【摘要】：電感和通流能力是電抗器的重要性能參數(shù),在鐵心、半鐵心及空心電抗器中,干式空心電抗器因結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、重量輕等優(yōu)點成為大型電力電抗器的首選類型。本文以筒式多包封干式空心電抗器作為研究對象,從電磁和熱兩個方面開展優(yōu)化研究,在保證電感和通流能力滿足電抗器性能參數(shù)要求的前提下實現(xiàn)金屬導(dǎo)體用量最小化。第2章根據(jù)某型空心電抗器樣機(jī)參數(shù)建立了流場-溫度場耦合仿真模型,溫升試驗結(jié)果驗證了采用有限元法計算電抗器溫升具有足夠高的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上,將遮雨帽等效為傾斜擋板模型,研究了加/未加遮雨帽兩種工況下電抗器溫度場、流場及包封壁面熱流密度分布特點,為本文后續(xù)的溫升計算及包封熱負(fù)荷優(yōu)化分配提供了理論基礎(chǔ)和前提條件。第3章基于等高、等熱流熱負(fù)荷分配下的電抗器初始設(shè)計參數(shù),采用包封-氣道單元溫升分布來反映電抗器的整體溫升,分析了在強(qiáng)制和自然風(fēng)冷兩種散熱條件下氣道寬度變化對單元散熱效率的影響規(guī)律,并得到了在不同初始參數(shù)下散熱效率能夠進(jìn)一步被優(yōu)化的可能性。在此基礎(chǔ)上將考慮氣道寬度變化的單元散熱效率優(yōu)化理論應(yīng)用于干式鐵心電抗器設(shè)計中,設(shè)計算例驗證了該優(yōu)化方法的實用性。從電抗器電感實現(xiàn)的本質(zhì)出發(fā),將實際的筒式多包封空心電抗器等效為具有相同外形比例的厚壁線圈來反映電抗器的電磁特性,分析了氣道寬度和包封數(shù)量變化對電抗器整體結(jié)構(gòu)電磁效率的影響規(guī)律。在上述包封-氣道單元散熱效率和整體結(jié)構(gòu)電磁效率優(yōu)化的研究基礎(chǔ)上,給出了考慮氣道寬度和包封數(shù)量變化時電抗器最高溫升、電感恒定的等式約束條件,結(jié)合電抗器結(jié)構(gòu)方程,形成了考慮氣道寬度和包封數(shù)量變化的熱、磁聯(lián)合綜合優(yōu)化方法,能夠顯著減小金屬導(dǎo)體用量,設(shè)計算例和溫度場仿真結(jié)果驗證了優(yōu)化理論和方法的正確性�？招碾娍蛊髟趯嶋H運行過程中常在端部加裝遮雨帽以減小環(huán)境因素的影響。第4章采用有限元的溫度場仿真方法,分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的遮雨帽對電抗器溫升分布的影響規(guī)律,得到了遮雨帽結(jié)構(gòu)參數(shù)對電抗器溫升的貢獻(xiàn)率和最優(yōu)的遮雨帽參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過分析加/未加遮雨帽兩種工況下電抗器溫度場、流場及包封壁面熱流密度分布特點,提出了適用于加遮雨帽下的電抗器溫升計算方法和內(nèi)部包封熱負(fù)荷優(yōu)化分配方法,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電抗器內(nèi)部包封溫升基本相等且恒定,仿真結(jié)果驗證了該優(yōu)化方法的正確性。按照等高、等熱流熱負(fù)荷分配的設(shè)計方法,電抗器最內(nèi)、最外包封具有更好的散熱條件,溫升較低,包封線圈載流能力未能充分利用。因此為了提高金屬導(dǎo)體利用率,本文通過分析最內(nèi)、最外包封溫升和包封兩側(cè)壁面熱流密度分布特點,形成了熱負(fù)荷優(yōu)化分配方法,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)最內(nèi)、最外包封與內(nèi)部包封溫升基本相等,溫度場仿真結(jié)果驗證了該優(yōu)化方法的正確性。為驗證本文所提出的各種優(yōu)化理論和方法在實際電抗器設(shè)計中的實用性,第5章根據(jù)并聯(lián)型斷路器對高耦合分裂電抗器單臂電感、絕緣、溫升、耦合系數(shù)和動熱穩(wěn)定等參數(shù)的要求,提出了電抗器的耦合結(jié)構(gòu)型式�；诘雀摺⒌葻崃鳠嶝�(fù)荷分配下的電抗器設(shè)計參數(shù),將包封-氣道單元散熱效率優(yōu)化方法、整體結(jié)構(gòu)電磁效率優(yōu)化方法和包封熱負(fù)荷優(yōu)化分配等方法應(yīng)用于高耦合分裂電抗器的設(shè)計中,電磁場和溫度場仿真結(jié)果驗證了上述優(yōu)化理論和方法的實用性。
【圖文】：

（a）金屬導(dǎo)體模型 （b）絕緣材料模型圖 2-3 溫度場仿真中導(dǎo)體和絕緣材料模型格剖分疏密程度直接影響到電抗器溫度場計算的準(zhǔn)確性及計算時長，真計算中主要關(guān)注電抗器本體結(jié)構(gòu)附近區(qū)域，因此在包封內(nèi)部及靠近剖分相對密集，在遠(yuǎn)離電抗器區(qū)域網(wǎng)格剖分相對稀疏。2）材料參數(shù)設(shè)置電抗器溫度場仿真計算中需要對金屬導(dǎo)體、絕緣材料、遮雨帽及電抗性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。型中矩形導(dǎo)體按照實際空心電抗器樣機(jī)中鋁的特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；矩料（聚酰亞胺薄膜、DMD 絕緣紙和環(huán)氧玻璃鋼澆筑層）和遮雨帽材同屬性的材料；模型中各材料參數(shù)設(shè)置如表 2-1 所示。其中電抗器本區(qū)域定義為空氣區(qū)域，按照對應(yīng)壓強(qiáng)和溫度下空氣屬性定義。表 2-1 仿真模型中各材料參數(shù)設(shè)置

10A/m界條件設(shè)置仿真模型中邊界條件設(shè)置如下[104]：定義包封表面和度和軸向速度均為 0，表面粗糙系數(shù)為 0.2；整個模對稱軸處流體徑向速度為 0；整個模型的右邊界線，℃），軸向流速和徑向流速均為 0，相對壓強(qiáng)為 1；整、流速和溫度可變；整個模型的下邊界線，溫度設(shè)向流速均為 0，，壓強(qiáng)可變。溫度場仿真結(jié)果與溫升試驗結(jié)果仿真結(jié)果抗器樣機(jī)參數(shù)和溫度場仿真計算方法，建立了在自然仿真模型，通過材料參數(shù)設(shè)置、金屬導(dǎo)體熱源加載算得到的溫度場仿真結(jié)果如圖 2-4 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM47

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2664376