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一种干式铁芯电抗器线圈设计

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摘要：随着供电需求量增加，10kV电网系统中电流也会增加，国家对电能质量提出更高要求。干式铁芯电抗器在改善电能质量中占据重要地位，在10kV电网中电抗器一般采用多根电磁线并绕圆筒层式结构的线圈，但很难解决大电流引起的温升高问题以及高电压引出线绝缘问题。本文介绍高电压大电流电抗器线圈设计采用矩形分段箔绕法结构，解决以上问题。

关键词：干式铁芯电抗器、高电压大电流、矩形线圈、分段箔绕式结构

1.概述

干式铁芯电抗器在10kV电网系统中，用于限制短路电流，能够有效的抑制和吸收高次谐波，改善系统的电压波形，提高电网功率因数,有效的改善电能质量发挥重量作用。市场对满足高电压大电流干式铁芯电抗器需求量逐渐增大，要求也越来越高。高电压大电流电抗器线圈一般采用圆筒层式结构，生产制造时会存在以下缺点：

1.1．大电流线圈采用多股电磁线并绕，导线截面大应力较大，线圈很难绕制成型，机械强度差，线圈内外径尺寸偏大，很难控制为图纸要求尺寸，浪费材料并增加线圈损耗；线圈每层都需要导线换位，增加绕制工时，换位处增加线圈损耗，若换位处绝缘处理不当会存在短路隐患；多根电磁线引出线与外部铜（铝）排焊接较为困难，会存在虚焊隐患等。

1.2.电抗器线圈采用圆筒线圈结构（如图1），铁芯柱是由气隙间隔的多个铁饼垒成多级圆形结构，要求每个铁饼必须同心对称。多级圆形铁饼制作工艺较为复杂，需要不同片宽铁芯片一级一级堆积而成，生产中很难保证每级不同片宽铁芯片同心对称，很难保证所有铁饼垒成铁芯柱同心对称。如果不能保证同心对称，电抗器漏磁通增加，电抗器损耗增加。

1.3高电压线圈采用层式线圈结构，绕制原理图如图2所示，线圈起头A在第一层由内向外穿层引出，在10kV高压电网系统中，起头A与各层均存在电压差的关系，如果起头A与各层端部距离较近，存在穿层放电隐患；如果起头A与端绝缘距离较近，而与铁芯下轭绝缘绝缘距离不够，那么产品出厂做工频耐压试验时候，可能会起头A对铁芯放电隐患；因此为了保证起头A安全从内部引出，必须增加起头A与端部绝缘距离，并且加强起头A引线绝缘厚度，从而增加电抗器工艺难度和制造成本。

1.4电抗器线圈采用圆筒结构，为适应不同电抗器容量，只能增加线圈内径大小，电抗器长度和深度尺寸同时增加，总体积变大，空间浪费较大。多数铁芯电抗器安装在室内控制柜中，对电抗器外形尺寸要求很高，圆筒结构线圈很难满足要求。

2.新结构设计

为了克服以上因电抗器高电压和大电流而产生线圈制造问题，本文设计采用矩形分段箔绕线圈，成功解决以上问题，具体设计如下：

2.1大电流线圈采用箔绕线圈如图3所示。箔绕线圈多用于大电流低压产品上，本文采用箔绕线圈用于10kV高压电抗器产品上。箔绕线圈一般采用铜（铝）箔作为导线，每层为一匝，辐向上有多少层就有多少匝。层间绝缘和端绝缘采用DMD复合绝缘纸，具有良好的机械强度、介电性能和较高的耐热性能，主要是要在保证不会因长期受热作用产生性能变化。在线圈内部和中部采用撑条做气道，引出线采用铜（铝）排与铜（铝）箔在箔绕机上氩弧自助焊接。

采用箔绕线圈的优点是：操作简单，无需换位，线圈工整整齐，提高机械强度，减少绕线工时，氩弧自助焊接杜绝虚焊隐患。

2.2.大电流线圈设计为矩形结构，具体设计如下：

2.2.1电抗器线圈采用矩形绝缘筒作为线圈骨架，在线圈与铁芯之间充当绝缘筒，既增加线圈对地爬电距离，又减少线圈与铁芯绝缘距离，节省成本；

2.2.2电抗器线圈在矩形绝缘筒上绕制，矩形绝缘筒增加两个端板固定在箔绕机上箔绕，绕制完成箔绕线圈和绝缘筒整体脱模成为一体。矩形绝缘筒用作绕线模具，大大节省每只线圈模具投入成本。

2.2.3电抗器线圈内部R角（如图4）是由放置在绝缘筒顶角处四根角撑条形成，线圈内部和中部采用撑条形成多个气道面。撑条把线圈内部和中部分隔成多个散热面，多个散热面形成一种类似烟囱抽风系统。由于电抗器在运行中产生大量热量，底部空气被带到多个散热面中，可以把大量热量迅速带出，降低了电抗器温升，提高电抗器运行寿命。

2.2.4电抗器线圈绝缘筒内部是片宽相等的矩形铁芯柱（如图5）。设计不同容量电抗器尺寸时，矩形铁芯柱可以通过改变片宽尺寸或者叠厚尺寸来改变铁芯截面，从而改变电抗器长度或深度尺寸，满足不同尺寸要求；对于安装在控制柜内电抗器对外形尺寸有要求时，可以根据现场尺寸灵活设计，增加空间利用率。铁饼（图6）是由同一种片宽铁芯片堆积而成矩形结构，每块铁饼易于整理成型，并且多个铁饼垒成铁芯柱也易于居中同心，工艺简单，便于生产。

2.3由于10kV高压电抗器线圈匝数比一般低压箔绕线圈匝数多，箔绕线圈每层为一匝，多少层为多少匝，如果线圈匝数太多造成线圈辐向过大，这样很不利于散热；大电流线圈产生大量热量，在设计线圈时不但需增加散热面数