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【摘要】树脂绝缘干式铁芯电抗器与树脂绝缘空心电抗器是在电力系统中经常应用的必不可少的设备之一，可是，我们对树脂绝缘干式铁芯电抗器和空心电抗器具体应用在什么地方却不是非常明确，对电抗器的损耗和经济性了解不是很多，在设计和先期投资中只考虑了经济性，而忽略了在寿命期内的损耗差异很大，造成不必要的浪费。本文就是从设计、结构、经济、制造工艺、主要性能参数、安全性、可靠性、应用场合等方面，结合我多年实际运行工作取得的经验，阐述两种电抗器的不同，为电抗器用户选型提供一些参考。
【关键词】铁芯电抗器；空心电抗器；结构；工艺；损耗；对比；可靠性
【中图分类号】TM406 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5071(2012)06-0023-02
在电力系统高速发展的今天，电力电抗器是稳定系统、保护和调节电网必不可少的设备之一，被广泛的应用。随着35kV及以下电压等级的城市电网对安全性的要求越来越高，干式电抗器由于不含油，通过玻璃纤维等难燃材料加强、经环氧树脂固化在线圈绕组上，成为一次成型产品，其特点为免维护、防火难燃、可靠性高、没有污染，使用寿命到期后可回收重复使用，完全取代了维护量大，绝缘水平低、高损耗的水泥电抗器和易燃的油浸式电抗器。被广泛应用在大型工矿企业、变电所、风电厂等用电负荷中心。
在树脂绝缘干式电抗器中，树脂绝缘干式铁芯电抗器（以下简称“铁芯电抗器”）与树脂绝缘干式空心电抗器（以下简称“空心电抗器”）的性能有较大差异，本文就此通过以下几个方面进行一些对比说明，希望能给广大的用户提供一些参考。
电抗器是一种电感性元件，按照铁芯结构分类，可分为两种：壳式电抗器和芯式电抗器。按照相数分类，可分为单相或三相两种。按照用途分类，主要包括并联电抗器、串联电抗器、限流电抗器、滤波电抗器、阻尼电抗器、平波电抗器、消弧线圈及其它特殊用途的电抗器。铁芯电抗器主要用于除限流电抗器以外的其它类型电抗器。空心电抗器主要应用于除消弧线圈以外的其它类型电抗器。
1 电抗器的结构和制造工艺
铁芯电抗器，是以闭合铁芯为磁路，绝缘结构和外壳结构与变压器相似，但内部结构不同，变压器的一次绕组和二次绕组，铁芯磁路中没有气隙，而电抗器只有一个励磁线圈，铁轭通常为“E”或“一”字型，铁芯由若干铁芯饼和气隙材料间隔交错垒叠，然后在真空条件下使用树脂浇注成一整体。硅钢片多选用0.3mm和0.27mm厚的优质冷轧硅钢片，线圈一般使用铜线绕制，树脂大多选用进口材料，其结构如图1。铁芯电抗器的线圈与干式变压器的线圈的制作工艺大致相同，线圈绕制需要无尘车间和真空浇注设备。芯柱由多个气隙分成均匀小段，但在铁芯内部有较多气隙，在气隙周边有的磁场存在边缘效应，在设计中对线圈结构有特殊要求。如果设计不合理会产生较大的附加损耗，导致局部温度上升，甚至会影响到产品的安全性和使用寿命。因此需要在设计时对磁场分布进行分析，然后调整单个气隙的长度和放置位置，避免局部温升过高。同时适当降低单根导线的截面也能减少附加损耗，也可使用换位导线，但会增加制造的成本。
空心电抗器，早期产品为水泥电抗器，由于其绝缘等级低，损耗大，易开裂等问题，现已很少使用。目前空心电抗器多为高强度的玻璃纤维加环氧树脂组成的绝缘固化成型结构，只有一个单独的经环氧树脂浸泽的线圈，线圈一般为小截面线规，多包封，多并联支路结构，其磁路为空气。线圈各包封之间用环氧引拔条间隔形成风道，线圈的上下端使用由铝排焊接的星型架定位，起导电作用兼做进出线母排。其结构如图2。线圈一般为铝线绕组，大多数企业选用国产树脂，仅个别企业制造大型并抗时，仍使用优质的进口树脂。绕组主要有两种制作工艺，一种是立绕，线圈模具竖直放置，一边绕线一边刷树脂，然后加热固化。另一种是卧绕，线圈模具横向放置，先绕制线圈胚，然后把线圈胚放入盛有树脂的槽中不停的滚动浸泽，直至完全浸透，然后放入固化炉，一边旋转一边固化。从制作工艺分析，卧绕生产周期长，工序较复杂，需要大型的翻转设备、较大的烘炉。但卧绕的电抗器线圈中树脂的渗透性好，树脂填充较密实，气泡少且小，不存在固化时树脂流淌问题。
铁芯电抗器的线圈制造工艺要求较高，制造工艺与干式变压器基本相同，没有太大差别，尤其是真空浇注控制了线圈内气泡数量的产生。电抗器的紧固件、夹件等采用非磁性材料，确保电抗器具有较高的品质因数和较低的温升，确保具有较好的运行效果。局放可以做到小于10PC。空心电抗器的线圈在常温、常压下浸泡在绝缘树脂中，容易在线圈绕制内部有气泡产生。但是由于空心电抗器的线圈绕组为并联结构，层间电压可忽略不计，只存在较小的匝间电压，线圈中气泡对局部放电不会造成严重后果。而立绕线圈在固化时，如果树脂流淌问题严重，线圈顶部绝缘材料中树脂含量严重不足，将会导致线圈上部绝缘强度不足，绝缘材料老化加速，造成严重后果。
2 经济对比
空心电抗器三相比单相所用的原料和成本少，节省材料，附属设备简单，价格便宜。由于空心电抗器以空气为导磁介质，其磁场散发，易产生环流损耗，而铁芯电抗器以硅钢片为导磁介质，磁场集中，漏磁小，常规产品铁芯电抗器的损耗要比同容量空心电抗器损耗小，大概在1/3左右。而产品的价格铁芯电抗器要比空心电抗器要贵一些。现列举一些串联电抗器的典型容量产品国家规定损耗值的对比。
经济对比
假设每度电费0.40元，电抗器一年工作320天，每天工作14小时，以使用寿命同为20年考虑： 由此可见，在经济性方面，铁芯电抗器要比空心电抗器经济很多。
3 电抗值
铁芯电抗器的主磁路由导磁率较高的硅钢片材料构成，当磁密较高时铁芯会饱和并导致电抗值变小；因此在合闸涌流冲击时，其实际电抗值往往比额定值减少很多。国产铁芯电抗器在合闸涌流作用下电抗值只有额定电抗值的30%-60%。额定电压和额定频率下电抗允许偏差不超过±5%。每相与三相平均值之差不大于±2％。
空心电抗器的主磁路由空气构成，没有饱和现象，电抗值不发生变化。如果对电抗值稳定性要求较高，应采用空心电抗器，如限流电抗器产品。如果选用铁芯电抗器，必须保证铁芯电抗器在系统短路时阻抗值较高，在制造过程中会增加材料，铁芯电抗器才能不完全饱和。与同容量的空心电抗器相比，成本上升，浪费材料，造价高。
4 安装环境
铁芯电抗器安装简单，占地面积较小，对周围环境没有太大影响，适用于高层建筑、负荷中心、人员密集和安全性能要求较高的场所。铁芯电抗器适合安装在户内，如安装在户外可加外壳。
空心电抗器每相一台，每组三台，占地面积大，每相四周还要保持不于1.5倍直径距离的空间，以防止磁漏污染，如品字摆放占地面积一般为铁芯产品的3～5倍。
5 噪声影响
铁芯电抗器的铁芯柱一般是多个铁芯饼和间隙交替组成的，硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动，铁饼之间、铁饼与上下铁轭之间在交流电的作用下产生周期性的振动，使铁芯产品较空心产品的噪音高出很多。经过多年来的深入研究，主要是磁密选取比同容量变压器要低一些就能够降低铁芯电抗器的噪声。目前生产的单台容量小于10000kvar的铁芯电抗器噪声都能够控制在60dB以下，减少噪声污染。
空心电抗器是一个经树脂浸润，后整体固化的线圈，由于没有铁芯、连接部件少、结构整体性好，因此噪声比同容量的铁芯产品要低。
6 磁污染
铁芯电抗器，铁芯结构采用强力压紧措施，磁力线被密闭在铁芯闭合回路中，漏磁少，对周围不会产生电磁污染，不会影响其它设备的正常工作。
空心电抗器，线圈磁力线经空间形成一个闭合回路，设备本体周围存在强磁场，电磁污染近距离较强。按照设计规范、管理规定，在距离电抗器中心为2倍直径的周边及垂直位置内，不得有金属环存在，电抗器中心对侧面的铁磁性构件距离，不宜小于电抗器直径的1.1倍，电抗器相互之间的中心距离，不宜小于电抗器直径的1.7倍。由于空心电抗器对外界磁场干扰严重，尤其对计算机监控和继电保护等电气二次弱电设备影响较大，尽量远离居民区，高层建筑，特别是电子产品使用较多的控制中心。
7 维护
铁芯电抗器，安装简便，产品维护量较少，基本免维护，长期不用，再次投运时，只需清理一下表面的灰尘即可，表面没有受损即可投运。
空心电抗器，由于有漏磁现象，一般安装于户外，户外产品由于长时间的日晒雨淋，个别产品会出现油漆脱落，表面绝缘易老化，影响到本体绝缘，容易出现匝间击穿短路故障，有时需要重新涂刷防护漆（每三至五年需涂刷一次防紫外线憎水性RTV有机硅涂料），相对铁芯电抗器维护成本较高。
8 常见故障
铁芯电抗器运行中发生的故障多为交流电引起的振动，造成各紧固件松动发出噪声，一般只需对紧固件进行必要的检查，更换绝缘垫片，重新加固。还有铁芯电抗器在制造过程中，气隙分布不合理，各紧固件夹紧力度不均匀，材料选择不匹配等，容易出现局部温升过高，甚至出现烧损的现象。
空心电抗器运行中发生的故障主要是在制造过程中线圈绝缘密封不好、不均匀，层间和匝间绝缘被击穿，造成匝间短路。其主要原因是由于材料选择不当，各部件接触不良，形成局部温升过高，产生电弧放电，绝缘损坏被击穿；线圈被雨淋时包封表面爬电、系统过电压等。
9 其它
铁芯电抗器一般是同容量空心电抗器重量的2.5倍以上，由于本体结构、绝缘材料和导线材料的选取不同，价格大约是2.5～3.5倍，但使用寿命要比空心电抗器长很多。铁芯电抗器一般只能做到35kV电压等级，如果再做到更高的电压等级，则成本将会增加很多，性价比不高。
空心电抗器为多支路并联结构，不受空间和体积的影响，增加线圈高度，增大容量，或采用多线圈串联分级绝缘结构，将空心电抗器做到110kV及以上电压等级。
10 结束语
电抗器的电磁计算、结构设计较简单，生产厂家较多。但在如何避免局部温升过高，铁芯电抗器噪声控制技术，磁场分布分析等方面需要特殊的仿真软件、设计方法与工艺处理。而一般的小型企业此方面的工艺制造经验和设计分析能力不足，虽然产品的外观与正规企业的区别不大，但其内在设计和材料选用的质量却无法保证，因此建议尽量选用有较多生产经验的大型名牌企业。
铁芯电抗器在价格上比空心电抗器高，虽然初期投入高，但铁芯电抗器的事故和故障率要比空心电抗器低，具有高可靠性、占地面积小、损耗小和长期运行成本低等优点。铁芯电抗器的综合运行成本优于空心电抗器。