鐵路牽引供電鐵路車(chē)輛全磁屏蔽空芯電抗器的研究

鐵路牽引供電鐵路車(chē)輛全磁屏蔽空芯電抗器的研究

在能源部門(mén)利用電磁原理制造的高壓設(shè)備中，有許多設(shè)備利用了磁體和電驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)這些設(shè)備時(shí)，我們主要考慮的是電磁干燥和兼容性，而忽視了對(duì)環(huán)境、人類(lèi)輻射和電磁污染的考慮。在我國(guó)電氣化鐵道中,用于無(wú)功補(bǔ)償和濾波的綜合裝置,以及長(zhǎng)距離電纜線(xiàn)路等配套采用的串聯(lián)電抗器,在早期大量采用的是油浸式鐵芯電抗器。油浸式鐵芯電抗器的主要缺點(diǎn)是感抗值的線(xiàn)性度差,存在磁滯飽和現(xiàn)象,需要大量耗用高導(dǎo)磁材料等問(wèn)題。干式空芯電抗器的感抗值線(xiàn)性度好,鋼材用量省,但是在空間散發(fā)大量的漏磁通,損耗加大,噪聲明顯;室外安裝,日照等環(huán)境影響,存在絕緣老化加速;室內(nèi)安裝要設(shè)置電磁防護(hù)間距,加大了房屋建筑面積;漏磁通的外泄、污染,曾引發(fā)接地導(dǎo)體的過(guò)度發(fā)熱,產(chǎn)生火災(zāi),存在安全運(yùn)行的隱患。隨著干式空芯電抗器的大批量應(yīng)用,人們對(duì)電磁的輻射、污染問(wèn)題逐步得到認(rèn)識(shí)和重視,提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)和研究治理的新課題。為解決高壓電器產(chǎn)品的電磁輻射和電磁污染問(wèn)題,鐵道部鄭州鐵路局、陜西省經(jīng)貿(mào)委以研制適用于27.5kV電氣化鐵道并聯(lián)電容補(bǔ)償及濾波綜合裝置的串聯(lián)電抗器為切入點(diǎn),分別安排下達(dá)了磁屏蔽電抗器的科研課題和新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。通過(guò)調(diào)研收集國(guó)內(nèi)外各類(lèi)電抗器的應(yīng)用技術(shù),相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展現(xiàn)狀,了解到20世紀(jì)90年代,日本開(kāi)始采用帶有磁屏蔽的高壓電器產(chǎn)品,取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,但是具體的磁屏蔽體材質(zhì),結(jié)構(gòu)形式等沒(méi)有詳細(xì)的介紹資料。研制磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電抗器,決定在進(jìn)行復(fù)雜電磁理論計(jì)算的同時(shí),采用模擬對(duì)比試驗(yàn)的方法,確定采用材料、磁屏蔽的設(shè)置方案,以及全磁屏蔽電抗器的結(jié)構(gòu)形式,加快和提高了研制工作效率。1試驗(yàn)方法、襯底材料和試驗(yàn)對(duì)象1.1測(cè)試方法采用帶調(diào)壓變壓器的電壓電流測(cè)試試驗(yàn)方法。1.2油氣壓壓材質(zhì)(1)選擇帶有晶體取向的優(yōu)質(zhì)硅鋼片,數(shù)量為電感線(xiàn)圈的上、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(gè),直徑360mm,高330mm,材質(zhì)厚度3mm。(3)優(yōu)質(zhì)紫銅材質(zhì)的圓盤(pán)屏蔽體、硅鋼片圓盤(pán)屏蔽體各2個(gè),直徑360mm,厚度均為6mm。1.3半鐵芯芯柱的加工(1)選擇S9-20kVA/10kV變壓器高壓繞組1個(gè),模擬作為電抗器的電感線(xiàn)圈,測(cè)得直流電阻75.6Ω,電感值0.72H,外徑190mm,高度160mm,電感線(xiàn)圈2415匝。(2)加工半鐵芯芯柱一個(gè),無(wú)磁軛,鐵芯直徑95mm,截面積75.05cm2,磁感應(yīng)強(qiáng)度0.15T。(3)采用A3鋼加工油箱外殼1個(gè),材質(zhì)厚度3mm,直徑380mm,高350mm。(4)按照35kV級(jí)油浸式高壓電氣設(shè)備,選用絕緣距離及電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。1.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果課題組對(duì)電抗器的結(jié)構(gòu)方案、屏蔽材料、屏蔽結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了16種組合方案的模擬比較試驗(yàn)。主要概括為3種電抗器本體結(jié)構(gòu)方案:空芯、半鐵芯、全鐵芯;3種屏蔽材料:硅鋼片、紫銅板、絕緣板;4種屏蔽結(jié)構(gòu)形式:全磁屏蔽、復(fù)合磁屏蔽、不銹鋼阻磁油箱外殼磁屏蔽、無(wú)屏蔽結(jié)構(gòu)形式;測(cè)試記錄了大量的完整試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行了系統(tǒng)的效果對(duì)比分析。具體作法是通過(guò)調(diào)壓變壓器給模擬電抗器電感線(xiàn)圈逐步施加工作電壓、工作電流,測(cè)試在采用不同磁屏蔽材質(zhì),不同屏蔽方案時(shí),在模擬電抗器的外殼油箱上,纏繞45匝銅漆包線(xiàn),并接入毫伏電壓表和毫安電流表,測(cè)試電抗器工作時(shí)外泄漏磁通對(duì)外產(chǎn)生的感應(yīng)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(shí)際效果,為確定最佳的設(shè)計(jì)、制造方案提供依據(jù)。2典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論分析結(jié)論2.1空芯結(jié)構(gòu)方案試驗(yàn)1:模擬油浸式全磁屏蔽空芯電抗器。采用鐵筒油箱外殼,在外殼與電感線(xiàn)圈間設(shè)置全磁屏蔽體(電感線(xiàn)圈的上、下層、中間,各用16、16、19層硅鋼片);電抗器本體采用空芯結(jié)構(gòu)方案(表1)。分析:感抗值線(xiàn)性度好,全磁屏蔽體構(gòu)成優(yōu)良磁通回路,磁通無(wú)對(duì)外產(chǎn)生泄漏和污染,因此在油箱外殼測(cè)試的感應(yīng)漏磁電壓、漏磁電流數(shù)值均為零。試驗(yàn)2:模擬帶阻磁油箱外殼的油浸式空芯電抗器。采用不銹鋼帶阻磁材質(zhì)的油箱外殼,油箱外殼兼作磁屏蔽體,電感線(xiàn)圈的圓周不再另設(shè)磁屏蔽體。電抗器本體采用空芯結(jié)構(gòu)(表2)。分析:空芯結(jié)構(gòu)的電感值線(xiàn)性度好,但是感應(yīng)的漏磁電壓較高,達(dá)到5.2V,說(shuō)明不銹鋼帶阻磁的油箱外殼,兼作磁屏蔽體效果不理想。試驗(yàn)3:模擬油浸式全磁屏蔽半鐵芯電抗器。采用鐵筒油箱外殼;在外殼與電感線(xiàn)圈間設(shè)置全磁屏蔽體(電感線(xiàn)圈的上、下層、中間,各用16、16、19層硅鋼片);電抗器本體采用半鐵芯結(jié)構(gòu)方案(表3)。分析:全磁屏蔽半鐵芯結(jié)構(gòu)方案,防漏磁通外泄、污染效果比較明顯,僅測(cè)試到毫安數(shù)量級(jí)的感應(yīng)漏磁電流。測(cè)試線(xiàn)圈電阻受載體溫度變化的影響。試驗(yàn)4:模擬油浸式復(fù)合磁屏蔽空芯電抗器。采用鐵筒油箱外殼;設(shè)置復(fù)合磁屏蔽體,電感線(xiàn)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(jié)構(gòu)(表4)。分析:采用的復(fù)合磁屏蔽體具有防護(hù)效果,但是測(cè)試有漏磁通外泄產(chǎn)生的感應(yīng)漏磁電流值,紫銅材的價(jià)格高于硅鋼片。試驗(yàn)5:模擬干式半鐵芯電抗器。不設(shè)置油箱外殼、屏蔽體;電抗器本體采用半鐵芯結(jié)構(gòu),暴露在空氣介質(zhì)中。為了測(cè)量感應(yīng)漏磁電壓、電流,設(shè)置絕緣紙筒外殼,繞制45匝銅漆包線(xiàn),并且接入表計(jì)(表5)。分析:采用干式半鐵芯結(jié)構(gòu),無(wú)任何磁屏蔽設(shè)置,是目前干式空芯電抗器的改型。漏磁通在空氣介質(zhì)中泄漏、傳播充分,感應(yīng)漏磁電壓數(shù)值最高,方案不具備電磁防護(hù)功能。2.2磁屏蔽體優(yōu)化方案(1)從保證電抗器感抗值的線(xiàn)性度,滿(mǎn)足電流過(guò)負(fù)荷,抗諧波影響,節(jié)省原材料,經(jīng)濟(jì)適用等綜合性能分析,電抗器本體采用空芯結(jié)構(gòu)優(yōu)于半鐵芯、全鐵芯的結(jié)構(gòu)方案。采用絕緣油作為冷卻及絕緣介質(zhì),解決了絕緣老化,減小了設(shè)備體積的問(wèn)題。(2)阻止漏磁通外泄,防止電磁輻射污染,減少對(duì)環(huán)境的危害。試驗(yàn)1的全磁屏蔽體方案,做到了無(wú)漏磁通的外泄,漏磁場(chǎng)感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流數(shù)值均為零,磁屏蔽效果最佳。其他磁屏蔽體效果,依次順序是復(fù)合磁屏蔽體方案、帶阻磁油箱外殼的磁屏蔽方案。試驗(yàn)5采用的是目前干式電抗器添加半鐵芯的改進(jìn)方案,由于磁場(chǎng)暴露在空氣介質(zhì)中,漏磁通外泄條件充分,因此產(chǎn)生的電磁輻射、電磁污染嚴(yán)重,準(zhǔn)確界定應(yīng)是產(chǎn)生電磁的污染源。(3)分析結(jié)論:結(jié)合電磁理論計(jì)算,試驗(yàn)1模擬采用的油浸式全磁屏蔽空芯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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),磁屏蔽體材質(zhì)和選用厚度設(shè)計(jì)的依據(jù)數(shù)據(jù)和方案。3該模型的創(chuàng)新點(diǎn)和主要研究成果3.1試驗(yàn)結(jié)果及分析(1)空芯線(xiàn)圈外部的四周及上下端部,均采用硅鋼片,構(gòu)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(zhì)晶粒取向的硅鋼片,設(shè)計(jì)采用低磁密,磁路沿屏蔽體硅鋼片晶粒的輾壓方向設(shè)計(jì),因此閉合磁路的磁阻小,損耗低,噪聲小,防止了油箱的局部過(guò)熱。電抗器在1.35倍額定電流下運(yùn)行,磁場(chǎng)無(wú)外泄,對(duì)周邊環(huán)境無(wú)電磁污染,屬于環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品。(2)采用空芯線(xiàn)圈,合理選擇磁屏蔽體與線(xiàn)圈的間隙,可滿(mǎn)足5倍額定電流下,感抗值不低于額定值的90%;感抗值的線(xiàn)性度好,能承受電氣化鐵路較大的高次諧波電流干擾和沖擊。(3)調(diào)整產(chǎn)品設(shè)置結(jié)構(gòu),減小電抗器電感線(xiàn)圈、磁屏蔽體產(chǎn)生的電磁相互影響,探索了全磁屏蔽電抗器在設(shè)計(jì)制造中的定性、定量分析依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。(4)通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān),可以方便地調(diào)整多檔電感值,從而兼顧牽引變電所近期、遠(yuǎn)期并聯(lián)電容補(bǔ)償不同容量的需求,不必再更換電抗器。(5)采用全密封結(jié)構(gòu),采取防滲漏措施,減少了維護(hù)工作量。樣機(jī)加工工藝優(yōu)良,各類(lèi)試驗(yàn)嚴(yán)格,具有權(quán)威性,試運(yùn)行考核合格。(6)與同容量的國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品比較,研制產(chǎn)品質(zhì)量降低60%,用料省,節(jié)約資源,制造工藝簡(jiǎn)便,造價(jià)約為國(guó)外產(chǎn)品的1/3,經(jīng)濟(jì)效益明顯。3.2試驗(yàn)檢測(cè)及運(yùn)行考核研制的樣機(jī)通過(guò)了國(guó)家歸口檢測(cè)單位西安高壓電器研究所的繞組電阻測(cè)量、絕緣電阻測(cè)量、溫升試驗(yàn)、聲級(jí)測(cè)量、短時(shí)工頻耐壓、雷電沖擊耐壓等試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目。并安排在陽(yáng)安鐵路城固牽引變電所進(jìn)行了試驗(yàn)運(yùn)行考核,經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行樣機(jī)運(yùn)行正常。在近幾年西安鐵路局無(wú)功補(bǔ)償裝置的更新改造中,全磁屏蔽型環(huán)?？招倦娍蛊鞯玫搅送茝V使用(圖1)。3.3樣品的主要研究成果(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)接受波干擾能力在通過(guò)額定電流的同時(shí),允許通過(guò)等價(jià)三次諧波電流為額定電流的0.78時(shí),運(yùn)行時(shí)間為持續(xù);為額定電流的1.5倍時(shí),運(yùn)行時(shí)間為5min。(3)加熱在1.35倍額定電流下連續(xù)運(yùn)行溫升限值:線(xiàn)圈<60K;油箱頂層<55K。(4)電流和熱穩(wěn)定電抗器能在工頻加諧波電壓峰值為42√42額定電壓下運(yùn)行。能在工頻電流為1.35倍額定電流下連續(xù)運(yùn)行。在承受額定電抗率倒數(shù)倍額定電流的最大短時(shí)電流作用下,不產(chǎn)生任何熱的和機(jī)械的損傷。動(dòng)穩(wěn)定要求時(shí)間為0.5s;熱穩(wěn)定要求時(shí)間為2s。噪聲級(jí)不超過(guò)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(guò)5倍工頻額定電流時(shí)的電抗值不小于額定值的90%。4空芯線(xiàn)圈性能(1)選題從實(shí)際出發(fā),目的明確,符合我國(guó)電氣化鐵道急需提高和改善運(yùn)行性能,徹底解決漏磁通問(wèn)題,減輕電磁污染等方面的