新型電抗器的設計與仿真研究

郭翔 梅超 阮征 鄒祖嬌

摘 ?要：噪聲問題是限制電抗器在城區室內使用的一個關鍵因素，文章設計一種新型電抗器，其鐵芯由硅鋼片和金屬軟磁粉芯組成，并對其進行有限元電磁場仿真分析，最后根據設計和仿真結果制作一臺樣機，其噪聲測試為54.3dB，低于傳統硅鋼片制備的電抗器。

關鍵詞：電抗器;低噪聲;金屬軟磁粉芯;有限元仿真

中圖分類號：TM47 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）28-0028-05

Abstract： Noise is a key factor restricting reactors application in urban areas. In this paper， a new type of reactor， consisting of silicon steel and soft magnetic powder core， was designed and the electromagnetic field was analyzed by FEM simulation. Based on the design and simulation results， a reactor prototype was manufactured. The testing result indicated that the noise of reactor was 54.3 dB， much lower than that of the reactors with silicon steel core.

Keywords： reactor; low noise; soft magnetic powder core; FEM simulation

1 概述

隨著電力電子技術的高速發展，對電網的電能質量也提出了更高的要求和標準。在電網中，無功補償對電能質量的改善和提高電網的經濟效益起到關鍵的作用，因此無功補償技術一直是電力系統研究的熱點和難點。其中并聯電抗器作為無功補償技術中最為核心的電氣裝置，可以有效地補償輸電線路上的電容效應，并且可以在輕載時吸收無功功率，從而保證電能傳輸的穩定和高效。目前，由于越來越多的城市采用10kV干式鐵芯電抗器作為室內變電站無功補償裝置，這使得電抗器的噪聲問題尤為凸顯，這也大大限制了電抗器在城市中的應用。基于噪聲污染問題，國內學者對此進行了廣泛的研究。華南理工大學韓強教授課題組研究干式變壓器的振動噪聲，首次通過研究干式鐵心并聯電抗器在通電狀態下鐵心和線圈的振動特性，同時研究不同時刻振動噪聲的頻譜特性，深入研究其振動噪聲的根源，并且利用有限元軟件對其進行了驗證。上海交通大學范春菊課題組研究了干式變壓器振動和噪聲形成的機理，并且通過有限元模擬方法計算了10kV干式變壓器的振動模態特性。天津工業大學的楊意妹研究了不同工作狀態下鐵心磁場和振動的數值分析，得到了其磁場、振動的分布情況，其結論可以為減少電抗器振動噪聲的設計提供理論依據和計算方法。哈爾濱工業大學劉驥利用有限元仿真軟件對三相串聯鐵芯電抗器在工頻工作狀態下的磁場分布、鐵芯磁致伸縮位移、鐵餅間的麥克斯韋力位移和聲壓級進行分析研究。從上述分析可以得出，電抗器的噪聲的來源主要集中于鐵芯的振動和硅鋼片的磁致伸縮效應。但是目前在工程領域，應對噪聲污染主要采用的是被動治理措施，通過給電抗器增加隔聲罩或者建立隔音房來達到降低噪聲污染的目的，這種治理方式沒有從根本上解決噪聲問題，并且還額外增加了經濟成本和電抗器的整體體積。隨著軟磁材料不斷發展，磁芯的種類已經不是單單局限于硅鋼片和鐵氧體，非晶材料、納米晶材料和金屬軟磁粉芯已經成為近年來研究的熱點。其中，金屬軟磁粉芯是由鐵系合金粉末以及包覆在磁粉表面的絕緣材料復合而成，這類材料的磁致伸縮系數和磁晶各向異性常數接近零，可以有效解決電抗器中的噪聲問題，并且由于材料中的金屬磁粉被絕緣介質完全包覆，所以可以有效隔絕渦流，使得制備的磁元件在具有高次諧波的電路中仍然保證良好的電氣性能。本文正是基于金屬軟磁粉芯，設計一種新型的低噪聲并聯電抗器，其中電抗器中的鐵芯采用金屬軟磁粉芯和硅鋼片，同時利用ANSYS Maxwell三維有限元仿真軟件對并聯電抗器進行電磁場仿真，研究電抗器電感值、磁通密度分布以及損耗，從而在理論上分析了新型電抗器的磁路結構，最后制作一臺與設計和仿真匹配的并聯電抗器進行損耗與噪聲測試，從而在理論和實際上驗證新型電抗器的可行性，為后續優化設計提供有益的參考。

2 新型并聯電抗器設計

本文設計的三相并聯電抗器的容量為260kVA，輸入電壓為10kV的工頻交流電。其中，磁軛選擇磁導率較高的硅鋼片（0.3mm）作為鐵芯材料，選用有效磁導率為60的金屬軟磁粉芯作為磁柱的材料，從而構成一種具有混合磁路的新型并聯電抗器。其具體參數設計過程如下：

3.1 ANSYS Maxwell有限元仿真原理

Maxwell仿真軟件是美國ANSYS公司推出的一款專業的電磁場仿真軟件，也是目前高校、企業以及科研單位進行電磁場分析的主流軟件。Maxwell仿真軟件是基于有限元的思想，即是把連續的集合結構離散成有限個單元，并在每個單元中設定有限個節點，從而將上述連續的物體轉換成只在節點處相連接的一種集合體，并且選取場函數的節點作為未知量，同時在每個單元中假設一個插值函數以表示單元中場函數的分布規律，再建立求解節點處未知函數有限元方程組，從而將一個連續的無限自由度問題轉換成離散的有限自由度問題。Maxwell軟件包括靜磁場、渦流場、瞬態場等求解模塊，可以用來分析永磁電機、變壓器、傳感器等設備的電磁場，從而實現對于電磁設備仿真和驗證。目前，ANSYS Maxwell仿真軟件憑借其優異的有限元計算能力和多物理場的耦合能力，成為電力電子、汽車、航空航天、電網、核工業、船舶等領域必不可缺的幫手。

3.2 三相并聯電抗器有限元建模

為保證Maxwell有限元仿真結果與實際工況更加接近，本文的三維有限元仿真模型與設計參數按照1：1進行建模，仿真模型見圖1所示，其中圖1（a）是三相并聯電抗器仿真模型圖，圖1（b）是三相并聯電抗器鐵芯及氣隙模型圖。本文的仿真建模基于以下幾點假設：（1）激勵源為正弦變化，未考慮高次諧波對電抗器的影響;（2）鐵芯氣隙墊塊的屬性近似和空氣相同;（3）忽略位移電流的影響。

仿真模型的主要參數為：上下磁軛為1180*200*200mm;磁柱為700*200*200mm，繞組的內徑325mm，外徑440mm;磁芯截面積為336cm2;每柱匝數為1050匝，每個磁柱氣隙長度為46mm，將其分成四個部分添加至磁柱上，在磁柱上的氣隙長度從上到下分別是8mm，12mm，12mm，14mm。

3.3 三相并聯電抗器有限元仿真分析

3.3.1 網格剖分

在Maxwell仿真分析中，網格剖分是其進行求解的基礎，求解結果的準確度取絕于網格數量的多少。所以本文對于三相并聯電抗器網格剖分是基于軟件自適應剖分的基礎上，采用TAU模式作為網格剖分單元，將模型中鐵芯部分進行加密剖分，其剖分設置為最大網格單元的邊長為5mm;由于模型中存在的氣隙可以顯著的影響損耗分布和磁通的走向，并加大電抗器的漏感，所以同樣需要對氣隙進行加密網格剖分，其剖分設置的最大網格單元邊長是0.5mm。網格剖分如圖2所示，圖2（a）是電抗器仿真模型網格剖分圖，圖2（b）是電抗器磁芯和氣隙部分網格剖分加密圖。

3.3.2 電感量分析

三相并聯電抗器的電感值仿真結果如圖3所示，通過對圖3的分析可以知道，隨著外加電壓做正弦變化，電感值經過一個短暫非平衡狀態后，進入到一個穩定變化的狀態，每一相的電感值從0.9810H到1.0953H之間變化，其中A相的平均電感值約為1.0536H，B相的平均電感值約為1.0365H，C相的平均電感值約為1.0290H，三相的平均電感值都在1H附近，所以仿真得到的電感量與設計電感量接近，從而驗證了設計可行性。

3.3.3 感應電流分析

三相電抗器的感應電流如圖4所示，從圖可以看出，三相并聯電抗器感應電流呈現正弦分布，并且每相電流的相位差為120°，A、B、C三相的感應電流有效值分別是14.5576A、14.7111A以及15.1415A，利用Maxwell軟件仿真得到的電流與設計值15A接近，說明設計符合預期要求。

3.3.4 磁通密度分析

由圖4可知，三相電抗器的每相電流之間存在相位差，所以每相電流達到最大值對應的時間不同，本文選取中間柱線圈電流達到最大值的時刻作為研究對象。三相電抗器的磁通密度分布如圖5（a）所示，從圖上可以看出，由于此時中間柱線圈電流相對較大，導致中柱鐵芯呈現較高的磁感應強度，最大值約為0.85T，并且可以清楚看出，上下磁軛處的磁通密度值較低，所以可知，三相電抗器中的磁力線主要集中于中柱和兩側邊柱，而在上下磁軛處分布較少;圖5（b）為三相電抗器磁力線分布圖，其磁力線分布情況與磁通密度分布圖相一致，除此之外，從圖上可以看出磁力線在氣隙處呈現擴散現象，這是由于氣隙屬于非導磁物質，對磁力線無聚集能力，所以會產生漏磁現象，本文采用分布式氣隙設計來代替傳統開集中氣隙的方法，可以有效的降低漏感，并且可以降低磁力線經過繞組產生的渦流損耗。

3.3.5 損耗分析

三相并聯電抗器的鐵芯損耗和銅線損耗如圖6所示，鐵損的平均值為1.0564kW，銅損的平均值為2.6304kW，所以利用Maxwell仿真得到的總損耗為3.6868kW，從損耗仿真數據可以得出，新型三相并聯電抗器的損耗主要集中在繞組上，而鐵芯損耗相對較低。

4 三相并聯電抗器樣機分析

基于設計參數和ANSYSMaxwell有限元仿真分析結果，本文制作一臺容量為260kVA，額定電壓為10kV三相并聯電抗器，并對制作的樣機進行電磁性能和噪聲測試，樣機如圖7所示。當測試的施加電壓為額定電壓10kV條件下，樣機的總損耗為3.7634kW。實測損耗數據與仿真結果相比，發現兩者之間的誤差約為2%左右，說明利用Maxwell仿真軟件得到的損耗結果具有較高的準確度和可靠性，從而也驗證了設計和仿真的合理性。在額定電壓下，樣機的噪聲為54.3dB，而同容量純硅鋼制作的三相并聯電抗器的噪聲一般在70dB左右，說明本文設計的新型三相并聯電抗器可以有效降低噪聲。

5 結束語

綜上所述，為解決電抗器的噪聲問題，使其噪聲等級能夠滿城區室內使用要求，本文設計了一種容量為260kVA，額定電壓為10kV的新型三相并聯電抗器，其鐵芯材料由兩部分組成，磁軛處采用傳統的硅鋼片，三個磁柱使用金屬軟磁粉芯作為鐵芯材料，由于金屬軟磁粉芯具有極低的磁致伸縮系數，所以可以有效減弱電抗器的振動問題，從而降低電抗器的噪聲。針對上述三相并聯電抗器，采用ANSYSMaxwell有限元軟件對其進行電磁場仿真分析，研究電感量、感應電流、磁通密度分布以及損耗對其的影響。最后，基于設計和仿真結果，制作一臺容量為260kVA的三相并聯電抗器，并對其進行電磁性能和噪聲測試，其噪聲為54.3dB，低于傳統的硅鋼鐵芯電抗器，說明使用金屬軟磁粉芯作為電抗器磁芯可以有效降低電抗器的噪聲，為解決干式鐵芯電抗器的噪聲問題提出了一種有益的參考。

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