华北电力大学李琳等：考虑铁心磁致伸缩与绕组受力的高压并联电抗器振动研究
张鹏宁 李 琳 聂京凯 樊 超 程志光
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170549
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导语
铁心磁致伸缩效应与绕组受力是高压并联电抗器振动的主要原因。本文基于晶粒取向型硅钢片的磁致伸缩产生机理，将铁心磁致伸缩本质模型及Jiles磁致伸缩模型与实验数据进行对比分析，结果表明本质计算模型能准确地模拟硅钢片的磁致伸缩应变。在确定磁致伸缩本质计算模型有效性的基础上，用多物理场仿真软件COMSOL建立了一台额定电压10.5 kV，容量为30 000 kVar高压并联电抗器本体结构的时谐磁场和结构力场计算模型。从磁-机械场耦合的角度分析高压并联电抗器铁心振动与绕组受力特性，并研究具有不同杨氏模量的气隙垫块对并联电抗器铁心振动的影响。
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研究背景
随着我国跨区域长距离输电工程建设的发展以及输电网电压等级不断增大，使用高压并联电抗器补充线路上的充电功率来抑制线路过电压的需求越来越多。但高压并联电抗器运行过程中产生很大的振动与噪声，不仅影响周围居民的生活质量，也会导致电抗器紧固件松动以及加速构件老化，极端情况下可引起设备发生严重故障。因此对于高压并联电抗器本体振动的研究具有重要的工程实用价值。
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论文的方法及创新点
利用本质模型和Jiles模型对磁致伸缩值进行计算，对比计算值与实验值如图1所示，本质模型在两种应力作用下的结果与实验测量的磁致伸缩结果均具有较好的吻合度，但Jiles计算模型在应力为0时与实际测量数据相差较大。通过比较Jiles计算模型与本文中的本质模型，Jiles计算模型中磁化强度的平方项与四次方项系数均为应力的线性函数，这相当于将非线性函数近似于线性函数的简化，而本质模型结合饱和壁移磁化强度这一参数，相比于Jiles模型更加准确。
图1 本质模型及Jiles模型与实验数据对比
高压并联电抗器本体结构由铁心、铁心饼、绕组、气隙垫块以及拉杆组成，其三维仿真模型如图2所示。为减小中部铁心的振动，实际高压并联电抗器中部铁心具有施加预紧力的拉杆。铁心柱气隙较多，并采用硬度较高的大理石作为气隙垫块材料。气隙垫块呈圆形分散均匀排布在铁心饼之间，分布如图3所示。为简化模型，仿真中通过等效受力面积原则把两个铁心饼之间的大理石垫块等效成一整块气隙垫，这样的简化可能对计算精度有一定影响，但大幅减少计算时间。
图2 高压并联电抗器三维仿真模型及点分布
图3 铁心饼之间气隙垫块分布
从图4可以看出，中部铁心的磁通密度由两端向中部减小，点4磁通密度峰值约1.3 T，点4处的主应变畸变十分严重，点5与点6的主应变具有一定畸变，但畸变较小，基本呈磁通密度周期的两倍变化，这是由于点4的磁化强度远大于 ，磁化强度的4次项对波形畸变影响很大。
图4 中部铁心点4的磁通密度与主应变
绕组四个点振动主应变如图5所示，通过绕组不同位置的主应变可以看出绕组振动很大，有的位置甚至比铁心振动还剧烈，这主要由于绕组整体刚度相对铁心小很多，因此在自身受力以及铁传心递的磁致伸缩力下应变较大。由上述绕组漏磁通及所受电磁力分析可知，高压并联电抗器铁心的漏磁与绕组受力很大，此时的绕组受力对高压并联电抗器整体振动的影响不容忽略。
图5 绕组不同位置的主应变
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结论
通过对高压并联电抗器漏磁场分布、铁心和绕组受力进行分析，得出如下结论：
1）硅钢片磁致伸缩本质模型与试验数据的吻合度比Jiles模型好，同时本质模型具有相应磁致伸缩的物理意义，因此能较好地模拟磁致伸缩效应引起的铁心振动。
2）通过仿真计算得出铁心拐角处及中部铁心两端振动较大，主应变随铁心磁通密度的变化符合微观振动机理。
3）高压并联电抗器的漏磁及绕组受力很大，绕组受力引起的振动不能忽略。
4）气隙垫块的杨氏模量大小对高压并联电抗器铁心振动影响很大，因此选取较高杨氏模量的气隙垫块也是有效降振的措施。
张鹏宁, 李琳, 聂京凯, 樊超, 程志光. 考虑铁心磁致伸缩与绕组受力的高压并联电抗器振动研究[J]. 电工技术学报, 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 简 介
华北电力大学
李 琳 男，1962年生，现为华北电力大学电气学院教授，博士生导师。主要科研方向为先进输变电技术、电气绝缘与电磁环境。作为负责人和主研人完成包括国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、国家电网公司项目在内的多项科研项目，内容涉及直流偏磁对电力变压器的影响、特高压换流变压器电场分析、特高压可控并联电抗器基础理论、磁性材料高频磁化与损耗特性、DC/DC变换器与电力电子变压器中高频变压器精细化设计理论与方法、复杂媒质中瞬态电磁场快速计算、变电站接地网优化设计和故障诊断、超特高压输电线路雷击问题、雷击建筑物的雷电流和空间电磁场分布特性研究等。在《IEEE Trans.on Mag.》、《IEEE Trans.on PWD.》《中国电机工程学报》、《电工技术学报》等国际、国内著名学术刊物上发表论文80多篇，其中多篇论文被SCI,EI收录。
张鹏宁 男，1991年生，博士研究生，研究方向为变压器与电抗器振动噪声研究。