鐵心電抗器氣隙損耗的研究與分析

焦學軍 曾 鳴

（株洲中車時代電氣股份有限公司裝備事業部，株洲 412001）

鐵心電抗器磁路沿鐵心閉合，漏磁小，對外部環境干擾小，體積小，應用廣泛。鐵心電抗器通過開氣隙點的方式，調節磁阻和電感量。然而，在鐵心氣隙處，由于氣隙的衍射效應會增加鐵心電抗器的損耗，通常稱為氣隙損耗。氣隙損耗主要來源于衍射磁通以垂直于硅鋼片高損耗的方向進入氣隙附近的繞組、鐵心夾板和其他金屬結構件，引起繞組、鐵心夾板和其他結構件上的渦流損耗。鐵心電抗器氣隙的分布對損耗有一定影響，但是氣隙理論計算難度大，且相關計算公式少，計算結果準確性較低[1]。

目前，衍射磁通引起的繞組、鐵心夾板和其他結構件上的渦流損耗，和繞組與氣隙之間的距離、夾板的材質等有關。不同的氣隙尺寸對損耗的影響不同，仍無準確的計算公式可參考[2]。大部分通過經驗估算和試驗驗證來獲取，也可以通過軟件進行仿真計算[3]。

針對這一現狀，以實際工程案例為基礎，以理論、仿真計算和試驗結果為依據，提供一種可靠的鐵心電抗器氣隙損耗的計算方法，以研究和分析氣隙損耗。

1 鐵心水冷電抗器參數

此為一款應用于風力發電變流器上的大功率三相鐵心水冷電抗器，額定電流為720 A，額定電感為0.3 mH，外形尺寸為500 mm×500 mm×470 mm，質量為350 kg。電抗器其他參數如表1 所示。

表1 鐵心電抗器參數

氣隙損耗計算公式為[4]

式中：Pg為氣隙損耗，W；Ki為氣隙損耗系數，疊片方式，取0.155；E為鐵心片寬，cm；lg為單個氣隙大小，cm；f為工作頻率，Hz；BAC為工作磁密，T。將相關數值代入式（1），計算可得工頻氣隙損耗為513 W。

通過理論計算，可以得到電抗器的工頻銅損和鐵損。電抗器的工頻銅損為1 732 W，電抗器的工頻鐵損為210 W，電抗器總損耗為2 455 W。

電抗器工頻實測損耗值為4 300 W，與理論計算的2 455 W 相差甚遠，主要原因在于理論計算沒有考慮氣隙引起的衍射磁通造成的渦流損耗，即氣隙損耗。此渦流損耗的大小與計算公式中的參數有關，主要為氣隙附近結構件和繞組上的渦流損耗[5]，包括繞組的渦流損耗、水冷板的渦流損耗和夾板的渦流損耗等。

2 鐵心水冷電抗器氣隙衍射磁通造成的渦流損耗仿真計算

鐵心電抗器的衍射磁通引起氣隙附近的結構件和繞組中的渦流損耗，理論計算難度大，且無成熟可靠的計算公式，因此只能通過仿真進行計算。

利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 對鐵心水冷電抗器進行模型建立和仿真計算。此鐵心水冷電抗器鐵心前后由6 件10 mm 厚的不銹鋼夾板夾緊，鐵心中間共3 件鋁制水冷板，線圈中6 件鋁制水冷板。為顯示線圈的內部結構，將一相的線圈模型隱藏，三維模型如圖1 所示。

圖1 鐵心水冷電抗器三維模型

通過仿真計算得到鐵心電抗器各部件上的渦流場分布。圖2 為t=5.5 ms 時氣隙引起的衍射磁通在鋁制水冷板上形成的渦流分布云圖，圖3 為t=5.5 ms 時氣隙引起的衍射磁通在不銹鋼夾板上形成的渦流分布云圖。

圖2 鋁制水冷板渦流分布

圖3 不銹鋼夾板渦流分布

通過仿真結果可以看到，由于鐵心電抗器氣隙的衍射磁通的存在，衍射磁通會穿過氣隙附近的金屬件，并在金屬件上產生損耗。損耗的大小與金屬的材質、金屬的厚度以及氣隙之間的距離相關。由圖2 和圖3可知，氣隙附近的渦流損耗明顯大于其他位置。對比圖2 和圖3 可知，鋁制水冷板上渦流密度最大值為2.564 7×107A·m-2，不銹鋼夾板上渦流密度最大值僅為1.267 3×106A·m-2，鋁制水冷板的渦流強度遠大于不銹鋼夾板。通過仿真計算得到的電抗器總的渦流損耗為2 204 W，此渦流損耗即為鐵心電抗器的氣隙損耗，而之前通過理論公式計算得到的氣隙損耗僅為513 W，與仿真計算得到的2 204 W 相差較大，導致電抗器理論計算的總損耗2 455 W 與電抗器實測的總損耗4 300 W 相差較大。

3 仿真結果分析

通過理論和仿真計算得到的鐵心水冷電抗器總損耗為4 146 W，通過試驗得到的總損耗為4 300 W，誤差約為3.6%，初步驗證了仿真方法的可行性和準確性，可滿足工程應用的要求。實例模型中的電抗器的氣隙損耗約占總損耗的51.3%，可以看出鐵心電抗器的氣隙損耗不容忽視，在鐵心電抗器方案設計時應予以重點考慮，避免由于損耗設計計算不當造成電抗器局部過熱和溫升過高的問題。

在鐵心電抗器的設計中應注意，鐵心的單個氣隙厚度盡量減小，以不超過4 mm 為宜，以有效減少氣隙的衍射磁通，從而減小氣隙附近金屬件上的渦流損耗。鐵心氣隙盡量和附近結構件和繞組保持一定距離，通常鐵心柱與繞組間的距離應大于2 倍氣隙的厚度，以減小其衍射磁通在結構件和繞組上產生的渦流損耗。若設計不當，可能會造成局部過熱[6]，影響電抗器運行安全。另外，鐵心氣隙附近的結構件的材質在滿足要求的情況下，盡量使用電阻率高的材料，如不銹鋼等，或是在氣隙附近進行結構避讓，考慮使用環氧板等絕緣材料。隨著鐵心電抗器的容量增加，鐵心柱里氣隙的總數量和單個氣隙的厚度也會相應增加，此時鐵心電抗器氣隙損耗的計算和設計會更加重要。在傳統的理論計算方法難以滿足要求的情況下，可以使用仿真方法進行設計計算和優化，以提升設計的準確性和可靠性。

4 結語

隨著鐵心電抗器的應用越來越廣泛和鐵心電抗器的單臺容量越來越大，鐵心電抗器氣隙損耗會對鐵心電抗器的整體方案產生更大影響，因此鐵心電抗器氣隙損耗的分析和計算顯得尤為重要。利用Ansoft Maxwell 軟件對鐵心電抗器氣隙損耗進行仿真計算，仿真結果與實測值基本相符，可滿足工程使用需求，驗證了仿真方法的可行性和正確性。通過仿真計算、仿真分析以及試驗驗證，說明鐵心電抗器的氣隙損耗是整個電抗器損耗不可忽略的一部分。影響氣隙損耗大小的因素主要有氣隙大小、氣隙附件的結構設計以及結構件材料。氣隙損耗主要來源于氣隙的衍射磁通，穿過氣隙附件的金屬件形成渦流，在金屬件上產生渦流損耗。通過研究影響氣隙損耗大小的因素，可為鐵心電抗器的設計和優化提供參考。