閆榮格，趙路娜,2，賁 彤， 周 杰

(1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130；2.國網(wǎng)山東菏澤供電公司，山東 菏澤 274000)

電抗器是電力系統(tǒng)中必不可少的電氣設(shè)備，有限制短路電流，補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率以及與其他元件組成濾波電路的作用[1]，但其特殊的鐵心結(jié)構(gòu)使得其振動(dòng)噪聲比普通電力電抗器嚴(yán)重的多[2-3]，振動(dòng)噪聲不僅威脅電抗器的長期可靠運(yùn)行，還造成噪聲污染，因此對鐵心電抗器的減振降噪有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)對變壓器、電抗器的噪聲抑制多集中在基礎(chǔ)減振。特變電工集團(tuán)[4]發(fā)明的三處壓緊裝置并采用鐵心餅真空壓力澆鑄的方法。彭新宏等[5]采取加強(qiáng)油箱底部強(qiáng)度，增加千斤頂?shù)却胧?。韓江桂等[6]提出增加基座的剛度，同時(shí)減小彈性聯(lián)接的剛度。但這些都屬于基礎(chǔ)加固，并未從根源上降低電抗器的振動(dòng)。Tong等[7-8]等研究了直流偏磁和阻尼效應(yīng)對電抗器振動(dòng)噪聲的影響。丁登偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)變壓器振動(dòng)信號的奇偶諧波能量比與電流有關(guān)，但并未采取相應(yīng)的減振措施。Gao等[10-11]對氣隙處采用硬度大的環(huán)氧樹脂填充，達(dá)到降噪的效果。Ishikawa等[12]提出一種三角型電抗器，通過分散電磁力達(dá)到減振的效果，但制作工藝復(fù)雜。

本文在工況下對硅鋼樣片和負(fù)超磁致伸縮材料的磁特性進(jìn)行測試，將實(shí)驗(yàn)得到的材料特性添加到電抗器模型。對電抗器施加不同載荷即單獨(dú)考慮麥克斯韋力、磁致伸縮力及兩者共同作用，建立電抗器電磁-機(jī)械耦合數(shù)值模型，用數(shù)值方法計(jì)算電抗器鐵心的振動(dòng)位移。負(fù)超磁致伸縮材料代替環(huán)氧玻璃板填充在氣隙處，利用負(fù)超磁致伸縮材料產(chǎn)生的機(jī)械變形與電抗器本身的振動(dòng)響應(yīng)相互抵消的原理減小鐵心振動(dòng)。通過對比分析兩種不同填充材料下電抗器的振動(dòng)位移，驗(yàn)證該方法的有效性，為以后設(shè)計(jì)低振動(dòng)的電工設(shè)備提供理論支持。

1 磁特性測量

本文首先利用激光磁致伸縮測量系統(tǒng)對硅鋼片進(jìn)行磁化特性及磁致伸縮特性測試，測試裝置如圖1所示。該裝置工作原理為：激光器(工作頻率為50 Hz，分辨率為10 nm/m)發(fā)射光束到反光片，反光片貼在測試樣片可以自由伸縮的一端，樣片另一端固定，且在樣片長度方向施加磁場，此時(shí)樣片產(chǎn)生磁致伸縮，反光片將光束反射回激光器，根據(jù)反射時(shí)間差得到檢測樣片的磁致伸縮形變量；同時(shí)，根據(jù)不同激勵(lì)條件下，不同磁通密度幅值下磁滯回線頂點(diǎn)連線得到樣片在不同激勵(lì)條件下的磁化曲線。

圖1 磁特性測量裝置Fig.1 Magnetic characteristic measuring device

1.1 硅鋼片的磁特性測量

本文按照2010年國際電工委員會公布的硅鋼片的磁致伸縮特性測量IEC標(biāo)準(zhǔn)，對無取向硅鋼片50WW470進(jìn)行了測量，得到硅鋼片的基本磁化曲線及磁致伸縮λ與磁場強(qiáng)度的關(guān)系，如圖2所示。

1.2 NGMM的磁特性

本文采用的負(fù)超磁致伸縮材料Sm-Nd-Fe是一種在磁場的作用下產(chǎn)生巨大伸縮形變的智能材料，具有應(yīng)變值高、磁導(dǎo)率較低、抗壓能力強(qiáng)、抗拉能力弱的特點(diǎn)。在電抗器運(yùn)行過程中負(fù)磁致伸縮材料始終受到的是相鄰鐵餅之間的擠壓力，故不存在材料的脆性問題。圖3為負(fù)超磁致伸縮材料的實(shí)物圖，其磁化特性和磁致伸縮特性曲線如圖4所示。

(a) 基本磁化曲線

(b) 磁致伸縮與磁場的關(guān)系

圖3 負(fù)超磁致伸縮材料實(shí)物圖Fig.3 Physical drawing of NGMM

(a) 基本磁化曲線

(b) 磁致伸縮與磁場的關(guān)系

2 電抗器電磁-機(jī)械耦合模型

本文所研究的電抗器振動(dòng)主要來源于鐵心材料的磁致伸縮以及鐵心餅之間的電磁力，因此電抗器的電磁-機(jī)械系統(tǒng)的總能量包括磁場能、應(yīng)變能、電流位能、磁邊界位能、磁致伸縮能。系統(tǒng)的能量泛函可表示為

(1)

(2)

式中：E為楊氏模量；α為泊松比；υ為磁阻率，滿足H=υB；J為外電流密度。從式(2)可以看出，能量泛函數(shù)是關(guān)于磁矢量A和位移矢量u的多元函數(shù)，根據(jù)泛函求取極值的條件

(3)

由此形成整體有限元離散方程

SX=F

(4)

式中:S為系數(shù)矩陣，包含了磁場和機(jī)械場的剛度矩陣；X為未知量列向量，即節(jié)點(diǎn)矢量磁位A和振動(dòng)位移u的未知參數(shù)；F為已知的列向量。通過求解式(4)可得到節(jié)點(diǎn)矢量磁位A和振動(dòng)位移u，實(shí)現(xiàn)電抗器磁場與機(jī)械場的耦合計(jì)算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 模型建立

選用一臺干式鐵芯串聯(lián)電抗器作為研究對象，電抗器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 單相鐵心電抗器模型Fig.5 The structure of single phase reactor

從圖5可以看出，電抗器的振動(dòng)主要原因在于氣隙處的電磁吸力和鐵心硅鋼片的磁致伸縮力以及氣隙漏磁引起的旁路效應(yīng)。為了更好的了解電磁力和磁致伸縮效應(yīng)對電抗器振動(dòng)的影響，對電抗器鐵心施加不同的載荷即單獨(dú)施加麥克斯韋力、磁致伸縮及兩者共同作用，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，電磁力使鐵心沿豎直方向有被壓縮的趨勢，這是因?yàn)殍F心餅之間存在的麥克斯韋力總是相互吸引的力，其引起鐵心的最大位移是1.7×10-6m，而鐵心在磁化過程中，沿磁力方向硅鋼片的尺寸要增加，而垂直于磁力線方向的硅鋼片尺寸要縮小，磁致伸縮效應(yīng)使鐵心有被拉伸的趨勢，引起鐵芯振動(dòng)位移最大值為9.52×10-6m，兩者共同作用下鐵心的最大位移是8.26×10-6m。可見電磁力與磁致伸縮效應(yīng)對電抗器鐵心振動(dòng)有相互抵消的作用。

3.2 基于NGMM的振動(dòng)分析

本文將負(fù)超磁致伸縮材料填充在鐵心氣隙內(nèi)，材料的幾何尺寸為厚度：5 mm，截面積：112 cm2。在工程應(yīng)用中，為了獲得更大的磁致伸縮系數(shù)，可根據(jù)電抗器中磁場的分布，在制作負(fù)超磁致伸縮材料時(shí)，使磁致伸縮性能強(qiáng)的方向與電抗器中負(fù)超磁致伸縮材料所處位置的磁場強(qiáng)方向一致。根據(jù)材料測試可知，磁致伸縮為磁場的函數(shù)，并以將測試結(jié)果應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算，得到的位移分布如圖7所示。

從圖6(c)和圖7可以明顯看出，改進(jìn)后的電抗器(即用負(fù)超磁致伸縮材料Sm-Nd-Fe作為填充物)最大振幅明顯低于傳統(tǒng)型電抗器，改進(jìn)型電抗器的最大振幅為7.16×10-6m,而傳統(tǒng)型電抗器的振幅為8.26×10-6m，振幅降低了13%以上。為了更好的觀察減振的效果，在測試點(diǎn)的選擇上選取鐵軛正中心點(diǎn)A、拐角B點(diǎn)和鐵心柱點(diǎn)C，如圖4所示。圖8給出了傳統(tǒng)材料下以及采用負(fù)超磁致伸縮材料填充鐵心餅氣隙后電抗器正常工作時(shí)的振動(dòng)位移對比圖。

(a)麥克斯韋力鐵心位移云圖

(b)磁致伸縮力鐵心位移云圖

(c)兩者共同作用鐵心位移云圖

圖7 NGMM填充的電抗器位移分布Fig.7 Displacement distribution of reactor filled with NGMM

由圖8可知，改進(jìn)后的電抗器振動(dòng)幅度明顯降低。為了更加直觀地分析電抗器的振動(dòng)信號，對A點(diǎn)的時(shí)域信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到頻域曲線，如圖9所示。

從電抗器振動(dòng)信號的頻譜可以看出，改進(jìn)前后電抗器的頻譜曲線變化趨勢幾乎一致，具有相同的振動(dòng)特征頻率，振動(dòng)信號主要是100 Hz頻率分量，且100 Hz倍頻成分所占的比重很小。而改進(jìn)后的電抗器振動(dòng)幅值明顯下降，對鐵心自身造成的振動(dòng)達(dá)到了一定程度的抑制。通過篩選合適的負(fù)超磁致伸縮材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可進(jìn)一步提高電抗器的減振效果。

(a)觀察點(diǎn)A

(b)觀察點(diǎn)B

(c)觀察點(diǎn)C

圖9 不同材料填充的電抗器振動(dòng)頻譜圖Fig.9 Frequency spectrum vibration of reactor filled with different materials

4 結(jié) 論

本文建立考慮磁致伸縮效應(yīng)與電磁力共同作用下電抗器的電磁-機(jī)械耦合數(shù)值模型，通過對電抗器鐵心餅之間填充不同的材料即填充環(huán)氧玻璃板或者NGMM材料，對比分析減振措施實(shí)施前后電抗器鐵心的振動(dòng)位移。研究結(jié)果表明，負(fù)超磁致伸縮材料填充后電抗器的振動(dòng)位移減小了13%。本文提出的基于負(fù)超磁致伸縮材料的減振方法可用于一般電工設(shè)備的低噪聲設(shè)計(jì)階段。