干式空心電抗器在電力系統(tǒng)中起著重要作用，與鐵心電抗器相比，其具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被用于限流、濾波及無(wú)功補(bǔ)償。通常電抗器的安裝方式為三相水平一字型、三相水平品字型和三相垂直疊裝。為避免電抗器技術(shù)參數(shù)受外部金屬閉合回路影響，要求電抗器中心與周圍圍欄等金屬物體的最小距離不小于外徑的1.1倍（1.1D），三相水平安裝時(shí)，電抗器中心之間的距離不小于外徑的1.7倍（1.7D）。

然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、能源需求和土地資源利用率的提高，部分?jǐn)U建的變電站或個(gè)別新建工程因場(chǎng)地限制，干式空心電抗器安裝相間距已不足1.7D，如四川某500kV變電擴(kuò)建工程，串聯(lián)電抗器相間距被限制在1.5D以內(nèi)，因而有必要研究水平布置時(shí)相間距對(duì)電抗器性能參數(shù)的影響。

不同的安裝方式和相間距將影響電抗器周圍磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響其技術(shù)參數(shù)。有學(xué)者研究了不同安裝方式下，電抗器等效感抗和相間互感的解析計(jì)算方法；以及在品字型布置時(shí)，基于場(chǎng)-路耦合模型計(jì)算了電抗器周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度與支柱高度的變化關(guān)系。此外，電抗器周圍的金屬構(gòu)件也受磁場(chǎng)影響，一般采用有限元仿真計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

目前，關(guān)于相間距在1.7D以下時(shí)對(duì)電抗器參數(shù)影響的研究開(kāi)展得很少，本文以CKK— 84/10—5串聯(lián)電抗器為例，分析一字型和品字型布置電抗器的相間距與其磁場(chǎng)、電感、損耗及金屬溫升的關(guān)系。

1 試品電抗器參數(shù)及仿真模型的建立

本文利用CKK—84/10—5串聯(lián)電抗器來(lái)分析安裝距離對(duì)電抗器性能指標(biāo)的影響，試品基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電抗器基本參數(shù)

根據(jù)電抗器繞組參數(shù)，依照水平一字型和品字型布置方式，建立Ansys Maxwell電抗器電感和磁場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示。利用靜磁場(chǎng)求解器計(jì)算不同相間距時(shí)各相電抗器的自感和相互之間的互感，利用渦流場(chǎng)求解器計(jì)算電抗器周圍的磁場(chǎng)；另外再建立B相電抗器絕緣子端帽的三維仿真模型，在渦流場(chǎng)中計(jì)算出金屬端帽的渦流損耗，通過(guò)電磁場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)耦合仿真計(jì)算端帽的溫度分布并得到端帽溫升。

圖1 電抗器電感和磁場(chǎng)計(jì)算模型

2 相間距對(duì)電抗器各相等效電感的影響

2.1 電抗器等效電感計(jì)算

2.2 相間距對(duì)等效電感的影響分析

電抗器的電感值采用WT3000功率分析儀進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量電抗器兩端的電壓、流過(guò)的電流和有功功率計(jì)算得出電抗器的電感值。

本文首先分別給三相電抗器通電流，利用WT3000測(cè)量各相的電感值，并與仿真電感值比較，結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)測(cè)值相對(duì)計(jì)算值的最大偏差為1.30%，表明仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)的一致性較好。

表2 單相電抗器電感值

然后將電抗器三相同時(shí)通電流，分別測(cè)量每相的等效電感值，再改變?nèi)嚯娍蛊鞯牟贾梅绞郊跋嚅g距，測(cè)量不同條件下每相的等效電感值；仿真計(jì)算相應(yīng)不同條件下的每相等效電感值。最后計(jì)算不同條件下仿真等效電感與額定電感的偏差、實(shí)測(cè)等效電感與額定電感的偏差；將電抗器相間距與等效電感偏差的關(guān)系繪制成圖2～圖4。

圖2A相電抗器相間距與等效電感偏差關(guān)系

圖3B相電抗器相間距與等效電感偏差關(guān)系

圖4C相電抗器相間距與等效電感偏差關(guān)系

由圖2～圖4可知，無(wú)論哪種布置方式，每相電抗器的等效電感與額定電感的偏差都隨相間距的增大而減小，且實(shí)測(cè)偏差值都高于仿真計(jì)算偏差值，這與單臺(tái)電抗器的結(jié)果一致。圖3還表明，B相電抗器等效電感的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值都與布置方式無(wú)關(guān)，可能是因無(wú)論哪種布置方式，A、C相對(duì)B相的影響都相同。

國(guó)標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定串聯(lián)電抗器的電感偏差為0～10%和0～5%，每相電感相對(duì)三相電感平均值的偏差不超±2%。因此，對(duì)于水平品字或一字布置的小型串聯(lián)電抗器來(lái)說(shuō)，即使相間距減小至1.2D，電抗器等效電感變化量都小于5%，仍符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 相間距對(duì)周圍磁場(chǎng)的影響

干式空心電抗器磁場(chǎng)使其周圍的金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，支座板、絕緣子端帽、金屬圍欄等都會(huì)因渦流而發(fā)熱。因此，當(dāng)安裝相間距改變時(shí)，應(yīng)關(guān)注金屬構(gòu)件處的磁場(chǎng)變化，以便評(píng)估發(fā)熱狀況。

圖5標(biāo)出了電抗器四周可能存在金屬構(gòu)件的典型位置，其中位置1～4為金屬圍欄、位置5和6為電抗器絕緣子端帽。本文分別計(jì)算和實(shí)測(cè)不同布置方式和不同相間距時(shí)各位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制成圖6～圖9。

由圖6～圖9可見(jiàn)，電抗器周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致，且二者之間的偏差較小。兩種布置方式下，電抗器磁場(chǎng)分布規(guī)律相似，即電抗器附近（位置5或6）和圍欄處兩相中間（一字型位置2和品字型位置4）的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨相間距的增加而減??；但圍欄其他位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本呈水平小幅度波動(dòng)，幾乎與相間距無(wú)關(guān)。

圖5 計(jì)算與實(shí)測(cè)磁場(chǎng)位置

圖6一字布置相間距與絕緣子磁場(chǎng)關(guān)系

圖7一字布置相間距與圍欄處磁場(chǎng)關(guān)系

圖8 品字布置相間距與絕緣子磁場(chǎng)關(guān)系

圖9 品字布置相間距與圍欄磁場(chǎng)關(guān)系

另外，位置5或6的磁感應(yīng)強(qiáng)度在7000～9000μT，位置1～4的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅500～1000μT，即電抗器附近磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于圍欄處。因而在分析相間距對(duì)金屬發(fā)熱的影響時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注線圈本體附近的金屬構(gòu)件。當(dāng)漏磁在金屬中形成大環(huán)流時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬過(guò)熱，假如絕緣子端帽的溫升正常，那么只要金屬圍欄不存在大閉合回路，其溫升就不會(huì)異常。

4 相間距對(duì)絕緣子端帽溫升的影響

電抗器金屬構(gòu)件溫升仿真模型準(zhǔn)確度較高，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合度較好，偏差一般不超5.67%。本文采用該模型進(jìn)行仿真，計(jì)算兩種布置方式下位置5處絕緣子端帽的溫升，得到相間距與絕緣子端帽的溫升關(guān)系如圖10所示。

圖10 相間距與絕緣子端帽溫升關(guān)系

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，電抗器絕緣子端帽溫升隨相間距的減少而升高；從1.8D到1.2D，品字型布置溫升增加3.75K，一字型布置增加3.16K；即使相間距減少至1.2D，端帽溫升仍不超18K。由此可見(jiàn)，水平安裝的小型電抗器金屬構(gòu)件不會(huì)因相間距的減少造成溫升的急劇變化，同樣地，對(duì)于沒(méi)有形成大閉合回路的金屬圍欄更不會(huì)存在溫升超標(biāo)的現(xiàn)象。

5 相間距對(duì)電抗器損耗的影響

因干式空心電抗器繞組導(dǎo)線直徑細(xì)、匝數(shù)多，損耗計(jì)算仿真建模較困難，本文僅用實(shí)測(cè)方法研究相間距與損耗之間的關(guān)系。以JB/T 5346—2014規(guī)定的電抗器損耗為基準(zhǔn)值，測(cè)試不同相間距下試品的損耗，并計(jì)算出相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化率，得到相間距與電抗器損耗變化率的關(guān)系如圖11所示。

圖11 相間距與電抗器損耗變化率關(guān)系

由圖11可見(jiàn)，小型串聯(lián)電抗器相間距從1.8D變化至1.2D時(shí)，實(shí)測(cè)損耗增加量在2%～6%之間。其中一字型布置時(shí)，損耗隨相間距的減少而增加；但品字型布置時(shí)，損耗基本不隨相間距的變化而變化。品字型布置電抗器的損耗變化特性，可能是任意兩相對(duì)另一相的影響相互抵消的結(jié)果。

6 結(jié)論

通過(guò)以CKK—84/10—5小型串聯(lián)電抗器為例，計(jì)算和實(shí)測(cè)水平一字型布置和水平品字型布置時(shí)，電抗器的技術(shù)參數(shù)與相間距的變化關(guān)系可得出：對(duì)于小型干式空心電抗器來(lái)說(shuō)，當(dāng)相間距從1.3D變化到1.7D時(shí)，電抗器的等效電感對(duì)額定電感變化、損耗變化及金屬部件溫升變化都在較小的范圍內(nèi)；無(wú)大閉合環(huán)路的金屬圍欄也不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。

然而，以上分析是基于某一臺(tái)電抗器進(jìn)行的仿真和試驗(yàn)，相間距對(duì)電抗、溫升等參數(shù)的影響程度還與線圈直徑和高度有關(guān)，本文未開(kāi)展相關(guān)研究，具體項(xiàng)目應(yīng)具體分析。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“相間距對(duì)干式空心電抗器參數(shù)的影響分析”，作者為葛計(jì)彬、張寧 等。