正交铁心式可控电抗器损耗分析

蒋雷敏+李佶

摘 要：在当今电力系统中，可控电抗器占据着十分重要的地位，它能应用在控制电力系统电压和无功功率补偿等诸多方面。可控电抗器的应用与发展，为提高电力系统的稳定性、改善供电质量做出了巨大的贡献，因此对其损耗进行分析应是一个需要重点研究的问题。基于此，文章选取正交铁心式可控电抗器进行研究，深入分析其结构和基本原理，并在此基础上总结其损耗情况，提出不同损耗种类的解决措施，为可控电抗器的进一步发展提供理论依据。

关键词：正交铁心；可控抗电器；损耗分析

前言

伴随着电力系统的技术水平不断提高，可控电抗器在动态的无功补偿、自动调谐消弧圈等领域中得到了广泛的应用。可控电抗器的种类有直流可控电抗器以及正交铁心式电抗器两种。其中直流可控电抗器控制简便、工作性能可靠；而正交铁心式电抗器是由固有的磁路构成，具有近似线性的控制特点以及相对较低的谐波含量。通过改变铁心的结构控制磁路的方向，对计算其损耗具有重要的意义。文章重点研究正交式电抗器的损耗，并寻求减小损耗的具体方法。

1 正交铁心式可控电抗器的结构和原理

正交铁心式电抗器是由两个形状完全相同的U型铁心旋转90°角之后连接而成的，可控电抗器两个绕组被分别固定在了两个U型的铁心上。为了在工作运行中能够充分利用到铁心的磁性，需要选用合适的结构以及尺寸比例，如果铁心的各个部位呈现出不均匀磁化，或铁心磁路的个别段磁化方向和材料的最易磁化方向不一致，将会在很大程度上影响铁心的性能[1]。选择铁心的机构和几何比例尺寸时要始终坚持以下的原则：首先要充分利用材料原有的磁性能，在满足技术要求的基础上，要使铁心的体积和重量最小化，最后才是考虑其经济性和工艺性。

在工作运行中，当电抗器控制绕组中没有控制电流通过时，铁心中就只存在单一的磁通，由于对称性等原理，在控制绕组中不会发生耦合磁通的变化，也就是说电抗器的主绕组对控制绕组没有耦合[2]。调节控制绕组中的电流能够有效改变磁通的方向，对电抗器内总磁通有间接影响作用。两个正交铁心接触面的磁通主要由两部分组成，一是主绕组所加的交流电源产生的交变磁通；另一种是直流控制绕组两端的直流电源所产生的直流磁通。直流磁通对于电抗器控制特性的影响很大，其控制着铁心接触面的磁通饱和度。

2 正交铁心可控电抗器的有限元分析

正交铁心式可控电抗器的有限元，是准确分析磁场的重要工具之一。对于有限元的分析方法，就是要将所分析的区域分割成多种很小的子区域。在这些小的子区域当中，要选取适当的尝试函数，对其进行电磁场的问题求解。最后再将整个区域当中的结果求和，进而计算出整个所求区域的解。对正交铁心式可控电抗器的有限元进行科学的分析，不仅能够了解到电气系统的关系，同时可以全面掌握磁通分布的情况，对可控电抗器的损耗程度研究具有重要的指导意义。

在研究其有限元时，可以通过ANSYS软件建立出正交铁心式可控电抗器有限元仿真实体参数以及铁心的有限元网格划分。和其他电力器件的有限元分析相类似，正交铁心式可控电抗器的有限元分析瞬变电磁场一共分为三个步骤，分别是建模步骤、加载分析步骤以及后处理步骤[3]。在ANSYS的软件中，可以采用软件中自带的三维建模工具按照实际模型的真实尺寸，描绘出正交铁心式可控电抗器的三维立体图形，并根据加载工具对电抗器的绕组进行加载分析，最后利用分析所得出的数据采用后处理的工具在图形界面当中直接描绘出绕组中的电流电压的波形和铁心当中的磁通分布情况。在两个铁心的四个交界点中，磁通的密度空间和时间是相互对称分布状态时，其他部分地磁通密度就会比较小。因此，在对可控电抗器的损耗情况分析时，只需要考虑到四个交界点的磁阻，而忽略其他部分的磁阻即可。只有两个U型铁心的交界部分在调节的过程当中处于饱和的状态，此时的正交铁心式可控电抗器的损耗程度最小。通过对磁场的调节，能够控制电抗器的损耗情况。而针对不同的损耗类型，也有着不同的解决方案。

3 有效降低正交式可控电抗器的损耗措施

3.1 铜损损耗

要想降低可控电抗器的铜损损耗就要减小绕组的电阻，在实际操作中分具体分为：选用低电阻的无氧铜导线，加大绕组当中的导线截面来降低绕组的电阻。但如果绕组的导线截面加大，会在一定程度上使涡流的损耗增加，因此降低可控电抗器的铜损损耗时，还要考虑到不加大导线的幅向厚度。通过增加每匝绕组的磁通量，也是减小绕组电阻的重要途径。

增加每匝绕组的磁通量，通常情况下可以采取两种方法：一种是加大铁心的直径，在可控电抗器的结构中，其阻抗和绕组匝数的平方呈正比关系。尽管在实际的操作中增加每匝绕组的磁通量需要考虑会随着铁心的截面增加而加大的铁损和会随着绕组长度增加而增大的铜损，但是这种方法无疑是最简单有效的。如果在减少电抗器损耗情况的措施中通过增大铁心来实现，那么电抗器的自身体积也会增大，这种情况会加重成本上的负担[4]。另一种增加磁通量的方法是增加绕组磁通的密度。但是在磁通密度增加时，相对而言铁损也会加重，而电抗器在工作中的噪声和振动也会随之增加。在这个方法中，由于铁心叠片系数的提高以及绕组绝缘的改善，电抗器的体积变小，铁心质量就会减轻，铁损就会降低；而绕组的平均直径减小，相对而言铜损也会降低。

3.2 铁损损耗

在正交铁心式可控电抗器中，铁损损耗分为磁滞损耗以及涡流损耗。根据铁损的计算公式来分析，可以得知铁损的总面积等于铁心单位的损耗和铁心质量的乘积，因此在对降低电抗器的铁损应该要考虑到以下几个方面的内容：首先，在实际工作中要采用单位损耗比较小的冷轧取向性硅钢片。为了能够充分利用到这个特点，还可以在具体的运用中使磁通的方向和硅钢片的轧制方向保持一致。其次，要有效减小磁通的密度，磁通密度的减小能在很大程度上使铁损损耗降低，但在另一方面也会使绕线匝数增加而让电阻的损耗也增加，因此从整体上来看，总体损耗也在增加。

在由电抗器的边缘磁通所引起的涡流损耗中，边缘磁通的分布是由每一个气隙的长度来决定的，因此说减少气隙的长度就能降低涡流损耗[5]。对于正交铁心来说，涡流的损耗程度与磁通所垂直方向的硅钢片宽度的平方成正比关系，由此看来，和磁通成垂直方向的直角面小的辐射形铁心对涡流损耗具有理想的抑制作用。

4 结束语

文章通过分析正交铁心式可控电抗器的结构和原理，能够有效分析其有限元。而通过在ANSYS软件中对其有限元进行分析，能够得出电抗器的磁场分析比较以及损耗的情况对比。针对正交铁心式可控电抗器的各类损耗类型总结出解决的方案，能够在很大程度上降低电抗器工作过程中的损耗率，从而为电力系统的稳定运行提供了保障。

参考文献

[1]牟宪民，王建赜，纪延超.正交铁心可控电抗器原理分析[J].变压器，2013，6（24）：27-29.

[2]牟宪民，王建赜，魏晓霞.新型正交铁心可控电抗器[J].中国电机工程学报，2013，7（21）：57-62.

[3]王子强，尹忠东，周丽霞.基于ANSYS的可控电抗器磁路结构与损耗分析[J].电网技术，2012，12（4）：168-172.

[4]魏晓霞，胡晓光，刘杰.基于平面结构的正交可控电抗器磁通特性分析方法[J].电子器件，2012，11（4）：828-832.

[5]王建赜，纪延超，魏晓霞.可控电抗器现状及其发展[J].电气应用，2013，4（30）：1-4.endprint