并联电抗器等效模型的振动噪声特性试验研究
保定天威保变电气股份有限公司、河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室（筹）、国网浙江省电力公司的研究人员常晨、刘兰荣等，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文，基于等效模型对并联电抗器的振动和噪声特性展开研究，在不同预压力和电压下进行振动和噪声多次试验，并得出相应分析结果，有助于并联电抗器减振降噪、优化设计以及建模仿真等方面的工程应用。
大型油浸间隙铁心式并联电抗器近年来得到了较广泛的应用。该类型电抗器产品容量较大、铁心柱存在大量气隙，故其振动噪声问题更加突出和复杂。为深入产品优化设计和仿真模拟计算，有必要对并联电抗器的振动与噪声特性开展相关的试验研究。
1 振动噪声关键影响因素
目前，大多数油浸间隙铁心式并联电抗器都是由图1结构组成、由拉螺杆压紧装置紧固的。并联电抗器振动和噪声的产生原因有很多方面，主要包括铁心材料的磁致伸缩、铁心饼间的电磁力和绕组的洛伦兹力。
在铁心磁通密度不变的情况下，当铁心的预紧力改变时，铁磁材料在应力下的磁致伸缩即产生相应的变化，如图2试验研究结果——磁通密度1.7T时各类材料磁致伸缩峰峰值在应力影响下的变化曲线所示。同时预紧力的改变，也导致铁心气隙垫块压缩形变量的改变，两铁心饼间在相同电磁力作用下的振动位移量随之变化。铁心预紧力失效时，紧固铁心的结构容易发生松动，使振动和噪声加剧。
图1 并联电抗器结构示意图
铁心磁通密度的改变能直接导致铁心材料的磁致伸缩、铁心饼间的电磁力以及绕组的洛伦兹力的变化，铁心磁密对电抗器振动噪声的影响十分显著。通常，铁心电抗器的磁密每增加0.1T，噪声约增加2～3dB。
图2 铁磁材料磁致伸缩在磁密=1.7T时随应力变化的曲线（2016年IEEE会议卡迪夫大学测量试验结果）
2 电抗器模型的试验研究
2.1 电抗器等效试验模型
为满足对油浸间隙铁心式并联电抗器振动噪声特性的研究需要，需针对不同磁密、不同预压力的各种工况条件下开展试验。在结构形式、磁场分布与场量、材质与工艺等方面，以等效设计的原则研制了并联电抗器的试验模型，如图3所示。
图3 电抗器等效试验模型的工作场景
相对大型并联电抗器产品而言，试验模型体积相对较小，重量较轻，便于放置各类检测元件，同时还具备可施加不同工作电压、方便调节铁心预紧力等功能，便于进行反复拆装的试验，基本技术参数见表1。
表1 并联电抗器试验模型基本技术参数
2.2 试验测量的点位布置
1）布置拉螺杆应变测点
在试验模型内部的铁心中心拉螺杆上，在可能产生最大弹性形变的拉螺杆中点位置，分别布置了应变传感器，如图4所示。
图4 在试验模型内部拉螺杆上布置应变传感器
2）布置内部振动测点
在试验模型内部，在反映铁心各部位振动变化特性的心柱、上铁轭、旁轭以及铁心搭接或转角等松散部位上，布置振动测量传感器，如图5所示的中心柱中心铁心饼上表面、上铁轭底部、旁轭的上端和中部等。
图5 内部振动传感器布置示意图
3）布置油箱外表面振动测量点位
为便于记录，将测量布点过程中将试验模型的出线侧记为A面，逆时针依次记录为B、C、D面。油箱外表面振动测点布置，从出线侧A面起始，沿电抗器油箱逆时针一周，避开油箱加强筋和散热器，在油箱高度1/4、1/2、3/4处平均分布测点，如图6所示。其中A、C面各12个，B、D面各9个，共记42个测点。
图6 出线侧A面的振动测量布点示意图
4）布置噪声测量点位
从电抗器出线侧起始，沿电抗器整体（包括散热器）的弦线轮廓线逆时针一周，在油箱1/2高度、距基准发射面0.3m处，平均间隔1m，共布14个噪声测点，如图7所示。
图7 噪声测量布点的俯视示意图
3 模型试验与结果分析（略）
本文针对电抗器产品振动和噪声特性的关键影响因素，即磁通密度和铁心预紧力的研究，在以等效原则研制的并联电抗器试验模型上布置振动测量点，完成了不同激励电压、不同预压力条件下的多次试验，对其试验结果进行了分析研究，主要结论如下。
1）在不同激励电压工况下，对模型内部和油箱表面进行了振动测量，通过试验结果对比分析得出：当模型激励电压升高时，其磁通密度也随之增大，电抗器的振动呈逐渐增大的趋势；电抗器模型内部振动最大值、受激励电压影响振动幅值变化最大的位置为模型铁心饼。
2）开展了模型拉螺杆加压卸压的应变测量试验，有效测得模型拉螺杆实际的应力剩余。设计不同预压力条件的试验，通过试验结果对比分析得出：随模型预压力提高，其振动和噪声水平逐步降低，但预压力继续增大时减振效果呈减弱趋势。
3）通过对模型振动和噪声试验结果进行频谱分析可知，模型的振动和噪声测点的频率是以100Hz为基频，并含有高倍频分量，与电抗器频谱规律一致。
这一系列电抗器模型的试验研究与分析，有利于今后更系统、直观、有效地判断产品在减振降噪措施的效果，对相似结构的油浸间隙铁心式并联电抗器产品的优化设计、仿真计算、故障排查等方面的工程应用具有一定的指导意义。