一种干式铁芯电抗器线圈设计

一种干式铁芯电抗器线圈设计

发表时间：2019-09-05T10:55:03.207Z 来源：《中国电业》2019年第09期作者：袁永团

[导读] 本文介绍高电压大电流电抗器线圈设计采用矩形分段箔绕法结构，解决以上问题。

夸普电气（上海）有限公司，上海 201404

摘要：随着供电需求量增加，10kV电网系统中电流也会增加，国家对电能质量提出更高要求。干式铁芯电抗器在改善电能质量中占据重要地位，在10kV电网中电抗器一般采用多根电磁线并绕圆筒层式结构的线圈，但很难解决大电流引起的温升高问题以及高电压引出线绝缘问题。本文介绍高电压大电流电抗器线圈设计采用矩形分段箔绕法结构，解决以上问题。

关键词：干式铁芯电抗器、高电压大电流、矩形线圈、分段箔绕式结构

1. 概述

干式铁芯电抗器在10kV电网系统中，用于限制短路电流，能够有效的抑制和吸收高次谐波，改善系统的电压波形，提高电网功率因数,有效的改善电能质量发挥重量作用。市场对满足高电压大电流干式铁芯电抗器需求量逐渐增大，要求也越来越高。高电压大电流电抗器线圈一般采用圆筒层式结构，生产制造时会存在以下缺点：

1.1．大电流线圈采用多股电磁线并绕，导线截面大应力较大，线圈很难绕制成型，机械强度差，线圈内外径尺寸偏大，很难控制为图纸要求尺寸，浪费材料并增加线圈损耗；线圈每层都需要导线换位，增加绕制工时，换位处增加线圈损耗，若换位处绝缘处理不当会存在短路隐患；多根电磁线引出线与外部铜（铝）排焊接较为困难，会存在虚焊隐患等。

1.2. 电抗器线圈采用圆筒线圈结构（如图1），铁芯柱是由气隙间隔的多个铁饼垒成多级圆形结构，要求每个铁饼必须同心对称。多级圆形铁饼制作工艺较为复杂，需要不同片宽铁芯片一级一级堆积而成，生产中很难保证每级不同片宽铁芯片同心对称，很难保证所有铁饼垒成铁芯柱同心对称。如果不能保证同心对称，电抗器漏磁通增加，电抗器损耗增加。

1.3高电压线圈采用层式线圈结构，绕制原理图如图2所示，线圈起头A在第一层由内向外穿层引出，在10kV高压电网系统中，起头A 与各层均存在电压差的关系，如果起头A与各层端部距离较近，存在穿层放电隐患；如果起头A与端绝缘距离较近，而与铁芯下轭绝缘绝缘距离不够，那么产品出厂做工频耐压试验时候，可能会起头A对铁芯放电隐患；因此为了保证起头A安全从内部引出，必须增加起头A与端部绝缘距离，并且加强起头A引线绝缘厚度，从而增加电抗器工艺难度和制造成本。

1.4电抗器线圈采用圆筒结构，为适应不同电抗器容量，只能增加线圈内径大小，电抗器长度和深度尺寸同时增加，总体积变大，空间浪费较大。多数铁芯电抗器安装在室内控制柜中，对电抗器外形尺寸要求很高，圆筒结构线圈很难满足要求。

2. 新结构设计

为了克服以上因电抗器高电压和大电流而产生线圈制造问题，本文设计采用矩形分段箔绕线圈，成功解决以上问题，具体设计如下： 2.1大电流线圈采用箔绕线圈如图3所示。箔绕线圈多用于大电流低压产品上，本文采用箔绕线圈用于10kV高压电抗器产品上。箔绕线圈一般采用铜（铝）箔作为导线，每层为一匝，辐向上有多少层就有多少匝。层间绝缘和端绝缘采用DMD复合绝缘纸，具有良好的机械强

度、介电性能和较高的耐热性能，主要是要在保证不会因长期受热作用产生性能变化。在线圈内部和中部采用撑条做气道，引出线采用铜（铝）排与铜（铝）箔在箔绕机上氩弧自助焊接。

采用箔绕线圈的优点是：操作简单，无需换位，线圈工整整齐，提高机械强度，减少绕线工时，氩弧自助焊接杜绝虚焊隐患。

2.2.大电流线圈设计为矩形结构，具体设计如下：

2.2.1电抗器线圈采用矩形绝缘筒作为线圈骨架，在线圈与铁芯之间充当绝缘筒，既增加线圈对地爬电距离，又减少线圈与铁芯绝缘距离，节省成本；

2.2.2 电抗器线圈在矩形绝缘筒上绕制，矩形绝缘筒增加两个端板固定在箔绕机上箔绕，绕制完成箔绕线圈和绝缘筒整体脱模成为一体。矩形绝缘筒用作绕线模具，大大节省每只线圈模具投入成本。

2.2.3电抗器线圈内部R角（如图4）是由放置在绝缘筒顶角处四根角撑条形成，线圈内部和中部采用撑条形成多个气道面。撑条把线圈内部和中部分隔成多个散热面，多个散热面形成一种类似烟囱抽风系统。由于电抗器在运行中产生大量热量，底部空气被带到多个散热面中，可以把大量热量迅速带出，降低了电抗器温升，提高电抗器运行寿命。

2.2.4电抗器线圈绝缘筒内部是片宽相等的矩形铁芯柱（如图5）。设计不同容量电抗器尺寸时，矩形铁芯柱可以通过改变片宽尺寸或者叠厚尺寸来改变铁芯截面，从而改变电抗器长度或深度尺寸，满足不同尺寸要求；对于安装在控制柜内电抗器对外形尺寸有要求时，可以根据现场尺寸灵活设计，增加空间利用率。铁饼（图6）是由同一种片宽铁芯片堆积而成矩形结构，每块铁饼易于整理成型，并且多个铁饼垒成铁芯柱也易于居中同心，工艺简单，便于生产。

2.3 由于10kV高压电抗器线圈匝数比一般低压箔绕线圈匝数多，箔绕线圈每层为一匝，多少层为多少匝，如果线圈匝数太多造成线圈辐向过大，这样很不利于散热；大电流线圈产生大量热量，在设计线圈时不但需增加散热面数量而且要增加散热面高度来增加整体散热面积，降低温升。因此电抗器需设计为瘦高型，采用薄而高的铜（铝）箔绕制，而太薄太高的箔材现实中很难采购到。

为了克服以上问题，本文设计电抗器线圈采用上下轴向分段结构，减少辐向匝数，降低箔材高度。如图7所示分段箔绕法线圈绕制原理图和展开图。线圈设计为轴向分裂总匝数分为减半上下相等线圈，线圈辐向匝数减少一半，可以采用厚而矮铜（铝）箔材绕制，易于不同型号箔材规格选取。上下两个相等线圈内部通过一根连接铜（铝）排串联连接，线圈外部采用铜（铝）排出线引出。连接排和出线排都在箔绕机上与箔材采用氩弧自助焊接，安全可靠杜绝虚焊隐患。引出排在线圈外部引出，避免穿层放电现象并保证安全绝缘距离，既方便焊接引出，又方便客户对外接线。采用轴向分段把一个电抗器线圈分解成两个轴向线圈，相当于把一个发热源分解为上下两个距离拉开的发热源，增加中部绝缘距离，增加线圈中部散热面，降低线圈温升。