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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(yǔ)

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(dòng)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(jī)理，將鐵心磁致伸縮本質(zhì)模型及Jiles磁致伸縮模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明本質(zhì)計(jì)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(jì)算模型有效性的基礎(chǔ)上，用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL建立了一臺(tái)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(shí)諧磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)力場(chǎng)計(jì)算模型。從磁-機(jī)械場(chǎng)耦合的角度分析高壓并聯(lián)電抗器鐵心振動(dòng)與繞組受力特性，并研究具有不同楊氏模量的氣隙墊塊對(duì)并聯(lián)電抗器鐵心振動(dòng)的影響。

2研究背景

隨著我國(guó)跨區(qū)域長(zhǎng)距離輸電工程建設(shè)的發(fā)展以及輸電網(wǎng)電壓等級(jí)不斷增大，使用高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)充線路上的充電功率來(lái)抑制線路過(guò)電壓的需求越來(lái)越多。但高壓并聯(lián)電抗器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生很大的振動(dòng)與噪聲，不僅影響周圍居民的生活質(zhì)量，也會(huì)導(dǎo)致電抗器緊固件松動(dòng)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(duì)于高壓并聯(lián)電抗器本體振動(dòng)的研究具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

3論文的方法及創(chuàng)新點(diǎn)

利用本質(zhì)模型和Jiles模型對(duì)磁致伸縮值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量的磁致伸縮結(jié)果均具有較好的吻合度，但Jiles計(jì)算模型在應(yīng)力為0時(shí)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相差較大。通過(guò)比較Jiles計(jì)算模型與本文中的本質(zhì)模型，Jiles計(jì)算模型中磁化強(qiáng)度的平方項(xiàng)與四次方項(xiàng)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(jiǎn)化，而本質(zhì)模型結(jié)合飽和壁移磁化強(qiáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)，實(shí)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(jiǎn)化模型，仿真中通過(guò)等效受力面積原則把兩個(gè)鐵心餅之間的大理石墊塊等效成一整塊氣隙墊，這樣的簡(jiǎn)化可能對(duì)計(jì)算精度有一定影響，但大幅減少計(jì)算時(shí)間。

圖2 高壓并聯(lián)電抗器三維仿真模型及點(diǎn)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(diǎn)4磁通密度峰值約1.3 T，點(diǎn)4處的主應(yīng)變畸變十分嚴(yán)重，點(diǎn)5與點(diǎn)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(diǎn)4的磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)大于 ，磁化強(qiáng)度的4次項(xiàng)對(duì)波形畸變影響很大。

圖4 中部鐵心點(diǎn)4的磁通密度與主應(yīng)變

繞組四個(gè)點(diǎn)振動(dòng)主應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，通過(guò)繞組不同位置的主應(yīng)變可以看出繞組振動(dòng)很大，有的位置甚至比鐵心振動(dòng)還劇烈，這主要由于繞組整體剛度相對(duì)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(shí)的繞組受力對(duì)高壓并聯(lián)電抗器整體振動(dòng)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(guò)對(duì)高壓并聯(lián)電抗器漏磁場(chǎng)分布、鐵心和繞組受力進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度比Jiles模型好，同時(shí)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(dòng)。

2）通過(guò)仿真計(jì)算得出鐵心拐角處及中部鐵心兩端振動(dòng)較大，主應(yīng)變隨鐵心磁通密度的變化符合微觀振動(dòng)機(jī)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(dòng)不能忽略。

4）氣隙墊塊的楊氏模量大小對(duì)高壓并聯(lián)電抗器鐵心振動(dòng)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(dòng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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(jiǎn) 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?yàn)橄冗M(jìn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)公司項(xiàng)目在內(nèi)的多項(xiàng)科研項(xiàng)目，內(nèi)容涉及直流偏磁對(duì)電力變壓器的影響、特高壓換流變壓器電場(chǎng)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(xì)化設(shè)計(jì)理論與方法、復(fù)雜媒質(zhì)中瞬態(tài)電磁場(chǎng)快速計(jì)算、變電站接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷、超特高壓輸電線路雷擊問(wèn)題、雷擊建筑物的雷電流和空間電磁場(chǎng)分布特性研究等。在《IEEE Trans.on Mag.》、《IEEE Trans.on PWD.》《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》、《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》等國(guó)際、國(guó)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?yàn)樽儔浩髋c電抗器振動(dòng)噪聲研究。