相间距对干式空心电抗器参数有何影响？北京电力设备总厂技术团队发表研究成果

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干式空心电抗器在电力系统中起着重要作用，与铁心电抗器相比，其具有诸多技术优势，被用于限流、滤波及无功补偿。通常电抗器的安装方式为三相水平一字型、三相水平品字型和三相垂直叠装。为避免电抗器技术参数受外部金属闭合回路影响，要求电抗器中心与周围围栏等金属物体的最小距离不小于外径的1.1倍（1.1D），三相水平安装时，电抗器中心之间的距离不小于外径的1.7倍（1.7D）。

然而，随着我国经济的高速发展、能源需求和土地资源利用率的提高，部分扩建的变电站或个别新建工程因场地限制，干式空心电抗器安装相间距已不足1.7D，如四川某500kV变电扩建工程，串联电抗器相间距被限制在1.5D以内，因而有必要研究水平布置时相间距对电抗器性能参数的影响。

不同的安装方式和相间距将影响电抗器周围磁场分布，进而影响其技术参数。有学者研究了不同安装方式下，电抗器等效感抗和相间互感的解析计算方法；以及在品字型布置时，基于场-路耦合模型计算了电抗器周围磁场强度与支柱高度的变化关系。此外，电抗器周围的金属构件也受磁场影响，一般采用有限元仿真计算与试验相结合的方法进行研究。

目前，关于相间距在1.7D以下时对电抗器参数影响的研究开展得很少，本文以CKK— 84/10—5串联电抗器为例，分析一字型和品字型布置电抗器的相间距与其磁场、电感、损耗及金属温升的关系。

1 试品电抗器参数及仿真模型的建立

本文利用CKK—84/10—5串联电抗器来分析安装距离对电抗器性能指标的影响，试品基本参数见表1。

表1 电抗器基本参数

根据电抗器绕组参数，依照水平一字型和品字型布置方式，建立Ansys Maxwell电抗器电感和磁场计算模型如图1所示。利用静磁场求解器计算不同相间距时各相电抗器的自感和相互之间的互感，利用涡流场求解器计算电抗器周围的磁场；另外再建立B相电抗器绝缘子端帽的三维仿真模型，在涡流场中计算出金属端帽的涡流损耗，通过电磁场与稳态温度场耦合仿真计算端帽的温度分布并得到端帽温升。

图1 电抗器电感和磁场计算模型

2 相间距对电抗器各相等效电感的影响

2.1 电抗器等效电感计算

2.2 相间距对等效电感的影响分析

电抗器的电感值采用WT3000功率分析仪进行测量，通过测量电抗器两端的电压、流过的电流和有功功率计算得出电抗器的电感值。

本文首先分别给三相电抗器通电流，利用WT3000测量各相的电感值，并与仿真电感值比较，结果见表2。实测值相对计算值的最大偏差为1.30%，表明仿真计算与实测的一致性较好。

表2 单相电抗器电感值

然后将电抗器三相同时通电流，分别测量每相的等效电感值，再改变三相电抗器的布置方式及相间距，测量不同条件下每相的等效电感值；仿真计算相应不同条件下的每相等效电感值。最后计算不同条件下仿真等效电感与额定电感的偏差、实测等效电感与额定电感的偏差；将电抗器相间距与等效电感偏差的关系绘制成图2～图4。

图2 A相电抗器相间距与等效电感偏差关系

图3 B相电抗器相间距与等效电感偏差关系

图4 C相电抗器相间距与等效电感偏差关系

由图2～图4可知，无论哪种布置方式，每相电抗器的等效电感与额定电感的偏差都随相间距的增大而减小，且实测偏差值都高于仿真计算偏差值，这与单台电抗器的结果一致。图3还表明，B相电抗器等效电感的计算值和实测值都与布置方式无关，可能是因无论哪种布置方式，A、C相对B相的影响都相同。

国标和行业标准分别规定串联电抗器的电感偏差为0～10%和0～5%，每相电感相对三相电感平均值的偏差不超±2%。因此，对于水平品字或一字布置的小型串联电抗器来说，即使相间距减小至1.2D，电抗器等效电感变化量都小于5%，仍符合标准规范。

3 相间距对周围磁场的影响

干式空心电抗器磁场使其周围的金属内部产生涡流，支座板、绝缘子端帽、金属围栏等都会因涡流而发热。因此，当安装相间距改变时，应关注金属构件处的磁场变化，以便评估发热状况。图5标出了电抗器四周可能存在金属构件的典型位置，其中位置1～4为金属围栏、位置5和6为电抗器绝缘子端帽。本文分别计算和实测不同布置方式和不同相间距时各位置的磁感应强度，绘制成图6～图9。

由图6～图9可见，电抗器周围磁感应强度的计算值和实测值的变化趋势一致，且二者之间的偏差较小。两种布置方式下，电抗器磁场分布规律相似，即电抗器附近（位置5或6）和围栏处两相中间（一字型位置2和品字型位置4）的磁感应强度随相间距的增加而减小；但围栏其他位置的磁感应强度基本呈水平小幅度波动，几乎与相间距无关。

图5 计算与实测磁场位置

图6 一字型布置相间距与绝缘子处磁场关系

图7 一字型布置相间距与围栏处磁场关系

图8 品字型布置相间距与绝缘子处磁场关系

图9 品字型布置相间距与围栏处磁场关系

另外，位置5或6的磁感应强度在7000～9000μT，位置1～4的磁感应强度仅500～1000μT，即电抗器附近磁感应强度远高于围栏处。因而在分析相间距对金属发热的影响时，应着重关注线圈本体附近的金属构件。当漏磁在金属中形成大环流时，会导致金属过热，假如绝缘子端帽的温升正常，那么只要金属围栏不存在大闭合回路，其温升就不会异常。

4 相间距对绝缘子端帽温升的影响

电抗器金属构件温升仿真模型准确度较高，计算值与实测值吻合度较好，偏差一般不超5.67%。本文采用该模型进行仿真，计算两种布置方式下位置5处绝缘子端帽的温升，得到相间距与绝缘子端帽的温升关系如图10所示。

图10 相间距与绝缘子端帽温升关系

根据计算结果，电抗器绝缘子端帽温升随相间距的减少而升高；从1.8D到1.2D，品字型布置温升增加3.75K，一字型布置增加3.16K；即使相间距减少至1.2D，端帽温升仍不超18K。由此可见，水平安装的小型电抗器金属构件不会因相间距的减少造成温升的急剧变化，同样地，对于没有形成大闭合回路的金属围栏更不会存在温升超标的现象。

5 相间距对电抗器损耗的影响

因干式空心电抗器绕组导线直径细、匝数多，损耗计算仿真建模较困难，本文仅用实测方法研究相间距与损耗之间的关系。以JB/T 5346—2014规定的电抗器损耗为基准值，测试不同相间距下试品的损耗，并计算出相对于基准值的变化率，得到相间距与电抗器损耗变化率的关系如图11所示。

图11 相间距与电抗器损耗变化率的关系

由图11可见，小型串联电抗器相间距从1.8D变化至1.2D时，实测损耗增加量在2%～6%之间。其中一字型布置时，损耗随相间距的减少而增加；但品字型布置时，损耗基本不随相间距的变化而变化。品字型布置电抗器的损耗变化特性，可能是任意两相对另一相的影响相互抵消的结果。

6 结论

通过以CKK—84/10—5小型串联电抗器为例，计算和实测水平一字型布置和水平品字型布置时，电抗器的技术参数与相间距的变化关系可得出：对于小型干式空心电抗器来说，当相间距从1.3D变化到1.7D时，电抗器的等效电感对额定电感变化、损耗变化及金属部件温升变化都在较小的范围内；无大闭合环路的金属围栏也不会发生过热现象。

然而，以上分析是基于某一台电抗器进行的仿真和试验，相间距对电抗、温升等参数的影响程度还与线圈直径和高度有关，本文未开展相关研究，具体项目应具体分析。

本文编自2022年第5期《电气技术》，论文标题为“相间距对干式空心电抗器参数的影响分析”，作者为葛计彬、张宁 等。

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