用于電子化鐵道的環(huán)保型全磁屏蔽空心電抗器的研究

用于電子化鐵道的環(huán)保型全磁屏蔽空心電抗器的研究

0油浸式鐵芯電抗器目前，電能部門使用的設備，尤其是高壓電器，主要利用了磁體原理，如變壓器、電抗器等裝置占很大比例。在項目中，我們經?？紤]磁體配合和電阻器，而對自然環(huán)境、人類輻射和電氣污染的研究較少。20世紀90年代末，中國廣泛使用的大型聯(lián)合電阻器、預制裝配廠和長距離電纜線等聯(lián)合電阻器。然而，早期使用的是帶有油浸式電阻器的油浸式電阻器。該產品主要由國內生產，部分用于國外銷售。油提取物工業(yè)電阻器的主要缺點是缺乏電阻抗感染指數(shù)，并且存在磁強飽和。需要高導磁材料。干式空心電阻器的感抗值線性好，鋼含量低。然而，大量泄漏的磁通被發(fā)送到空間，造成了損失，噪音明顯。隨著戶外安裝過程中耐蔭等環(huán)境因素的影響，絕緣壽命惡化。在室內安裝時，應調整安裝電流距離，增加建筑面積。此外，由于磁通泄漏和污染，接地桿過度燃燒和火災，安全運行存在隱患。隨著新型式空心電阻器的廣泛應用，人們逐漸認識到磁體的輻射和污染，并提出了新的設計、研究和管理問題。為了解決高壓電器產品的電磁輻射和電磁污染問題,鐵道部鄭州鐵路局、陜西省經貿委以研制適用于27.5kV電氣化鐵道并聯(lián)電容補償及濾波綜合裝置的串聯(lián)電抗器為切入點,分別安排下達了磁屏蔽電抗器的科研課題和新產品的研制開發(fā)項目.通過調研收集國內外各類電抗器的應用技術及相關產品的技術標準和發(fā)展現(xiàn)狀,了解到20世紀90年代日本開始采用帶有磁屏蔽的高壓電器產品,取得了良好的技術經濟效益,但是具體的磁屏蔽體材質、結構形式等則沒有詳細的介紹資料.為了研制磁屏蔽結構的電抗器,我們在進行復雜電磁理論計算的同時,采用模擬對比實驗的方法確定了所采用的材料、磁屏蔽的設置方案以及全磁屏蔽電抗器的結構形式,以加快和提高研制工作的效率.1方法、屏幕材料和測試材料1.1實驗方法采用帶調壓變壓器的電壓電流測試實驗方法.1.2不銹鋼油鋼件、不銹鋼第一只孔口(1)優(yōu)質帶有晶體取向的硅鋼片,數(shù)量為電感線圈上、下各16層,中間19層,厚度0.35mm/張.(2)具備阻磁性能的不銹鋼圓筒油箱外殼1個,直徑360mm,高330mm,材質厚度3mm.(3)優(yōu)質紫銅材質的圓盤屏蔽體、硅鋼片圓盤屏蔽體各2個,直徑360mm,厚度均為6mm.1.3半鐵芯芯柱的磁本軸系統(tǒng)集成設備圖3(1)選擇S9-20kVA/10kV變壓器高壓繞組1個,模擬作為電抗器的電感線圈,測得直流電阻為75.6Ω,電感值0.72H,外徑190mm,高度160mm,電感線圈2415匝.(2)加工半鐵芯芯柱一個,無磁軛,鐵芯直徑95mm,截面積75.05cm2,磁感應強度15.065kGs.(3)采用A3鋼加工油箱外殼1個,材質厚度3mm,直徑380mm,高350mm.(4)按照35kV級油浸式高壓電器設備選用絕緣距離及電氣安全標準.1.4吸光度監(jiān)測結構對電抗器的結構方案、屏蔽材料、屏蔽結構形式進行了16種組合方案的模擬比較實驗,主要概括為3種電抗器本體結構方案:空心、半鐵心、全鐵芯;3種屏蔽材料:硅鋼片、紫銅板、絕緣板;4種屏蔽結構形式:全磁屏蔽、復合磁屏蔽、不銹鋼阻磁油箱外殼磁屏蔽、無屏蔽結構形式;測試記錄有關的實驗數(shù)據(jù),對系統(tǒng)進行效果對比分析.具體作法是通過調壓變壓器給模擬電抗器電感線圈逐步施加工作電壓、工作電流,在模擬電抗器的外殼油箱上纏繞45匝銅漆包線,并接入毫伏電壓表和毫安電流表,測試電抗器工作時外泄漏磁通對外產生的感應漏磁電壓和漏磁電流數(shù)值,以研究、鑒別采用不同磁屏蔽體的實際效果,為確定最佳的設計、制造方案提供依據(jù).2典型實驗數(shù)據(jù)的理論分析和結論2.1電磁防護方案設計實驗1:模擬油浸式全磁屏蔽空心電抗器.采用鐵筒油箱外殼,在外殼與電感線圈間設置全磁屏蔽體(電感線圈的上、下層及中間各用16、16、19層硅鋼片),電抗器本體采用空心結構方案.實驗結果如表1所示,由表1可見,該電抗器感抗值線性度好,全磁屏蔽體構成了優(yōu)良的磁通回路,磁通沒有對外產生泄漏和污染,因此在油箱外殼測試的感應漏磁電壓、漏磁電流數(shù)值均為0.實驗2:模擬帶阻磁油箱外殼的油浸式空心電抗器.采用不銹鋼帶阻磁材質的油箱外殼,油箱外殼兼作磁屏蔽體,電感線圈的圓周不再另設磁屏蔽體,電抗器本體采用空芯結構.實驗結果如表2所示,由表2可見,空心結構的電抗器電感值線性度好,但是感應的漏磁電壓較高,達到了5.2V,說明不銹鋼帶阻磁的油箱外殼兼作磁屏蔽體效果不理想.實驗3:模擬油浸式全磁屏蔽半鐵心電抗器,采用鐵筒油箱外殼.在外殼與電感線圈間設置全磁屏蔽體(電感線圈的上、下層及中間各用16、16、19層硅鋼片),電抗器本體采用半鐵芯結構方案.實驗結果如表3所示,由表3可見,全磁屏蔽半鐵芯結構方案防漏磁通外泄、污染效果比較明顯,僅測試到mA數(shù)量級的感應漏磁電流.測試線圈電阻受載體溫度變化的影響.實驗4:模擬油浸式復合磁屏蔽空心電抗器.采用鐵筒油箱外殼,設置復合磁屏蔽體,電感線圈上下為銅蓋板屏蔽體,中間采用19層硅鋼片屏蔽體,電抗器本體采用空芯結構.實驗結果如表4所示,由表4可見,采用的復合磁屏蔽體具有防護效果,但是測試到漏磁通外泄產生的感應漏磁電流,此外紫銅材的價格高于硅鋼片.實驗5:模擬干式半鐵心電抗器.不設置油箱外殼、屏蔽體,電抗器本體采用半鐵芯結構,暴露在空氣介質中.為了測量感應漏磁電壓、電流,設置絕緣紙筒外殼,繞制45匝銅漆包線.實驗結果見表5,由表5可見,采用干式半鐵芯結構的電抗器無任何磁屏蔽設置,是目前干式空心電抗器的改進型.漏磁通在空氣介質中泄漏、傳播充分,測試到的感應漏磁電壓數(shù)值最高,方案不具備電磁防護功能.2.2思路和方案確定(1)從保證電抗器感抗值的線性度、滿足電流過負荷要求及抗諧波影響、節(jié)省原材料以及經濟適用等綜合性能考慮,電抗器本體采用空心結構優(yōu)于半鐵心、全鐵心的結構方案.采用絕緣油作為冷卻及絕緣介質,解決了設備絕緣老化的問題,減小了設備體積.(2)阻止漏磁通外泄,防止電磁輻射污染,減少對環(huán)境的危害.實驗1的全磁屏蔽體方案做到了無漏磁通的外泄,漏磁場感應電壓、感應電流數(shù)值均為0,磁屏蔽效果最佳.其它磁屏蔽體的磁屏蔽效果依次順序為復合磁屏蔽體方案、帶阻磁油箱外殼的磁屏蔽方案.實驗5采用的是目前干式電抗器添加半鐵心的改進方案,由于磁場暴露在空氣介質中,漏磁通外瀉條件充分,因此產生的電磁輻射、電磁污染嚴重,準確界定應是產生電磁的污染源.(3)結合電磁理論計算,實驗1模擬采用的油浸式全磁屏蔽空心電抗器是最佳合理的研制方案,確定作為全磁屏蔽電抗器的結構設計、磁屏蔽體材質和選用厚度設計的依據(jù)數(shù)據(jù)及方案.3該模型的創(chuàng)新點和主要研究成果3.1試驗結果與分析(1)空芯線圈外部的四周及上下端部均采用硅鋼片,構成全磁屏蔽的整體,并與油箱保持合理間隙.全磁屏蔽體采用優(yōu)質晶粒取向的硅鋼片,按低磁密、磁路沿屏蔽體硅鋼片晶粒的輾壓方向設計,因此閉合磁路的磁阻小,損耗低,噪音小,防止了油箱的局部過熱.電抗器在1.35倍額定電流下運行,磁場無外泄,對周邊環(huán)境無電磁污染,屬于環(huán)保節(jié)能型產品.(2)采用空芯線圈并合理選擇磁屏蔽體與線圈的間隙等措施可滿足在5倍額定電流下,感抗值不低于額定值的90%,且感抗值的線性度好,能承受電氣化鐵路較大的高次諧波電流干擾與沖擊.(3)調整產品設置結構,可減小電抗器電感線圈、磁屏蔽體所產生電磁的相互影響,為設計制造全磁屏蔽電抗器提供了定性、定量分析依據(jù)和經驗.(4)通過調節(jié)開關,可以方便地調整多檔電感植,從而兼顧牽引變電所近期、遠期并聯(lián)電容補償不同容量的需求,不必再更換電抗器.(5)采用全密封結構及防滲漏措施減少了維護工作量.樣機加工工藝優(yōu)良,各類試驗嚴格,具有權威性,試運行考核合格.(6)與同容量的國外同類產品相比較,我們所研制產品的質量降低了60%,用料省,節(jié)約資源,制造工藝簡便,造價約為國外產品的三分之一,經濟效益明顯.3.2試驗運行及考核研制的樣機通過了國家歸口檢測單位西安高壓電器研究所的繞組電阻測量、絕緣電阻測量、溫升試驗、聲級測量、短時工頻耐壓、雷電沖擊耐壓等實驗檢測項目,并在陽安鐵路城固牽引變電所通過了試驗運行考核.3.3主要技術研究圖1(1)u3000定容電壓LKDJ-256kVar/4.33kV;系統(tǒng)額定電壓:27.5kV;相數(shù):單相;額定端電壓:4.333kV;額定電流:59.1A;額定容量:256kVar;額定電抗率:12%或13%.(2)價三次諧波電流在通過額定電流的同時,允許通過等價三次諧波電流為額定電流的0.78倍時,運行時間為持續(xù);為額定電流的1.5倍時,運行時間為5min.(3)加熱在1.35倍額定電流下連續(xù)運行溫升限值:線圈<60K;油箱頂層<55K.(4)確定動穩(wěn)定性驗算電抗器可在工頻加諧波電壓峰值為4額定電壓下運行,并可在工頻電流為1.35倍額定電流下連續(xù)運行,在承受額定電抗率倒數(shù)倍額定電流的最大短時電流的作用下不產生任何熱的和機械的損傷.動穩(wěn)定要求時間為0.5s;熱穩(wěn)定要求時間為2s.噪音水平:不超過55dB.(5)允許偏差的電阻值在工頻額定電流下,電抗值的允許偏差為0~+5%,通過5倍工頻額定電流時的電抗值不小于額定值的90%.4產品的評價結論2003年11月,我們研制的環(huán)保型油浸式全磁屏蔽空心電抗器通過了陜西省科技廳、陜西省經貿委共同舉行的科研成果和新產品投產鑒定,2005年該項目獲得陜西省科學技術三等獎,評價結論:(1)選題從實際出發(fā),徹底解決了漏磁通問題,減輕了電磁污染,具有重要的實