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)．實際設(shè)計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】來計算其制動電阻、電感及功率損耗．計算量很大。此外．由于電抗器每個包封在磁場中所處位置不同使各箔片上的擠流情況不同．因而計算的準(zhǔn)確度受分割方式影響很大．難以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計 本文應(yīng)用Ansoft2D有限元渦流場分析軟件。對空心、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)，對箔式電抗器的工程實際應(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個包封構(gòu)成．線圈由O．5 mm的銅箔繞成。見圖l(a)。每個包封由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)小的不對稱性．采用二維軸對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。計算得出磁場分布B和電流密度分布J后根據(jù): 

      可以計算出功率損耗P(銅耗)和磁場能量 ，進(jìn)而可以評估交流電阻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．計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，計算得電抗器中的磁場分布見圖1(a)。磁場在銅箔中央?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，越靠近銅箔上端部徑向磁場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個包封中第1層銅箔中的電流分布．曲線2為第3個包封中最后一層銅箔中的電流分布，曲線3為第6個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)．計算得磁力線分布及徑向磁場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，最大位于第一個包封處，B 最大峰值達(dá)0．022T，為空心結(jié)構(gòu)時的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) 計算得磁場分布及徑向磁場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)(計算圖省略)，計算得交流損耗尸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
       綜合分析以上計算結(jié)果可以得出：
      (1)銅箔片中電流密度分布與交變磁場的徑向分量 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。