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            干式空心電抗器在無源濾波裝置中的應用

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            干式空心電抗器在無源濾波裝置中的應用
            發布時間:2013-02-15瀏覽次數:2654

            1 前言
            隨著中國城市化進程的加快,城鄉電網的供電容量越來越大,系統所連結的
            電氣設備日益增多。這些設備中的非線性用電設備能夠產生大量的諧波電流,造成電力系統諧波污染,嚴重影響其它用電設備的正常運行。
            解決電力系統諧波污染,除了對產生諧波的用電設備自身進行改進外,另一重要手段就是在污染源附近加裝電力濾波器。電力濾波器分有源濾波器和無源濾波器兩類?,F階段,由于有源濾波器制造成本高,同時不能對線路的無功進行補償,因此國內濾波器的主流市場仍為無源濾波器。
            無源濾波器基本原理就是利用無源器件R、L、C組成串聯電壓諧振回路,用來吸收、濾除電力系統中特定次數的諧波電流。由于它與諧波源并聯,除了有濾去高次諧波功能外,兼起無功補償的作用。工程應用中常采用若干組單調諧濾波器和一組高通濾波器,組成濾波器成套裝置。
            由于干式空心電抗器電感線性度好、不會產生頻率牽引現象、噪音低、免維護等特點,使其成為無源濾波器中L的首選設備。本文簡要介紹干式空心電抗器的結構原理、調諧方式及濾波電抗器運行中的過電壓、過電流問題。
            2 干式空心濾波電抗器的結構原理及調諧方式
            2.1干式空心濾波電抗器的結構原理
            目前國內無源濾波器中使用的干式空心電抗器在結構上主要有兩種:一種是由扁導線繞制并通過絕緣墊塊夾持的餅式結構另一種是由小截面圓導線多層并聯繞制并通過環氧樹脂澆注的并聯筒式結構。前者為早期的干式空心電抗器產品,它是在水泥電抗器基礎上衍生出來的,由于它存在著渦流損耗大,動熱穩定性能差,并且只能運行于戶內,而逐漸退出了濾波電抗器的主流市場。本文著重介紹干式空心并聯筒式濾波電抗器的結構原理。
            并聯筒式結構的濾波電抗器主線圈由多層同心線圈并聯組成,各層線圈的自感及多層線圈的互感綜合為一個總的電感值。并聯層數的多少,取決于電抗器的容量、線圈的材質和電抗器結構尺寸。由于結構型式和降低渦流損耗提高導線利用率的需要,電抗器一般采用2.03.0細導線繞制線圈。一臺電抗器的線層少則十多層,多則幾十層,這些線層全部并聯。將所有并聯的同心線圈分成若干組,每組由3-4層線圈構成一個包封,包封用環氧樹脂和玻璃纖維紗包繞而成。
            包封與包封之間用絕緣撐條支撐構成散熱風道。
            由于干式空心電抗器繞組經過高溫固化同環氧樹脂及玻璃纖維密封成一個牢固的實體且包封內每層導線之間均為并聯關系,層間電位差非常小,因此這種結構的電抗器適合于戶外淋雨及覆冰情況下運行。
            干式空心電抗器等效電路圖

            干式空心電抗器電壓平衡方程式
            (R1+jL1)I1+jM12I2+jM13I3++jM1nIn=U
            (R2+jL2)I2+jM21I1+jM23I3++jM2nIn=U
            (R3+jL3)I3+jM31I1+jM32I2++jM3nIn=U
            (Rn+jLn)In+jMn1I1+jMn2I2++jMn(n-1)I(n-1)=U
            2.2 干式空心濾波電抗器的調諧方式
            目前國內干式空心濾波電抗器的調諧方式主要有兩種,一種是調距調感的濾波電抗器,另一種為調匝調感的濾波電抗器。
            調距調感的濾波電抗器由兩個繞制方向相同、匝數相等的上下兩臺等結構電抗器L1和L2構成,每臺的自感均為Li,兩臺電抗器通過非導磁調感螺桿上下支撐,構成一臺電抗器。調整調感螺桿改變兩臺電抗器中心距離,即改變兩臺電抗器之間的互感M,從而達到對電抗器電感量的平滑調整。其總電感為:L=2Li+M。
            調匝調感的濾波電抗器由主線圈Lm和調感線圈Lt組成,調感線圈Lt安裝于主線圈Lm的外側,整臺電抗器的電感量由主線圈Lm和調感線圈Lt共同構成。改變調感線圈的匝數和調感線圈中電流的方向,可以正反兩個方向連續調節電抗器的電感量。其總電感為:L=Lm + Lt。
            調匝調感的濾波電抗器由主線圈Lm和調感線圈Lt組成,調感線圈Lt安裝于主線圈Lm的外側,整臺電抗器的電感量由主線圈Lm和調感線圈Lt共同構成。改變調感線圈的匝數和調感線圈中電流的方向,可以正反兩個方向連續調節電抗器的電感量。其總電感為:L=Lm + Lt。


            調距調感濾波電抗器實物圖 調匝調感濾波電抗器實物圖
            上述兩種調諧形式的濾波電抗器都能滿足濾波裝置的調諧要求,但從實際工程使用效果來看,調匝調感的濾波電抗器在以下幾個方面比調距調感的濾波電抗器更有優勢:
            (1)調匝調感濾波電抗器三相可以疊裝,占地面積小
            (2)調整線圈中的電流方向可以改變,調感范圍大
            (3)濾波器在調諧過程中,不需要改變濾波電抗器外部接線,只需調整濾波電抗器調整線圈的匝數。
            1 濾波電抗器運行過程中過電壓及過電流分析
            3.1 濾波電抗器運行中的過電壓
            干式空心濾波電抗器相間及相對地之間用棒形支柱絕緣子支持,因此相間及相對地過電壓問題基本不需考慮,對干式空心濾波電抗器應著重考慮電抗器的匝間過電壓問題。濾波電抗器匝間過電壓主要包括諧波引起的匝間過電壓和切斷電容器組引起的操作過電壓。
            3.1.1 諧波引起的匝間過電壓
            濾波電抗器在運行過程中,不但通過基波電流,還通過一定含量的諧波電流。雖然通過電抗器和電容器的基波和諧波電流相同,但在電抗器和電容器上基波和諧波的合成電壓是不相同的。
            電容器上基波同各次諧波的合成電壓:
            Uc= (3-1) 其中
            電抗器上基波同各次諧波的合成電壓:
            UL= (3-2) 其中
            公式(3-2)反應的是諧波狀態下,電抗器上基波與諧波合成電壓的有效值,但將此電壓作為考核濾波電抗器的諧波匝間過電壓是遠遠不夠的。因為電抗器的匝間擊穿往往是由過高的電壓峰值造成的,即由各次諧波電壓峰值與基波電壓峰值互相疊加造成的。因此,濾波電抗器的匝間諧波過電壓必須按照公式(3-3)進行校核。
            UML= (UL1+ LN) (3-3)
            3.1.2 切斷電容器組引起的匝間過電壓
            濾波器一般用真空斷路器或六氟化硫斷路器進行投切,斷路器在投切過程中往往會三相不同期動作或產生電弧重燃現象。由于電容器和電抗器均為儲能元件,多次的電弧重燃會造成電抗器的匝間過電壓。

            無源濾波器等值電路圖

            切斷電容器組電抗器過電壓波形圖
            電抗器過電壓形成過程:
            設第一次熄弧發生在電容電流過零處(T1),電容器上的電荷無處泄放,電容器上的電壓保留為Em。如果電源電壓經過半個周期后到達T2,斷路器發生第一次重燃,并且假設電弧重燃和熄弧過程都發生在電源電壓達到峰值附近。重燃發生后,電抗器上的過電壓幅值為2Em,依此類推,可求得第二次、第三次重燃時電抗器的過電壓幅值為-4Em、6Em。分析表明電弧重燃次數越多,過電壓幅值越高。
            實際工程中通常用脈沖振蕩方式對干式空心電抗器匝間操作過電壓水平進行考核,一般要求振蕩波在1min時間內,振蕩次數不小于6000次,試驗電壓峰值為同一電壓等級下工頻耐受電壓值。
            3.12 濾波電抗器運行過程中的過電流
            濾波電抗器在運行過程中不但通過基波電流,還通過諧波電流。因此濾波電抗器的過電流包括基波過電流和諧波過電流。無源濾波器設計時,諧波電流值可以通過實際測量和估算獲得,因此用戶和制造廠在選擇和制造濾波電抗器時只需考慮基波過電流。
            濾波器基波過電流往往由以下幾種情況引起:
            (1)濾波電容器的電容量有正偏差
            (2)電力系統運行電壓過高
            (3)電力系統的頻率高于額定頻率。
            考慮基波過電流后,濾波電抗器合成電流可以按公式(3-4)選?。?br/>I= (3-4)
            其中k為基波過電流倍數,一般選1.15∽1.2。




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