铁心电抗器气隙损耗的研究与分析

焦学军 曾 鸣

（株洲中车时代电气股份有限公司装备事业部，株洲 412001）

铁心电抗器磁路沿铁心闭合，漏磁小，对外部环境干扰小，体积小，应用广泛。铁心电抗器通过开气隙点的方式，调节磁阻和电感量。然而，在铁心气隙处，由于气隙的衍射效应会增加铁心电抗器的损耗，通常称为气隙损耗。气隙损耗主要来源于衍射磁通以垂直于硅钢片高损耗的方向进入气隙附近的绕组、铁心夹板和其他金属结构件，引起绕组、铁心夹板和其他结构件上的涡流损耗。铁心电抗器气隙的分布对损耗有一定影响，但是气隙理论计算难度大，且相关计算公式少，计算结果准确性较低[1]。

目前，衍射磁通引起的绕组、铁心夹板和其他结构件上的涡流损耗，和绕组与气隙之间的距离、夹板的材质等有关。不同的气隙尺寸对损耗的影响不同，仍无准确的计算公式可参考[2]。大部分通过经验估算和试验验证来获取，也可以通过软件进行仿真计算[3]。

针对这一现状，以实际工程案例为基础，以理论、仿真计算和试验结果为依据，提供一种可靠的铁心电抗器气隙损耗的计算方法，以研究和分析气隙损耗。

1 铁心水冷电抗器参数

此为一款应用于风力发电变流器上的大功率三相铁心水冷电抗器，额定电流为720 A，额定电感为0.3 mH，外形尺寸为500 mm×500 mm×470 mm，质量为350 kg。电抗器其他参数如表1 所示。

表1 铁心电抗器参数

气隙损耗计算公式为[4]

式中：Pg为气隙损耗，W；Ki为气隙损耗系数，叠片方式，取0.155；E为铁心片宽，cm；lg为单个气隙大小，cm；f为工作频率，Hz；BAC为工作磁密，T。将相关数值代入式（1），计算可得工频气隙损耗为513 W。

通过理论计算，可以得到电抗器的工频铜损和铁损。电抗器的工频铜损为1 732 W，电抗器的工频铁损为210 W，电抗器总损耗为2 455 W。

电抗器工频实测损耗值为4 300 W，与理论计算的2 455 W 相差甚远，主要原因在于理论计算没有考虑气隙引起的衍射磁通造成的涡流损耗，即气隙损耗。此涡流损耗的大小与计算公式中的参数有关，主要为气隙附近结构件和绕组上的涡流损耗[5]，包括绕组的涡流损耗、水冷板的涡流损耗和夹板的涡流损耗等。

2 铁心水冷电抗器气隙衍射磁通造成的涡流损耗仿真计算

铁心电抗器的衍射磁通引起气隙附近的结构件和绕组中的涡流损耗，理论计算难度大，且无成熟可靠的计算公式，因此只能通过仿真进行计算。

利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell 对铁心水冷电抗器进行模型建立和仿真计算。此铁心水冷电抗器铁心前后由6 件10 mm 厚的不锈钢夹板夹紧，铁心中间共3 件铝制水冷板，线圈中6 件铝制水冷板。为显示线圈的内部结构，将一相的线圈模型隐藏，三维模型如图1 所示。

图1 铁心水冷电抗器三维模型

通过仿真计算得到铁心电抗器各部件上的涡流场分布。图2 为t=5.5 ms 时气隙引起的衍射磁通在铝制水冷板上形成的涡流分布云图，图3 为t=5.5 ms 时气隙引起的衍射磁通在不锈钢夹板上形成的涡流分布云图。

图2 铝制水冷板涡流分布

图3 不锈钢夹板涡流分布

通过仿真结果可以看到，由于铁心电抗器气隙的衍射磁通的存在，衍射磁通会穿过气隙附近的金属件，并在金属件上产生损耗。损耗的大小与金属的材质、金属的厚度以及气隙之间的距离相关。由图2 和图3可知，气隙附近的涡流损耗明显大于其他位置。对比图2 和图3 可知，铝制水冷板上涡流密度最大值为2.564 7×107A·m-2，不锈钢夹板上涡流密度最大值仅为1.267 3×106A·m-2，铝制水冷板的涡流强度远大于不锈钢夹板。通过仿真计算得到的电抗器总的涡流损耗为2 204 W，此涡流损耗即为铁心电抗器的气隙损耗，而之前通过理论公式计算得到的气隙损耗仅为513 W，与仿真计算得到的2 204 W 相差较大，导致电抗器理论计算的总损耗2 455 W 与电抗器实测的总损耗4 300 W 相差较大。

3 仿真结果分析

通过理论和仿真计算得到的铁心水冷电抗器总损耗为4 146 W，通过试验得到的总损耗为4 300 W，误差约为3.6%，初步验证了仿真方法的可行性和准确性，可满足工程应用的要求。实例模型中的电抗器的气隙损耗约占总损耗的51.3%，可以看出铁心电抗器的气隙损耗不容忽视，在铁心电抗器方案设计时应予以重点考虑，避免由于损耗设计计算不当造成电抗器局部过热和温升过高的问题。

在铁心电抗器的设计中应注意，铁心的单个气隙厚度尽量减小，以不超过4 mm 为宜，以有效减少气隙的衍射磁通，从而减小气隙附近金属件上的涡流损耗。铁心气隙尽量和附近结构件和绕组保持一定距离，通常铁心柱与绕组间的距离应大于2 倍气隙的厚度，以减小其衍射磁通在结构件和绕组上产生的涡流损耗。若设计不当，可能会造成局部过热[6]，影响电抗器运行安全。另外，铁心气隙附近的结构件的材质在满足要求的情况下，尽量使用电阻率高的材料，如不锈钢等，或是在气隙附近进行结构避让，考虑使用环氧板等绝缘材料。随着铁心电抗器的容量增加，铁心柱里气隙的总数量和单个气隙的厚度也会相应增加，此时铁心电抗器气隙损耗的计算和设计会更加重要。在传统的理论计算方法难以满足要求的情况下，可以使用仿真方法进行设计计算和优化，以提升设计的准确性和可靠性。

4 结语

随着铁心电抗器的应用越来越广泛和铁心电抗器的单台容量越来越大，铁心电抗器气隙损耗会对铁心电抗器的整体方案产生更大影响，因此铁心电抗器气隙损耗的分析和计算显得尤为重要。利用Ansoft Maxwell 软件对铁心电抗器气隙损耗进行仿真计算，仿真结果与实测值基本相符，可满足工程使用需求，验证了仿真方法的可行性和正确性。通过仿真计算、仿真分析以及试验验证，说明铁心电抗器的气隙损耗是整个电抗器损耗不可忽略的一部分。影响气隙损耗大小的因素主要有气隙大小、气隙附件的结构设计以及结构件材料。气隙损耗主要来源于气隙的衍射磁通，穿过气隙附件的金属件形成涡流，在金属件上产生涡流损耗。通过研究影响气隙损耗大小的因素，可为铁心电抗器的设计和优化提供参考。