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服务支持
提高变频串联谐振试验装置中高压电抗器散热效率的新型结构
时间：2019-10-24
1、实施背景
变频串联谐振试验装置又叫串联谐振，由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。
在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。
我们已知，在回路频率时，回路产生谐振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。
串联谐振优点：
1. 所需电源容量大大减小。系列串联谐振试验装置是利用谐振电抗器和被试品电容产生谐振，从而得到所需高电压的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q倍（Q为品质因素）。
2. 设备的重量和体积大大减小。串联谐振装置中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减小，一般为普通试验装置的1/5～1/10。
3. 不会出现任何恢复过电压。被试品发生击穿闪络时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧立刻熄灭，装置的保护回路动作，切断输出。
串联谐振试验装置在试验过程中满功率输出情况下，需要连续工作时间60分钟，电抗器连续在高电压及大电流的工况下工作，容易造成过负荷烧毁。针对现有技术存在的问题，设计一种具有散热结构能适用于高温环境的新型电抗器。
2、设计方案
由于电抗器需要在试验现场使用，就需要设计紧凑结构，在满足试验容量的前提下尽量减小体积，便于运输和现场安装。环氧浇注电抗器容易造成散热慢，热传递效率低，在长时间工作时线圈发热量大，线圈容易烧毁，造成电抗器损坏。
为了保证电抗器在运行时产生的热量不影响电抗器的正常工作，就需在电抗器上增加冷却系统。目前电抗器较为通用的冷却方式之一即采用油浸式结构，缺点是体积大重量重，不利于在现场使用。 为了解决此类缺陷，我们分析环氧浇注电抗器的结构及发热原因，提出一些改进的方法。开发了一种具有散热结构的散热能力良好的能适用于高温环境的新型电抗器，以提高电抗器的性能及使用寿命。
主要结构包括电抗器线圈、第一冷却通道、中空的结构骨架、第二冷却通道及铁芯，电抗器线圈环绕在结构骨架的外部，铁芯设置在结构骨架的内部，线圈内置有第一冷却通道，铁芯内没有第二冷确通道。本创新项目的冷却通道，可有效地把线圈、铁芯中产生的热量快速导出，降低线圈、铁芯的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
3、实施步骤
为了阐明本项目的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施步骤对本创新项目做进一步的介绍。
结构如图1及图2所示。
2、第一冷却通道2、
3、结构骨架3、
4、第二冷却通道6、
5、屏蔽板4及铁芯5。
结构骨架3为中空的筒状，为圆形。线圈1环绕在结构骨架3的外部，铁芯5设置在结构骨架3的内部，线圈1内置有一个或多个第一冷却通道2，铁芯5内没有一个或多个第二冷却通道6。屏蔽板4分别固定在结构骨架3的两端部，用于限位铁芯5，防止其在结构骨架3内上下滑动。线圈1的最内层为贴合在结构骨架3外表面的线圈层，线圈1的最外层为线圈层；冷却冷确通道层由多个第一冷却通道2构成，多个第一冷却通道2沿圆周分布。第一冷却通道2沿着结构骨架3轴心线方向设置，即第一冷却通道2的轴心线和结构骨架3的轴心线之间夹角0度，方便加工制造。所述第二冷却通道6为两端开口的中空管状，第二冷却通道6沿着铁心5轴心线方向设置，即第二冷却通道6的轴心线和铁芯5的轴心线之间夹角0度，方便加工制造。第一冷却通道2、第二冷却通道6的内部分别设有分布在该冷却通道内的用于增强散热的栅板，栅板由导热性能优越的不导磁的不锈钢制成。
如图3、图4所示，线圈1部和线圈2部之间设有向内凹的环状的非线圈区，有利于提高耐压爬距，节省材料，降低成本。
在应用中，本创新项目的第一冷却通道、第二冷冷却通道可以把线圈、铁心中产生的热量快速导出，降低线圈、铁心的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
制作完成样品后，按照GBT/501-2006《电力变压器试验导则》进行温升试验。
温升试验是一个重要而费时的型式试验项目，超过规定的限值将会影响电抗器的使用寿命和可靠性。为了提高产品的技术经济指标， 电抗器的温升裕度一般不宜取得过大，但电抗器的电磁参数、材料性能、通风结构的制造质量等都会直接或间接影响电抗器的损耗和散热冷却。电抗器电磁设计计算时，温升计算的准确度不高。因而，电抗器的温升指标必须通过试验考核确定。
温升试验实测数据如下：
电抗器绕组温升试验
通过对比试验，电抗器的温升减少一倍左右，停止工作后冷却时间短，可以有效地节约下次工作时的等待时间。在同等电压电流的工况下，可以有效地将试验时间提高一倍。
4、结论
新型结构电抗器具有如下技术进步性：
1）增强稳定性，提高使用寿命，通过设置在线圈、铁心中的冷却通道，把线圈、铁芯中产生的热量快速导出，降低线圈、铁芯的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
2）通过将线圈分为两部分，在两部分线圈之间设置的向内凹的环状的非线圈区，增加爬距，提高耐压水平。节省材料，降低成本。
3）节约时间成本，提高工作效率。
4）减少电抗器重量，便于现场便携使用。
变频串联谐振试验装置又叫串联谐振，由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。
在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。
我们已知，在回路频率时，回路产生谐振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。
串联谐振优点：
1. 所需电源容量大大减小。系列串联谐振试验装置是利用谐振电抗器和被试品电容产生谐振，从而得到所需高电压的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q倍（Q为品质因素）。
2. 设备的重量和体积大大减小。串联谐振装置中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减小，一般为普通试验装置的1/5～1/10。
3. 不会出现任何恢复过电压。被试品发生击穿闪络时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧立刻熄灭，装置的保护回路动作，切断输出。
串联谐振试验装置在试验过程中满功率输出情况下，需要连续工作时间60分钟，电抗器连续在高电压及大电流的工况下工作，容易造成过负荷烧毁。针对现有技术存在的问题，设计一种具有散热结构能适用于高温环境的新型电抗器。
2、设计方案
由于电抗器需要在试验现场使用，就需要设计紧凑结构，在满足试验容量的前提下尽量减小体积，便于运输和现场安装。环氧浇注电抗器容易造成散热慢，热传递效率低，在长时间工作时线圈发热量大，线圈容易烧毁，造成电抗器损坏。
为了保证电抗器在运行时产生的热量不影响电抗器的正常工作，就需在电抗器上增加冷却系统。目前电抗器较为通用的冷却方式之一即采用油浸式结构，缺点是体积大重量重，不利于在现场使用。 为了解决此类缺陷，我们分析环氧浇注电抗器的结构及发热原因，提出一些改进的方法。开发了一种具有散热结构的散热能力良好的能适用于高温环境的新型电抗器，以提高电抗器的性能及使用寿命。
主要结构包括电抗器线圈、第一冷却通道、中空的结构骨架、第二冷却通道及铁芯，电抗器线圈环绕在结构骨架的外部，铁芯设置在结构骨架的内部，线圈内置有第一冷却通道，铁芯内没有第二冷确通道。本创新项目的冷却通道，可有效地把线圈、铁芯中产生的热量快速导出，降低线圈、铁芯的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
3、实施步骤
为了阐明本项目的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施步骤对本创新项目做进一步的介绍。
结构如图1及图2所示。
2、第一冷却通道2、
3、结构骨架3、
4、第二冷却通道6、
5、屏蔽板4及铁芯5。
结构骨架3为中空的筒状，为圆形。线圈1环绕在结构骨架3的外部，铁芯5设置在结构骨架3的内部，线圈1内置有一个或多个第一冷却通道2，铁芯5内没有一个或多个第二冷却通道6。屏蔽板4分别固定在结构骨架3的两端部，用于限位铁芯5，防止其在结构骨架3内上下滑动。线圈1的最内层为贴合在结构骨架3外表面的线圈层，线圈1的最外层为线圈层；冷却冷确通道层由多个第一冷却通道2构成，多个第一冷却通道2沿圆周分布。第一冷却通道2沿着结构骨架3轴心线方向设置，即第一冷却通道2的轴心线和结构骨架3的轴心线之间夹角0度，方便加工制造。所述第二冷却通道6为两端开口的中空管状，第二冷却通道6沿着铁心5轴心线方向设置，即第二冷却通道6的轴心线和铁芯5的轴心线之间夹角0度，方便加工制造。第一冷却通道2、第二冷却通道6的内部分别设有分布在该冷却通道内的用于增强散热的栅板，栅板由导热性能优越的不导磁的不锈钢制成。
如图3、图4所示，线圈1部和线圈2部之间设有向内凹的环状的非线圈区，有利于提高耐压爬距，节省材料，降低成本。
在应用中，本创新项目的第一冷却通道、第二冷冷却通道可以把线圈、铁心中产生的热量快速导出，降低线圈、铁心的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
制作完成样品后，按照GBT/501-2006《电力变压器试验导则》进行温升试验。
温升试验是一个重要而费时的型式试验项目，超过规定的限值将会影响电抗器的使用寿命和可靠性。为了提高产品的技术经济指标， 电抗器的温升裕度一般不宜取得过大，但电抗器的电磁参数、材料性能、通风结构的制造质量等都会直接或间接影响电抗器的损耗和散热冷却。电抗器电磁设计计算时，温升计算的准确度不高。因而，电抗器的温升指标必须通过试验考核确定。
温升试验实测数据如下：
电抗器绕组温升试验
通过对比试验，电抗器的温升减少一倍左右，停止工作后冷却时间短，可以有效地节约下次工作时的等待时间。在同等电压电流的工况下，可以有效地将试验时间提高一倍。
4、结论
新型结构电抗器具有如下技术进步性：
1）增强稳定性，提高使用寿命，通过设置在线圈、铁心中的冷却通道，把线圈、铁芯中产生的热量快速导出，降低线圈、铁芯的温度，提高电抗器工作的稳定性，以及使用寿命。
2）通过将线圈分为两部分，在两部分线圈之间设置的向内凹的环状的非线圈区，增加爬距，提高耐压水平。节省材料，降低成本。
3）节约时间成本，提高工作效率。
4）减少电抗器重量，便于现场便携使用。
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