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張鵬寧 李 琳 聶京凱 樊 超 程志光

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170549

1導(dǎo)語

鐵心磁致伸縮效應(yīng)與繞組受力是高壓并聯(lián)電抗器振動的主要原因。本文基于晶粒取向型硅鋼片的磁致伸縮產(chǎn)生機理，將鐵心磁致伸縮本質(zhì)模型及Jiles磁致伸縮模型與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明本質(zhì)計算模型能準(zhǔn)確地模擬硅鋼片的磁致伸縮應(yīng)變。在確定磁致伸縮本質(zhì)計算模型有效性的基礎(chǔ)上，用多物理場仿真軟件COMSOL建立了一臺額定電壓10.5 kV，容量為30 000 kVar高壓并聯(lián)電抗器本體結(jié)構(gòu)的時諧磁場和結(jié)構(gòu)力場計算模型。從磁-機械場耦合的角度分析高壓并聯(lián)電抗器鐵心振動與繞組受力特性，并研究具有不同楊氏模量的氣隙墊塊對并聯(lián)電抗器鐵心振動的影響。

2研究背景

隨著我國跨區(qū)域長距離輸電工程建設(shè)的發(fā)展以及輸電網(wǎng)電壓等級不斷增大，使用高壓并聯(lián)電抗器補充線路上的充電功率來抑制線路過電壓的需求越來越多。但高壓并聯(lián)電抗器運行過程中產(chǎn)生很大的振動與噪聲，不僅影響周圍居民的生活質(zhì)量，也會導(dǎo)致電抗器緊固件松動以及加速構(gòu)件老化，極端情況下可引起設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障。因此對于高壓并聯(lián)電抗器本體振動的研究具有重要的工程實用價值。

3論文的方法及創(chuàng)新點

利用本質(zhì)模型和Jiles模型對磁致伸縮值進行計算，對比計算值與實驗值如圖1所示，本質(zhì)模型在兩種應(yīng)力作用下的結(jié)果與實驗測量的磁致伸縮結(jié)果均具有較好的吻合度，但Jiles計算模型在應(yīng)力為0時與實際測量數(shù)據(jù)相差較大。通過比較Jiles計算模型與本文中的本質(zhì)模型，Jiles計算模型中磁化強度的平方項與四次方項系數(shù)均為應(yīng)力的線性函數(shù)，這相當(dāng)于將非線性函數(shù)近似于線性函數(shù)的簡化，而本質(zhì)模型結(jié)合飽和壁移磁化強度這一參數(shù)，相比于Jiles模型更加準(zhǔn)確。

圖1 本質(zhì)模型及Jiles模型與實驗數(shù)據(jù)對比

高壓并聯(lián)電抗器本體結(jié)構(gòu)由鐵心、鐵心餅、繞組、氣隙墊塊以及拉桿組成，其三維仿真模型如圖2所示。為減小中部鐵心的振動，實際高壓并聯(lián)電抗器中部鐵心具有施加預(yù)緊力的拉桿。鐵心柱氣隙較多，并采用硬度較高的大理石作為氣隙墊塊材料。氣隙墊塊呈圓形分散均勻排布在鐵心餅之間，分布如圖3所示。為簡化模型，仿真中通過等效受力面積原則把兩個鐵心餅之間的大理石墊塊等效成一整塊氣隙墊，這樣的簡化可能對計算精度有一定影響，但大幅減少計算時間。

圖2 高壓并聯(lián)電抗器三維仿真模型及點分布

圖3 鐵心餅之間氣隙墊塊分布

從圖4可以看出，中部鐵心的磁通密度由兩端向中部減小，點4磁通密度峰值約1.3 T，點4處的主應(yīng)變畸變十分嚴(yán)重，點5與點6的主應(yīng)變具有一定畸變，但畸變較小，基本呈磁通密度周期的兩倍變化，這是由于點4的磁化強度遠大于 ，磁化強度的4次項對波形畸變影響很大。

圖4 中部鐵心點4的磁通密度與主應(yīng)變

繞組四個點振動主應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，通過繞組不同位置的主應(yīng)變可以看出繞組振動很大，有的位置甚至比鐵心振動還劇烈，這主要由于繞組整體剛度相對鐵心小很多，因此在自身受力以及鐵傳心遞的磁致伸縮力下應(yīng)變較大。由上述繞組漏磁通及所受電磁力分析可知，高壓并聯(lián)電抗器鐵心的漏磁與繞組受力很大，此時的繞組受力對高壓并聯(lián)電抗器整體振動的影響不容忽略。

圖5 繞組不同位置的主應(yīng)變

4結(jié)論

通過對高壓并聯(lián)電抗器漏磁場分布、鐵心和繞組受力進行分析，得出如下結(jié)論：

1）硅鋼片磁致伸縮本質(zhì)模型與試驗數(shù)據(jù)的吻合度比Jiles模型好，同時本質(zhì)模型具有相應(yīng)磁致伸縮的物理意義，因此能較好地模擬磁致伸縮效應(yīng)引起的鐵心振動。

2）通過仿真計算得出鐵心拐角處及中部鐵心兩端振動較大，主應(yīng)變隨鐵心磁通密度的變化符合微觀振動機理。

3）高壓并聯(lián)電抗器的漏磁及繞組受力很大，繞組受力引起的振動不能忽略。

4）氣隙墊塊的楊氏模量大小對高壓并聯(lián)電抗器鐵心振動影響很大，因此選取較高楊氏模量的氣隙墊塊也是有效降振的措施。

本文引用

張鵬寧, 李琳, 聶京凱, 樊超, 程志光. 考慮鐵心磁致伸縮與繞組受力的高壓并聯(lián)電抗器振動研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(13): 3130-3139.

Zhang Pengning, Li Lin, Nie Jingkai, Fan Chao, Cheng Zhiguang. Study on the Vibration of High Voltage Shunt Reactor Considering of Magnetostriction and Winding Force[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3130-3139.

作 者 簡 介

李琳  男，1962年生，現(xiàn)為華北電力大學(xué)電氣學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主要科研方向為先進輸變電技術(shù)、電氣絕緣與電磁環(huán)境。作為負(fù)責(zé)人和主研人完成包括國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、國家電網(wǎng)公司項目在內(nèi)的多項科研項目，內(nèi)容涉及直流偏磁對電力變壓器的影響、特高壓換流變壓器電場分析、特高壓可控并聯(lián)電抗器基礎(chǔ)理論、磁性材料高頻磁化與損耗特性、DC/DC變換器與電力電子變壓器中高頻變壓器精細化設(shè)計理論與方法、復(fù)雜媒質(zhì)中瞬態(tài)電磁場快速計算、變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和故障診斷、超特高壓輸電線路雷擊問題、雷擊建筑物的雷電流和空間電磁場分布特性研究等。在《IEEE Trans.on Mag.》、《IEEE Trans.on PWD.》《中國電機工程學(xué)報》、《電工技術(shù)學(xué)報》等國際、國內(nèi)著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文80多篇，其中多篇論文被SCI,EI收錄。

張鵬寧  男，1991年生，博士研究生，研究方向為變壓器與電抗器振動噪聲研究。