提高變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置中高壓電抗器散熱效率的新型結(jié)構(gòu)
1、實(shí)施背景
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置又叫串聯(lián)諧振，由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器和電容分壓器組成。被試品的電容與電抗器構(gòu)成串聯(lián)諧振連接方式；分壓器并聯(lián)在被試品上，用于測量被試品上的諧振電壓，并作過壓保護(hù)信號。
在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。
我們已知，在回路頻率時，回路產(chǎn)生諧振，此時試品上的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的Q倍。Q為系統(tǒng)品質(zhì)因素，即電壓諧振倍數(shù)，一般為幾十到一百以上。先通過調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率使回路發(fā)生串聯(lián)諧振，再在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達(dá)到試驗(yàn)值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產(chǎn)生較高的試驗(yàn)電壓。
串聯(lián)諧振優(yōu)點(diǎn)：
1. 所需電源容量大大減小。系列串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置是利用諧振電抗器和被試品電容產(chǎn)生諧振，從而得到所需高電壓的，在整個系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗(yàn)所需的電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q倍（Q為品質(zhì)因素）。
2. 設(shè)備的重量和體積大大減小。串聯(lián)諧振裝置中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗(yàn)變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q，使得系統(tǒng)重量和體積大大減小，一般為普通試驗(yàn)裝置的1/5～1/10。
3. 不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。被試品發(fā)生擊穿閃絡(luò)時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧立刻熄滅，裝置的保護(hù)回路動作，切斷輸出。
串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)過程中滿功率輸出情況下，需要連續(xù)工作時間60分鐘，電抗器連續(xù)在高電壓及大電流的工況下工作，容易造成過負(fù)荷燒毀。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，設(shè)計(jì)一種具有散熱結(jié)構(gòu)能適用于高溫環(huán)境的新型電抗器。
2、設(shè)計(jì)方案
由于電抗器需要在試驗(yàn)現(xiàn)場使用，就需要設(shè)計(jì)緊湊結(jié)構(gòu)，在滿足試驗(yàn)容量的前提下盡量減小體積，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。環(huán)氧澆注電抗器容易造成散熱慢，熱傳遞效率低，在長時間工作時線圈發(fā)熱量大，線圈容易燒毀，造成電抗器損壞。
為了保證電抗器在運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量不影響電抗器的正常工作，就需在電抗器上增加冷卻系統(tǒng)。目前電抗器較為通用的冷卻方式之一即采用油浸式結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是體積大重量重，不利于在現(xiàn)場使用。 為了解決此類缺陷，我們分析環(huán)氧澆注電抗器的結(jié)構(gòu)及發(fā)熱原因，提出一些改進(jìn)的方法。開發(fā)了一種具有散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力良好的能適用于高溫環(huán)境的新型電抗器，以提高電抗器的性能及使用壽命。
主要結(jié)構(gòu)包括電抗器線圈、第一冷卻通道、中空的結(jié)構(gòu)骨架、第二冷卻通道及鐵芯，電抗器線圈環(huán)繞在結(jié)構(gòu)骨架的外部，鐵芯設(shè)置在結(jié)構(gòu)骨架的內(nèi)部，線圈內(nèi)置有第一冷卻通道，鐵芯內(nèi)沒有第二冷確通道。本創(chuàng)新項(xiàng)目的冷卻通道，可有效地把線圈、鐵芯中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
3、實(shí)施步驟
為了闡明本項(xiàng)目的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施步驟對本創(chuàng)新項(xiàng)目做進(jìn)一步的介紹。
結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示。
2、第一冷卻通道2、
3、結(jié)構(gòu)骨架3、
4、第二冷卻通道6、
5、屏蔽板4及鐵芯5。
結(jié)構(gòu)骨架3為中空的筒狀，為圓形。線圈1環(huán)繞在結(jié)構(gòu)骨架3的外部，鐵芯5設(shè)置在結(jié)構(gòu)骨架3的內(nèi)部，線圈1內(nèi)置有一個或多個第一冷卻通道2，鐵芯5內(nèi)沒有一個或多個第二冷卻通道6。屏蔽板4分別固定在結(jié)構(gòu)骨架3的兩端部，用于限位鐵芯5，防止其在結(jié)構(gòu)骨架3內(nèi)上下滑動。線圈1的最內(nèi)層為貼合在結(jié)構(gòu)骨架3外表面的線圈層，線圈1的最外層為線圈層；冷卻冷確通道層由多個第一冷卻通道2構(gòu)成，多個第一冷卻通道2沿圓周分布。第一冷卻通道2沿著結(jié)構(gòu)骨架3軸心線方向設(shè)置，即第一冷卻通道2的軸心線和結(jié)構(gòu)骨架3的軸心線之間夾角0度，方便加工制造。所述第二冷卻通道6為兩端開口的中空管狀，第二冷卻通道6沿著鐵心5軸心線方向設(shè)置，即第二冷卻通道6的軸心線和鐵芯5的軸心線之間夾角0度，方便加工制造。第一冷卻通道2、第二冷卻通道6的內(nèi)部分別設(shè)有分布在該冷卻通道內(nèi)的用于增強(qiáng)散熱的柵板，柵板由導(dǎo)熱性能優(yōu)越的不導(dǎo)磁的不銹鋼制成。
如圖3、圖4所示，線圈1部和線圈2部之間設(shè)有向內(nèi)凹的環(huán)狀的非線圈區(qū)，有利于提高耐壓爬距，節(jié)省材料，降低成本。
在應(yīng)用中，本創(chuàng)新項(xiàng)目的第一冷卻通道、第二冷冷卻通道可以把線圈、鐵心中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵心的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
制作完成樣品后，按照GBT/501-2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》進(jìn)行溫升試驗(yàn)。
溫升試驗(yàn)是一個重要而費(fèi)時的型式試驗(yàn)項(xiàng)目，超過規(guī)定的限值將會影響電抗器的使用壽命和可靠性。為了提高產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)， 電抗器的溫升裕度一般不宜取得過大，但電抗器的電磁參數(shù)、材料性能、通風(fēng)結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量等都會直接或間接影響電抗器的損耗和散熱冷卻。電抗器電磁設(shè)計(jì)計(jì)算時，溫升計(jì)算的準(zhǔn)確度不高。因而，電抗器的溫升指標(biāo)必須通過試驗(yàn)考核確定。
溫升試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)如下：
電抗器繞組溫升試驗(yàn)
通過對比試驗(yàn)，電抗器的溫升減少一倍左右，停止工作后冷卻時間短，可以有效地節(jié)約下次工作時的等待時間。在同等電壓電流的工況下，可以有效地將試驗(yàn)時間提高一倍。
4、結(jié)論
新型結(jié)構(gòu)電抗器具有如下技術(shù)進(jìn)步性：
1）增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高使用壽命，通過設(shè)置在線圈、鐵心中的冷卻通道，把線圈、鐵芯中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
2）通過將線圈分為兩部分，在兩部分線圈之間設(shè)置的向內(nèi)凹的環(huán)狀的非線圈區(qū)，增加爬距，提高耐壓水平。節(jié)省材料，降低成本。
3）節(jié)約時間成本，提高工作效率。
4）減少電抗器重量，便于現(xiàn)場便攜使用。
信息整理：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司 信息來源：www.ewkbg.com
變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置又叫串聯(lián)諧振，由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器和電容分壓器組成。被試品的電容與電抗器構(gòu)成串聯(lián)諧振連接方式；分壓器并聯(lián)在被試品上，用于測量被試品上的諧振電壓，并作過壓保護(hù)信號。
在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。
我們已知，在回路頻率時，回路產(chǎn)生諧振，此時試品上的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的Q倍。Q為系統(tǒng)品質(zhì)因素，即電壓諧振倍數(shù)，一般為幾十到一百以上。先通過調(diào)節(jié)變頻電源的輸出頻率使回路發(fā)生串聯(lián)諧振，再在回路諧振的條件下調(diào)節(jié)變頻電源輸出電壓使試品電壓達(dá)到試驗(yàn)值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產(chǎn)生較高的試驗(yàn)電壓。
串聯(lián)諧振優(yōu)點(diǎn)：
1. 所需電源容量大大減小。系列串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置是利用諧振電抗器和被試品電容產(chǎn)生諧振，從而得到所需高電壓的，在整個系統(tǒng)中，電源只需要提供系統(tǒng)中有功消耗的部分，因此，試驗(yàn)所需的電源功率只有試驗(yàn)容量的1/Q倍（Q為品質(zhì)因素）。
2. 設(shè)備的重量和體積大大減小。串聯(lián)諧振裝置中，不但省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗(yàn)變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗(yàn)容量的1/Q，使得系統(tǒng)重量和體積大大減小，一般為普通試驗(yàn)裝置的1/5～1/10。
3. 不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。被試品發(fā)生擊穿閃絡(luò)時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧立刻熄滅，裝置的保護(hù)回路動作，切斷輸出。
串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)過程中滿功率輸出情況下，需要連續(xù)工作時間60分鐘，電抗器連續(xù)在高電壓及大電流的工況下工作，容易造成過負(fù)荷燒毀。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，設(shè)計(jì)一種具有散熱結(jié)構(gòu)能適用于高溫環(huán)境的新型電抗器。
2、設(shè)計(jì)方案
由于電抗器需要在試驗(yàn)現(xiàn)場使用，就需要設(shè)計(jì)緊湊結(jié)構(gòu)，在滿足試驗(yàn)容量的前提下盡量減小體積，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。環(huán)氧澆注電抗器容易造成散熱慢，熱傳遞效率低，在長時間工作時線圈發(fā)熱量大，線圈容易燒毀，造成電抗器損壞。
為了保證電抗器在運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量不影響電抗器的正常工作，就需在電抗器上增加冷卻系統(tǒng)。目前電抗器較為通用的冷卻方式之一即采用油浸式結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是體積大重量重，不利于在現(xiàn)場使用。 為了解決此類缺陷，我們分析環(huán)氧澆注電抗器的結(jié)構(gòu)及發(fā)熱原因，提出一些改進(jìn)的方法。開發(fā)了一種具有散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力良好的能適用于高溫環(huán)境的新型電抗器，以提高電抗器的性能及使用壽命。
主要結(jié)構(gòu)包括電抗器線圈、第一冷卻通道、中空的結(jié)構(gòu)骨架、第二冷卻通道及鐵芯，電抗器線圈環(huán)繞在結(jié)構(gòu)骨架的外部，鐵芯設(shè)置在結(jié)構(gòu)骨架的內(nèi)部，線圈內(nèi)置有第一冷卻通道，鐵芯內(nèi)沒有第二冷確通道。本創(chuàng)新項(xiàng)目的冷卻通道，可有效地把線圈、鐵芯中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
3、實(shí)施步驟
為了闡明本項(xiàng)目的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施步驟對本創(chuàng)新項(xiàng)目做進(jìn)一步的介紹。
結(jié)構(gòu)如圖1及圖2所示。
2、第一冷卻通道2、
3、結(jié)構(gòu)骨架3、
4、第二冷卻通道6、
5、屏蔽板4及鐵芯5。
結(jié)構(gòu)骨架3為中空的筒狀，為圓形。線圈1環(huán)繞在結(jié)構(gòu)骨架3的外部，鐵芯5設(shè)置在結(jié)構(gòu)骨架3的內(nèi)部，線圈1內(nèi)置有一個或多個第一冷卻通道2，鐵芯5內(nèi)沒有一個或多個第二冷卻通道6。屏蔽板4分別固定在結(jié)構(gòu)骨架3的兩端部，用于限位鐵芯5，防止其在結(jié)構(gòu)骨架3內(nèi)上下滑動。線圈1的最內(nèi)層為貼合在結(jié)構(gòu)骨架3外表面的線圈層，線圈1的最外層為線圈層；冷卻冷確通道層由多個第一冷卻通道2構(gòu)成，多個第一冷卻通道2沿圓周分布。第一冷卻通道2沿著結(jié)構(gòu)骨架3軸心線方向設(shè)置，即第一冷卻通道2的軸心線和結(jié)構(gòu)骨架3的軸心線之間夾角0度，方便加工制造。所述第二冷卻通道6為兩端開口的中空管狀，第二冷卻通道6沿著鐵心5軸心線方向設(shè)置，即第二冷卻通道6的軸心線和鐵芯5的軸心線之間夾角0度，方便加工制造。第一冷卻通道2、第二冷卻通道6的內(nèi)部分別設(shè)有分布在該冷卻通道內(nèi)的用于增強(qiáng)散熱的柵板，柵板由導(dǎo)熱性能優(yōu)越的不導(dǎo)磁的不銹鋼制成。
如圖3、圖4所示，線圈1部和線圈2部之間設(shè)有向內(nèi)凹的環(huán)狀的非線圈區(qū)，有利于提高耐壓爬距，節(jié)省材料，降低成本。
在應(yīng)用中，本創(chuàng)新項(xiàng)目的第一冷卻通道、第二冷冷卻通道可以把線圈、鐵心中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵心的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
制作完成樣品后，按照GBT/501-2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》進(jìn)行溫升試驗(yàn)。
溫升試驗(yàn)是一個重要而費(fèi)時的型式試驗(yàn)項(xiàng)目，超過規(guī)定的限值將會影響電抗器的使用壽命和可靠性。為了提高產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)， 電抗器的溫升裕度一般不宜取得過大，但電抗器的電磁參數(shù)、材料性能、通風(fēng)結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量等都會直接或間接影響電抗器的損耗和散熱冷卻。電抗器電磁設(shè)計(jì)計(jì)算時，溫升計(jì)算的準(zhǔn)確度不高。因而，電抗器的溫升指標(biāo)必須通過試驗(yàn)考核確定。
溫升試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)如下：
電抗器繞組溫升試驗(yàn)
通過對比試驗(yàn)，電抗器的溫升減少一倍左右，停止工作后冷卻時間短，可以有效地節(jié)約下次工作時的等待時間。在同等電壓電流的工況下，可以有效地將試驗(yàn)時間提高一倍。
4、結(jié)論
新型結(jié)構(gòu)電抗器具有如下技術(shù)進(jìn)步性：
1）增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高使用壽命，通過設(shè)置在線圈、鐵心中的冷卻通道，把線圈、鐵芯中產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩(wěn)定性，以及使用壽命。
2）通過將線圈分為兩部分，在兩部分線圈之間設(shè)置的向內(nèi)凹的環(huán)狀的非線圈區(qū)，增加爬距，提高耐壓水平。節(jié)省材料，降低成本。
3）節(jié)約時間成本，提高工作效率。
4）減少電抗器重量，便于現(xiàn)場便攜使用。
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