[发明专利]一种无环流空心电抗器的设计方法和无环流空心电抗器

权利要求书

1.一种无环流空心电抗器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、根据电抗器电压等级、电抗率和额定电流，计算所需设计的电抗器理论电感值、绕制时采用的铝扁线横截面尺寸、导线内的电流密度值和包封间气道宽度，确定电抗器的内径、高度和包封数目的取值范围；

步骤二、在步骤一确定的电抗器内径、高度和包封数目的取值范围内选取任一数值，将电抗器内各包封均等效为单匝线圈，建立各包封线圈的串联模型，获得串联等效线圈耦合方程组(1)，进一步获得电抗器等效互感系数及等效匝数的理论计算表达式(2)，确定电抗器等效为单一包封形式的等效匝数；

其中，ω为角频率，单位：弧度/秒；M_ij为各包封间的互感、自感值，i＝1,2…m，j＝1,2…m，当i＝j时为自感值，i≠j时为互感值，单位：毫亨；I_n为额定电流值，单位：安；U_i为各包封分担的电压值，i＝1,2…m，单位：伏；f_ij为各包封间的互感、自感系数，根据互感、自感系数与各包封内的等效匝数即可确定各包封间的互感、自感值；f_e为将多包封电抗器等效为单包封电抗器后的自感系数；L_n为电抗器理论电感值，单位：毫亨；m为包封数目，单位：个；n_e为将多包封电抗器等效为单一包封形式的等效匝数，单位：匝；

步骤三、设定包封初始厚度，通过步骤一获得的铝扁线横截面尺寸及电抗器包封设计高度，确定轴向匝数；通过步骤二获得的等效匝数及轴向匝数，确定电抗器的辐向匝数；

步骤四、结合步骤二得到的电抗器的等效匝数，根据如下公式，获得电抗器的等效损耗；

P_e＝k_pρπD_en_eI_nJ (3)

其中，P_e为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；k_p为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9×10^-8欧·米；D_e为电抗器的等效直径，为电抗器内径和电抗器外径的算术平均值，单位：米；n_e为电抗器等效匝数，单位：匝；I_n为额定电流，单位：安；J为导线内的电流密度值，单位：安/平方米；

步骤五、根据额定电流、铝扁线横截面尺寸、铝扁线内的绕合系数，取整计算得到单匝线内所需的铝扁线数量，并以此确定电抗器星架臂的数量，每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕；

步骤六、根据步骤三获得的电抗器的辐向匝数及步骤五得到的单匝线内所需的铝扁线数量获得电抗器单层结构中缠绕的铝扁线的总数；

步骤七、根据包封等温升时，各包封热负荷相等原则可得：

其中，k_p为包封的附加损耗系数，为1.2；ρ为100℃时铝电阻率，3.9×10^-8欧·米；D_i、D_j分别为第i、j个包封的等效直径，单位：米；H_i、H_j分别为第i、j个包封的高度，单位：米；a_i1、a_i2与a_j1、a_j2分别为第i、j个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k_i1、k_i2与k_j1、k_j2分别为第i、j个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；n_i、n_j分别为第i、j个包封的等效匝数，单位：匝；A_i、A_j分别为第i、j个包封内轴向金属总宽度，单位：米；

各包封内铝扁线的数目应满足公式(7)相同的比例关系，据此获得单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数；

步骤八、根据步骤七中得到单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，重新计算包封厚度，并将新的各包封厚度重复步骤三至步骤八过程，直至两次根据公式(3)计算的电抗器等效损耗的相对误差值小于1％后结束循环，得到各包封的厚度、匝数；

步骤九、根据步骤四中获得的电抗器等效损耗值，根据如下公式获得电抗器的等效温升θ，

其中，P_e为电抗器的等效损耗，单位：瓦特；m为包封数目，单位：个；D_i为第i个包封的等效直径，单位：米；H_i为第i个包封的高度，单位：米；a_i1、a_i2与分别为第i个包封内外表面的散热系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间散热系数与气道宽度，包封高度有关；k_i1、k_i2分别为第i个包封撑条的遮挡系数，最内最外表面无遮挡因此该值为1，中间处包封撑条遮挡系数为0.9；1.35为考虑全部谐波损耗后的修订系数；

判断温升θ是否大于75K，温升θ大于75K时，改变电抗器内径、高度和包封数目，重复步骤二至步骤八，直至温升θ小于75K，得到电抗器的结构尺寸；

步骤十、根据步骤九中确定的电抗器的结构尺寸结合公式(2)，计算得到电抗器的实际电感值，实际电感值与理论电感值相对误差值小于3％时，得出电抗器各设计参数，否则重复步骤二至步骤九，调整电抗器内径、高度、包封数目；所述电抗器的结构尺寸包括内径、高度、包封数目、包封厚度、包封匝数和气道宽度；

步骤十一、根据步骤十最终确定的电抗器的结构尺寸、电抗器星架臂的数量以及单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数，开始缠绕电抗器线圈；每根铝扁线在每个星架臂上独立起绕，设电抗器星架臂的数量为N，每根铝扁线每圈只缠绕N分之一圈便进入下一圈，N根铝扁线恰好按照单层结构中各包封缠绕的幅向铝扁线数缠绕完成单层结构后继续沿反向缠绕下一层结构，直至整个电抗器线圈缠绕完成。