干式空心电抗器原理及工艺

干式电抗器设计原理及其材料

高压电器产品设计包含这多方面的学科的内容，仅就变压器（电抗器）而言，就包含《电路分析》、电磁学、高电压绝缘、电工材料等门内容。

具体到每个产品，我们在设计时还应同时考虑到工艺、材料、成本等问题，它们之间相互依存、相互作用，产品设计时不能只单独来考虑其中一个或两个。

由于水平有限，本次讲座不能具体到产品设计的每个细节，只能就设计过程中必须的一些基本原理和关键工艺和材料给大家做一个简要的介绍。不需要大家都记住，只要大家知道这些概念，以后在设计或生产服务是能知道他们，并有目的的去寻找有关资料就可以了。

一、 基本电磁原理概述

电抗器是由于它的电感而被电力系统应用的高压电器。它属于特种变压器范畴，其区别于一般变压器的方面在于它通常只有一个励磁线圈，在有励磁电流通过时能产生一定电抗。但是，其在电磁分析原理方面还是同变压器基本一致。

变压器在学科中包含在《电机学》这门课程里，这门课主要分成两部分内容，其一是在静态情况下的能量转换和传递——变压器。其二是在动态情况下的能量转换——电动机和发电机。变压器中只有感生电动势，没有动生电动势。而电动机和发电机中则既有感生电动势又有动生电动势。

场是物质构成的一种基本形态，在自然界中有着各种各样的场，其中与变压器和电抗器有关的场有：

1、 电场——电气绝缘

2、 磁场——磁路

3、 温度场??——损耗和温升

4、 音场——噪音

这些场的存在对各种电器产品的性能和质量产生极大的影响，所以，我们在产品设计时往往是围绕它们在进行的。只有了解这些场的基本性质才能在电器结构设计中将各种材料合理地组合起来。

一） 电场

1.1 静电场：通常把不随时间变化的电场称为静电场。对高压电器产品而言，无论在工频还是在冲击电压时，其各处的电磁场变化均可认为仅比例于外加电压而变化，其电场分布是相似的，完全可以作为静电场来处理。

1.2 电位与电场强度

电位是指静电场中在电荷作用下各点所具有的位能，它由库伦定律决定。

电场强度在数量上等于电位梯度，它表征电场的强弱，其单位为kV/mm或kV/cm在高压设备的绝缘设计中，其基本原则是应使电场作用各部位的“电场强度”均小于绝缘材料的“许用场强”。

1.3 电力线和等位线

电力线和等位线是表征电场特性的重要图形。电力线和等位线相互垂直。等位线是电场中电位相等各点两连的轨迹，它们可以形象地表示出电场分布的特性。例如：等位线密集的地方电场强，反之等位线稀疏的对方电场强度弱。根据电场数值计算进行绘制等位线相对较易，有时根据绝缘设计要求需要绘制电力线，相对较难。

1.4 均匀电场与不均匀电场

完全均匀的电场是不存在的，对于有限长度的平行平板电极可以近似认为是均匀电场，而球对球和同轴圆柱均属于稍不均匀电场。对于针对板和线对平面电极择属于极不均匀电场。 总的来说，电场的均匀程度与电极形状以及电极间的相对位置（总称电极分布）有关。在高压电器设备的绝缘设计中，应注意电场的调整，尽量降低电场的不均匀度，避免电场集中现象的发生。 尤其是在绝缘结构复杂的变压器 和铁芯电抗器中。

二） 磁场

2.1 磁场的产生

磁铁和电流都能在周围的空间激发磁场，其表现的磁效应为磁场对电流和磁铁都有作用力 —磁效应

2.2 磁效应的根源本质

都是电流即运动电荷的场，并对电流有力的作用 。

2.3 磁感应线的特性：

2.3.1磁感应强度矢量B

磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强弱及方向的物理量。 B的大小等于通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目，磁感应强度矢量B的方向用右手螺旋定律确定。单位是T (特斯拉) --N/A*m。

○1磁感应线是无头无尾的闭合曲线。

静电场是有头有尾的

○2磁感应线总是与电流相互套和，磁感应线的方向与电流的方向密切相关。

2.3.2磁通Φ

均匀磁场中磁通Φ等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，单位是韦伯(Wb)。

2.3.3磁导率μ

磁导率μ表示物质的导磁性能，单位是亨/米(H/m)。

真空的磁导率

非铁磁物质的磁导率与真空极为接近，铁磁物质的磁导率远大于真空的磁导率。相对磁导率μr：物质磁导率与真空磁导率的比值。非铁磁物质μr近似为1，铁磁物质的μr远大于1。

2.3.5磁场强度H

或

磁场强度只与产生磁场的电流以及这些电流分布有关，而与磁介质的磁导率无关，单位是安／米（A／m）。是为了简化计算而引入的辅助物理量。

2.3.4磁势

2.4磁场的基本定律

2.4.1毕奥-萨法尔定律

磁场是由电流激发的，毕奥-萨法尔定律是描述电流激发磁场的定律。

（空气中）

可以看出： 磁感应强度B与电流I有关，与距离有关

载流螺线管中对磁感应强度B

当螺线管长度比直径大很多时，其内部很大范围内的磁场是均匀的，只是在端点附近的磁感应强度B才显著下降。其内部的磁感应线密集，外部的磁感应线稀疏。

2.4.2磁场的高斯定理倍。

磁感应通量Φ简称—磁通，是沿ds垂直方向穿过单元面积磁感应线的根数。

通过任意闭合曲面的磁感应通量恒等于零----高斯定理。

2.4.3安培环路定理

磁感应强度沿任意闭合环路的线积分等于穿过这个环路的所有电流强度代数和的μo倍。

F=NI称为磁动势，单位是安（A）。

2.4.4磁路欧姆定律

称为磁阻 ，表示磁路对磁通的阻碍作用。

因铁磁物质的磁阻Rm不是常数，它会随励磁电流I的改变而改变，因而通常不能用磁路的欧姆定律直接计算，但可以用于定性分析很多磁路问题。

2.5 电磁感应

2.51—变化的电场和磁场

在一定条件下 ，磁场可以产生电场---感应电流

导体回路与永磁体之间相对运动

导体回路与载流线圈之间相对运动

嵌套变流线圈

在磁场中导体回路面积发生改变

2.52感应电流的方向

楞次定律：闭合导体回路中的感应电流的方向总是企图使感应电流本身所产生的通过回路面积的磁感应通量，去补偿或者说反抗引起感应电流的磁感应通量的改变 。

2.5.3法拉第电磁感应定律：

导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁感应通量对时间的变化率 成正比。即：

对N匝线圈

2.5.4 动生电动势 ——针对于过磁线圈面积的变化

2.5.5 感生电动势；感生电场

电场的种类：

a、由电荷激发的静电场

有源场，静电场力做功与路径无关

b、由变化的磁场激发的感生电场

无源场感生电场做功与路径有关

2.5.6自感现象

对于一个线圈→电流变化→激发磁场变化→磁通变化→产生感生电动势

负号表示自感电动势反抗回路中电流的变化

2.5.7互感现象

变化的电流在临近的线圈中产生感生电动势

M21=M12=M

(

在有漏磁情况下

互感电动势的大小与两线圈的耦合情况有密切的关系

变压器就是根据这个原理按原线圈中输入交流电压的大小适当地选择副线圈的匝数，即可在副线圈中获得某一特定数值的感生电动势。

一、按电抗器用途分类：

电抗器的用途主要分为两类：由于它的电感而被电力系统应用的电器称为电抗器。

一 是限制系统的短路电流（如限流电抗器、串联电抗器、启动电抗器等）；

二 是补偿系统的电容电流（如并联电抗器、中性点用消弧线圈等）。

1. 串联电抗器——在并联补偿装置中,与并联电容器串联，在电容器回路投入时起到抑制冲击电流的作用。同时，还与电容器组一起组成谐波回路，起特定谐波的滤波作用。我公司生产CKGKL（空芯）、CKGL（半芯）、 CKSC(铁芯)三种串联电抗器。

2. 并联电抗器——在高压远距离输电系统中，一般并联于220kv～500kv变电站的低压侧或变压器的三次线圈上,用于补偿长距离线路的电容性充电电流，限制系统电压升高和操作过电压，从而降低系统的绝缘水平要求，保证线路可靠运行。我公司生产BKGKL (空芯)和BKGL（半芯）、铁芯(另见说明)三种干式并联电抗器。

其中： ——特征阻抗

——相位系数

当XL→0时，即电抗器容量为无穷大，上式可化为

＞ 1

当XL→∞时，即电抗器容量为零，上式U2→0

若人为地选择电抗器的容量，可将线路末端的工频电压升高比值限制在允许的范围内。

3. 限流电抗器——一般串联连接于变电站低压馈线分支，在馈线分支发生短路时，用以限制短路电流，将短路电流降低至设备允许的数值。其产品代号(XKGKL)。

若使短路电流限制在三倍额定电流以内，即

则限流电抗器电抗值应为：

∵Xk ＞＞Rk ∴

4. 分裂电抗器——串联在两个分离输电的系统中，用于限制故障电流，在正常运行时呈低阻抗，系统一旦出现故障，则呈较大阻抗。其产品代号(FKGKL)。

5. 滤波（调谐）电抗器——使用在交流系统中，常串联连接于电容器回路，与电容器组成谐振回路，为某次谐波提供一个低阻抗通道，避免谐波过多进入系统。其产品代号(LKGKL)

6. 中性点接地电抗器——也称消弧线圈，用来补偿输电系统对地故障时容性电流。

7. 接地变压器――用在中性点绝缘的三相电力系统中，用来为这种系统提供一个人为的中性点。该中性点可以直接接地，也可以经过电抗器、电阻器或消弧线圈接地。

5. 塞流电抗器——阻止谐波进入系统，保护设备不受谐波损害。

8. 静止无功补偿并联电抗器——用于晶闸管快速无功补偿装置 （SVC）中。

9. 平衡电抗器——接于两组整流回路之间，以平衡非同期换相组的瞬变电压差，使两组整流电路能同时并联工作。

10. 启动电抗器——用于与大型交流电动机串，限制启动电流，降压启动。若直接启动交流异步电动机，则启动电流为额定电流的5～7倍，同时对电源容量的要求也大为提高。

11. 平波电抗器——用于高压直流输电系统（HVDC）和大功率直流传动装置中。以降低直流回路中的脉动电流分量，保证直流电流的稳定。

二、按电抗器结构类型分类：

1. 空心电抗器：由包封绕组构成、不带任何铁芯的电抗器。

2. 铁芯电抗器：由绕组和带间隙的铁芯构成的电抗器。

3. 半芯电抗器：由包封绕组和不构成闭合磁路的导磁体构成的电抗器。

注：干式电抗器是相对于油浸式电抗器而言的，另外还有水泥电抗器等。

1. 干式电抗器（空芯或半芯）均由多个并联的包封组成，每个包封由环氧树脂浸渍过的玻璃纤维对线圈进行包封绝缘。（见图1）

2. 电抗器线圈采用截面很小的绝缘铝导线单根或多根平行并绕，有效地降低了谐波下导线中的涡流损耗。

3. 电抗器线圈采用优质铝导线并以绝缘性能优良的绝缘材料作为导线的匝绝缘。

4. 电抗器线圈包封间，采用聚酯玻璃纤维引拔棒，作为轴向散热气道支撑，形成自然对流冷却，具有优良的散热性能。

5. 电抗器经高温固化后，具有良好的电气绝缘性能和机械性能。维护简单，运行方便。

6. 电抗器由计算机优化设计，在温升计算时，严格控制了热点的最高温度，并留有相当裕度，从而保证了电抗器的长期安全运行。

7. 电抗器线圈的多层包封并联结构，使线圈的轴向电应力为零，在稳态工作电压下沿线圈高度方向的电压分布均匀，使产品运行更安全。

8. 半芯电抗器由于在线圈中放入了由高导磁材料做成的芯柱，从而使通过线圈中磁通大大增加。因此半芯体积小、能耗低，其铁芯采用优质的导磁材料，具有良好的线性度。经特殊处理，适用于户内外运行。

9. 电抗器采用星形吊臂结构，星形臂采用铝合金或铝合金不锈钢复合排，机械强度高，涡流损耗小，可满足线圈分数匝的要求。并且，电抗器的导线接头部分均以氩弧焊焊接于铝合金导电排上，机械结构上无紧固零件，大大提高了运行可靠性。

10. 电抗器安装方式灵活，一般较小容量电抗器可以按三相叠放或两叠一平布置，大容量的电抗器一般按一字形或品字形水平布置。电抗器进出线角度和相间出线角度可由用户指定。

11. 电抗器表面覆盖有耐紫外线辐射、抗老化的绝缘漆。对并联电抗器和35KV电压等级以上串联电抗器，产品表面还另外喷涂有PRTV胶（憎水性涂料），以防产品表面出现树枝状爬电，使产品具有良好的耐恶劣气候特性。

铁芯电抗器的结构主要是由铁芯和线圈组成的。铁芯是电抗器的磁路，是由磁导率极高的铁磁介质即硅钢片组成，因为其磁化曲线是非线性的，故在铁芯电抗器中的铁芯柱是带间隙的。带间隙的铁芯，其磁阻主要是取决于气隙的尺寸。由于气隙的磁化特性基本上是线性的，所以铁芯电抗器的电感值将不取决于外在的电压和电流，而是取决于其自身线圈匝数以及线圈会铁芯气隙的尺寸。

干式铁芯串联电抗器采用环氧树脂成型固体绝缘结构，三相共体（大容量也有单相分体的）。电抗器铁芯以硅钢片为导磁介质，由铁轭、高填充系数的铁芯柱（带气隙叠片式或辐射式铁饼）组成框形磁路结构。夹紧装置使铁轭、铁芯柱彼此连接在一起，形成完整而牢固的整体。套有绕组的铁芯部分称铁芯柱，不套绕组连接各铁芯柱构成闭合磁路的铁芯部分称铁轭。其线圈由单个或多个包封组成，并以小截面多股扁铜导线平行并绕而成，有效地减少了产品体积和损耗。

一、干式铁芯电抗器的铁芯结构

铁芯材料通常采用高矽片（如30Q140、30Q130）、中矽片（35WW270、300等）它们厚度通常为0.35、0.3、0.27mm。

1. 铁芯结构带气隙是铁芯电抗器铁芯的特点，由于衍射磁通包括很大的横向分量，它将在铁芯和线圈中引起极大的附加损耗。所以，减小衍射磁通，需将总体气隙用铁芯饼划分成若干个小气隙，铁芯饼的高度通常为50~100mm。视电抗器容量大小而定。与铁轭相连的上下铁芯柱的高度应不小于铁芯饼的高度。

2. 铁芯中的气隙是靠垫在气隙中的绝缘垫板形成的。绝缘垫板的材质可选用环氧玻璃板或石块等。

3. 铁芯饼一般是可做成平行叠片形和辐射叠片形，平行叠片形是由中间冲孔的矽钢片平叠而成，再用串芯螺杆、压板加紧成整体。它工艺简单，但由于气隙附近的边缘效应，电抗器在运行时，使得铁芯饼中向外扩散的磁通的一部分在进入相邻的铁芯饼叠片时，与硅钢片平面垂直，这样会引起很大的涡流损耗，可能在局部形成过热，并且可能引起较大的噪声。因此，它通常适用于较小容量电抗器产品。辐射叠片式铁芯饼，其向外扩散的衍射磁通在横向进入相邻的铁芯饼叠片时磁力线与矽钢片平面平行，因而附加涡流损耗减少，因此大容量铁芯电抗器产品多采用辐射叠片式圆形铁芯饼结构。

4. 在辐射叠片式的铁芯饼中，由于硅钢片之间没有拉螺杆和压板加紧，因此必须借助其它的方式进行固定。在干式变压器类产品中，高（中）分子材料（如环氧树脂、双H胶）主要用于绕组对铁芯、夹件、绕组之间以及绕组中匝间、层间等部位的粘接和绝缘。与此同时，还通常用于铁芯饼、柱的浇注和粘接。在铁芯饼浇注中，它除了填充了硅钢片之间的间隙，承受并传递应力之外，还将硅钢片的铁损产生的热量通过热传导作用传递到铁芯外表面。高分子浇注材料的好坏直接影响着铁芯部件的产品质量。

5. 铁轭的夹紧是靠夹件和穿芯螺杆以及旁螺杆来实现的。铁轭夹件采用槽钢制造。为了使带气隙的铁芯形成一个牢固的整体，铁轭、气隙、铁芯饼通常采用环氧树脂粘接后，采用拉螺杆结构将上下铁轭夹件拉紧并高温固化。

6. 铁芯的接地结构

铁芯并联电抗器的接地必须做到一点接地，否则，会在铁芯中产生感应环流现象，最终造成，铁芯发热，损耗增加甚至铁芯烧毁。我们应首先保证上、下铁轭和铁芯柱（饼）都相互绝缘，然后再通过裸铜线将各铁芯柱上铁饼上的接地片分别连接起来，并各自与下铁轭上的三个接地片连接，上轭引出一个接地片仅与一个铁芯柱连接实现接地。这样就实现了一点接地（见图5）。

二、干式铁芯电抗器的线圈结构

现在干式变压器及电抗器高压绕组的结构多使用以下两大类：饼式及圆筒式（见图6）。 另外还有箔绕层式及导线螺旋式等。

1. 饼式绕组由若干个用扁铜线绕制成的线饼组成，线饼间有垫块，以形成饼间绝缘及油(气)道，利于绕组的散热。但由于饼间的导线需跨层或焊接，工艺繁杂，这种绕制方式多用于35kV以上的绕组中。

2. 圆筒式绕组的结构如上图所示，又分为单包封和多包封两类形式。单包封多用于小容量铁芯串联电抗器，多包封圆筒式绕组的绕制工艺较为简单，且不受容量限制，还可以根据各层导线规格匝数不同，使各层导线对轭间具有不同的绝缘距离。更为突出的优点是由于它层间电容大、对地电容小，在冲击电压下层间电压分布较均匀。

3. 我们知道，绕组的寿命决定了电抗器的使用寿命，绕组寿命是由热点温度决定的，F级绝缘的最热点温升极限是115K，即绕组最热点温度不能超过155℃，否则，势必要损伤绕组的绝缘，影响电抗器产品的使用寿命。另外，绕组的气道结构及绕组的轴向、辐向高度尺寸是影响产品散热性能的重要参数。因此，尽量使绕组各线段的温升均匀是我们设计控制的一个关键。我们设计绕组线圈采用多包封结构，并使每层线圈独立构成包封，使其内外均有气道散热，然后合理选择气道材料和气道绝缘厚度，合理选择导线线规及其电流密度，优化绕组的包封数（辐向尺寸）和线圈高度（轴向尺寸），使产品一方面散热更加均匀，另一方面防止产品发热不均匀而产生的包封开裂现象。

4. 绕组线圈的成形工艺方案

我公司的现有生产经验，铁芯并抗绕组线圈采用湿法绕制成形工艺制作，即电抗器绕组包封由多个串联的包封组成，每个包封由环氧树脂浸渍过的玻璃纤维带和DMD（聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料）对线圈导线进行包封绝缘。电抗器线圈包封间，采用聚酯玻璃纤维引拔棒，作为轴向散热气道支撑，形成自然对流冷却，具有优良的散热性能。电抗器绕组的每个线圈均由小截面多股绝缘性能优良的玻璃丝包漆包扁铜线绕制，并用环氧树脂等对线圈进行绝缘包封，最终经高温固化而成。因为电抗器线圈采用截面较小的多股扁铜导线平行并绕而成，从而有效地降低了铁芯杂散漏磁下，在导线中产生的涡流损耗。电抗器经高温固化后，具有良好的电气绝缘性能和机械性能，维护简单，运行方便。电抗器线圈采用截面较小的多股扁铜导线平行并绕而成，有效地降低了谐波下导线中的涡流损耗。

4. 多包封电抗器线圈包封间有轴向散热气道，具有较好的散热性能。

5. 电抗器线圈和铁芯经高温固化后，具有良好的电气绝缘性能和机械性能。

6. 电抗器铁芯和绕组都不浸在任何液体之中，其冷却方式为空气自冷，无漏油，便于制造和维护，运行方便。

7. 电抗器表面覆盖抗老化的有机磁漆。耐候特性良好。

二、干式铁芯并联电抗器

干式铁芯并联电抗器采用环氧树脂成型固体绝缘结构，三相共体，以硅钢片为导磁介质，由环形铁轭、高填充系数的辐射式铁芯柱组成三角形磁路结构。其线圈由多个包封组成，并以小截面多股扁铜导线平行并绕而成，有效地减少了产品体积和损耗。

1、 该型电抗器的铁芯和绕组都不浸在任何液体之中，并以空气自冷为冷却方式，线圈耐热等级为F级，无油介质，安全性好，便于制造和维护，方便用户使用运行。

2、磁通以硅钢片为导磁介质，导磁回路为三角形磁路结构。铁芯柱由高填充系数的辐射式铁饼与特种石材气隙组成，最终经环氧浇注高温固化而成一个坚固的整体，使铁芯涡流损耗减小，噪声降低。

3、电抗器绕组由多个包封线圈组成，每个线圈均均由绝缘性能优良的玻璃丝包漆包扁铜线绕制，并用环氧树脂等对线圈进行绝缘包封，最终高温固化而成。因为电抗器线圈采用截面

较小的多股扁铜导线平行并绕而成，从而有效地降低了谐波下导线中的涡流损耗。

4. 多包封电抗器线圈包封间有轴向散热气道，具有较好的散热性能。

5. 电抗器线圈和铁芯经高温固化后，具有良好的电气绝缘性能和机械性能。

三、容量与铁芯截面

中小型电抗器可采用铁心式结构，而大容量电抗器较多地采用空心式结构，其理由如下：如图 所示，假设在电抗器线圈两端施加正弦交流电压 （有效值），电流为 ，铁心不饱和，因此其磁压降可以略去，并忽略漏磁通的影响，则电抗器的容量S可用下式计算：

S=UI

式中，

E———自感电势（V）；

W———线圈匝数；

ω———电流的角频率（1/s）；

φ———磁通最大值（Wb）；

B———磁通密度的有效值（Wb/m2）；

A———等效气隙导磁面积（m2）。

由全电流定律知

式中，H ———磁场强度（ A/m）；

———气隙总长度（m）

将式（ ）、（ ）代入（ ）得到

（ ）为了保证磁路不饱和，一般将磁密限制在1T之内。由式（ ）知，在B、H 一定时，S与气隙体积ACRδ∑成正比，即

当容量S增大时，心柱的横截面积AC随着增大，气隙总长度δ∑也要增大。当给定单个气隙长度时，气隙数就增多，从而铁心饼数增多，这将给铁心柱的固定带来很大的困难，因此在容量较大的电抗器中越来越多地采用空心式结构。

结构特点 电抗器类型 使用特点

1、采用环氧树脂成型固体绝缘结构，单相结构，其线圈由多个并联的包封组成。

2、磁路中无铁磁物质，完全从空气中闭合结构。 空芯电抗器 1、伏安特性线型度好，空心式电抗器的电抗值总是保持为常数，大小容量电抗器均适合。

2、机械强度高，并且空心式电抗器没有铁心柱，对地电容小，线圈内串联电容大，因而其冲击电压的初始电位分布良好，抗短路能力强，噪音低。

3、体积较大，占地面积大，可直接户内外使用，不受环境条件限制。

4、损耗较大，但散热好。

5、维护工作量小，无需严格防火措施。

6、制造成本低，寿命较长。

1、采用环氧树脂成型固体绝缘结构，单相结构，其线圈由多个并联的包封组成。

2、在线圈中放入了由高导磁材料做成的芯柱，与外围空气一起构成闭合磁回路。从而使通

过线圈中磁通大大增加。 半芯电抗器 1、半芯伏安特性在大范围内呈现良好的线型度，大小容量电抗器均适合

2、机械强度高，抗短路能力强，噪音底。

4、体积较空芯减少30～50％，占地面积适中，可直接户内外使用，不受环境条件限制。

5、损耗较空芯减少30～40％，但散热好。

6、维护工作量小，无需严格防火措施。

7、制造成本较低，寿命较长。

1、采用环氧树脂成型固体绝缘结构，三相共体（大容量也有三相分体），其线圈由一个或多个并联的包封组成。

2、主磁路由磁导率高的铁磁材料构成，以冷轧硅钢片为导磁介质，由铁轭、高填充系数的铁芯柱（叠片式或辐射式）、以及数个空气隙组成框形磁路结构。

对于相同的线圈，铁心式电抗器的电抗值比空心式大。

2、伏安特性线型度范围较窄，当磁密较高时，铁心会饱和，而导致铁心电抗器的电抗值变小。不易做成大容量产品。

4、三相一体，占地面积较小，但不易用于户外。户外使用时必须加防护壳体，散热不易解决。大容量电抗器噪音不易控制。

5、损耗较少，但散热受限制。

6、维护工作量小。

7、制造成本较高，寿命较长。

铁芯材料

铁磁材料的磁性能：

高导磁性：磁导率可达102~104，由铁磁材料组成的磁路磁阻很小，在线圈中通入较小的电流即可获得较大的磁通。

磁饱和性：B不会随H的增强而无限增强，H增大到一定值时，B不能继续增强。

磁滞性：铁心线圈中通过交变电流时，H的大小和方向都会改变，铁心在交变磁场中反复磁化，在反复磁化的过程中，B的变化总是滞后于H的变化。

铁磁材料的类型：

软磁材料：磁导率高，磁滞特性不明显，矫顽力和剩磁都小，磁滞回线较窄，磁滞损耗小。 硬磁材料：剩磁和矫顽力均较大，磁滞性明显，磁滞回线较宽。

矩磁材料：只要受较小的外磁场作用就能磁化到饱和，当外磁场去掉，磁性仍保持，磁滞回线几乎成矩形。

电抗器生产中常用的铁磁材料

制造铁芯的硅钢片是在炼钢过程中加入了3%~5%的硅，从而提高了硅钢片的导磁率和电阻率，减少了硅钢片中的磁滞损耗和涡流损耗。但由于加入了过多的硅，则硅钢片会变脆且加工困难。

早期生产的感光片是热轧的，退火处理后，并不能使硅钢的晶体均匀排列，硅钢晶体排列仍然是杂乱无章的。所以严扎制方向与垂直扎制方向磁化时所呈现的磁性能相差不多，即呈各项同性的特性。

冷轧工艺及其退火后的处理，可使硅钢片晶体沿扎制方向均匀排列，这样，沿扎制方向最容铁芯电抗器 1、因此

易磁化，沿垂直扎制分析次之，沿与扎制方向55o角的方向最难磁化。即呈各向异性的特性，这种硅钢片也叫冷轧取向硅钢片。热轧硅钢片叠装的铁芯在磁通密度大于1.45T时，空载电流和空载损耗明显增加。冷轧硅钢片具有较小的励磁容量，和较高的磁通密度。允许设计的磁通密度高达1.89T。 冷轧硅钢片导磁性能较好，特别是高导磁硅钢片较普通硅钢片导磁率更高，也就是冷轧硅钢片达到相同磁通密度B所需的磁场强度较小。

硅钢片性能的豪华用它在相同磁场强度H下的磁通密度值和单位质量的铁损耗来表示。同一磁场强度下（即单位长度下的安匝数）磁通密度越大。硅钢片越好。在相同频率。相同磁通密度下单位质量铁损值越小越好。

硅钢片中具有许多因电子运动而形成的磁畴，磁畴磁距分别取向不方向。对外的作用相互抵消，不呈现磁性。当硅钢片在绕组励磁电流所产生的磁场作用下将这许多磁畴从各不相同方向改变到外加磁场方向时，对外就会显示出较强的磁性，此现象叫做励磁磁化或简称磁化。

铁芯在交流磁场作用下，将产生两种损耗，一是磁滞损耗、一是涡流损耗。硅钢片在交流励磁的反复作用下，磁畴磁局的转动和磁壁（相邻磁畴的分界层）的移动要受到摩擦阻力，要克服此种阻力，外界对硅钢片做功，即产生励磁损耗。 这种损耗与厚度无关，而与单位时间的励磁反转次数即频率有关。当然它还与磁密Bmd关系更加密切。

Pb——磁滞损耗（W/kg）

α——取决于材质的系数（由试验确定）

Bm——磁密

硅钢片在交变磁化之时，其内部要感应出涡流，涡流一方面产生磁场，使原来的磁场产生的外磁场不均匀，使磁通绝大部分只能沿硅钢片表面通过，硅钢片中部得不到有效利用；另一方面还会产生涡流损耗。涡流在垂直于磁场方向的平面内流通。

由上式可看出，感光片的涡流损耗与频率的平方f2、铁芯磁密的平方Bm2及硅钢片厚度的平方△2成正比，而磁滞损耗与频率的一次方f、铁芯磁密的平方Bm2成正比，与硅钢片的厚度无关。硅钢片的损耗等于磁滞损耗加涡流损耗

工程上长按下式估算硅钢片的单位损耗：

K——取决于硅钢片材料的常数

电抗器在额定频率和额定电压下运行时，其铁芯损耗：

Pz，Pe——与铁芯柱和铁轭相对应的单位损耗（W/kg）

Gz，Ge——铁芯柱和铁轭重量（kg）

硅钢片厚度降低，会减少涡流损耗，一般硅钢片的厚度为0.23~0.35mm，但硅钢片太薄不但会增加其制造难度，还会使铁芯叠片系数减小，在铁芯直径不变的情况下，有效面积会减小。实际磁通密度增大，单位损耗增加，抵消了铁芯减薄单位损耗降低的效果。

硅钢片表面一般涂覆一层0.015~0.02无机磷化膜绝缘漆，使硅钢片叠制铁芯时，片与片之间相互绝缘，硅钢片的绝缘涂层，要求均匀、坚硬、光滑、附着力强、不使叠装系数过分下降。抗冲击和弯曲、有一定的电阻、有良好的绝缘、耐热、耐有防潮、干燥快等特点。 通常，，硅钢片在价格、搬运、叠装等工程重要手段剪切、砸、压、弯、热等机械外力的作用，从而会造成硅钢片内部应力的增加，相应也会使其电磁性能变坏。铁损和空载电流均显

著增加。越是优质的硅钢片，越是容易受到机械外力等因素的影响。因此，对硅钢片的各工艺阶段必须严格的要求。铁芯装配完成后，一定要在铁芯端面涂覆一层铁芯端面双H胶，防止铁芯生锈同时还能利用其渗透粘接性对叠制铁芯进行初步的粘接固定。

变压器绝缘材料

一、 变压器绝缘材料概述

1.1 绝缘材料的作用

绝缘材料是变压器的重要组成部分，绝缘材料的好坏直接影响变压器的质量。在干式变压器中的作用可归纳为：

?

?

?

?

?

?

隔离带有不同电位的导体（层、匝、端绝缘），使电流按一定的方向流通， 散热冷却的作用：油、SF6气体、空气、氟油（F16C8O） 机械固定支撑作用； 阻燃灭弧：燃烧试验—阻燃灭弧 改善电位梯度：薄纸筒小油隙 防潮、防霉保护导———气隙总长度（ ）体

1.2干式变压器线圈绝缘方式

? 敞开式：

? 浇注式：

厚绝缘；

薄绝缘

? 包封式；

1.3新标准的三个新增内容：

? 耐候性（热冷冲击）试验：在8小时内，下降-25℃，保持12小时 ，然后对被试品施加Ie

?

? 环境试验（防潮性能）：环境50±3℃，相对湿度90％±5，时间6天。 阻燃试验：

1、绝缘材料的定义

绝缘材料有称为电介质，它是电阻系数高。导电能力低的物质，在直流电压的作用下，只有极微小的电流通过，其电阻系数比较高，一般在109～1022 Ωcm左右（导体的电阻系数在10－6～10－3，左右，半导体的电阻系数在10－3～108Ωcm左右）

2、绝缘材料的类型：

1）气体绝缘材料：空气、SF6气体、氮气等

2）液体绝缘材料：变压器油、硅油等

3）固体绝缘材料：环氧树脂、橡胶、电瓷、电缆纸、聚酯化合物、木材、玻璃纤维等

3、绝缘材料的特性

在使用绝缘材料时应注意下列特性

绝缘特性（电特性）：短时期工作的耐压特性，不仅与外加的电压有关还与电压的波形有关。 长期工作的耐压特性（寿命特性）

局部放电特性

1）在电场中能极化；介电系数ε

强极性 ε大； 极性 ε大；

弱极性 ε小； 非极性 ；

2）能建立电场；并储存电场能量；

3）消耗电能，使本身发热；

绝缘材料自身发热，可带来电击穿，介质损耗、介质损耗正切t gδ是衡量一个材料把电能转换成热能的参数，t gδ越小越好。

机械特性：包括拉伸压缩扭曲等情况下的机械强度、在突发短路情况下的机械强度及抗震强度。

热特性：包括由于电器的损耗所引起的发热、冷却、和温升特性，由于气候及负荷电流变化时产生的热特性以及燃烧和耐燃烧特性。

4、绝缘材料的耐热等级

绝缘材料一般分为： Y级－90℃（60K）

A级－105℃（75K）

E级－120℃（70K）

B级－130℃（80K）

F级－155℃（100K）

H级－180℃（125K）

C级－220℃（135K）

Y 级绝缘材料包括纤维素材料如：木材、电缆纸、绝缘纸板、棉绝缘等

A 级绝缘材料包括变压器油、浸油的电缆纸、浸油的绝缘纸板等；

E 级绝缘材料包括胶纸板（3020÷3021、9309）÷胶布板（3025）聚酯薄膜、聚酯纤维等。

B 级绝缘材料包括玻璃漆布÷3240环氧玻璃布板÷聚酯漆及漆包线漆、双酚A型环氧树脂等；

F 级绝缘材料包括9105环氧无溶剂漆、NMN柔软复合材料、SDMSD（聚砜、无纺布、聚酯薄膜、聚砜、无纺布）多层复合材料。

H 级绝缘材料包括聚酰亚胺漆及其制品、硅有机漆、硅橡胶、氟橡胶、双马来酰亚胺胶、二苯醚胶、双马玻璃布板、改性二苯醚玻璃布板、9116聚酯改性的亚胺漆、TJ160甲氧基二苯醚漆等

C 级绝缘材料包括Nomt X纸、云母、超高频瓷等。

绝缘材料品种很多，以其物理状态可分为气体绝缘、液体绝缘和固体绝缘：

气体绝缘有干燥的空气、氮气、六氟化硫气等。

液体绝缘有变压器有电容器油、电缆油、α油、β油难燃油（如米店硫31）。

固体绝缘有绝缘漆、胶、纸纸板、漆布漆管、帮轧带、电工用薄膜、电工层压制品、电工塑料、和橡胶等。

绝缘材料的性能和寿命很大程度上取决于该电介质材料的分子组成和分子结构。

5、“6”度定律

对A级绝缘材料，使用温度超过6度材料使用寿命降低一半

对B级绝缘材料，使用温度超过10度材料使用寿命降低一半

对H级绝缘材料，使用温度超过12度材料使用寿命降低一半

6、变压器的发热及温升

在变压器运行中一般导线处温度最高，温度对绝缘材料影响最大。

7、绝缘材料的分子结构及其物理特性

绝缘材料是聚合物，其性能和使用寿命与分子结构和分子组成有关。如：

a、

b、分子节结是线型的，一般都是热塑性的

环氧树脂在浇注前是线性的，有可塑性、可溶性；环氧树脂在浇注后是体型（网状）结构，

环氧＋固化剂→不溶不熔（在70℃时）

c、一般在链节单元中含有苯环、杂环、硅、钛、氟、酰亚胺、双马来酰亚胺，固化后都比较硬，耐温较高。

二、绝缘材料的四个重要的参数

2.1绝缘电阻

2.1.1绝缘电阻的概念

绝缘材料并不是决绝对不导电的材料。当对绝缘材料施加以一定的直流电压后。绝缘材料会流过及其微弱的电流I，这个电流是由三部分组成的，即：

瞬时充电电流Ic－是由几何电容和位移极化产生的，随时间迅速减小，

吸收电流Ia－由缓慢极化和导电离子产生，随时间逐渐减小；

漏电电流Ir－由材料内部带电质子导电产生。

2.1.2绝缘材料绝缘电阻的含义

是指在材料上施加直流电压时间较长，线路上充电电流与吸收电流已消失，在只存在漏电电流的情况之下的电阻值，一般多规定，在电压加上一分钟后，所的的电阻为材料的绝缘电阻。如图二

(to一般在60～70秒左右)

由于在绝缘材料施加一定中流电压后，固体电介质中漏电电流分为表明电流Is和体积电流Iv两部分，电阻率也相应分为表面电阻率ρs和体积电阻率ρv，表面电阻率ρs单位以Ω表示，体积电阻率ρv单位以Ωcm表示。

对应延面爬电（Ω、MΩ）

对应垂直层向（间）击穿电压（Ω*cm）（MΩ*cm）

2.2影响绝缘电阻的因素

2.2.1温度与绝缘电阻的关心

随着温度的升高，绝缘材料的电阻率呈指数下降

ρ＝A?eB/t

A.B—常数 T－温度

1、 湿度与绝缘电阻的关系

湿度增大绝缘电阻降低

2、 杂质与绝缘电阻的关系

杂志增多，绝缘电阻降低

3、 电场与绝缘电阻的关系

当电压较小时，对绝缘电阻影响不大，当电压加到某一值时（如接近击穿电压），绝缘电阻显著下降。

例：NOMEX纸： 50℃ ＝1016 Ω ＝1018 Ω

100℃ ＝1016 Ω ＝1017 Ω

150℃ ＝1015 Ω ＝1016 Ω

220℃ ＝1013 Ω ＝1015 Ω

（注：在测试绝缘材料的电阻率时，首先对试样进行干燥处理，其 目的是脱去水分，消除水分对绝缘电阻的影响，来更好的判断材料的杂志含量）

2.3绝缘电阻在工程上的意义：

2.3.1在直流电场中，具有不同的电阻率绝缘材料组合，电压分布（或绝缘结构那电位分布）按绝缘电阻成正比分配，即电阻率大的电压分配值大。如，在某换流变产品中，在直流电场中，由于绝缘纸板的电阻率1015Ωcm左右，变压器油1013Ωcm，相差100倍，那么直流电场将以100倍的分压电压值加在绝缘纸板上，从而使电场分布极不均匀，所以在直流电器设备设计时，要充分地注意电介质的电阻系数，以尽量使绝缘材料得到合理的应用。

2.3.2根据被试教育制品的吸收电流情况，可以判定绝缘制品的绝缘情况。

(1) 吸收过程进行很快

(2) 吸收现象很明显

被试品教育越好，吸收过程进行的越慢，吸收现象越明显。被试品绝缘受潮、或内部有集中性导电通道，则由于绝缘电阻下降，电流I增加，吸收现象不明显，流过绝缘的电流迅速地下降到一个较大的泄漏电流。变压器判断其绝缘状态通常以吸收比来表示。

K=R / R

式中 R －60秒时的电阻值 R －15秒时的电阻值

对于高电压、大容量变压器，由于吸收的慢，水电部标准规定，

K=R / R

即电阻10分钟的值和1分钟的值之比，其比值大于1.5，认为绝缘处理合格，这就是所谓的电阻极化指数

西方国家采用K= I / I ，即电阻1分钟的泄漏电流值和10分钟的泄漏电流值之比, 其比值大于1.5，为绝缘处理合格，这就是所谓的电流极化指数。

2.3.3非破坏性绝缘击穿电压值判定法

如图5所示，当电压值加与A点时，其电阻值趋近于零，因此，通过曲线A点的电压值，即可预测出击穿电压。

三、介电系数

3.1到电介质相对介电系数的定义

电介质的电容Cr与真空电容Co的比值，叫做电介质的相对介电系数εr＝Cr/Co

3.2相对介电系数的物理意义

电介质的相对介电系数εr表示在交流电场下，介质极化的强度的一个参数，微观粒子在电场下越易极化，宏观上参数εr也越大。

3.3影响介电系数的因素。

3.3.1电场频率对介电系数的影响

电场频率增高，ε下降

3.3.2温度对介电系数的影响

当温度上升时增大，但到某一温度时，介电系数出现峰值，温度继续上升介电系数渐渐下降，如图所示某些绝缘材料εr随温度变化的关系（空气）如图所示

3.3.3绝缘材料吸湿后，ε增大

3.4介电系数在变压器产品中实际应用的意义

在交流电场中，多种绝缘材料混合使用的情况下，每种材料上的调查分布与介电系数成反比，即：E1*ε1＝E2*ε2，也就是说如果两种材料串联混合使用时，则介电系数小的所承受的电压大，介电系数大的所承受的电压小。在高电场下，绝缘材料中留有气袋，空气的εr＝1.00058＝1 E1=ε2*E2，如果ε2=5，E1=5*E2，外加电压多集中在气袋上，使气袋光型游离，可使整个材料的绝缘能力降低，损坏整个绝缘材料。

四、 介质损耗

4.1电介质损耗的定义

在交流电压作用下，电介质的部分电能，将转化为热能，这部分能量叫做介质损耗。

4.2介质损耗的功率

单位时间内消耗的能量，称为介质损耗功率。P=v2ωc?tgδ

P－单位体积的介质损耗功率

v－施加电压

ω－电场角频率

c－电容

tgδ－介质损耗正切

4.3电介质损耗的意义

电介质损耗主要是由导电和缓慢松弛极化引起的，它又是导致电介质发生热击穿的根源。

4.4损耗的形式

1）一般是游离损耗。主要是气泡和气体介质本身在高电场下局部放电产生的损耗

2)偶极子损耗

3)电导损耗

4)不均匀介质损耗：两层介质混合使用中夹层接触面电荷引起的损耗

五、介质损耗因素（介质损失角正切）tgδ

5.1定义： 工程上常用tgδ作为电介质损耗的参数。

绝缘材料施加一定电压，有三个电流产生，即

1）瞬时充电电流Ic,是纯容性电流，由几何电容和位移极化所引起。

2）吸收电流Ia，是由于缓慢松弛极化所建立，既有有功分量又有无功分量。

3）漏电 电流Ir是由电导引起的。三个电流相加如图

5.2影响介质损耗角正切的因数

5.2.1频率f与 tgδ的关系

tgδ与电导率成正比，与电场频率成反比

5.2.2温度t与 tgδ的关系

5.2.3湿度与 tgδ的关系

电介质湿度增大，tgδ将增大

5.2.4电场强度与 tgδ的关系

电场强度升高，tgδ将增大

六 击穿

当施加电介质的电场强度高于临界值时，会使通过电介质的电流剧增，电介质发生破裂或分解，完全失去绝缘性能。这种现象称之为热击穿。它又分为固体热击穿、液体热击穿、气体热击穿。我们主要讨论固体热击穿。

固体热击穿大致可分为电极穿、热击穿、和放电击穿（电化学击穿）。