浅谈220kV并联电抗器设计要点

浅谈 220kV并联电抗器设计要点

摘要：随着我国社会的不断进步，稳定的电力已经成为人们日常生活的重要

需求，电气设备中电感元件是非常重要的部分，其中电感元件中的电抗器是一种

应用广泛的变压器，电抗器的作用是防止系统中的短路电流，对于补偿系统的分

布电流也有着十分有效的阻止效果。在电感元件市场上，电抗器的规格和型号是

非常多的，但其类型主要是铁心和干式空心，根据其作用分类，市场上比较常见

有并联、限流、串联、阻尼、平波等电抗器。在变压器种类中，电抗器具有特殊性，这是其产品特性决定的，与其它变压器的差异是应用电抗器时候需要注意的

内容，其在结构设计、制造工艺中与普通变压器相比差异较大。

关键词：220kV；并联电抗器；设计要点

引言：

通常国家电网公司对于变压器类产品的质量问题会有相应的文件指南，在质

量问题指南中电抗器这类变压器产品的质量问题是非常突出的，这些质量问题主

要表现在噪音过大、散热性能低、局部放电等方面。因此在设计电抗器的过程中，需要针对这些客观存在的问题进行纠正和解决，本文就220kV并联电抗器设计要

点进行了研究，为提升电抗器的质量提供理论支持。

一、并联电抗器的内容研究

在超高压输电线路的铺设过程中，其距离通常有数百、数千之长，因此对于

变压器的稳定性需求较高，随着当前城市化的规模性发展，供电问题有着很大的

挑战，电缆化方向成为城市供电的主流，这也使得系统的正常运行离不开补偿线

路巨大的容性充电功率，而补偿线路与主电缆之间并联电抗器是基本的电感元件，这也是当前输电线路的基础配置。并联电抗器的位置一般位于超高压输电线的末端，并作接地处理。当前22OkV高抗变电站都有远距离输电的能力，这种情况下

需要针对主要供电电缆进行相关电容补偿措施，主要操作便是无功补偿线路的并联，主线路的运行电压有很多种改变方法，其中一种便是并联电抗器数量的变化。

并联电抗器能够有效地改善电力系统无功功率运行情况，这点对于电力系统的稳

定具有十分重要的作用，这些作用体现在并联电抗器能够有效的减小空载电容效应，轻负荷线路电容效应的增强，通常对于工频暂态过电压方面也有着十分重要

的作用。电力部门可以根据并联电抗器的数量和性能，针对远距离输电线路上的

沿线电压进行合理的排布。并联电抗器也可以平衡轻负荷时线路中的无功功率，

减少不合理的无功功率流动，有效地避免输电线路上的功率损耗，对于变压器效

率的提升有着十分重要的作用。同时，大机组的使用中，输电系统和大机组进行

并联过程中，并联电抗器能够有效地降低高压母线上工频的起伏，这是输电系统

和机组并联的直接原因。此外，发电机内出现的自励磁谐振现象十分普遍，而并

联抗电器能够有效的改变这种现象的频繁发生。接地电抗器起到了补偿主线路的

电容的作用，在供电位线路长度与并联电抗器的容量关系设计中要考虑电抗器的

性能。通常330kV的电抗器电容较大，设计的时候采取单相设计的方法，220kV

的电抗器则采用三相设计的方式。干式空心电抗器由于其性能原因，因此虽然要

采用三相设计的方法，但体积大的时候采用单相设计较为合理。

二、无功补偿原理

如图1所示，并联电抗器的补偿结构较为简单，并联电抗器接入主线的情况下，设计方式为单相的情况下，就需要进行中性点接地，电容电流才能够有效的

补偿，平衡电网电压。通常在超高压线路里，并联电抗器与高压线路要进行并联，低压补偿这种方式也会被用到，一般在35kV或、110kV侧进行安装。将图1中忽

略电抗器的电阻进行简化，如图2所示，便是LC回路，电抗器的感抗和分布电

容抗平衡的时候，便能够达到并联谐振电路的理想状态，当LC的方向相反的时候，电路的电感会跟电容进行能量的交换，感性无功与容性无功之间能够达到完

全补偿的状态，这样的话电容效应就能被彻底消除掉。但是，谐振状态在应用中

也需要进行避免，这是由于电抗器都有电阻，因此对电路肯定会有一定的影响，

其最直接的影响就是要对线路进行调整，也会造成电抗器的损坏。

图1

图2

三、并联电抗器容量选取和磁屏蔽

并联电抗器在实际应用中一般是缠绕在高压输电线路上，是一种大容量的电感线圈，其容量的选取是依据线路电容和负载情况而定的。并联电抗器的台数和容量与电力系统线路的参数、周边条件及运行方式是分不开的。合理地选择并联电抗器的容量，对于减少并联谐振问题具有突出意义，合理选择电抗器的容量关系到补偿线路的稳定性。在并联电抗器的容量选择时，首先要对限制工频过电压这个要点进行分析，这关系到系统的稳定，尤其是无功功率的平衡，此外自激电压和谐振的问题也是要充分考虑的。其次电抗器的容量设计、安装方式要结合整个电力系统的结构和参数来进行设计方案的确定。而容量的大小则完全和绕组匝数、绕组、气隙大小有关[1]。一般情况下，铁心电抗器的电感由两个部分组成，

其一是铁饼，其二是主磁通，漏电感则是漏磁通形成的，通常漏磁通发生在心柱

外侧。基于这个原因，计算并联电抗器电感便是关键。衍射磁通宽度首先需要计

算出来，我们常说的衍射磁通宽度也被叫做等效宽度，计算宽度的方法是多样的，通常来说主要用到的方式有两种，其一，计算每个气隙处的单个衍射磁通等效宽度，然后进行求和，最后算平均值，其二，将总气隙之和除以气隙个数，得出平

均值，这个计算方法中铁饼高度也需要选择平均值。这两种方法计算出的结果从

理论上来讲是完全一致的。无论是哪种计算方法，结果上的差别不大。但气隙大

小的差异造成了衍射磁通宽度的差异，因此实际计算的数值并非完全准确的，两

种计算方法应用的场景也不同。绕组附加损耗的占比是非常小的，因此不作为主

要目标进行计算。在并联电抗器计算中，漏磁场造成的漏电抗占比较大，一般占

比20%-40%之间，因此漏磁场会造成夹件、拉板及油箱中的漏磁损耗发生。在材

质的选择上，220kV的电抗器夹件以无磁钢居多，低磁钢材质也有广泛的应用，

这样可以大量减小夹件和拉板的损耗，减少局热现象的发生。油箱通常会进行磁

屏蔽，这种情况下，油箱的漏磁场杂散损耗会产生明显减少的变化。选择ANSYS

电磁场分析软件是漏磁大小分析的重要手段，磁分路的高度、宽度的选择是十分

重要的。在磁屏蔽的工艺选择上竖叠式是较为常见的。

四、并联电抗器的铁心设计要点

设计220kV的并联电抗器要点是铁心设计，铁心设计中需要设计师掌握基本

的设计原理，由于这种结构的铁心饼在圆周方向的衍射磁通是相对均匀的，因此

可以计算出相应的电感值，通常模型的外径需要固定，之后计算出来的精度是准

确的，当然内径方向也要进行固定，才能形成相对准确的计算值[2]。辐射式铁饼

的制作工艺要采用简单的扇形叠积形式，材质是硅钢，高度相同，但长度不同，

截面近于圆形。多个扇形叠积会形成铁饼，然后再实施真空浇注干燥工艺。气隙

磁阻的变化，产生的后果是漏磁的自回路，会增加功率的损耗，在严重的时候会

引发局热现象。因此油箱这个部位要需进行磁屏蔽，这样会引导部分漏磁的有序

流向，最终目的是减少杂散损耗，避免局热现象。夹件、拉板、拉螺杆也是铁心

内部的金属构件，小容量的构件很难一一采用磁屏蔽，这也决定了低磁钢的选择

是合理的，拉螺杆的强度计算是基于设计说明的，高强度不锈铁的压强要计算出来，心柱拉螺杆的直径要选择合适的尺寸，单根拉螺杆所受压强是计算的要点。