提高變頻串聯諧振試驗裝置中高壓電抗器散熱效率的新型結構
1、實施背景
變頻串聯諧振試驗裝置又叫串聯諧振，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成串聯諧振連接方式；分壓器并聯在被試品上，用于測量被試品上的諧振電壓，并作過壓保護信號。
在電阻、電感及電容所組成的串聯電路內，當容抗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，電路呈現純電阻性，這種現象叫串聯諧振。
我們已知，在回路頻率時，回路產生諧振，此時試品上的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的Q倍。Q為系統品質因素，即電壓諧振倍數，一般為幾十到一百以上。先通過調節變頻電源的輸出頻率使回路發生串聯諧振，再在回路諧振的條件下調節變頻電源輸出電壓使試品電壓達到試驗值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產生較高的試驗電壓。
串聯諧振優點：
1. 所需電源容量大大減小。系列串聯諧振試驗裝置是利用諧振電抗器和被試品電容產生諧振，從而得到所需高電壓的，在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q倍（Q為品質因素）。
2. 設備的重量和體積大大減小。串聯諧振裝置中，不但省去了笨重的大功率調壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得系統重量和體積大大減小，一般為普通試驗裝置的1/5～1/10。
3. 不會出現任何恢復過電壓。被試品發生擊穿閃絡時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧立刻熄滅，裝置的保護回路動作，切斷輸出。
串聯諧振試驗裝置在試驗過程中滿功率輸出情況下，需要連續工作時間60分鐘，電抗器連續在高電壓及大電流的工況下工作，容易造成過負荷燒毀。針對現有技術存在的問題，設計一種具有散熱結構能適用于高溫環境的新型電抗器。
2、設計方案
由于電抗器需要在試驗現場使用，就需要設計緊湊結構，在滿足試驗容量的前提下盡量減小體積，便于運輸和現場安裝。環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行時產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。目前電抗器較為通用的冷卻方式之一即采用油浸式結構，缺點是體積大重量重，不利于在現場使用。 為了解決此類缺陷，我們分析環氧澆注電抗器的結構及發熱原因，提出一些改進的方法。開發了一種具有散熱結構的散熱能力良好的能適用于高溫環境的新型電抗器，以提高電抗器的性能及使用壽命。
主要結構包括電抗器線圈、第一冷卻通道、中空的結構骨架、第二冷卻通道及鐵芯，電抗器線圈環繞在結構骨架的外部，鐵芯設置在結構骨架的內部，線圈內置有第一冷卻通道，鐵芯內沒有第二冷確通道。本創新項目的冷卻通道，可有效地把線圈、鐵芯中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩定性，以及使用壽命。
3、實施步驟
為了闡明本項目的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施步驟對本創新項目做進一步的介紹。
結構如圖1及圖2所示。
2、第一冷卻通道2、
3、結構骨架3、
4、第二冷卻通道6、
5、屏蔽板4及鐵芯5。
結構骨架3為中空的筒狀，為圓形。線圈1環繞在結構骨架3的外部，鐵芯5設置在結構骨架3的內部，線圈1內置有一個或多個第一冷卻通道2，鐵芯5內沒有一個或多個第二冷卻通道6。屏蔽板4分別固定在結構骨架3的兩端部，用于限位鐵芯5，防止其在結構骨架3內上下滑動。線圈1的最內層為貼合在結構骨架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沿著結構骨架3軸心線方向設置，即第一冷卻通道2的軸心線和結構骨架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的內部分別設有分布在該冷卻通道內的用于增強散熱的柵板，柵板由導熱性能優越的不導磁的不銹鋼制成。
如圖3、圖4所示，線圈1部和線圈2部之間設有向內凹的環狀的非線圈區，有利于提高耐壓爬距，節省材料，降低成本。
在應用中，本創新項目的第一冷卻通道、第二冷冷卻通道可以把線圈、鐵心中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵心的溫度，提高電抗器工作的穩定性，以及使用壽命。
制作完成樣品后，按照GBT/501-2006《電力變壓器試驗導則》進行溫升試驗。
溫升試驗是一個重要而費時的型式試驗項目，超過規定的限值將會影響電抗器的使用壽命和可靠性。為了提高產品的技術經濟指標， 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、材料性能、通風結構的制造質量等都會直接或間接影響電抗器的損耗和散熱冷卻。電抗器電磁設計計算時，溫升計算的準確度不高。因而，電抗器的溫升指標必須通過試驗考核確定。
溫升試驗實測數據如下：
電抗器繞組溫升試驗
通過對比試驗，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，可以有效地將試驗時間提高一倍。
4、結論
新型結構電抗器具有如下技術進步性：
1）增強穩定性，提高使用壽命，通過設置在線圈、鐵心中的冷卻通道，把線圈、鐵芯中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩定性，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置的向內凹的環狀的非線圈區，增加爬距，提高耐壓水平。節省材料，降低成本。
3）節約時間成本，提高工作效率。
4）減少電抗器重量，便于現場便攜使用。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司 信息來源：m.scedyrmrs.cn
變頻串聯諧振試驗裝置又叫串聯諧振，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成串聯諧振連接方式；分壓器并聯在被試品上，用于測量被試品上的諧振電壓，并作過壓保護信號。
在電阻、電感及電容所組成的串聯電路內，當容抗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，電路呈現純電阻性，這種現象叫串聯諧振。
我們已知，在回路頻率時，回路產生諧振，此時試品上的電壓是勵磁變高壓端輸出電壓的Q倍。Q為系統品質因素，即電壓諧振倍數，一般為幾十到一百以上。先通過調節變頻電源的輸出頻率使回路發生串聯諧振，再在回路諧振的條件下調節變頻電源輸出電壓使試品電壓達到試驗值。由于回路的諧振，變頻電源較小的輸出電壓就可在試品CX上產生較高的試驗電壓。
串聯諧振優點：
1. 所需電源容量大大減小。系列串聯諧振試驗裝置是利用諧振電抗器和被試品電容產生諧振，從而得到所需高電壓的，在整個系統中，電源只需要提供系統中有功消耗的部分，因此，試驗所需的電源功率只有試驗容量的1/Q倍（Q為品質因素）。
2. 設備的重量和體積大大減小。串聯諧振裝置中，不但省去了笨重的大功率調壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器，而且，諧振激磁電源只需試驗容量的1/Q，使得系統重量和體積大大減小，一般為普通試驗裝置的1/5～1/10。
3. 不會出現任何恢復過電壓。被試品發生擊穿閃絡時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧立刻熄滅，裝置的保護回路動作，切斷輸出。
串聯諧振試驗裝置在試驗過程中滿功率輸出情況下，需要連續工作時間60分鐘，電抗器連續在高電壓及大電流的工況下工作，容易造成過負荷燒毀。針對現有技術存在的問題，設計一種具有散熱結構能適用于高溫環境的新型電抗器。
2、設計方案
由于電抗器需要在試驗現場使用，就需要設計緊湊結構，在滿足試驗容量的前提下盡量減小體積，便于運輸和現場安裝。環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行時產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。目前電抗器較為通用的冷卻方式之一即采用油浸式結構，缺點是體積大重量重，不利于在現場使用。 為了解決此類缺陷，我們分析環氧澆注電抗器的結構及發熱原因，提出一些改進的方法。開發了一種具有散熱結構的散熱能力良好的能適用于高溫環境的新型電抗器，以提高電抗器的性能及使用壽命。
主要結構包括電抗器線圈、第一冷卻通道、中空的結構骨架、第二冷卻通道及鐵芯，電抗器線圈環繞在結構骨架的外部，鐵芯設置在結構骨架的內部，線圈內置有第一冷卻通道，鐵芯內沒有第二冷確通道。本創新項目的冷卻通道，可有效地把線圈、鐵芯中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩定性，以及使用壽命。
3、實施步驟
為了闡明本項目的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施步驟對本創新項目做進一步的介紹。
結構如圖1及圖2所示。
2、第一冷卻通道2、
3、結構骨架3、
4、第二冷卻通道6、
5、屏蔽板4及鐵芯5。
結構骨架3為中空的筒狀，為圓形。線圈1環繞在結構骨架3的外部，鐵芯5設置在結構骨架3的內部，線圈1內置有一個或多個第一冷卻通道2，鐵芯5內沒有一個或多個第二冷卻通道6。屏蔽板4分別固定在結構骨架3的兩端部，用于限位鐵芯5，防止其在結構骨架3內上下滑動。線圈1的最內層為貼合在結構骨架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沿著結構骨架3軸心線方向設置，即第一冷卻通道2的軸心線和結構骨架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的內部分別設有分布在該冷卻通道內的用于增強散熱的柵板，柵板由導熱性能優越的不導磁的不銹鋼制成。
如圖3、圖4所示，線圈1部和線圈2部之間設有向內凹的環狀的非線圈區，有利于提高耐壓爬距，節省材料，降低成本。
在應用中，本創新項目的第一冷卻通道、第二冷冷卻通道可以把線圈、鐵心中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵心的溫度，提高電抗器工作的穩定性，以及使用壽命。
制作完成樣品后，按照GBT/501-2006《電力變壓器試驗導則》進行溫升試驗。
溫升試驗是一個重要而費時的型式試驗項目，超過規定的限值將會影響電抗器的使用壽命和可靠性。為了提高產品的技術經濟指標， 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、材料性能、通風結構的制造質量等都會直接或間接影響電抗器的損耗和散熱冷卻。電抗器電磁設計計算時，溫升計算的準確度不高。因而，電抗器的溫升指標必須通過試驗考核確定。
溫升試驗實測數據如下：
電抗器繞組溫升試驗
通過對比試驗，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，可以有效地將試驗時間提高一倍。
4、結論
新型結構電抗器具有如下技術進步性：
1）增強穩定性，提高使用壽命，通過設置在線圈、鐵心中的冷卻通道，把線圈、鐵芯中產生的熱量快速導出，降低線圈、鐵芯的溫度，提高電抗器工作的穩定性，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置的向內凹的環狀的非線圈區，增加爬距，提高耐壓水平。節省材料，降低成本。
3）節約時間成本，提高工作效率。
4）減少電抗器重量，便于現場便攜使用。
信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司 信息來源：m.scedyrmrs.cn
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