干式自冷电抗器温升研究

干式自冷电抗器温升研究

陶泽

中车株洲电机有限公司，湖南株洲  412000 

摘要：文章介绍了干式自冷电抗器的温升的理论计算过程，对电抗器进行了1小时温升试验，通过分析温升数据得到了干式自冷电抗器1小时后的温升计算公式。

关键词：干式自冷电抗器；温升；损耗

0引言

温升是电抗器的关键设计指标之一，也是绝缘材料老化的重要原因[1]，温升的高低直接决定了电抗器的使用寿命，因此掌握电抗器的温升规律对电抗器的研发至关重要。

目前，国内针对电抗器温升的研究有很多，例如，姜志鹏[2]等人基于计算流体力学和传热学理论，建立了电抗器稳态流体与固体耦合温度场的数学计算模型，基于数学计算模型结合仿真分析得到了电抗器绕组的温升分布规律，最后通过实验验证了温度场数值计算的合理性和准确性；孟 波[3]等人研究了空心电抗器的损耗分布特性以及温升特点，并对具体产品进行了温升及损耗计算，对计算结果进行了分析。以上文献均只对电抗器的稳定温升进行了研究，但对于以蓄电池做为能量来源的电路中，在电量耗尽之前电抗器并未达到稳定温升，因此对电抗器温升过程中的某个时刻的温升进行研究具有重要意义。

本文以某安装在封闭柜体内的干式自冷电抗器为研究对象，将实验数据和理论计算相结合，得到了该干式自冷电抗器的1小时温升值与稳定温升值的近似关系。

1电抗器结构介绍

本文研究对象由柜体、电抗器本体及其他附件组成。电抗器本体主要由线圈及铁心组成，具体结构如图1所示。

图1 电抗器结构示意图

电抗器额定电流为700A，工作时间为一小时，柜体上布置散热孔，通过空气流动散热。

2 干式电抗器温升理论计算[4]

干式自冷电抗器的散热的主要形式是自然对流散热。绕组稳定温升的计算公式如下：

     （1）

：绕组温升值，单位为K；

：绕组的单位热负荷，单位为W/m2。

绕组的单位热负荷q计算公式如下：

  （2）

P：绕组总损耗，单位为W；

S：电抗器总有效冷却面积，单位为m2；

ka：每个散热气道对应的散热系数；

sa：每个散热气道的散热面积。

为增加散热面积，电抗器的绕组内部设置有气道，由于气道壁与空气的摩擦会产生气阻，因此绕组内部的气道散热面积不是完全有效的散热面积，即散热系数小于1。根据生产实践经验证明，气道的散热系数取决于气道的高度H和气道的宽度a，对于有竖直散热气道的绕组，其散热系数的计算公式如下：

  （3）

根据公式（1）、（2）、（3）可得到电抗器稳定温升计算公式如下：

（4）

其中电流为700A，电阻理论计算值为0.00548Ω（20℃时），总有效散热面积为1.178m2，根据公式（4）得到电抗器稳定温升为117K。

3 温升实验

为了得到电抗器在额定电流下的1小时温升值，将电抗器接入试验电路，施加700A直流电流，一小时后，通过电阻法测量电抗器的温升。

电阻法测量绕组温升的原理是，铜等金属的电阻随着温度的变化呈现一定的规律[5]，如公式（5）：

（5）

其中，R为T摄氏度时的电阻，R0为T0摄氏度时的电阻。

根据这一规律, 我们通过测量绕阻电阻的变化, 可以间接地计算出绕组温度的变化。因此, 只有准确地测得其电阻值, 才能准确地计算出温升值。由于我们不能即时测量热态电阻值, 实际操作是在试验开始前测出被测出被测设备绕组的冷态电阻，然后通电, 在达到预定状态后切断电源, 尽可能快地进行几次测量, 并记录电阻值及对应时间，然后根据作图法得到断电瞬间，绕组的电阻值，进而得到断电瞬间的温升值。

为了准确测得电抗器绕组的温升，首先需要测量电抗器在环境温度下的准确电阻即冷态电阻，使用直流电阻测量仪测得环境温度下（28.9℃）电抗器电阻为0.005824Ω，根据公式（5）可知，电阻值与理论值相差很小。

将电抗器接入700A直流电一小时，按照电阻法每隔15s测量一次绕组的热态电阻，电阻阻值如表1所示。根据表1中的数据，得到图2所示的温升曲线。

表1 断电后绕组各个时刻电阻值

图2 绕组电阻温升曲线

根据图2温升曲线可得到断电瞬间绕组电阻为0.0071393Ω，根据公式（5），可得到绕组断电瞬间的温度为：

因此温升为88.4-28.9=59.5K，此温升值与理论稳定温升的比值为59.5/117=0.51，因此得到电抗器的一小时温升计算公式如下：

4 总结

本文对干式自冷电抗器的一小时温升进行了研究，通过理论计算以及实验相结合，得到了电抗器一小时温升的计算公式，为相关干式自冷电抗器及变压器的设计提供了参考和借鉴。

参考文献：

[1]肖彩霞，李 琳，纪 锋，等.   特高压干式平波电抗器损耗与热点温升计算及试验研究[J].高压电器，2018 ,9(54)：177-182.

[2]姜志鹏，文习山，王羽，等. 特高压干式空心平波电抗器温度场耦合计算与试验[J]. 中国电机工程学报，2015,35(20)：5344-5350.

[3]孟 波，马 骁，王海涛，等. 干式空心滤波电抗器的温升及试验分析[J]. 变压器，2013，50(8)：33⁃36.

[4]路长柏. 干式电力变压器理论与计算[M]. 沈阳：辽宁科技出版社，2003.

[5]张红飙. 电阻变化法测量绕组温升的探讨[J]. 福建分析测试，2005，03：2249-2251