70基于負超磁致伸縮效應電抗器減振新方法的研究

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實驗室 河北工業大學 電氣工程學院，天津 300130；2.國網山東菏澤供電公司，山東 菏澤 274000)

電抗器是電力系統中必不可少的電氣設備，有限制短路電流，補償系統無功功率以及與其他元件組成濾波電路的作用[1]，但其特殊的鐵心結構使得其振動噪聲比普通電力電抗器嚴重的多[2-3]，振動噪聲不僅威脅電抗器的長期可靠運行，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實意義。

目前，國內對變壓器、電抗器的噪聲抑制多集中在基礎減振。特變電工集團[4]發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]采取加強油箱底部強度，增加千斤頂等措施。韓江桂等[6]提出增加基座的剛度，同時減小彈性聯接的剛度。但這些都屬于基礎加固，并未從根源上降低電抗器的振動。Tong等[7-8]等研究了直流偏磁和阻尼效應對電抗器振動噪聲的影響。丁登偉等[9]研究發現變壓器振動信號的奇偶諧波能量比與電流有關，但并未采取相應的減振措施。Gao等[10-11]對氣隙處采用硬度大的環氧樹脂填充，達到降噪的效果。Ishikawa等[12]提出一種三角型電抗器，通過分散電磁力達到減振的效果，但制作工藝復雜。

本文在工況下對硅鋼樣片和負超磁致伸縮材料的磁特性進行測試，將實驗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-機械耦合數值模型，用數值方法計算電抗器鐵心的振動位移。負超磁致伸縮材料代替環氧玻璃板填充在氣隙處，利用負超磁致伸縮材料產生的機械變形與電抗器本身的振動響應相互抵消的原理減小鐵心振動。通過對比分析兩種不同填充材料下電抗器的振動位移，驗證該方法的有效性，為以后設計低振動的電工設備提供理論支持。

1 磁特性測量

本文首先利用激光磁致伸縮測量系統對硅鋼片進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，此時樣片產生磁致伸縮，反光片將光束反射回激光器，根據反射時間差得到檢測樣片的磁致伸縮形變量；同時，根據不同激勵條件下，不同磁通密度幅值下磁滯回線頂點連線得到樣片在不同激勵條件下的磁化曲線。

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標準，對無取向硅鋼片50WW470進行了測量，得到硅鋼片的基本磁化曲線及磁致伸縮λ與磁場強度的關系，如圖2所示。

1.2 NGMM的磁特性

本文采用的負超磁致伸縮材料Sm-Nd-Fe是一種在磁場的作用下產生巨大伸縮形變的智能材料，具有應變值高、磁導率較低、抗壓能力強、抗拉能力弱的特點。在電抗器運行過程中負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為負超磁致伸縮材料的實物圖，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系

圖3 負超磁致伸縮材料實物圖Fig.3 Physical drawing of NGMM

(a) 基本磁化曲線

(b) 磁致伸縮與磁場的關系

2 電抗器電磁-機械耦合模型

本文所研究的電抗器振動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-機械系統的總能量包括磁場能、應變能、電流位能、磁邊界位能、磁致伸縮能。系統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，能量泛函數是關于磁矢量A和位移矢量u的多元函數，根據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為系數矩陣，包含了磁場和機械場的剛度矩陣；X為未知量列向量，即節點矢量磁位A和振動位移u的未知參數；F為已知的列向量。通過求解式(4)可得到節點矢量磁位A和振動位移u，實現電抗器磁場與機械場的耦合計算。

3 仿真結果與分析

3.1 模型建立

選用一臺干式鐵芯串聯電抗器作為研究對象，電抗器結構如圖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。為了更好的了解電磁力和磁致伸縮效應對電抗器振動的影響，對電抗器鐵心施加不同的載荷即單獨施加麥克斯韋力、磁致伸縮及兩者共同作用，仿真結果如圖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，這是因為鐵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，磁致伸縮效應使鐵心有被拉伸的趨勢，引起鐵芯振動位移最大值為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對電抗器鐵心振動有相互抵消的作用。

3.2 基于NGMM的振動分析

本文將負超磁致伸縮材料填充在鐵心氣隙內，材料的幾何尺寸為厚度：5 mm，截面積：112 cm2。在工程應用中，為了獲得更大的磁致伸縮系數，可根據電抗器中磁場的分布，在制作負超磁致伸縮材料時，使磁致伸縮性能強的方向與電抗器中負超磁致伸縮材料所處位置的磁場強方向一致。根據材料測試可知，磁致伸縮為磁場的函數，并以將測試結果應用于數值計算，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，改進后的電抗器(即用負超磁致伸縮材料Sm-Nd-Fe作為填充物)最大振幅明顯低于傳統型電抗器，改進型電抗器的最大振幅為7.16×10-6m,而傳統型電抗器的振幅為8.26×10-6m，振幅降低了13%以上。為了更好的觀察減振的效果，在測試點的選擇上選取鐵軛正中心點A、拐角B點和鐵心柱點C，如圖4所示。圖8給出了傳統材料下以及采用負超磁致伸縮材料填充鐵心餅氣隙后電抗器正常工作時的振動位移對比圖。

(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，改進后的電抗器振動幅度明顯降低。為了更加直觀地分析電抗器的振動信號，對A點的時域信號進行快速傅里葉變換得到頻域曲線，如圖9所示。

從電抗器振動信號的頻譜可以看出，改進前后電抗器的頻譜曲線變化趨勢幾乎一致，具有相同的振動特征頻率，振動信號主要是100 Hz頻率分量，且100 Hz倍頻成分所占的比重很小。而改進后的電抗器振動幅值明顯下降，對鐵心自身造成的振動達到了一定程度的抑制。通過篩選合適的負超磁致伸縮材料和結構的優化設計可進一步提高電抗器的減振效果。

(a)觀察點A

(b)觀察點B

(c)觀察點C

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

4 結 論

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