用于電子化鐵道的環(huán)保型全磁屏蔽空心電抗器的研究

用于電子化鐵道的環(huán)保型全磁屏蔽空心電抗器的研究

0油浸式鐵芯電抗器目前，電能部門(mén)使用的設(shè)備，尤其是高壓電器，主要利用了磁體原理，如變壓器、電抗器等裝置占很大比例。在項(xiàng)目中，我們經(jīng)?？紤]磁體配合和電阻器，而對(duì)自然環(huán)境、人類(lèi)輻射和電氣污染的研究較少。20世紀(jì)90年代末，中國(guó)廣泛使用的大型聯(lián)合電阻器、預(yù)制裝配廠和長(zhǎng)距離電纜線等聯(lián)合電阻器。然而，早期使用的是帶有油浸式電阻器的油浸式電阻器。該產(chǎn)品主要由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，部分用于國(guó)外銷(xiāo)售。油提取物工業(yè)電阻器的主要缺點(diǎn)是缺乏電阻抗感染指數(shù)，并且存在磁強(qiáng)飽和。需要高導(dǎo)磁材料。干式空心電阻器的感抗值線性好，鋼含量低。然而，大量泄漏的磁通被發(fā)送到空間，造成了損失，噪音明顯。隨著戶外安裝過(guò)程中耐蔭等環(huán)境因素的影響，絕緣壽命惡化。在室內(nèi)安裝時(shí)，應(yīng)調(diào)整安裝電流距離，增加建筑面積。此外，由于磁通泄漏和污染，接地桿過(guò)度燃燒和火災(zāi)，安全運(yùn)行存在隱患。隨著新型式空心電阻器的廣泛應(yīng)用，人們逐漸認(rèn)識(shí)到磁體的輻射和污染，并提出了新的設(shè)計(jì)、研究和管理問(wèn)題。為了解決高壓電器產(chǎn)品的電磁輻射和電磁污染問(wèn)題,鐵道部鄭州鐵路局、陜西省經(jīng)貿(mào)委以研制適用于27.5kV電氣化鐵道并聯(lián)電容補(bǔ)償及濾波綜合裝置的串聯(lián)電抗器為切入點(diǎn),分別安排下達(dá)了磁屏蔽電抗器的科研課題和新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目.通過(guò)調(diào)研收集國(guó)內(nèi)外各類(lèi)電抗器的應(yīng)用技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展現(xiàn)狀,了解到20世紀(jì)90年代日本開(kāi)始采用帶有磁屏蔽的高壓電器產(chǎn)品,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,但是具體的磁屏蔽體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式等則沒(méi)有詳細(xì)的介紹資料.為了研制磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電抗器,我們?cè)谶M(jìn)行復(fù)雜電磁理論計(jì)算的同時(shí),采用模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法確定了所采用的材料、磁屏蔽的設(shè)置方案以及全磁屏蔽電抗器的結(jié)構(gòu)形式,以加快和提高研制工作的效率.1方法、屏幕材料和測(cè)試材料1.1實(shí)驗(yàn)方法采用帶調(diào)壓變壓器的電壓電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法.1.2不銹鋼油鋼件、不銹鋼第一只孔口(1)優(yōu)質(zhì)帶有晶體取向的硅鋼片,數(shù)量為電感線圈上、下各16層,中間19層,厚度0.35mm/張.(2)具備阻磁性能的不銹鋼圓筒油箱外殼1個(gè),直徑360mm,高330mm,材質(zhì)厚度3mm.(3)優(yōu)質(zhì)紫銅材質(zhì)的圓盤(pán)屏蔽體、硅鋼片圓盤(pán)屏蔽體各2個(gè),直徑360mm,厚度均為6mm.1.3半鐵芯芯柱的磁本軸系統(tǒng)集成設(shè)備圖3(1)選擇S9-20kVA/10kV變壓器高壓繞組1個(gè),模擬作為電抗器的電感線圈,測(cè)得直流電阻為75.6Ω,電感值0.72H,外徑190mm,高度160mm,電感線圈2415匝.(2)加工半鐵芯芯柱一個(gè),無(wú)磁軛,鐵芯直徑95mm,截面積75.05cm2,磁感應(yīng)強(qiáng)度15.065kGs.(3)采用A3鋼加工油箱外殼1個(gè),材質(zhì)厚度3mm,直徑380mm,高350mm.(4)按照35kV級(jí)油浸式高壓電器設(shè)備選用絕緣距離及電氣安全標(biāo)準(zhǔn).1.4吸光度監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)電抗器的結(jié)構(gòu)方案、屏蔽材料、屏蔽結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了16種組合方案的模擬比較實(shí)驗(yàn),主要概括為3種電抗器本體結(jié)構(gòu)方案:空心、半鐵心、全鐵芯;3種屏蔽材料:硅鋼片、紫銅板、絕緣板;4種屏蔽結(jié)構(gòu)形式:全磁屏蔽、復(fù)合磁屏蔽、不銹鋼阻磁油箱外殼磁屏蔽、無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)形式;測(cè)試記錄有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行效果對(duì)比分析.具體作法是通過(guò)調(diào)壓變壓器給模擬電抗器電感線圈逐步施加工作電壓、工作電流,在模擬電抗器的外殼油箱上纏繞45匝銅漆包線,并接入毫伏電壓表和毫安電流表,測(cè)試電抗器工作時(shí)外泄漏磁通對(duì)外產(chǎn)生的感應(yīng)漏磁電壓和漏磁電流數(shù)值,以研究、鑒別采用不同磁屏蔽體的實(shí)際效果,為確定最佳的設(shè)計(jì)、制造方案提供依據(jù).2典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論分析和結(jié)論2.1電磁防護(hù)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1:模擬油浸式全磁屏蔽空心電抗器.采用鐵筒油箱外殼,在外殼與電感線圈間設(shè)置全磁屏蔽體(電感線圈的上、下層及中間各用16、16、19層硅鋼片),電抗器本體采用空心結(jié)構(gòu)方案.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,由表1可見(jiàn),該電抗器感抗值線性度好,全磁屏蔽體構(gòu)成了優(yōu)良的磁通回路,磁通沒(méi)有對(duì)外產(chǎn)生泄漏和污染,因此在油箱外殼測(cè)試的感應(yīng)漏磁電壓、漏磁電流數(shù)值均為0.實(shí)驗(yàn)2:模擬帶阻磁油箱外殼的油浸式空心電抗器.采用不銹鋼帶阻磁材質(zhì)的油箱外殼,油箱外殼兼作磁屏蔽體,電感線圈的圓周不再另設(shè)磁屏蔽體,電抗器本體采用空芯結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,由表2可見(jiàn),空心結(jié)構(gòu)的電抗器電感值線性度好,但是感應(yīng)的漏磁電壓較高,達(dá)到了5.2V,說(shuō)明不銹鋼帶阻磁的油箱外殼兼作磁屏蔽體效果不理想.實(shí)驗(yàn)3:模擬油浸式全磁屏蔽半鐵心電抗器,采用鐵筒油箱外殼.在外殼與電感線圈間設(shè)置全磁屏蔽體(電感線圈的上、下層及中間各用16、16、19層硅鋼片),電抗器本體采用半鐵芯結(jié)構(gòu)方案.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示,由表3可見(jiàn),全磁屏蔽半鐵芯結(jié)構(gòu)方案防漏磁通外泄、污染效果比較明顯,僅測(cè)試到mA數(shù)量級(jí)的感應(yīng)漏磁電流.測(cè)試線圈電阻受載體溫度變化的影響.實(shí)驗(yàn)4:模擬油浸式復(fù)合磁屏蔽空心電抗器.采用鐵筒油箱外殼,設(shè)置復(fù)合磁屏蔽體,電感線圈上下為銅蓋板屏蔽體,中間采用19層硅鋼片屏蔽體,電抗器本體采用空芯結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,由表4可見(jiàn),采用的復(fù)合磁屏蔽體具有防護(hù)效果,但是測(cè)試到漏磁通外泄產(chǎn)生的感應(yīng)漏磁電流,此外紫銅材的價(jià)格高于硅鋼片.實(shí)驗(yàn)5:模擬干式半鐵心電抗器.不設(shè)置油箱外殼、屏蔽體,電抗器本體采用半鐵芯結(jié)構(gòu),暴露在空氣介質(zhì)中.為了測(cè)量感應(yīng)漏磁電壓、電流,設(shè)置絕緣紙筒外殼,繞制45匝銅漆包線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5,由表5可見(jiàn),采用干式半鐵芯結(jié)構(gòu)的電抗器無(wú)任何磁屏蔽設(shè)置,是目前干式空心電抗器的改進(jìn)型.漏磁通在空氣介質(zhì)中泄漏、傳播充分,測(cè)試到的感應(yīng)漏磁電壓數(shù)值最高,方案不具備電磁防護(hù)功能.2.2思路和方案確定(1)從保證電抗器感抗值的線性度、滿足電流過(guò)負(fù)荷要求及抗諧波影響、節(jié)省原材料以及經(jīng)濟(jì)適用等綜合性能考慮,電抗器本體采用空心結(jié)構(gòu)優(yōu)于半鐵心、全鐵心的結(jié)構(gòu)方案.采用絕緣油作為冷卻及絕緣介質(zhì),解決了設(shè)備絕緣老化的問(wèn)題,減小了設(shè)備體積.(2)阻止漏磁通外泄,防止電磁輻射污染,減少對(duì)環(huán)境的危害.實(shí)驗(yàn)1的全磁屏蔽體方案做到了無(wú)漏磁通的外泄,漏磁場(chǎng)感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流數(shù)值均為0,磁屏蔽效果最佳.其它磁屏蔽體的磁屏蔽效果依次順序?yàn)閺?fù)合磁屏蔽體方案、帶阻磁油箱外殼的磁屏蔽方案.實(shí)驗(yàn)5采用的是目前干式電抗器添加半鐵心的改進(jìn)方案,由于磁場(chǎng)暴露在空氣介質(zhì)中,漏磁通外瀉條件充分,因此產(chǎn)生的電磁輻射、電磁污染嚴(yán)重,準(zhǔn)確界定應(yīng)是產(chǎn)生電磁的污染源.(3)結(jié)合電磁理論計(jì)算,實(shí)驗(yàn)1模擬采用的油浸式全磁屏蔽空心電抗器是最佳合理的研制方案,確定作為全磁屏蔽電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁屏蔽體材質(zhì)和選用厚度設(shè)計(jì)的依據(jù)數(shù)據(jù)及方案.3該模型的創(chuàng)新點(diǎn)和主要研究成果3.1試驗(yàn)結(jié)果與分析(1)空芯線圈外部的四周及上下端部均采用硅鋼片,構(gòu)成全磁屏蔽的整體,并與油箱保持合理間隙.全磁屏蔽體采用優(yōu)質(zhì)晶粒取向的硅鋼片,按低磁密、磁路沿屏蔽體硅鋼片晶粒的輾壓方向設(shè)計(jì),因此閉合磁路的磁阻小,損耗低,噪音小,防止了油箱的局部過(guò)熱.電抗器在1.35倍額定電流下運(yùn)行,磁場(chǎng)無(wú)外泄,對(duì)周邊環(huán)境無(wú)電磁污染,屬于環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品.(2)采用空芯線圈并合理選擇磁屏蔽體與線圈的間隙等措施可滿足在5倍額定電流下,感抗值不低于額定值的90%,且感抗值的線性度好,能承受電氣化鐵路較大的高次諧波電流干擾與沖擊.(3)調(diào)整產(chǎn)品設(shè)置結(jié)構(gòu),可減小電抗器電感線圈、磁屏蔽體所產(chǎn)生電磁的相互影響,為設(shè)計(jì)制造全磁屏蔽電抗器提供了定性、定量分析依據(jù)和經(jīng)驗(yàn).(4)通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān),可以方便地調(diào)整多檔電感植,從而兼顧牽引變電所近期、遠(yuǎn)期并聯(lián)電容補(bǔ)償不同容量的需求,不必再更換電抗器.(5)采用全密封結(jié)構(gòu)及防滲漏措施減少了維護(hù)工作量.樣機(jī)加工工藝優(yōu)良,各類(lèi)試驗(yàn)嚴(yán)格,具有權(quán)威性,試運(yùn)行考核合格.(6)與同容量的國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比較,我們所研制產(chǎn)品的質(zhì)量降低了60%,用料省,節(jié)約資源,制造工藝簡(jiǎn)便,造價(jià)約為國(guó)外產(chǎn)品的三分之一,經(jīng)濟(jì)效益明顯.3.2試驗(yàn)運(yùn)行及考核研制的樣機(jī)通過(guò)了國(guó)家歸口檢測(cè)單位西安高壓電器研究所的繞組電阻測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量、溫升試驗(yàn)、聲級(jí)測(cè)量、短時(shí)工頻耐壓、雷電沖擊耐壓等實(shí)驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目,并在陽(yáng)安鐵路城固牽引變電所通過(guò)了試驗(yàn)運(yùn)行考核.3.3主要技術(shù)研究圖1(1)u3000定容電壓LKDJ-256kVar/4.33kV;系統(tǒng)額定電壓:27.5kV;相數(shù):單相;額定端電壓:4.333kV;額定電流:59.1A;額定容量:256kVar;額定電抗率:12%或13%.(2)價(jià)三次諧波電流在通過(guò)額定電流的同時(shí),允許通過(guò)等價(jià)三次諧波電流為額定電流的0.78倍時(shí),運(yùn)行時(shí)間為持續(xù);為額定電流的1.5倍時(shí),運(yùn)行時(shí)間為5min.(3)加熱在1.35倍額定電流下連續(xù)運(yùn)行溫升限值:線圈<60K;油箱頂層<55K.(4)確定動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算電抗器可在工頻加諧波電壓峰值為4額定電壓下運(yùn)行,并可在工頻電流為1.35倍額定電流下連續(xù)運(yùn)行,在承受額定電抗率倒數(shù)倍額定電流的最大短時(shí)電流的作用下不產(chǎn)生任何熱的和機(jī)械的損傷.動(dòng)穩(wěn)定要求時(shí)間為0.5s;熱穩(wěn)定要求時(shí)間為2s.噪音水平:不超過(guò)55dB.(5)允許偏差的電阻值在工頻額定電流下,電抗值的允許偏差為0~+5%,通過(guò)5倍工頻額定電流時(shí)的電抗值不小于額定值的90%.4產(chǎn)品的評(píng)價(jià)結(jié)論2003年11月,我們研制的環(huán)保型油浸式全磁屏蔽空心電抗器通過(guò)了陜西省科技廳、陜西省經(jīng)貿(mào)委共同舉行的科研成果和新產(chǎn)品投產(chǎn)鑒定,2005年該項(xiàng)目獲得陜西省科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng),評(píng)價(jià)結(jié)論:(1)選題從實(shí)際出發(fā),徹底解決了漏磁通問(wèn)題,減輕了電磁污染,具有重要的實(shí)