X12 X13 CB3
K12 K13 K14 CB4
被测 风机
Abstract: The reactor plays the impedance and partial pressure part in low voltage ride through test device. This paper carried out research on the design method for a kind of open-type air-core test reactor. Introduction was made to its inductance calculation, insulation design and calculation of temperature rise. This paper compiled the software of inductance calculation based on VB and carried out simulation verification for the inductance and coil loss by Maxwell. The actual measurement result shows that the prototype has a little bias inductance, sweeping through insulation test with a little higher temperature rise than the designed value, which meets the engineering requirement of the project.～ 变压 器2来自移动式LVRT测试装置
基于故障电流和温度场分析的电抗器绝缘检测技术
基于故障电流和温度场分析的电抗器绝缘检测技术摘要：干式空心并联电抗器是电力系统中一种重要的装置，其运行的稳定性直接关系着电力系统中输送电能的质量。
电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热等情况。
电抗器包封绝缘开裂可能会引起匝间或股间短路故障，进而引起电抗器的损坏，其运行状况可通过电抗器周围的温升来反映。
本文通过对电抗器故障电流的分析，并采用理论模型计算电抗器温度场分布并进行仿真实验，并通过选择合适的测温系统、实时监测电抗器内部温度分布的研究，具有重要的意义和重大的实用价值。
关键词：电抗器；温度场；电力系统；绝缘0 引言电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量，降低动态电压。
电力电容器与电抗器串联后，通过选取合适的参数，可以有效抑制网络中的高次谐波，同时限制电力电容器的合闸电流和操作过电压，对电力电容器的安全运行、改善系统电压波形起到良好作用[1]。
干式空心并联电抗器20世纪八十年代引入中国，广泛应用于长距离输电线路容性无功功率的补偿。
电力系统对电力电抗器的性能要求主要为电感值、通流能力。
电抗器在运行过程中，往往会因为一些外部环境、自身结构等原因，导致电抗器在运行过程中会产生局部温升过高、过热,并最终导致电抗器的局部烧坏，甚至报废，包封绝缘发生开裂后，由于雨水和脏污侵袭，会伴随受潮、脏污和局部放电发生，造成绝缘性能快速下降，造成了很多事故，给国家和企业带来较大的经济损失。
电抗器在运行过程中，匝间绝缘的薄弱易导致股间短路和匝间短路故障的发生，因此针对其发生匝间短路和股间短路时的短路电流大小及分布特点进行理论和仿真分析，因此，采用理论模型计算电抗器温度场分布及选择合适的测温系统[2,3]、实时监测电抗器内部温度分布的研究[4,5]，对电抗器的生产制造和长期稳定运行具有重要的意义和重大的实用价值。
1干式空心电抗器的结构和原理电抗器是远距离输电系统的主要辅助设备之一，用于补偿电力系统的无功容量，降低动态电压。
关于空心电抗器电场问题的探讨
中图分类号 ：Ｔ Ｍ４ ７
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ ２ — １ ３ ８ ８ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ７ ． ０ １ １ ２ ． ０ １
引言
电抗 器 属 于 电感 元 件 中 的一 种 ，当 电抗 器 通 过 交 流 电流 时 ，就呈现 出感抗 。在 电力系统 中，电抗器起到 限制短路 电 流、稳定系统 电压 、补偿容性无功等作用 。它主要分为 空心 电抗 器 、铁 心 电抗 器 和 磁 屏 蔽 电抗 器 等 三 种 基 本 类 型 。近 年 来 ，随着经济建设 的发展及居 民物质 文明需求的提 高、电网 容量和用 电负荷不 断增 加，对 电抗器 的需求量也在不 断地增 长 。其中空心 电抗器 因具有优 良的电气性 能和 机械 性能 ，在 输变 电站 、风力发 电、冶金 、煤矿 、化工和 电气化铁道 等领 域 获 得 了广 泛 地 应 用 。 与传 统 的油 浸 式铁 心 电 抗 器 相 比 ，空 心 电抗 器 具 有 重 量 轻 （ 无铁心 、无油 ） 、 机 械 强度 高 （ 固 化 为一个整体 ） 、 电感 线 性 度 高 （ 不饱和 ） 、 结 构 简 单 、 维 护 工 作量少 、防火要求低 等优点 。
发电工程
关于 空 心 电抗器 电场 问题 的探讨
盛 苹
沈 阳工 业 大 学 ， 辽 宁 沈 阳 １ １ ０ ０ ０ ０
摘 要 ：就 空 心 电抗 器 电场 、 有 限 元分 析 数 学模 型 、 电 抗 器 的 二 维 电场 、 空心 电抗 器在 短 路 状 态 下 的 瞬 态 电 动 力 等 情 况 进 行 了分析 ， 我 们 认 为 ，在 空心 电抗 器 的设 计 阶 段 ， 有 必 要 得 出 电抗 器 所 承 受 的 最 大 电动 力 ，从 而避 免 因 结 构 设 计 强 度 不 够 ， 导 致 电抗 器 发 生损 坏 甚 至产 生 电 力 事 故 。 关 键 词 ： 空心 电抗 器 电 场 ： 电抗 器 ； 电动 力
基于有限元计算的空心干式电抗器设计
分 数 ，根据 这些 条件就 可 以计算 出满足 这些 条件 的
额 定 电抗值及 额定 电流 ，计算 公式 如下 ：
＝
＝
啡
２
（） （） 以推导 出 ： １ 、 ２可
关键词 ： 空心干式 电抗器；有限元计算 ；设计
中图分类号 ：Ｔ ４ Ｍ７
文献标识码 ：Ｂ
文章编号 ：１０ — １５ ２ ０ ） ５ ０ ４ — ３ ０ ７ ３ ７ （０ ８ ０ — ０ ６ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｙ Ｔｙ ｒ Ｃｏ ｅＲ ｅ ｃ ｏ ｓ ｄ ｏ ｎｉｅＥｌｍ ｅ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｓｇ ｆＤｒ － ｐｅＡｉ－ ｒ ａ ｔ ｒＢａ ｅ ｎ Ｆｉ ｔ ｅ ｎｔＣａ ｃ ｌ ｔｏ
０ 引言
电抗 器是 配 电系统和 变频 器系 统 中的重 要 电器
计算技 术也 可 以用 来设 计干式 空心 电抗器 。
ｌ 设 计 过 程
１ １额 定 电抗 的计 算 ． 要 设计 出 电抗器 ，必须 要给 出 电抗器 的设计 条 件 ，如 电抗器 的额 定容 量 、额定 电压和 电抗 压 降百
维普资讯
江苏 电器 （０ ８ ． ２ ０ ５ Ｎｏ ）
基 于有限元 计算 的空心干 式 电抗 器设计
基 于有 限元计 算 的空心干式 电抗器设计
宋 红 卫
（ 煤炭科 学研 究总 院常州 自动化研 究院 电气研 究所，江苏 常州 ２ １） １ ０ ３ ５
ＳＯＮＧ ｎ — ｉ Ｈｏ ｇ ｗｅ
（ ｐ ｒ ｎ ｌ ｔｃ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｃ ａ ｇｈ ｕ ｔｍａｉｎＲ ｓａｃ ｓｉ ｔ ｈｎ ｏ ｌ ｓａｃ Ｄｅａｔ ｔｆＥｅ ｒ ａ Ｅ ｇｎ ｅｉ ， ｈ ｎ ｚｏ Ａｕｏ ｔ ｅｅ ｒｈＩ ｔｕｅｆＣ ｉ Ｃ ａＲｅｅ ｒｈ ｍｅ ｏ ｃ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｏ ａ
基于有限元计算的空心干式电抗器设计
1 设计过程
1.1 额定电抗的计算
要设计出电抗器，必须要给出电抗器的设计条
件，如电抗器的额定容量、额定电压和电抗压降百
分数，根据这些条件就可以计算出满足这些条件的
额定电抗值及额定电流，计算公式如下：
X L=
I NX N U N×103
×100 % =
3 INXN U L×103
×100 %
(1)
Sd=I 2NX N×10-3
Institute, Changzhou 213015, China）
Abstract: Introduction was made to the dry-type air-core reactor design system developed under Windows environment, using VC++6.0 as programming language and taking finite element as the foundation, having given out calculation formula for rated reaction, calculation method for design model induction value, determination principle for source area current density and design example of reactor parameters. Results show that to use finite element in design of dry-type air-core reactor is higher in accuracy than the traditional calculation method.
干式空心电抗器温度场仿真计算及试验分析
关键词 ：
干式空心 电抗 器 ； 温度场 ； 仿真计算
基金项 目：
内蒙古电力（ 集团 ） 有 限责任公 司科技项 目（ Ｎ ｏ ． ２ ０ １ ６ ０ １ ０ ６ ７ ）
０ 引言
干式 空心 电抗 器具有 损耗小 、 噪音低 、 维 护简单 、
中在干式 空心 电抗器 温度分 布 ， 但对 于包封 内各层 电
干式空心 电抗器温度场仿真计算及试验分析
岳永 刚 ， 格 曰勒 图 ， 周广东
（ １ ． 内蒙古超高压供 电局 ， 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ８ ０ ； ２ ． 山东泰开 电力 电子有限公司 ， 泰安 ２ ７ １ ０ ０ ０ ）
摘要 ：
结合 干式 电抗 器温度场仿真计算及试验 ， 分析包封 内部轴向温度变化 、 包封 内部导线之 间的温升规律 。包封内的温 升最 高点 位于包封 中上约 １ ／ ４处 。包封 内部导线 之间的温升差别较小 ， 包封 内的温升差别在 Ｉ ￣ Ｃ 以内。温度沿 绝缘 浸胶玻璃 丝的径 向分布具有较大 的梯度 。气 道 中间的温度接近室温 ， 温升约为 ５ Ｋ， 气道 内部温度具有较 大的梯度。 对于气道宽度设计 ， 应 考虑气道宽度更改后对温升分布的影 响。
离Ｊ 端 的距 离约 ６ ０ ｍ ｍ， 考虑电抗 器的ｔ半 部分温升梯
＝三 三 兰兰 ， —— ・一 ．＿
场微分 方程 ， 对干式空心 电抗器 温度 场进行 了分析 ， 计
封沿 轴 向的温升分 布 ， 电抗 器平均 温升和最 热点 温升
的关 系等方 面还缺少 相关分析研 究１ １ － ８ ｌ ， 而这 些问题 是 电抗 器设计 、 运行 过程 中最 为关 心的方 面。尤其 缺乏
电抗器温度分布与 电抗器 匝问绝缘状态诊断研究。
干式空心 电抗 器 ； 温度场 ； 仿真计算
基金项 目：
内蒙古电力（ 集团 ） 有 限责任公 司科技项 目（ Ｎ ｏ ． ２ ０ １ ６ ０ １ ０ ６ ７ ）
０ 引言
干式 空心 电抗 器具有 损耗小 、 噪音低 、 维 护简单 、
中在干式 空心 电抗器 温度分 布 ， 但对 于包封 内各层 电
干式空心 电抗器温度场仿真计算及试验分析
岳永 刚 ， 格 曰勒 图 ， 周广东
（ １ ． 内蒙古超高压供 电局 ， 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ８ ０ ； ２ ． 山东泰开 电力 电子有限公司 ， 泰安 ２ ７ １ ０ ０ ０ ）
摘要 ：
结合 干式 电抗 器温度场仿真计算及试验 ， 分析包封 内部轴向温度变化 、 包封 内部导线之 间的温升规律 。包封内的温 升最 高点 位于包封 中上约 １ ／ ４处 。包封 内部导线 之间的温升差别较小 ， 包封 内的温升差别在 Ｉ ￣ Ｃ 以内。温度沿 绝缘 浸胶玻璃 丝的径 向分布具有较大 的梯度 。气 道 中间的温度接近室温 ， 温升约为 ５ Ｋ， 气道 内部温度具有较 大的梯度。 对于气道宽度设计 ， 应 考虑气道宽度更改后对温升分布的影 响。
离Ｊ 端 的距 离约 ６ ０ ｍ ｍ， 考虑电抗 器的ｔ半 部分温升梯
＝三 三 兰兰 ， —— ・一 ．＿
场微分 方程 ， 对干式空心 电抗器 温度 场进行 了分析 ， 计
封沿 轴 向的温升分 布 ， 电抗 器平均 温升和最 热点 温升
的关 系等方 面还缺少 相关分析研 究１ １ － ８ ｌ ， 而这 些问题 是 电抗 器设计 、 运行 过程 中最 为关 心的方 面。尤其 缺乏
电抗器温度分布与 电抗器 匝问绝缘状态诊断研究。
基于有限元模型重构的多物理场耦合空心电抗器优化设计
基于有限元模型重构的多物理场耦合空心电
抗器优化设计
电抗器是电力系统中常见的无功补偿装置，具有减少无功损耗、提高系统稳定性和改善电压质量等优点。
随着电力系统的发展和智能化程度的提高，对电抗器的性能和效率要求也越来越高，优化设计成为必然趋势。
本文介绍了一种基于有限元模型重构的多物理场耦合空心电抗器优化设计方法。
第一步：建立有限元模型
首先，需要对空心电抗器进行建模，建立数学模型。
采用有限元方法，将电抗器的三维结构化成各种几何体单元，将问题转化为求解各单元边界上的物理场问题。
在建模过程中，需要考虑电场、磁场、温度场等多种物理场及其耦合关系。
第二步：仿真求解
利用有限元软件对建立的模型进行仿真求解。
对于不同的耦合场，需要选择相应的边界条件和求解算法。
以电场为例，需要设置初始条件和边界条件，包括电压和电荷密度等。
同时，考虑屏蔽材料的特性及其对电场的影响。
第三步：重构模型
在仿真求解的基础上，对模型进行重构。
根据仿真结果，对电抗器的结构和材料进行优化调整，降低损耗和温升，并保证电抗器的性能满足要求。
需要注意的是，在优化的过程中要兼顾多个物理场的耦合，以及优化目标的多样性。
第四步：验证优化效果
对优化后的电抗器进行仿真验证，包括电场、磁场、温度场等物理场的仿真。
对比仿真结果，验证优化效果是否满足设计目标。
如果效果不理想，需要重新进行优化设计和验证。
综上所述，基于有限元模型重构的多物理场耦合空心电抗器优化
设计方法可以解决电抗器优化设计过程中多种物理场的复杂耦合问题，提高优化效率和设计精度，有望成为未来电抗器设计的重要手段。
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论是 进 口的还是 国产 的 空心 电抗 器 ， 从 在 电 网 中 的
若干 层并 联绕 组 ， 具 体 层 数 的设 计 由温 升 决 定 。各 包封 的导 线首末 端 分别焊 在 上下金 属 星形接 线臂 构 架上 。 因此 ， 空 心 电抗器 的结 构件 少 ， 损 耗 主要集 中 在绕组 中 ， 包括 绕组 电阻 性 损 耗 和绕 组 内 的涡 流 损 耗， 上 下接 线臂 构架 中有 一定 量 的涡流损 耗 。
作 者 简 介 ：阎 秀 恪 （ １ ９ ７ ３ － ） ， 女 ，辽 宁 籍 ，副教 授 ， 博士 ， 研究 方向为电气装备耦合物理场分析与优化设计 ；
代忠滨 （ １ ９ ８ ６ － ） ， 男 ，辽 宁 籍 ， 工 程 师 ，研 究 方 向为 电气 设 备 电磁 场 分 析 与优 化 设 计 。
基 于全 损 耗 计 算 的 空心 电力 电抗 器 温 度 场 研 究
阎秀 恪 ，代 忠滨 ，于存 湛 ，谢 德 馨
（ １ ．沈 阳工业 大 学电 气工程 学 院 ，辽 宁 沈 阳 １ １ ０ ８ ７ ０； ２ ．河南平 高 电气股份 有 限公 司 ， 河 南 平顶 山 ４ ６ ７ ０ ０ １ ； ３ ．辽 宁省 电力有 限公 司检修 分公 司 ， 辽宁 沈阳 １ １ ０ ０ ０ ３ ） 摘要 ： 针 对 引发 空 心 电力 电抗 器故 障的局 部过 热 问题 ， 在 二 维和 三维磁 场有 限元 分 析 的基 础上 ， 计 算 空心 电抗 器 的全部 损耗—— 绕组 内损 耗 和接 线臂 构架 内的 涡流损 耗 。其 中绕组 内损 耗 包括 绕 组 电 阻性损 耗 和绕 组 内的 涡流损 耗 。 以计 算得 到 的全部 损耗 作 为热 源 ， 结合 空心 电抗 器 的散 热条件 ，
使用 和 维护来 看 ， 运行 一 段 时间后 ， 都 不 同程度 地 出
现局 部 过热烧 损 ， 甚 至 起 火 的 问题 ， 引 起 了 电 网、 生
产企 业 和研究 者 的高 度 重视 ¨ ’ 。空 心 电抗 器 的损
耗与 温 升分 布 问题得 到 了越来 越 多 的关 注 。
电力 设备 中的各 项损 耗是 引起 温度 升 高 的激励 源， 因此 损耗 分 布 的精 确 计 算 是 温度 场 研 究 的必 要 条件 ， 而损 耗 分 布 的精 确 计 算 又 依 赖 于 电 力 设
空心 电抗 器 的结 构 简 单 ， 其 主要 部 分 由若 干 个 圆筒 形包 封并 联 组 成 ， 如 图 １所 示 。每 个 包 封 内有
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ ０ － ８ － ２ ６
基 金 项 目 ：辽 宁 省 教 育 厅 科 技 基 金 （ Ｌ ２ 心 电抗 器 结 构 图
Ｆｉ ｇ． １ Ｓｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｋｅ ｔ ｃ ｈ ｏ ｆ ａ ｉ ｒ ｃ ｏ ｒ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ
备运 行 时磁场 的 准 确分 析 ， 同 时 温度 的变 化 又 与 设
备 本 身 的散热 条 件密 不可 分 ， 因此 ， 电力 设备 的温度
建 立空心 电抗 器 内部 温度 场及 周 围流体 场耦 合有 限元 模型 ， 对 空心 电抗 器进行 了二 维和 三 维流 场一 温度 场耦 合计 算 ， 得 到 了电抗 器各 包封 的 温度 分 布 ， 研 究 结果表 明接 线臂 构 架和撑 条影 响 了电抗 器 的 温升 以及 最热 点位 置 ， 考 虑全 部损 耗和 散 热条件 的三维 流一 热耦合 分析 是 十分 必要 的。
关 键 词 ：空 心 电抗 器 ； 损耗 ； 热源 ； 流 体． 温 度 耦 合 场
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ４ ７ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ ． ３ ０ ７ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ － ０ ０ ３ １ ． ０ ６
１ 引 言
我 国正 在建 设 大容量 、 远 距离 、 特 高压 的坚 强 国 家电网， 对 电 网中 电力 设 备 的 安 全 稳定 性 提 出 了更 高 的要 求 。空心 电抗 器作 为 系统无 功 补偿 、 限流、 过 电压 保 护 的重要 设备 ， 在 电 网 中大 量使 用 。但 是 ， 无
场研 究是 一个 磁 场－ 温 度场 － 流 场 紧密 耦合 的 多物 理
场耦 合 问题 。传统 的采 用 经验公 式 计算 电力 设备 平 均 温 升 的方法 就 略 显粗 糙 ， 也无 法 获 得 热 点 位 置
及 温 升分 布 。
除传统 的采 用 经验 公 式 计 算 平 均 温 升之 外 ， 采 用 有 限元 法 分 析 空 心 电抗 器 的温 度 场 又 分 两 种 方 式 。一 种是 先通 过 努 塞尔 系数 求 出对 流换 热 系数 ， 然 后采 用有 限元 法计 算 温 度 场 ， 但 通 过 努 塞 尔 系数 直 接求 出的对流 系数 不 够 准 确 ， 需要 反 复 调 整 ¨ 。
３ ２
电 工 电 能 新 技 术
第３ ４卷
另外 一种就 是建 立 电抗器 的温 度场 和周 围气 流场耦 合 的有 限元 模 型 ， 计算 得 到空 心 电抗 器 温度 场分 布 ， 这种 方法 不 需 要 事 先 指 定 对 流 系 数 。文 献 ［ ９ ， １ ０ ］
第３ ４卷 第 ４期
２ ０ １ ５年 ４月
电 工 电 能 新 技 术
Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ，Ｎｏ ． ４ Ａｐ ｒ ．２ ０１ ５
若干 层并 联绕 组 ， 具 体 层 数 的设 计 由温 升 决 定 。各 包封 的导 线首末 端 分别焊 在 上下金 属 星形接 线臂 构 架上 。 因此 ， 空 心 电抗器 的结 构件 少 ， 损 耗 主要集 中 在绕组 中 ， 包括 绕组 电阻 性 损 耗 和绕 组 内 的涡 流 损 耗， 上 下接 线臂 构架 中有 一定 量 的涡流损 耗 。
作 者 简 介 ：阎 秀 恪 （ １ ９ ７ ３ － ） ， 女 ，辽 宁 籍 ，副教 授 ， 博士 ， 研究 方向为电气装备耦合物理场分析与优化设计 ；
代忠滨 （ １ ９ ８ ６ － ） ， 男 ，辽 宁 籍 ， 工 程 师 ，研 究 方 向为 电气 设 备 电磁 场 分 析 与优 化 设 计 。
基 于全 损 耗 计 算 的 空心 电力 电抗 器 温 度 场 研 究
阎秀 恪 ，代 忠滨 ，于存 湛 ，谢 德 馨
（ １ ．沈 阳工业 大 学电 气工程 学 院 ，辽 宁 沈 阳 １ １ ０ ８ ７ ０； ２ ．河南平 高 电气股份 有 限公 司 ， 河 南 平顶 山 ４ ６ ７ ０ ０ １ ； ３ ．辽 宁省 电力有 限公 司检修 分公 司 ， 辽宁 沈阳 １ １ ０ ０ ０ ３ ） 摘要 ： 针 对 引发 空 心 电力 电抗 器故 障的局 部过 热 问题 ， 在 二 维和 三维磁 场有 限元 分 析 的基 础上 ， 计 算 空心 电抗 器 的全部 损耗—— 绕组 内损 耗 和接 线臂 构架 内的 涡流损 耗 。其 中绕组 内损 耗 包括 绕 组 电 阻性损 耗 和绕 组 内的 涡流损 耗 。 以计 算得 到 的全部 损耗 作 为热 源 ， 结合 空心 电抗 器 的散 热条件 ，
使用 和 维护来 看 ， 运行 一 段 时间后 ， 都 不 同程度 地 出
现局 部 过热烧 损 ， 甚 至 起 火 的 问题 ， 引 起 了 电 网、 生
产企 业 和研究 者 的高 度 重视 ¨ ’ 。空 心 电抗 器 的损
耗与 温 升分 布 问题得 到 了越来 越 多 的关 注 。
电力 设备 中的各 项损 耗是 引起 温度 升 高 的激励 源， 因此 损耗 分 布 的精 确 计 算 是 温度 场 研 究 的必 要 条件 ， 而损 耗 分 布 的精 确 计 算 又 依 赖 于 电 力 设
空心 电抗 器 的结 构 简 单 ， 其 主要 部 分 由若 干 个 圆筒 形包 封并 联 组 成 ， 如 图 １所 示 。每 个 包 封 内有
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ ０ － ８ － ２ ６
基 金 项 目 ：辽 宁 省 教 育 厅 科 技 基 金 （ Ｌ ２ 心 电抗 器 结 构 图
Ｆｉ ｇ． １ Ｓｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｋｅ ｔ ｃ ｈ ｏ ｆ ａ ｉ ｒ ｃ ｏ ｒ ｅ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ
备运 行 时磁场 的 准 确分 析 ， 同 时 温度 的变 化 又 与 设
备 本 身 的散热 条 件密 不可 分 ， 因此 ， 电力 设备 的温度
建 立空心 电抗 器 内部 温度 场及 周 围流体 场耦 合有 限元 模型 ， 对 空心 电抗 器进行 了二 维和 三 维流 场一 温度 场耦 合计 算 ， 得 到 了电抗 器各 包封 的 温度 分 布 ， 研 究 结果表 明接 线臂 构 架和撑 条影 响 了电抗 器 的 温升 以及 最热 点位 置 ， 考 虑全 部损 耗和 散 热条件 的三维 流一 热耦合 分析 是 十分 必要 的。
关 键 词 ：空 心 电抗 器 ； 损耗 ； 热源 ； 流 体． 温 度 耦 合 场
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ４ ７ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ ． ３ ０ ７ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４ － ０ ０ ３ １ ． ０ ６
１ 引 言
我 国正 在建 设 大容量 、 远 距离 、 特 高压 的坚 强 国 家电网， 对 电 网中 电力 设 备 的 安 全 稳定 性 提 出 了更 高 的要 求 。空心 电抗 器作 为 系统无 功 补偿 、 限流、 过 电压 保 护 的重要 设备 ， 在 电 网 中大 量使 用 。但 是 ， 无
场研 究是 一个 磁 场－ 温 度场 － 流 场 紧密 耦合 的 多物 理
场耦 合 问题 。传统 的采 用 经验公 式 计算 电力 设备 平 均 温 升 的方法 就 略 显粗 糙 ， 也无 法 获 得 热 点 位 置
及 温 升分 布 。
除传统 的采 用 经验 公 式 计 算 平 均 温 升之 外 ， 采 用 有 限元 法 分 析 空 心 电抗 器 的温 度 场 又 分 两 种 方 式 。一 种是 先通 过 努 塞尔 系数 求 出对 流换 热 系数 ， 然 后采 用有 限元 法计 算 温 度 场 ， 但 通 过 努 塞 尔 系数 直 接求 出的对流 系数 不 够 准 确 ， 需要 反 复 调 整 ¨ 。
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电 工 电 能 新 技 术
第３ ４卷
另外 一种就 是建 立 电抗器 的温 度场 和周 围气 流场耦 合 的有 限元 模 型 ， 计算 得 到空 心 电抗 器 温度 场分 布 ， 这种 方法 不 需 要 事 先 指 定 对 流 系 数 。文 献 ［ ９ ， １ ０ ］
第３ ４卷 第 ４期
２ ０ １ ５年 ４月
电 工 电 能 新 技 术
Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ４ ，Ｎｏ ． ４ Ａｐ ｒ ．２ ０１ ５