響應(yīng)國家“一帶一路”倡議，積極推動(dòng)產(chǎn)能輸出，在印度宏大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景下，印度的電力行業(yè)發(fā)展也十分迅速，以印度電力市場的開發(fā)建設(shè)為契機(jī)，765kV特高壓輸變電設(shè)備發(fā)展?jié)摿薮?。作為無功補(bǔ)償設(shè)備的并聯(lián)電抗器需求量逐年遞增。為了適應(yīng)印度電抗器市場既經(jīng)濟(jì)又可靠的需要，通過均衡調(diào)整765kV并聯(lián)電抗器鐵心磁路結(jié)構(gòu)、線圈油路設(shè)計(jì)、油箱結(jié)構(gòu)、散熱器布置方式等方面的安全裕度，設(shè)計(jì)出效率高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的產(chǎn)品勢在必行。

1 中國與印度765kV并聯(lián)電抗器的差異

• 1）電抗器阻抗偏差不同。國內(nèi)并聯(lián)電抗器電抗值偏差范圍為-5%～5%；印度并聯(lián)電抗器電抗偏差范圍為-5%～0，電抗偏差要求更加嚴(yán)格。
• 2）溫升要求。國內(nèi)最高年平均氣溫為+20℃，國內(nèi)并聯(lián)電抗器溫升要求為溫升頂層油50K，繞組平均60K，繞組熱點(diǎn)70K；印度年平均氣溫更高，達(dá)到+32℃，因此并聯(lián)電抗器溫升要求為頂層油40K，繞組平均45K，繞組熱點(diǎn)59K。
• 3）散熱器布置不同。國內(nèi)散熱器一般采用集中布置方式，散熱器和儲油柜與本體分離；印度散熱器采用鵝頸披掛油箱式結(jié)構(gòu)，散熱器與儲油柜直接掛本體。

2 并聯(lián)電抗器產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

該設(shè)計(jì)依托印度國網(wǎng)要求的采購合同項(xiàng)目765kV并聯(lián)電抗器，主要性能參數(shù)見表1。

表1 765kV并聯(lián)電抗器主要性能參數(shù)

3 765kV并聯(lián)電抗器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過近年來對765kV以及1000kV電抗器產(chǎn)品的研制總結(jié)，并吸收烏克蘭、日立、西門子等技術(shù)，研發(fā)了主縱絕緣強(qiáng)度、損耗、溫升、抗震等計(jì)算軟件，為研制80Mvar/765kV電抗器提供良好的技術(shù)、設(shè)備和試驗(yàn)基礎(chǔ)條件。BKD-80000/765TH是為印度國家電網(wǎng)生產(chǎn)的特高壓并聯(lián)電抗器。

本產(chǎn)品為單相中部鐵心柱加兩旁軛結(jié)構(gòu)；中部鐵心柱由鐵心餅疊積而成，中部鐵心柱內(nèi)部由穿心螺桿夾緊上、下鐵軛以壓緊中柱鐵心餅；鐵心旁軛及上、下軛采用粘帶綁緊；印度并聯(lián)電抗器產(chǎn)品磁路設(shè)計(jì)的總體原則是通過大體積鐵軛加油箱磁屏蔽的方式控制漏磁通的走向，降低產(chǎn)品雜散損耗。

夾件采用無磁鋼或低磁鋼，從而大幅度減少夾件和拉板因漏磁場引起的雜散損耗，避免局部過熱情況出現(xiàn)。

線圈的主要特點(diǎn)是采用內(nèi)屏連續(xù)式，采用薄匝絕緣導(dǎo)線，線圈設(shè)置軸向油道加擋油板結(jié)構(gòu)，減少主絕緣距離采用小油隙分割的布置方式，縮小產(chǎn)品的整體尺寸及重量。油箱結(jié)構(gòu)，采用桶式油箱，高壓側(cè)為半圓型結(jié)構(gòu)，在滿足電氣絕緣的前提下盡可能減小油箱體積，以達(dá)到節(jié)省鋼板和變壓器油的目的，油箱加強(qiáng)鐵中裝降噪材料，旁軛兩側(cè)箱壁焊減振隔聲板。以降低噪聲和振動(dòng)。

對散熱器的布置及儲油柜進(jìn)行掛本體設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)管路及油的用量，降低產(chǎn)品成本，產(chǎn)品外形圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品外形圖

4 765kV并聯(lián)電抗器3D磁場有限元分析

本文模型采用電磁場分析軟件Ansoft進(jìn)行計(jì)算，該軟件包括全套的電磁場分析模塊，例如電場、磁場、渦流場、瞬態(tài)場等二維、三維求解模塊，還可以進(jìn)行基于渦流場和瞬態(tài)場的損耗計(jì)算，并直接耦合進(jìn)行溫度場的計(jì)算和分析。

基于三維渦流場對765kV并聯(lián)電抗器的磁場和溫度場進(jìn)行分析，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。Ansoft軟件的渦流求解器主要分析時(shí)變磁場，由導(dǎo)體中時(shí)變電流或者外界磁場源所引起，以及所產(chǎn)生的磁密及損耗等分布情況。

圖2是765kV并聯(lián)電抗器有限元模型，根據(jù)有限元分析，在1.05倍及1.25倍額定電壓下鐵心餅、鐵軛及鐵心間氣隙磁通密度分布分別如圖3和圖4所示。

圖2 765kV并聯(lián)電抗器有限元模型

圖3 1.05倍電壓下鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

同時(shí)，根據(jù)仿真結(jié)果對額定電壓下鐵心餅、鐵軛、鐵心間氣隙磁通密度分布分析可知，鐵心柱、鐵軛磁密滿足設(shè)計(jì)要求。在額定條件下，計(jì)算油箱和油箱磁屏蔽中磁通密度分布情況，具體分布如圖5所示，從圖中可以看出，漏磁主要集中在磁屏蔽邊緣與油箱的交接處，最大漏磁為0.092T。再計(jì)算器身夾件中磁通密度分布情況，具體分布如圖6所示，漏磁主要集中在靠近最下端鐵心餅這側(cè)的夾件上，最大漏磁為0.238T。

圖4 1.25倍電壓下鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖5 油箱磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖6 夾件磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

綜合以上仿真計(jì)算及分析可知，鐵心柱、鐵軛、油箱、夾件等磁場強(qiáng)度值均滿足設(shè)計(jì)要求，從而驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性。

5 765kV并聯(lián)電抗器溫升計(jì)算

為使電抗器絕緣水平提高，經(jīng)常采用增加絕緣件數(shù)量來提高并聯(lián)電抗器的抗電場擊穿能力，但是增多絕緣材料后，直接影響設(shè)備的散熱性能。假如溫升設(shè)計(jì)不合理，會導(dǎo)致絕緣材料的老化，同時(shí)油箱中的油分解進(jìn)而產(chǎn)生氣體，因此電抗器的溫升必須進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

5.1 電抗器損耗計(jì)算

準(zhǔn)確分析電抗器各個(gè)結(jié)構(gòu)件的損耗是溫升計(jì)算的前提，當(dāng)鐵心中通過恒定磁通時(shí)，不產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)鐵心中通過交變磁通時(shí)，會產(chǎn)生功率損耗，稱為磁損耗，工程上簡稱鐵損或鐵耗。以30ZH120硅鋼片為例，50Hz、60Hz頻率下材料實(shí)測損耗曲線及基于最小二乘法歸算損耗曲線如圖7所示。

根據(jù)損耗曲線歸算，將歸算得到損耗系數(shù)代入三維有限元計(jì)算模型來計(jì)算鐵心損耗。當(dāng)電抗器線圈中流過電流時(shí)，會產(chǎn)生直流電阻損耗，稱為電損耗，工程上簡稱銅損或銅耗，通常用Pcu表示，可以用下式計(jì)算：

圖7 不同頻率損耗曲線測量值和預(yù)測值

公式5

5.2 基于三維耦合場電抗器溫升計(jì)算

將上述計(jì)算出的鐵損和銅損求代數(shù)和，得到并聯(lián)電抗器的功率損耗，并作為熱負(fù)荷，同時(shí)加載必要的邊界條件，通過三維有限元模型計(jì)算，得出額定電壓下油箱、夾件溫度場分析如圖8至圖11所示。圖8和圖9分別為額定電壓下?lián)p耗計(jì)算所得油箱低壓側(cè)和高壓側(cè)溫升分布圖。

圖8 額定電壓下低壓側(cè)油箱三維溫度場分布圖

圖9 額定電壓下高壓側(cè)油箱三維溫度場分布圖

圖10和圖11分別為額定電壓下器身上下夾件三維溫升分布圖。

圖10 額定電壓下上夾件三維溫度場分布圖

圖11 額定電壓下下夾件三維溫度場分布圖

由三維溫度場分析可得，高低壓側(cè)油箱及上下夾件溫升均低于設(shè)計(jì)要求值，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 765kV并聯(lián)電抗器油箱強(qiáng)度和抗震計(jì)算

利用Ansys軟件對真空度為33Pa，正壓試驗(yàn)為98kPa的765kV并聯(lián)電抗器油箱的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析。圖12是油箱正壓變形量圖，圖13是油箱正壓應(yīng)力圖，計(jì)算結(jié)果如下：箱壁中心最大變形18.9mm，小于箱壁厚度的2.5倍，剛度滿足要求；箱壁底部用鐵加固，最大應(yīng)力303.8MPa，小于許用應(yīng)力420MPa，強(qiáng)度滿足要求。

圖12 油箱正壓變形圖

圖13 油箱正壓應(yīng)力圖

7 765kV并聯(lián)電抗器抗震強(qiáng)度

用Ansys模擬地震工況下765kV并聯(lián)電抗器模型，如圖14所示，取加速度為Ah=0.2g，垂直加速度為Ay=0.135g，所用阻尼比為2%，突然承受3個(gè)共振正弦周期，同時(shí)考慮地震水平和垂直加速度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：地震工況下，電抗器最大位移為67.9mm；地震工況下，電抗器最大等效應(yīng)力為87.6MPa，位于儲油柜支架上。其材質(zhì)為Q235，許用強(qiáng)度值為312MPa，計(jì)算后安全系數(shù)為3.56，安全。電抗器套管最大等效應(yīng)力為8.37MPa，材質(zhì)為瓷，允許強(qiáng)度值為60MPa，計(jì)算后安全系數(shù)為7.16，安全。套管根部最大等效應(yīng)力為9.81MPa，材質(zhì)為鑄鋁，許用強(qiáng)度值為130MPa，計(jì)算后的安全系數(shù)為13.25，安全。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出765kV并聯(lián)電抗器滿足客戶抗震能力的要求。

圖14 地震工況下電抗器等效應(yīng)力分布圖

8 產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依托印度國網(wǎng)公司與我公司簽訂的765kV并聯(lián)電抗器批量采購合同，本文選取合同中一臺765kV并聯(lián)電抗器，對產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理和對比，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足或優(yōu)于技術(shù)協(xié)議要求值，產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)照片如圖15所示。

圖15 產(chǎn)品試驗(yàn)照片

產(chǎn)品完成了相關(guān)試驗(yàn)，其中損耗、溫升、阻抗值各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

表2 產(chǎn)品實(shí)測值與設(shè)計(jì)值的對比表

9 結(jié)論

通過試驗(yàn)對比產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，產(chǎn)品的漏磁控制方法有效、損耗值達(dá)到設(shè)計(jì)要求值，溫升計(jì)算準(zhǔn)確、油箱機(jī)械強(qiáng)度可靠，均達(dá)到、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期值，能夠滿足高效率、高可靠以及高經(jīng)濟(jì)的要求，目前產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)場安裝完成，具備投運(yùn)條件。

此外，此新產(chǎn)品研制成功，通過設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)的過程，可進(jìn)一步驗(yàn)證基礎(chǔ)研究工作，驗(yàn)證我公司軟件的安全閾值，為公司其他產(chǎn)品的驗(yàn)證提供有效的數(shù)據(jù)支撐，可加速公司全系列產(chǎn)品的降本增效工作，以提高公司所有產(chǎn)品的市場行業(yè)競爭力，為今后超高壓并聯(lián)電抗器提供有力的技術(shù)保障。