(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111683735.5 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 (72)发明人 李庆民　侯启鑫　公衍峰　邹亮　 孙玉鑫　刘青松　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种干式空心电抗器包封径向分层结构多 约束优化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种干式空心电抗器包封径向 分层结构设计多约束优化方法， 根据制造误差和 运输尺寸界限选择层间气道宽度， 降低电抗器包 封整体温升； 同时， 综合等温升法和等电阻电压 法的优点， 提出多约束优化方法， 进一步缩小两 侧包封与中间包封的温差。 以某 ±35kV干式空心 电抗器为例进行径向分层结构设计， 包封热点温 升为50.8℃， 包封温差为23.9℃， 与传统结构相 比包封热点温升下降了22.2℃； 在径向分层结构 设计下， 多约束优化与等 温升法相比包封间温差 降低了19.7％。 本设计方法对降低干式空心电抗 器故障率， 提高干式空心电抗器运行可靠性具有 一定意义。 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 CN 114510821 A 2022.05.17 CN 114510821 A 1.一种干式空心电抗器包封径向分层结构多约束优化设计方法， 其特征在于所述设计 方法包括径向分层结构的空间构型、 等效电路、 多约束优化设计与包封温升校核， 其中： 径向分层结构设计将每个包封内部分层， 各分层部分串联连接， 层间由小尺寸通风气 道进行散热， 径向分层结构如图1所示， 各包封之间有大尺寸通风气道， 包封选用小截面圆 导线多股平行绕制， 通风气道中均有绝缘撑条进行支撑， 通风气道外部用浸渍环氧树脂的 玻璃纤维缠绕严密包封， 包封上下端由铝质星形接线架进行汇流。 此种分层结构 需要在保 证电抗器设计指标下选择合理的层间通风气道宽度， 宽度过小， 虽然 可以增加内部 分层数， 进一步增大各包封有效散热面积， 但撑条型号有限， 提高了制造难度， 增大了制造工艺误 差， 并大大提高了制 造成本； 宽度过大， 增大了电抗器径向分层长度， 使电抗器尺寸极易超 过运输尺寸界限， 不利于运输。 不同型号干式空心电抗器的运输尺寸界限不尽相同， 各包封 分层数因电抗器型号而异， 需要具体型号具体分析。 根据干式空心电抗器径向分层结构设计的空间构型， 以每个包封分两层为例， 其等效 电路如图2所示。 第i个包封的自感被拆分为Li’、 Li”； 第i个包封与和第j个包封的互感被拆 分Mij’、 Mij”， 则第i个包封与其它n ‑1个包封的总互感被拆分为Mni’、 Mni”； 第i个包封的直流 电阻被拆分为Ri’、 Ri”； Ii为第i个包封的电流， U为电抗器的端电压， IN为电抗器的额定电 流。 第i个包封和其它n ‑1个包封的总互感Mni， 满足以下关系式： 根据干式空心电抗器径向分层结构设计的空间结构与等效电路， 多约束优化设计将包 封采用不同设计方法添加 约束条件， 实现降低包封整体温升、 减小包封间温差的目标， 具体 来说就是干式空心电抗器两侧包封采用等电阻电压法设计， 剩余内部包封采用等温升法设 计， 此种优化设计的目的是为了在等温升法的基础上缩小两侧包封与内部包封的温差， 所 以仅最外侧的两个包封采用等电阻电压法进 行设计的温升效果最好。 当采用等电阻电压法 进行设计的外侧包封数量增 加， 会加剧包封温升分布的不均衡。 2.根据权利要求1所述的干式空心电抗器包封径向分层结构多约束优化设计方法， 其 特征在于以某 ±35kV干式空心电抗器为例进行设计， 其额定工频交流为948.93A、 额定电感 67.7828mH、 热点温升限制为88℃、 运输尺寸界限为3.1m ×3.1m×2.4m、 设定包封间气道宽 度为20mm， 考虑制造工艺误差与运输尺寸界 限， 设定层间气道为10mm， 通过流场 ‑温度场耦 合有限元仿 真进行温升校核， 传统结构下采用等温升法设计的包封温升 分布如图3所示， 包 封间温差与包封热点温升分别为41.0℃、 73.0℃， 径向分层结构下采用等温升法设计的包 封温升分布如图4所示， 包封间温差与包封热点温升分别为23.9℃、 50.8℃， 与传 统结构相 比， 径向分层结构使包封热点温升下降了22.2℃； 径向分层结构下采用多约束优化设计的 包封温升分布如图5所示， 包封间温差为19.2℃， 与采用等温升法设计相比有效降低了 19.7％。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114510821 A 2一种干式空心电抗 器包封径向分层结构多约束优化 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于干式空心电抗器理论设计领域， 具体是一种干式空心电抗器包封径向 分层结构设计多约束优化方法。 背景技术 [0002]随着我国大容量和远距离输电工程的兴建， 电网规模日益增大， 电压等级最高可 达±1100kV， 同时， 系统容性无功逐步增加， 非线性负荷激增， 谐波污染日趋严重， 干式空心 电抗器需求不 断增大， 在66kV及以下电压等级的输配电网中使用比例高达70％。 电抗器在 投运后经常出现包封局部温升较高的情况， 这极易使绝缘层不同程度的发生老化， 出现局 部放电、 树枝状放电、 局部烧伤甚至起火等热故障， 从而大大缩短电抗器的使用寿命， 造成 电网不稳定。 以2009 ‑2016年期间广州地区10kV干式空心电抗器的运行故障为例， 电抗器烧 毁故障占比10.61％， 温度及温升超标故 障占比29.17％， 由温度过高导致的绝缘层熔化则 占到13.26％， 超过半数以上的运行故障由局部温度过高直接或间接造成。 因此在设计中避 免干式空心电抗器在运行中出现某个包封过热问题非常重要。 干式空心电抗器自从被提出 至今， 常用设计方法从最初的等电流法， 历经等电密法、 等温升法到目前的等电阻电压法四 度革新， 大多 数方法从改善包封电流分配入手， 通过控制产热来均衡温升 分布， 想要在此角 度继续大幅改善温升存在瓶颈； 目前而言， 采用等电流密度法设计的包封阻性 发热均匀， 但 各包封散热性能不同， 实际包封温升分布不均衡， 且在实际制造中， 完全做到电流密度相等 极为困难； 采用等温升法设计的电抗器温升分布较为均衡， 但因电抗器狭长气道结构对散 热的限制， 导致各包封中上部以及内层包封的温升依然较高； 采用等电阻电压法设计的包 封发热量最小， 但实际包封温升分布最不均衡； 各学者提出 的设计方法虽满足热点温升限 值的要求， 但包封温差仍然较大， 同时， 包封是 由多根导线绕制而成的一体结构， 包封过厚 使其内部区域散热不良、 温升过高， 若改变包封结构， 各学者提出的设计方法可进一步均衡 温升分布。 电抗器的高压大容量化发展对多包封的温升均衡设计提出了更高要求， 现有结 构基于单约束 条件的设计方法已难以满足电抗器散热性能的实际需求， 须发展更有效的电 抗器结构和优化设计方法。 本发明的有益效果为： 通过对所述干式空心电抗器径向分层结 构设计方法的综合分析， 发现本设计方法通过改变结构增大包封的有效散热面积， 从改善 散热的角度减低电抗器整体温升； 同时， 综合等电阻电压法和等温升法的优点， 提出多约束 优化， 缩小包封间温差， 可对干式空心电抗器设计提供一定新的理论支撑 。 发明内容 [0003]鉴于现有技术中的上述问题与缺陷， 本发明的目的是提供一种干式空心电抗器包 封径向分层结构设计多约束优化方法， 本 设计方法根据制造误差和运输尺寸界限选择层间 气道宽度， 提高包封的散热性能， 降低电抗器整体温升； 同时， 综合等温升法和等电阻电压 法的优点， 提出多约束优化方法， 即两侧包封采用等电阻电压法、 剩余内部包封采用等 温升 法联合求解包封电热参数， 进一步缩小两侧包封与中间包封的温差。 通过设计实例验证上说　明　书 1/4 页 3 CN 114510821 A 3