干式空心电抗器原理及工艺

干式电抗器设计原理及其材料

高压电器产品设计包含这多方面的学科的内容，仅就变压器（电抗器）而言，就包含《电路分析》、电磁学、高电压绝缘、电工材料等门内容。

具体到每个产品，我们在设计时还应同时考虑到工艺、材料、成本等问题，它们之间相互依存、相互作用，产品设计时不能只单独来考虑其中一个或两个。

由于水平有限，本次讲座不能具体到产品设计的每个细节，只能就设计过程中必须的一些基本原理和关键工艺和材料给大家做一个简要的介绍。不需要大家都记住，只要大家知道这些概念，以后在设计或生产服务是能知道他们，并有目的的去寻找有关资料就可以了。

一、基本电磁原理概述

电抗器是由于它的电感而被电力系统应用的高压电器。它属于特种变压器范畴，其区别于一般变压器的方面在于它通常只有一个励磁线圈，在有励磁电流通过时能产生一定电抗。但是，其在电磁分析原理方面还是同变压器基本一致。

变压器在学科中包含在《电机学》这门课程里，这门课主要分成两部分内容，其一是在静态情况下的能量转换和传递——变压器。其二是在动态情况下的能量转换——电动机和发电机。变压器中只有感生电动势，没有动生电动势。而电动机和发电机中则既有感生电动势又有动生电动势。

场是物质构成的一种基本形态，在自然界中有着各种各样的场，其中与变压器和电抗器有关的场有：

1、电场——电气绝缘

2、磁场——磁路

3、温度场??——损耗和温升

4、音场——噪音

这些场的存在对各种电器产品的性能和质量产生极大的影响，所以，我们在产品设计时往往是围绕它们在进行的。只有了解这些场的基本性质才能在电器结构设计中将各种材料合理地组合起来。

一）电场

1.1 静电场：通常把不随时间变化的电场称为静电场。对高压电器产品而言，无论在工频还是在冲击电压时，其各处的电磁场变化均可认为仅比例于外加电压而变化，其电场分布是相似的，完全可以作为静电场来处理。

1.2 电位与电场强度

电位是指静电场中在电荷作用下各点所具有的位能，它由库伦定律决定。

电场强度在数量上等于电位梯度，它表征电场的强弱，其单位为kV/mm或kV/cm在高压设备的绝缘设计中，其基本原则是应使电场作用各部位的“电场强度”均小于绝缘材料的“许用场强”。

1.3 电力线和等位线

电力线和等位线是表征电场特性的重要图形。电力线和等位线相互垂直。等位线是电场中电位相等各点两连的轨迹，它们可以形象地表示出电场分布的特性。例如：等位线密集的地方电场强，反之等位线稀疏的对方电场强度弱。根据电场数值计算进行绘制等位线相对较易，有时根据绝缘设计要求需要绘制电力线，相对较难。

1.4 均匀电场与不均匀电场

完全均匀的电场是不存在的，对于有限长度的平行平板电极可以近似认为是均匀电场，而球对球和同轴圆柱均属于稍不均匀电场。对于针对板和线对平面电极择属于极不均匀电场。总的来说，电场的均匀程度与电极形状以及电极间的相对位置（总称电极分布）有关。在高压电器设备的绝缘设计中，应注意电场的调整，尽量降低电场的不均匀度，避免电场集中现象的发生。尤其是在绝缘结构复杂的变压器和铁芯电抗器中。

二）磁场

2.1 磁场的产生

磁铁和电流都能在周围的空间激发磁场，其表现的磁效应为磁场对电流和磁铁都有作用力—磁效应

2.2 磁效应的根源本质

都是电流即运动电荷的场，并对电流有力的作用。

2.3 磁感应线的特性：

2.3.1磁感应强度矢量B

磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，磁感应强度矢量B的方向用右手螺旋定律确定。单位是T (特斯拉) --N/A*m。

○1磁感应线是无头无尾的闭合曲线。

静电场是有头有尾的

○2磁感应线总是与电流相互套和，磁感应线的方向与电流的方向密切相关。

2.3.2磁通Φ

均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。

2.3.3磁导率μ

磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。

真空的磁导率

非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。

2.3.5磁场强度H

或

磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安／米（A／m）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。

2.3.4磁势

2.4磁场的基本定律

2.4.1毕奥-萨法尔定律

磁场是由电流激发的，毕奥-萨法尔定律是描述电流激发磁场的定律。

（空气中）

可以看出：磁感应强度B与电流I有关，与距离有关

载流螺线管中对磁感应强度B

当螺线管长度比直径大很多时，其内部很大范围内的磁场是均匀的，只是在端点附近的磁感应强度B才显著下降。其内部的磁感应线密集，外部的磁感应线稀疏。

2.4.2磁场的高斯定理倍。

磁感应通量Φ简称—磁通，是沿ds垂直方向穿过单元面积磁感应线的根数。

通过任意闭合曲面的磁感应通量恒等于零----高斯定理。

2.4.3安培环路定理

磁感应强度沿任意闭合环路的线积分等于穿过这个环路的所有电流强度代数和的μo倍。

F=NI称为磁动势，单位是安（A）。

2.4.4磁路欧姆定律

称为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用。

因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。

2.5 电磁感应

2.51—变化的电场和磁场

在一定条件下，磁场可以产生电场---感应电流

导体回路与永磁体之间相对运动

导体回路与载流线圈之间相对运动

嵌套变流线圈

在磁场中导体回路面积发生改变

2.52感应电流的方向

楞次定律：闭合导体回路中的感应电流的方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁感应通量，去补偿或者说反抗引起感应电流的磁感应通量的改变。

2.5.3法拉第电磁感应定律：

导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁感应通量对时间的变化率成正比。即：

对N匝线圈

2.5.4 动生电动势——针对于过磁线圈面积的变化

2.5.5 感生电动势；感生电场

电场的种类：

a、由电荷激发的静电场

有源场，静电场力做功与路径无关

b、由变化的磁场激发的感生电场

无源场感生电场做功与路径有关

2.5.6自感现象

对于一个线圈→电流变化→激发磁场变化→磁通变化→产生感生电动势

负号表示自感电动势反抗回路中电流的变化

2.5.7互感现象

变化的电流在临近的线圈中产生感生电动势