超高压并联电抗器介绍

超高压并联电抗器介绍
1 总论
特变电工所属的大型变压器公司有特变电工沈阳变压器集团公司、特变电工衡阳变压器有限公司、特变电工新疆变压器厂。

特变电工沈阳变压器集团公司是国内最早生产并联电抗器的厂家。

对大型并联电抗器的研制从1988年开始，而生产小型电抗器起始于70年代，主要是应国防和科研急需而制造的一些具有高、精、尖技术特点的产品。

1991年至1998年，进行了长达近8年的超高压并联电抗器研究、开发、设计工作。

早在1979年沈变与西变同时引进ALSTHOM公司500kV并联电抗器技术。

随着市场的需求和发展，沈变在原有消化引进技术的基础上，广泛地掌握了ABB、SIMENS、MEZ （莫斯科电工厂）、VIT（乌克兰变压器研究所）、ZTR（乌克兰变压器厂）、ALSTHOM、东芝、日立、西屋、传奇等等公司或厂家的电抗器技术，并且分别从日本和美国引进了关于电场、磁场、温度场、机械振动及噪声的计算机软件，对上述厂家的电抗器产品进行验证并深入研究，进行自主开发，分别设计出了500kV、330kV、220kV等各个电压等级的并联电抗器，并且用所引进的两种软件对其各种技术参数进行了双重验证。

针对并联电抗器易发生局部过热、振动大两个问题，进行反复研究，并在生产中反复验证，发明了两项专利结构——全方位漏磁屏蔽和三处压紧系统。

首次制造500kV级并联电抗器BKD－50000/500便一次试验合格。

特点是：无局部过热、低损耗、低噪声、小振动、低局放，技术性能指标为国际先进水平。

证明：全方位漏磁屏蔽系统是杜绝局部过热、大幅度降低损耗的科学方法；三处压紧系统是减小振动和噪声的科学方法。

特变电工新疆变压器厂2002年开始研制并联电抗器，其第一组220 kV并联电抗器BKD－10000/252于2002年10月30日在四川理县杂谷脑水电站投入运行。

特变电工衡阳变压器有限公司于2002年开始研制并联电抗器，所研制的500kV 并联电抗器BKD2-50000/550-110于2004年4月5日完成全部试验，本台产品所有试验在武汉高压试验研究所、沈阳变压器研究所、中国变压器产品检测中心监试下全部一次试验通过，综合技术经济性能为国际领先水平，其中温升试验是在1.5⨯550/√⎺3 kV下进行的，磁化曲线也测试到1.5⨯550/√⎺3 kV。

2003年8月，衡阳变压器有限公司在西北电网750 kV示范工程所属800kV并联电抗器
BKD-100000/800-110招标中中标，成为我国第一个800kV并联电抗器制造厂。

衡阳变压器有限公司中标后，特变电工花巨资从乌克兰变压器研究所引进了全套设计验证软件和BKD-100000/800-110并联电抗器的图纸和工艺文件，目前该产品正在制造中。

应该说特变电工高压并联电抗器起点较高，并且是自主开发，具有自有知识产权的技术。

总的说，铁芯电抗器的中心问题是漏磁和振动问题，实际运行中的主要故障是漏磁通引起的局部过热和振动，这也是世界性难题。

因此特变电工研制并联电抗器的重点放在如何克服局部过热和减小振动这个问题上，所研究出来的独特结构和特殊工艺都围绕克服局部过热、降低损耗、降低噪声、减小振动、提供安全可靠的优质产品这一最终目的。

2 特殊结构
概括起来，在并联电抗器中特变电工所采取的特殊结构措施如下：
第一，采用全方位漏磁屏蔽系统，即为全部漏磁通提供高导磁率低电导率的完整回路，使漏磁通在磁屏蔽中流通而无法进入夹件和油箱钢板等结构件，实践证明这是杜绝局部过热和大幅度降低损耗的科学方法，这是本公司的专利技术；
第二，器身结构上，采用大电抗高度小辐向结构，目的是使并联电抗器先天就具有小漏磁通的本性。

从数值上讲，我们把铁芯电抗器铁芯柱外表面与线圈内表面之间的区域称为主空道，主空道的漏磁通密度值是衡量总漏磁量的关键参数，目前国内外的高抗的主空道的磁密值有的高达0.6T，而特变电工产品的控制值要低得多；
第三，铁芯结构采用强力压紧措施，除铁芯柱中心有拉紧螺杆之外，在旁轭的两端还各有数根拉螺杆，计算结果证明采用这种压紧方式后，不仅总压力增大，而且由于铁芯自由度的减少，结构发生了本质变化，铁芯的固有频率下降为10HZ 左右，从而使其更加远离由交流电所引起的铁芯饼电磁震荡频率100HZ，因而不易发生共振；
第四，绕组采用机械强度较好的饼式结构，具有绕组幅向小，等效直径小（总漏磁通小）、冲击分布均匀且无振荡的特点；并且在绕组中采用本公司独特导向结构，多台产品实测平均铜油温差都低于15K，表明特变电工这种独特饼式绕组，有很好的散热能力和过载能力；
第五，器身与油箱不仅通过强力定位措施定位，而且在其连接处采用特殊的
减振机构来减小机械振动和机械噪声；
第六，油箱为梯形顶的方油箱，并填充有阻尼物来消音和减振；
第七，散热器可挂本体，亦可集中布置。

集中布置时，一台电抗器的全部散热器分两组，每组单独包装运输，现场整体安装，比较简便。

3 主要工艺和试验
为保证产品质量，特别是为了保证提供无局部过热、低损耗、低局放、低噪声、小振动的优质可靠的铁心电抗器，在工艺上特变电工采取如下主要措施：第一，铁芯饼（包括心饼叠片与大理石垫块）置入精加工模具中，进行真空压力浇铸：用模具的精度来保证铁芯饼的制造精度，用抽全真空后注入环氧树脂加压浇铸的措施来保证铁芯饼的整体强度，既可保证铁芯饼运行的可靠性，又可降低铁芯饼硅钢片机械振动的噪声；其中真空浇铸罐的真空度达10P a以下，加压达4个标准大气压；
第二，铁芯饼叠片为数十个扇形所组成的辐射形，每个扇形由计算机控制的专用剪板机自动剪切成形，并且实现了顺磁方向剪切；
第三，严格按规定的工艺方法和步骤进行铁芯的紧固，主要压紧螺杆都要在液压状态下紧固和测量拧紧的力矩；
第四，为防止渗漏油，所有密封面都机加工，采用法兰带槽、嵌入密封胶垫的刚性连接结构；
特变电工的电抗器试验完全执行IEC标准和国标。

其中沈变公司超高压试验室拥有1000kV、15万kV A电力变压器和150Mvar补偿电容器；衡变公司高压试验室拥有1200kV、250MV A电力变压器和250MVar补偿电容器，因此对800 kV及以下的并联电抗器可进行规定电压下的温升试验和直到1.5倍额定电压的伏——安特性线性度测试。

而且该公司超高压并联电抗器在1.1倍额定电压下做温升试验。

4、全国独一无二的制造和试验设备
4.1 从瑞典阿斯通进口的全自动铁心饼硅钢片剪切线，是全国唯一的一条，它所实现的、其它厂家所做不到的主要优点是：第一，剪切毛刺小于0.02mm；第二，在我国铁心电抗器制造业上首次实现了顺磁方向的剪切，这既可以减少铁心损耗，又可以降低绕行磁通可能引起的绕组局部过热；第三，可以剪出各种较复杂的片形，尤其是使铁心饼无边缘的尖棱，保证铁心饼不过热、电磁噪声小；4.2 铁心饼全真空压力浇铸设备，其优点第一是真空度高，真空残压小于10P a，
可以保证环氧树脂渗满片间；第二是能够加4个大气压，进一步环氧树脂渗满片间（这也是全国唯一一台设备）；第三，在铁心饼真空压力浇铸全过程中真空度、温度、压力全部由计算机按设置程序自动控制；
4.3 磁屏蔽自动绕制设备，自动控制绕制尺寸和松紧度；
4.4
4 绕组、绝缘、磁屏蔽、整体结构简介
4.1 并联电抗器内部结构示意图如图1。

特变电工高抗采用芯式结构，与壳式结构相比，芯式结构的高抗具有损耗小、振动小、不易发生局部过热、可靠性好等优点。

结构简述如下：“口”字形铁轭，中间立铁芯饼摞成的铁芯柱，铁芯柱外套芯柱地屏、绝缘、绕组和围屏，旁轭外围旁轭地屏和围屏；在绕组两端设置器身磁屏蔽，在前后侧箱壁上设置箱壁磁屏蔽，从而在器身两侧由器身磁屏蔽和箱壁磁屏蔽构成完整的漏磁回路，屏蔽漏磁。

4.2结构示意图如图2。

铁芯用高导磁、低损耗的晶粒取向冷轧硅钢片30ZH120制造，夹持件材料为不导磁钢20Mn23Al，紧固件材料为1Cr18Ni9TI。

设有三处压紧结构。

铁轭采用矩形截面直接缝，铁芯饼为中间带小孔的辐射圆环形，以减少主磁通绕行时的损耗；下夹件采用“Ⅱ”形结构，装配后构成稳定的杠架结构，以提高铁芯机械强度。

4.3 绕组电气原理接线示意图如图3。

绕组为上下两路并联的内屏－连续式，每支路首端十数段为插入电屏的绝缘加强度，其余为连续段；与层式绕组相比，这种饼式绕组具有等值半径小、电抗高度大、漏磁通小、冲击分布均匀且无震荡的优点；绕组中设置特殊的导向结构，已出厂和运行的100多台高抗实测绕组温升都低于15K，证明这种绕组有很好的散热性能和很强的过载能力。

导线为电解铜换位导线，导线绝缘为Dainison高强度电缆纸或芬兰纸。

4.4 绝缘结构的特点是使工频电场均匀、冲击分布合理且无震荡。

主纵绝缘经过软件严格验证：纵绝缘分匝绝缘和段间绝缘，对工频保证匝间和段间工作场强低于2000V/mm，同时使大小段间油道分布，保证冲击分布合理且无震荡；主绝缘分为绕组对芯柱地屏、旁轭围屏、上下铁轭（上下器身磁屏蔽）、油箱壁（箱壁磁屏蔽）及引线对地电位的绝缘，在这些部分利用薄纸筒、瓦楞纸板、皱纹纸等分割为薄纸筒小油道结构，重要之处采用电屏蔽，并且所有地电位电极面向高
电位电极的那一侧都加工成圆柱面和圆球面，彻底消除电场中电荷集中现象。

绝缘纸板采用Weideman公司的T1和T4。

4.5 磁屏蔽的主体为硅钢片，结构中消除尖棱和尖角。

4.6 电抗器油箱结构请参看并联电抗器外形图如图6。

油箱及散热器、储油柜等附件能承受全真空（真空残压133Pa及以下）。

图1并联电抗器内部结构示意图
图中：a．铁轭；b．绕组、绕组围屏及绝缘；c．器身磁屏蔽及其电屏；d．箱壁磁屏蔽及其围屏；e．铁芯柱及芯柱拉螺杆；g．压梁；h．油箱；
简要说明：铁芯电抗器的中心问题是漏磁和振动问题，实际运行中的主要故障也是世界性难题是漏磁通引起的局部过热和振动，因此特变电工研制并联电抗器的重点放在如何克服局部过热和减小振动这个问题上。

特变电工在高压并联电抗器中采用了多项专利技术，其中两项为：全方位漏磁屏蔽系统、三处压紧结构，第一项专利技术杜绝了局部过热、大幅度降低了损耗，第二项专利技术减小了振动、降低了噪声。

由图1中可以看出：
（1），在全方位漏磁屏蔽系统中器身磁屏蔽与箱壁磁屏蔽配合，构成了完整的漏磁回路，使几乎全部漏磁通在其中顺利流通而不能进入夹件、油箱等，因此夹件、油箱等无局部过热。

该公司已经生产的高抗实测色谱全都正常，证明内部无过热；红外线扫描外壳无热点，最高温度等于油面温度，证明无漏磁通进入外壳。

（2），所谓三处压紧结构即除芯柱处有压紧器身的拉螺杆外，在旁轭处也有
压紧器身的拉螺杆。

其优点分两方面：第一，能提供更大的总压力；第二，使铁芯的固有频率更加远离交流电振动频率。

计算结果证明采用这种压紧方式后，铁芯的固有频率从20HZ左右下降为10HZ以下，从而使其更加远离由交流电所引起的铁芯饼电磁震荡频率100HZ，因而不易发生共振。

（3），器身结构上，采用大电抗高度小辐向结构，目的是使并联电抗器先天就具有小漏磁通的本性。

从数值上讲，目前国内外的高抗的主空道的磁密值有的高达0.6T。

而特变的产品的控制值要低得多。

图2并联电抗器铁芯结构示意图
简要说明：铁芯用高导磁、低损耗的晶粒取向冷轧硅钢片30ZH120制造，夹持件材料为不导磁钢20Mn23Al，紧固件材料为1Cr18Ni9TI。

设有三处压紧结构。

图3并联电抗器绕组接线原理示意图
简要说明：绕组采用内屏连续式结构，用绝缘加强的换位导线绕制，上下两支路并联。

5 主要科研成果
沈变于1992年和1994年分别由美国和日本引进了用于变压器、电抗器的电场、磁场、机械振动、噪声研究的软件，并与清华大学、西安交通大学、原子能所开展了广泛的科研合作，衡变公司于2003年从VIT引进了750kV并联电抗器的全套计算和验证软件和设计工艺文件，进行并完成了产品的全面的科研及试验，主要成果及应用举例如下：
5.1 涉及磁化曲线计算的产品μ－B特性研究
通过大量分析、计算、模型试验和产品试验验证，沈变已经归纳总结出数种厂用硅钢片的μ－B曲线，可以准确计算、设计并联电抗器的磁化曲线，并且所有并联电抗器都至少进行1.5额定电压及以下的磁化曲线测量。

特变电工的该项研究处于国内领先水平，在国际上未见相关报道。

5.2 并联电抗器电场研究
500kV进线局域冲击电场分布图
Emax=26.8kV/mm
（绝缘水平：全波1675kV）
5.3 并联电抗器外部线端对地短路时绕组机械力研究
5.3.1 基本参数：
型号：BKD-50000/500
额定容量：50000kvar
额定电压：550/3kV
额定电流：157.5A
额定频率：50HZ
额定电抗：2016Ω
直流电阻：1.838Ω
5.3.2 绕组型式：
饼式：内屏－连续式
导线：换位导线HQQ
中部进线，上下两支路并联，每支路72段
5.3.3 计算内容：线端对地突发短路时绕组机械力
5.3.4 计算原理：电抗器等值电路为L、R回路，线端对地突发短路时，外部对电抗器无电流冲击，储存在电抗器中的磁场能量按L、R所决定的时间常数释放。

5.3.5 计算结果：计算软件SAP91
轴向力与径向力分布图示
短路时线圈轴向力沿线圈高度分布短路时线圈径向力沿线圈高度分布
线圈机械力计算结果表
4F 18.80 软铜757.85 40.31 向上/
向下0.15/0.1
5
25.00 172/16
9
42G 18.54 软铜782.30 42.20 向上/
向下0.17/0.1
7
25.00 146/14
4
6H 18.08 软铜905.19 50.06 向上/
向下0.26/0.2
7
25.00 97/94
线饼对夹件机械力计算结果
线圈对夹件机械力
上部压缩力下部压缩力上部相对位移允许位移安全系数
0.54（t）0.96（t）-0.25（mm）10.00（mm）39.80
5.3.6 验证结论
线端对地短路时，电抗器释放电磁能量，作用力最大值为：线圈径向力（作用应力）0.07kgf/mm，轴向力18.95t，线圈足够安全。

5.4 并联电抗器漏磁场研究
BKD-50000/500电抗器漏磁计算
5.4.1 额定数据
（1）额定容量：50000kVar
（2）额定电压：550/3kV
（3）额定电流：157.5A
（4）额定频率：50HZ
5.4.2 磁场计算
计算软件：美国ANSOFT软件
5.4.3 计算结果
低压侧
5.5 并联电抗器漏磁分布图
5.6 并联电抗器振动研究
电抗器BKD-50000/500的铁芯振动特性计算分析
5.6.1 计算方法
利用SAP91有限元软件包，对并联电抗器结构进行有限元计算分析。

在模型生成中将上铁轭、旁轭及铁芯饼中硅钢片部分处理为8节点三维实体元将大理石饼简化为空间三维梁单元，最后铁芯有限元网格图为：
5.6.2 计算结果
5.6.2.1 计算得到的器身前十阶固有频率值：
阶次频率值f（Hz）阶次频率值f（Hz）
5.6.2.2 对应各阶固有频率的振型共十阶从略。

5.6.3 结论
此结构的前十阶固有频率均小于50HZ，远小于励磁倍频100HZ，因此符合减小振动的要求
7并联电抗器型谱
7.2 330kV并联电抗器型谱
7.3 220kV并联电抗器型谱
7.4 66kV、35kV并联电抗器型谱
上述型谱中仅列出常见并联电抗器的种类。

特变电工现在能生产额定电压等级为800kV及以下、单台容量为120Mvar及以下的各种规格的并联电抗器。