基于热、磁联合的干式空心电抗器优化设计

发布时间：2020-05-15 03:08

【摘要】：电感和通流能力是电抗器的重要性能参数,在铁心、半铁心及空心电抗器中,干式空心电抗器因结构简单、线性度好、重量轻等优点成为大型电力电抗器的首选类型。本文以筒式多包封干式空心电抗器作为研究对象,从电磁和热两个方面开展优化研究,在保证电感和通流能力满足电抗器性能参数要求的前提下实现金属导体用量最小化。第2章根据某型空心电抗器样机参数建立了流场-温度场耦合仿真模型,温升试验结果验证了采用有限元法计算电抗器温升具有足够高的准确度。在此基础上,将遮雨帽等效为倾斜挡板模型,研究了加/未加遮雨帽两种工况下电抗器温度场、流场及包封壁面热流密度分布特点,为本文后续的温升计算及包封热负荷优化分配提供了理论基础和前提条件。第3章基于等高、等热流热负荷分配下的电抗器初始设计参数,采用包封-气道单元温升分布来反映电抗器的整体温升,分析了在强制和自然风冷两种散热条件下气道宽度变化对单元散热效率的影响规律,并得到了在不同初始参数下散热效率能够进一步被优化的可能性。在此基础上将考虑气道宽度变化的单元散热效率优化理论应用于干式铁心电抗器设计中,设计算例验证了该优化方法的实用性。从电抗器电感实现的本质出发,将实际的筒式多包封空心电抗器等效为具有相同外形比例的厚壁线圈来反映电抗器的电磁特性,分析了气道宽度和包封数量变化对电抗器整体结构电磁效率的影响规律。在上述包封-气道单元散热效率和整体结构电磁效率优化的研究基础上,给出了考虑气道宽度和包封数量变化时电抗器最高温升、电感恒定的等式约束条件,结合电抗器结构方程,形成了考虑气道宽度和包封数量变化的热、磁联合综合优化方法,能够显著减小金属导体用量,设计算例和温度场仿真结果验证了优化理论和方法的正确性。空心电抗器在实际运行过程中常在端部加装遮雨帽以减小环境因素的影响。第4章采用有限元的温度场仿真方法,分析了不同结构参数的遮雨帽对电抗器温升分布的影响规律,得到了遮雨帽结构参数对电抗器温升的贡献率和最优的遮雨帽参数。在此基础上,通过分析加/未加遮雨帽两种工况下电抗器温度场、流场及包封壁面热流密度分布特点,提出了适用于加遮雨帽下的电抗器温升计算方法和内部包封热负荷优化分配方法,该方法能够实现电抗器内部包封温升基本相等且恒定,仿真结果验证了该优化方法的正确性。按照等高、等热流热负荷分配的设计方法,电抗器最内、最外包封具有更好的散热条件,温升较低,包封线圈载流能力未能充分利用。因此为了提高金属导体利用率,本文通过分析最内、最外包封温升和包封两侧壁面热流密度分布特点,形成了热负荷优化分配方法,该方法能够实现最内、最外包封与内部包封温升基本相等,温度场仿真结果验证了该优化方法的正确性。为验证本文所提出的各种优化理论和方法在实际电抗器设计中的实用性,第5章根据并联型断路器对高耦合分裂电抗器单臂电感、绝缘、温升、耦合系数和动热稳定等参数的要求,提出了电抗器的耦合结构型式。基于等高、等热流热负荷分配下的电抗器设计参数,将包封-气道单元散热效率优化方法、整体结构电磁效率优化方法和包封热负荷优化分配等方法应用于高耦合分裂电抗器的设计中,电磁场和温度场仿真结果验证了上述优化理论和方法的实用性。
【图文】：

模型图,温度场仿真,绝缘材料,模型

（a）金属导体模型（b）绝缘材料模型图 2-3 温度场仿真中导体和绝缘材料模型格剖分疏密程度直接影响到电抗器温度场计算的准确性及计算时长，真计算中主要关注电抗器本体结构附近区域，因此在包封内部及靠近剖分相对密集，在远离电抗器区域网格剖分相对稀疏。2）材料参数设置电抗器温度场仿真计算中需要对金属导体、绝缘材料、遮雨帽及电抗性参数进行设置。型中矩形导体按照实际空心电抗器样机中铝的特性参数进行设置；矩料（聚酰亚胺薄膜、DMD 绝缘纸和环氧玻璃钢浇筑层）和遮雨帽材同属性的材料；模型中各材料参数设置如表 2-1 所示。其中电抗器本区域定义为空气区域，按照对应压强和温度下空气属性定义。表 2-1 仿真模型中各材料参数设置

温度场仿真,电抗器,样机

10A/m界条件设置仿真模型中边界条件设置如下[104]：定义包封表面和度和轴向速度均为 0，表面粗糙系数为 0.2；整个模对称轴处流体径向速度为 0；整个模型的右边界线，℃），轴向流速和径向流速均为 0，相对压强为 1；整、流速和温度可变；整个模型的下边界线，温度设向流速均为 0，，压强可变。温度场仿真结果与温升试验结果仿真结果抗器样机参数和温度场仿真计算方法，建立了在自然仿真模型，通过材料参数设置、金属导体热源加载算得到的温度场仿真结果如图 2-4 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM47

【参考文献】