淺談箔式電抗器電磁的研究

      一、引言
      箔式電抗器是由寬度等于電抗器高度的箔紙卷繞而成。在交流情況下．由于渦流效應(yīng)使流過箔紙的電流趨于箔紙邊緣．出現(xiàn)擠流現(xiàn)象⋯ 擠流效應(yīng)使箔片的交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻交流功耗遠(yuǎn)大于直流功耗。為減小箔式電抗器的擠流效應(yīng)．實(shí)際設(shè)計(jì)中通常是在電抗器高度方向上進(jìn)行分裂．再進(jìn)行串并聯(lián)組合。上述措施往往需要特殊的工藝來完成。但隨著分裂段數(shù)的增加．雖然在一定程度上減小了擠流效應(yīng)．卻使制動(dòng)電阻成倍增大．并沒有起到降低功耗的作用 以上原因使箔式電抗器在制造及應(yīng)用方面受到極大的限制。

      考慮箔式電抗器的擠流效應(yīng)．以往采用分割電抗器的方法【2】來計(jì)算其制動(dòng)電阻、電感及功率損耗．計(jì)算量很大。此外．由于電抗器每個(gè)包封在磁場(chǎng)中所處位置不同使各箔片上的擠流情況不同．因而計(jì)算的準(zhǔn)確度受分割方式影響很大．難以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 本文應(yīng)用Ansoft2D有限元渦流場(chǎng)分析軟件。對(duì)空心、半鐵心、半封閉、全封閉4種結(jié)構(gòu)的箔式電抗器進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真分析，研究了造成擠流效應(yīng)的因素．提出了一種低功耗箔式電抗器結(jié)構(gòu)，對(duì)箔式電抗器的工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

      二、有限元模型及仿真參數(shù)
      分析的箔式電抗器由6個(gè)包封構(gòu)成．線圈由O．5 mm的銅箔繞成。見圖l(a)。每個(gè)包封由7層箔紙構(gòu)成。為了考慮問題的方便．忽略銅箔繞組在三維結(jié)構(gòu)上細(xì)小的不對(duì)稱性．采用二維軸對(duì)稱模型模擬電抗器結(jié)構(gòu)。為了尋求合理的箔式電抗器結(jié)構(gòu)．對(duì)空心、半鐵心、半封閉、全封閉4種結(jié)構(gòu)的箔式電抗器進(jìn)行了仿真計(jì)算分析 所有情況下在箔片中加載同樣大小的工頻電流(100A)：假設(shè)鐵心是理想的疊片式。不考慮鐵損。取銅箔電導(dǎo)率or=5．7xl07。計(jì)算得出磁場(chǎng)分布B和電流密度分布J后根據(jù): 

      可以計(jì)算出功率損耗P(銅耗)和磁場(chǎng)能量 ，進(jìn)而可以評(píng)估交流電阻R和電感L己的大小.

      三、仿真結(jié)果及分析
      1、空心箔式電抗器仿真分析
      電抗器加直流載荷時(shí)．計(jì)算得各銅箔中電流呈均勻分布。電流密度峰值約為500 000 A／m2。銅箔損耗P0=32．444 7 W。加交流載荷時(shí)，計(jì)算得電抗器中的磁場(chǎng)分布見圖1(a)。磁場(chǎng)在銅箔中央?yún)^(qū)域比較均勻．以軸向分量B 為主，在端口區(qū)域徑向磁場(chǎng)分量B增大 取繞組上半部區(qū)域考察漏磁B 沿軸向的分布見圖1(b)，(c) 圖1(b)說明空心結(jié)構(gòu)時(shí)，越靠近銅箔上端部徑向磁場(chǎng)B 越大，圖1(c)表明，在第3，第4繞組位置，B 值達(dá)到最大，約為0．005 2T。各箔片中電流密度沿軸向分布見圖2 圖中曲線1為第1個(gè)包封中第1層銅箔中的電流分布．曲線2為第3個(gè)包封中最后一層銅箔中的電流分布，曲線3為第6個(gè)包封中最外層銅箔中的電流分布(后面規(guī)定相同)．各曲線的D點(diǎn)都取各片銅箔中部位置 由圖可以看出各片銅箔中均出現(xiàn)擠流現(xiàn)象，中間包封的箔片中電流密度分布最不均勻．最大電流密度峰值達(dá)l 010 000 A／m。計(jì)算得銅箔交流損耗Pl=41．220 8 W，交流與直流損耗之比為：K~=P1／ 1．270。

      2、 半鐵心箔式電抗器仿真分析
      半鐵心結(jié)構(gòu)見圖3(a)．計(jì)算得磁力線分布及徑向磁場(chǎng)B 分布見圖3(a)，(b)，(C)。圖3(a)說明，磁力線主要集中在鐵心中，在銅箔端口處， 分量增大。圖3(b)和3(C)表明，最大位于第一個(gè)包封處，B 最大峰值達(dá)0．022T，為空心結(jié)構(gòu)時(shí)的5倍左右箔片中電流密度沿軸向分布見圖4．可以看出第1個(gè)箔片中的電流密度分布最不均勻(曲線1)，峰值達(dá)3 200 kA／m。計(jì)算得交流損耗P2=120．922 W．交流與直流損耗之比為：K Pn=3．727。

      3、 半封閉鐵心電抗器仿真分析
      半封閉鐵心結(jié)構(gòu)見圖5(a) 計(jì)算得磁場(chǎng)分布及徑向磁場(chǎng)B 分布見圖5(b)，(C)。圖5(b)和(C)表明，磁力線主要集中在鐵心中，B 分量最大值在外層箔片端口處，但相對(duì)半鐵心情況減小了許多，B 的峰值只有0．007 T。箔片中電流分布見圖6．最外層箔片中電流密度分布最不均勻(曲線3)，峰值達(dá)1 500 kA／m2。計(jì)算得交流損耗只=63．563 4 W．交直流損耗之比為： =P3／Po=63．563 4／32．444 7=1．959。即使采用全封閉鐵心結(jié)構(gòu)(計(jì)算圖省略)，計(jì)算得交流損耗尸4=51．3543 W，交流與直流之比為：=4 F5 1．354 3／32．444 7=1．583。

       三、仿真結(jié)果討論
       綜合分析以上計(jì)算結(jié)果可以得出：
      (1)銅箔片中電流密度分布與交變磁場(chǎng)的徑向分量 的分布密切相關(guān)， 越大的地方，擠流現(xiàn)象越嚴(yán)重。說明日，是造成擠流的主要原因，因此減小分量是減小電抗器交流損耗的有效途徑。

      (2)半鐵心、半封閉鐵心及全封閉鐵心結(jié)構(gòu)都不能減小擠流效應(yīng)和交流損耗．因此這些結(jié)構(gòu)不適用于箔式電抗器。