相間距對乾式空心電抗器引數有何影響？北京電力裝置總廠發表成果

乾式空心電抗器安裝的相間距通常為1.7倍電抗器外徑（1.7D），當安裝距離縮小時，電抗器周圍磁場強度會發生變化從而影響其電氣引數。北京電力裝置總廠有限公司的研究人員葛計彬、張寧、卞震洪、郝文光、鄭剛，以小型串聯電抗器為例，採用模擬計算與實測相結合的方法，研究水平佈置電抗器相間距與效能引數之間的關係。結果表明，相間距在1.3D～1.7D範圍內時，雖對小型電抗器的技術引數有影響，但未使其超出標準允許範圍。

乾式空心電抗器在電力系統中起著重要作用，與鐵心電抗器相比，其具有諸多技術優勢，被用於限流、濾波及無功補償。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。為避免電抗器技術引數受外部金屬閉合迴路影響，要求電抗器中心與周圍圍欄等金屬物體的最小距離不小於外徑的1。1倍（1。1D），三相水平安裝時，電抗器中心之間的距離不小於外徑的1。7倍（1。7D）。

然而，隨著我國經濟的高速發展、能源需求和土地資源利用率的提高，部分擴建的變電站或個別新建工程因場地限制，乾式空心電抗器安裝相間距已不足1。7D，如四川某500kV變電擴建工程，串聯電抗器相間距被限制在1。5D以內，因而有必要研究水平佈置時相間距對電抗器效能引數的影響。

不同的安裝方式和相間距將影響電抗器周圍磁場分佈，進而影響其技術引數。有學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算方法；以及在品字型佈置時，基於場-路耦合模型計算了電抗器周圍磁場強度與支柱高度的變化關係。此外，電抗器周圍的金屬構件也受磁場影響，一般採用有限元模擬計算與試驗相結合的方法進行研究。

目前，關於相間距在1。7D以下時對電抗器引數影響的研究開展得很少，本文以CKK— 84/10—5串聯電抗器為例，分析一字型和品字型佈置電抗器的相間距與其磁場、電感、損耗及金屬溫升的關係。

1 試品電抗器引數及模擬模型的建立

本文利用CKK—84/10—5串聯電抗器來分析安裝距離對電抗器效能指標的影響，試品基本引數見表1。

表1 電抗器基本引數

根據電抗器繞組引數，依照水平一字型和品字型佈置方式，建立Ansys Maxwell電抗器電感和磁場計算模型如圖1所示。利用靜磁場求解器計算不同相間距時各相電抗器的自感和相互之間的互感，利用渦流場求解器計算電抗器周圍的磁場；另外再建立B相電抗器絕緣子端帽的三維模擬模型，在渦流場中計算出金屬端帽的渦流損耗，透過電磁場與穩態溫度場耦合模擬計算端帽的溫度分佈並得到端帽溫升。

圖1 電抗器電感和磁場計算模型

2 相間距對電抗器各相等效電感的影響

2.1 電抗器等效電感計算

2.2 相間距對等效電感的影響分析

電抗器的電感值採用WT3000功率分析儀進行測量，透過測量電抗器兩端的電壓、流過的電流和有功功率計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測量各相的電感值，並與模擬電感值比較，結果見表2。實測值相對計算值的最大偏差為1。30%，表明模擬計算與實測的一致性較好。

表2 單相電抗器電感值

然後將電抗器三相同時通電流，分別測量每相的等效電感值，再改變三相電抗器的佈置方式及相間距，測量不同條件下每相的等效電感值；模擬計算相應不同條件下的每相等效電感值。最後計算不同條件下模擬等效電感與額定電感的偏差、實測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係繪製成圖2～圖4。

圖2A相電抗器相間距與等效電感偏差關係

圖3B相電抗器相間距與等效電感偏差關係

圖4C相電抗器相間距與等效電感偏差關係

由圖2～圖4可知，無論哪種佈置方式，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，且實測偏差值都高於模擬計算偏差值，這與單臺電抗器的結果一致。圖3還表明，B相電抗器等效電感的計算值和實測值都與佈置方式無關，可能是因無論哪種佈置方式，A、C相對B相的影響都相同。

國標和行業標準分別規定串聯電抗器的電感偏差為0～10%和0～5%，每相電感相對三相電感平均值的偏差不超±2%。因此，對於水平品字或一字佈置的小型串聯電抗器來說，即使相間距減小至1。2D，電抗器等效電感變化量都小於5%，仍符合標準規範。

3 相間距對周圍磁場的影響

乾式空心電抗器磁場使其周圍的金屬內部產生渦流，支座板、絕緣子端帽、金屬圍欄等都會因渦流而發熱。因此，當安裝相間距改變時，應關注金屬構件處的磁場變化，以便評估發熱狀況。

圖5標出了電抗器四周可能存在金屬構件的典型位置，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。本文分別計算和實測不同佈置方式和不同相間距時各位置的磁感應強度，繪製成圖6～圖9。

由圖6～圖9可見，電抗器周圍磁感應強度的計算值和實測值的變化趨勢一致，且二者之間的偏差較小。兩種佈置方式下，電抗器磁場分佈規律相似，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）的磁感應強度隨相間距的增加而減小；但圍欄其他位置的磁感應強度基本呈水平小幅度波動，幾乎與相間距無關。

圖5 計算與實測磁場位置

圖6一字佈置相間距與絕緣子磁場關係

圖7一字佈置相間距與圍欄處磁場關係

圖8 品字佈置相間距與絕緣子磁場關係

圖9 品字佈置相間距與圍欄磁場關係

另外，位置5或6的磁感應強度在7000～9000μT，位置1～4的磁感應強度僅500～1000μT，即電抗器附近磁感應強度遠高於圍欄處。因而在分析相間距對金屬發熱的影響時，應著重關注線圈本體附近的金屬構件。當漏磁在金屬中形成大環流時，會導致金屬過熱，假如絕緣子端帽的溫升正常，那麼只要金屬圍欄不存在大閉合迴路，其溫升就不會異常。

4 相間距對絕緣子端帽溫升的影響

電抗器金屬構件溫升模擬模型準確度較高，計算值與實測值吻合度較好，偏差一般不超5。67%。本文采用該模型進行模擬，計算兩種佈置方式下位置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係如圖10所示。

圖10 相間距與絕緣子端帽溫升關係

根據計算結果，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，品字型佈置溫升增加3。75K，一字型佈置增加3。16K；即使相間距減少至1。2D，端帽溫升仍不超18K。由此可見，水平安裝的小型電抗器金屬構件不會因相間距的減少造成溫升的急劇變化，同樣地，對於沒有形成大閉合迴路的金屬圍欄更不會存在溫升超標的現象。

5 相間距對電抗器損耗的影響

因乾式空心電抗器繞組導線直徑細、匝數多，損耗計算模擬建模較困難，本文僅用實測方法研究相間距與損耗之間的關係。以JB/T 5346—2014規定的電抗器損耗為基準值，測試不同相間距下試品的損耗，並計算出相對於基準值的變化率，得到相間距與電抗器損耗變化率的關係如圖11所示。

圖11 相間距與電抗器損耗變化率關係

由圖11可見，小型串聯電抗器相間距從1。8D變化至1。2D時，實測損耗增加量在2%～6%之間。其中一字型佈置時，損耗隨相間距的減少而增加；但品字型佈置時，損耗基本不隨相間距的變化而變化。品字型佈置電抗器的損耗變化特性，可能是任意兩相對另一相的影響相互抵消的結果。

6 結論

透過以CKK—84/10—5小型串聯電抗器為例，計算和實測水平一字型佈置和水平品字型佈置時，電抗器的技術引數與相間距的變化關係可得出：對於小型乾式空心電抗器來說，當相間距從1。3D變化到1。7D時，電抗器的等效電感對額定電感變化、損耗變化及金屬部件溫升變化都在較小的範圍內；無大閉合環路的金屬圍欄也不會發生過熱現象。

然而，以上分析是基於某一臺電抗器進行的模擬和試驗，相間距對電抗、溫升等引數的影響程度還與線圈直徑和高度有關，本文未開展相關研究，具體專案應具體分析。

本文編自2022年第5期《電氣技

術》，論文標題為“相間距對乾式空心電抗器引數的影響分析”，作者為葛計彬、張寧 等。