干式鐵芯電抗器噪聲分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

田民生

（西安中揚(yáng)電氣股份有限公司，陜西 西安 710077）

干式鐵芯電抗器噪聲分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

田民生

（西安中揚(yáng)電氣股份有限公司，陜西 西安 710077）

干式鐵芯電抗器是高壓電器常用的一種，它由鐵芯和線圈所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，其高性能的可靠性深受各電力系統(tǒng)的認(rèn)可，而且體積小，在戶(hù)內(nèi)就可以使用。干式鐵芯電抗器可以阻礙電容器回路內(nèi)的電流，能和一些電容器相互配合達(dá)到濾波的作用。通過(guò)分析干式鐵芯電抗器的噪聲來(lái)源主要是鐵芯部分，因?yàn)殍F芯部分在工作時(shí)會(huì)因?yàn)榇胖律炜s現(xiàn)象產(chǎn)生很大的噪聲，如何控制產(chǎn)品噪聲主要就體現(xiàn)在如何設(shè)計(jì)和制造鐵芯，如何對(duì)產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)。本文通過(guò)對(duì)干式鐵芯電抗器的結(jié)構(gòu)、工作原理、安裝環(huán)境以及自身缺陷等方面綜合分析，淺析干式鐵芯電抗器發(fā)出噪聲的多重原因，并結(jié)合工作實(shí)踐，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出了具體的方案。

干式鐵芯電抗器；噪聲分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

干式鐵芯由于其自身漏磁量小、體積小節(jié)省空間等原因，在城市電力系統(tǒng)及新能源等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，良好的發(fā)展前景也促使電網(wǎng)系統(tǒng)和生產(chǎn)廠家對(duì)其在系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越關(guān)注，產(chǎn)品的升級(jí)改造隨著在應(yīng)用中出現(xiàn)的各種缺陷而獲得足夠的重視。噪聲就是該類(lèi)產(chǎn)品在應(yīng)用中的一個(gè)重要缺陷，已成為影響電抗器運(yùn)行質(zhì)量最普遍的缺陷之一。因此對(duì)干式鐵芯電抗器產(chǎn)生噪聲的原因進(jìn)行分析具有現(xiàn)實(shí)意義，本文重點(diǎn)進(jìn)行噪聲分析、介紹產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

1 干式鐵芯電抗器噪聲分析

1.1 所用材料本身固有特性及產(chǎn)品固有設(shè)計(jì)要求所致的原因

通過(guò)分析干式鐵芯電抗器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們不難發(fā)現(xiàn)，在干式鐵芯電抗器的相鄰接線柱鐵芯餅之間存在一定寬度的非磁性氣隙（無(wú)氣隙的鐵芯電抗器不在本文的分析范圍內(nèi)），這種氣隙是根據(jù)電抗器的工作原理設(shè)計(jì)的，也是由其電網(wǎng)中的實(shí)際作用所決定的，這種氣隙是必須存在的。因?yàn)殍F芯中氣隙的存在，如果給干式鐵芯電抗器通電，在電磁力的作用下，電抗器的鐵芯會(huì)產(chǎn)生一定量級(jí)的振動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)電抗器鐵芯所采用的材料是硅鋼片，硅鋼片的一大特色就是具有磁致伸縮的特性，由于硅鋼片的磁致伸縮以及鐵芯之間間隙的存在，電抗器置于強(qiáng)大電磁場(chǎng)中時(shí)鐵芯隨著勵(lì)磁頻率的不斷變化而呈現(xiàn)周期性地振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。由此可見(jiàn)，干式鐵芯電抗器本體噪聲的來(lái)源主要是鐵芯。

1.2 產(chǎn)品制造工藝手段不良及材料選擇不當(dāng)引起的噪聲

根據(jù)材料學(xué)的相關(guān)知識(shí)，鐵芯硅鋼片的磁致伸縮是其固有特性，既然選擇硅鋼片作為鐵芯材料，那么硅鋼片這種材料就必然是最合適的，但硅鋼片的磁致伸縮特性就無(wú)法避免，就成為降低電抗器噪聲的難題，雖然硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)我們無(wú)法避免，因此就該想想如何減少這種磁致伸縮作用了。我們都知道硅鋼片的優(yōu)劣不同，其磁致伸縮大小也不同，由此可見(jiàn)選擇做干式鐵芯電抗器的硅鋼片材料的優(yōu)劣程度對(duì)產(chǎn)品的噪聲大小是相關(guān)聯(lián)的，在硅鋼片的選擇上應(yīng)該盡量選擇品質(zhì)比較好、磁致伸縮作用更小的硅鋼片；相柱中的氣隙采用非磁性材料制作成墊塊，氣隙墊塊所用材料也是一個(gè)關(guān)鍵因素，選擇不當(dāng)也會(huì)不利于減弱鐵芯的振動(dòng)；另外，鐵芯餅與氣隙墊塊的加工制作精度、鐵芯柱以及線圈的固定及夾持方式、產(chǎn)品組裝固定的緊固與否，以及其他必要的減振件的設(shè)計(jì)等，都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的噪聲有一定的影響。

1.3 設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的噪聲

除卻電抗器材料選取不當(dāng)造成噪聲之外，干式鐵芯電抗器由于設(shè)計(jì)缺陷本身存在的問(wèn)題也是產(chǎn)生噪聲的重要原因。干式鐵芯電抗器總體結(jié)構(gòu)形式與干式變壓器基本一致，三個(gè)相柱呈“一”字型布置，在容量較小時(shí)問(wèn)題不大，正常工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲比較小，但是在大容量產(chǎn)品或并聯(lián)電抗器時(shí)此種結(jié)構(gòu)形式就存在一定的弊端，產(chǎn)品寬度方向尺寸大，布置結(jié)構(gòu)太松散，不利于起吊、安裝；最關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)件的固定強(qiáng)度相對(duì)會(huì)減弱，易變形，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)就存在這種缺陷，沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改善，而導(dǎo)致產(chǎn)品噪聲產(chǎn)生的幾率較大。干式鐵芯電抗器設(shè)計(jì)時(shí)的磁密度取值是否合理，鐵芯餅的數(shù)量、高度及氣隙的分布是否達(dá)到最優(yōu)，鐵芯相柱以及線圈的直徑設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足電氣性能要求的同時(shí)是否有利于減少振動(dòng)，拉緊螺桿、壓緊裝置的尺寸設(shè)計(jì)及位置布置是否適宜、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)是否因強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求而產(chǎn)生變形等等，也是產(chǎn)品產(chǎn)生噪聲的一些不可忽視的因素。

1.4 安裝、運(yùn)行時(shí)的噪聲

（1）產(chǎn)品安裝時(shí)有固體異物掉入產(chǎn)品內(nèi)部引起的噪聲，由于這種原因產(chǎn)生噪聲的現(xiàn)象非常常見(jiàn)，有時(shí)由于掉入的物件硬度比較大，會(huì)直接損壞電抗器的正常工作狀態(tài)，大大減少電抗器的使用壽命。

（2）產(chǎn)品安裝固定時(shí)緊固件松動(dòng)、安裝基礎(chǔ)不平整等因素產(chǎn)生的噪聲，大多數(shù)場(chǎng)合下，電抗器的安裝環(huán)境是復(fù)雜多變的，可能就會(huì)被安裝在一個(gè)本身有震動(dòng)現(xiàn)象的物體上，如果安裝時(shí)緊固件沒(méi)有緊固好，在外界的震動(dòng)作用下，頻繁的震動(dòng)不但會(huì)使得電抗器產(chǎn)生噪聲，也會(huì)讓電抗器從安裝不牢固的地方產(chǎn)生裂紋。

（3）安裝位置不當(dāng)引起安裝基礎(chǔ)與產(chǎn)品產(chǎn)生共振，如安裝于戶(hù)內(nèi)強(qiáng)度較弱的樓板上、安裝于未有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的配電柜內(nèi)等。

（4）產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)參數(shù)有異常（如電流電壓超標(biāo)、諧波電流大等）或系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇不當(dāng)（如容量不匹配、電抗率選取有誤等）。

2 基于設(shè)計(jì)緣故的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 非磁性氣隙材料的選擇

通過(guò)拆卸各種類(lèi)型的干式鐵芯電抗器，發(fā)現(xiàn)小容量串聯(lián)電抗器在設(shè)計(jì)時(shí)氣隙的高度尺寸一般較小，大多數(shù)情況下均是采用環(huán)氧板做氣隙墊塊即可滿(mǎn)足要求，這種選擇未能充分考慮到產(chǎn)品降噪的要求，這種材料也不是最佳的選擇，大容量串聯(lián)電抗器或并聯(lián)電抗器由于氣隙高度較大，不宜采用環(huán)氧板做氣隙墊塊的材料，如果我們選擇與硅鋼片彈性模量相適應(yīng)的石質(zhì)材料較為合適，另外比較重要的一點(diǎn)就是設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行合理的分布，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的強(qiáng)度核算后再來(lái)設(shè)計(jì)其尺寸大小，以及加工精度的高低。

2.2 相柱的處置方式

相柱就是電抗器本身作為接入三相電的接線柱，為使相柱具有良好的整體性，采取相柱整體澆注是通用的方法，但這樣不利于相柱散熱，如果熱量太大，會(huì)造成電抗器內(nèi)部電阻阻值的改變，降低電抗器的性能。

2.3 緊固方式的設(shè)計(jì)

大容量產(chǎn)品因其總體尺寸較大，壓（拉）緊力要求也較大，普通不銹鋼螺桿強(qiáng)度將不能滿(mǎn)足要求，為兼顧鐵芯電抗器穿芯緊固件不能使用普通鋼緊固件以防止緊固件發(fā)熱，同時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，宜采用高強(qiáng)度無(wú)磁鋼制作拉緊螺桿和其他壓緊件。

2.4 磁通密度的設(shè)計(jì)

磁通密度與聲壓級(jí)一般呈近似線性關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合理的磁通密度。通常情況下，小容量產(chǎn)品的磁通密度可取0.9～1T，大容量及并聯(lián)電抗器的磁通密度應(yīng)取小一些，既能滿(mǎn)足對(duì)損耗的要求，又對(duì)噪聲控制有一定的作用。

2.5 產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

如圖1、圖2所示，干式鐵芯電抗器一般均設(shè)計(jì)成“一”字型結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品在制作方面有一定的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但大容量產(chǎn)品及并聯(lián)產(chǎn)品采用這種結(jié)構(gòu)形式時(shí)，其總體尺寸大、重量重，尤其是寬度尺寸太大，鐵軛及夾件的長(zhǎng)度也相應(yīng)較大，對(duì)尺寸保證、強(qiáng)度要求就會(huì)很高，無(wú)論是在制造廠家還是在安裝現(xiàn)場(chǎng)，吊運(yùn)中難免會(huì)造成產(chǎn)品變形，安裝后產(chǎn)生噪聲的幾率很大。

針對(duì)這些不足，我們對(duì)產(chǎn)品三個(gè)相柱的布置進(jìn)行了改變，將“一”字型布置結(jié)構(gòu)改進(jìn)為“品”字型布置結(jié)構(gòu)形式，這樣的設(shè)計(jì)使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊，整體性更強(qiáng)，產(chǎn)品穩(wěn)定性更好，起吊安裝均較方便。實(shí)測(cè)噪聲及用戶(hù)反饋信息均表明，此結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比于一字型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品噪聲明顯較小，完全滿(mǎn)足電抗器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)及噪聲要求。

圖1 “一” 字型

圖2 “品”字型

3 結(jié)語(yǔ)

干式鐵芯電抗器作為電力系統(tǒng)常用的元件，其產(chǎn)生的任何問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)的安全而言都是重大問(wèn)題，由于電抗器存在噪音問(wèn)題一直未能得到解決，因此本文通過(guò)對(duì)干式鐵芯電抗器的結(jié)構(gòu)、工作原理等方面詳細(xì)的分析研究，剖析導(dǎo)致噪音產(chǎn)生的各種原因，發(fā)現(xiàn)干式鐵芯電抗器噪聲產(chǎn)生的原因大多是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造不當(dāng)而產(chǎn)生的，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲不具有普遍性，屬于異常情況；最后總結(jié)出合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精良的制造手段是減少產(chǎn)品噪聲最有效的辦法。

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[2]周金標(biāo)，常會(huì)軍，楊建立. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償[J]. 2010.31(6)50-52.

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