基于短接繞組的鐵芯電抗器振動抑制方法與流程

本發明屬于電力設備技術領域，特別涉及一種基于短接繞組的鐵芯電抗器振動抑制方法，可應用在各種電壓等級的鐵芯電抗器的研究、制造和運行中。

背景技術：

電抗器是電感性元件，經常接到電力系統的相與地之間、相與中性點之間，用以吸收電網中的容性無功功率、抑制同步電機在輕載情況下有可能出現的自勵磁現象，削弱遠距離輸電線路在空載和輕載時由于電容效應引起的升壓現象，起到保護和穩定電力系統的功能，是電力系統中不能缺少的電氣設備，它的正常運行關系著電網的穩定性。

隨著電力系統向超高壓、大容量、跨區域、遠距離發展，電抗器得到了更加廣泛的運用。與此同時，由電抗器引起的振動和噪聲問題也越來越引起人們的關注。尤其是對裝設在戶內或人口相對稠密的地方(例如：居民住宅小區及高層建筑的地下室)，對電抗器的振動和噪聲限制的要求就更加嚴格。

鐵芯電抗器因為其工作原理和自身結構的原因，工作時會伴有振動和噪聲，如果振動幅度較大且長時間得不到有效控制，特別是當鐵芯緊固件等松動并隨著器身一起振動時，會導致故障與事故發生。因此改進鐵芯電抗器的設計和對鐵芯電抗器的運行狀態進行實時監測具有重要意義。

對于在交變電磁場中的鐵芯電抗器，鐵芯的磁致伸縮效應和鐵芯餅間相互吸引的麥克斯韋爾力是其產生振動和噪聲的主要原因。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于短接繞組的鐵芯電抗器振動抑制方法，從鐵芯電抗器結構和原理出發，在設計和制造階段，抑制鐵芯電抗器運行中振動，可應用在各種電壓等級的鐵芯電抗器的制造和運行中。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

基于短接繞組的鐵芯電抗器振動抑制方法，在鐵芯電抗器一邊的旁軛上設置短接繞組，當鐵芯電抗器主繞組通過交流電流時，在鐵芯中產生脈振磁通，在短接繞組中感應產生電動勢和電流，短接繞組的電磁過程與短路的變壓器副邊繞組相同，與短接繞組匝鏈的總磁通由穿過短接繞組的磁通與短接繞組中的感應電流產生的磁通疊加而成，穿過短接繞組的磁通在相位上滯后于沒有穿過短接繞組的磁通，鐵芯餅與鐵芯餅之間始終存在著電磁力，從而大大削弱電抗器鐵芯振動和噪聲。

本發明中，短接繞組僅在鐵芯電抗器一邊的旁軛上設置，而不能在兩邊旁軛上均設置。

短接繞組的容量由鐵芯電抗器的容量和鐵芯結構決定，短接繞組的容量隨鐵芯電抗器的容量和鐵芯結構而變，短接繞組的容量應當采用理論計算和實驗測試的方法進行校核，理論計算和實驗測試均可參照副邊短路的變壓器電磁過程的分析方法。

所述短接繞組的參數還包括：匝數N、感應電動勢e_k(其相量為)、電流i_k(其相量為)，感應電動勢e_k的變化規律由下式確定

式中，為的瞬時值表達式，電流由下式確定

式中，R_K為短接繞組的電阻，L_K為短接繞組的電感，ω為交流電壓的角頻率。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

通過理論分析及實驗證實短接繞組對鐵芯電抗器的振動抑制效果明顯。不改變鐵芯電抗器的總體結構。短接繞組對繞組繞制工藝要求較低，易于機械加工。

附圖說明

圖1是并聯電抗器結構示意圖。

圖2是電磁力示意圖。

圖3是短接繞組的設置示意圖。

圖4是磁通相量關系圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。

鐵芯電抗器運行時產生振動噪聲的源頭在于鐵心，鐵心磁路在交流電的作用下，鐵心硅鋼片上受到的電磁力將會使硅鋼片發生復雜的磁致伸縮效應，從而使硅鋼片的尺寸發生微小的變化。如果電抗器的油箱等附件的固有振動頻率和來自鐵心的振動頻率一致時，就會出現共振現象，使電抗器振動加劇，噪聲加大。

電抗器工作時，鐵心中會有磁場流通，由于鐵心餅之間存在氣隙，鐵心餅的上下側面上會產生電磁力，沿著磁場的走向鐵心發生磁致伸縮變形，這兩種電磁激勵使得鐵心產生振動，鐵心振動通過鐵心與油箱之間的固態連接結構以及變壓器油傳遞給油箱，使得油箱也發生振動，鐵心和油箱的共同振動產生了噪聲。電抗器振動噪聲的源頭是電磁力和磁致伸縮變形，振動源是鐵心，噪聲由鐵心和油箱振動產生。

鐵心在磁場的作用下，硅鋼片的尺寸在沿磁力線的方向上要增大，而在垂直于磁力線的方向上尺寸有減小的趨勢，這種尺寸上的變化使鐵心餅在交變的電磁場中進行周期性的振動。圖1是并聯電抗器結構，圖中，鐵芯餅5之間有氣隙墊塊3，鐵芯外有繞組4，電抗器下部設置彈性墊1，上部有壓緊裝置7和蝶簧6，圖中虛線表示外框回路振動的振幅分布2。

磁場單位體積的能量(即能量體密度)為

W_V＝∫HdB

式中，H為磁場強度，B為磁感應強度。在氣隙磁場中

μ₀為氣隙的磁導率。若氣隙的磁感應強度為B₀，氣隙磁場的能量體密度為

鐵心運動距離為dx時，因鐵心運動dx引起的磁場能量變化為

式中，S₀為氣隙磁場的截面積。由能量守恒定律，氣隙磁場能量的改變值就是電磁力F吸引鐵芯移動距離dx所做的功。即

Fdx＝dW_V0

就是

電磁力F為

電抗器的勵磁電流是交變的，所以磁通和磁感應強度也是交變的。設氣隙的磁感應強度為

B₀＝B_msinωt

則電磁力的瞬時值為

式中

是電磁吸力的最大值。可見，電磁吸力的瞬時值由兩部分組成：恒定分量和交變分量，如圖2所示。

電磁力f的方向不變，但它的大小是變動的。當磁通經過零值時，電磁吸力為零；當磁通達到最大值時，吸力也達最大值。且以兩倍的電源頻率在零與最大值之間脈動，鐵心振動加速度是以100Hz為基頻的信號。這種脈動的吸力作用在鐵芯上，使鐵芯產生振動，引起很大噪音，造成工作環境極不安寧，并使鐵心、機械零件以及接觸處磨損，因此必須消除這種現象。

電抗器工作中電磁力和磁致伸縮變形的具體規律難以精確得到，特別是磁致伸縮變形，由于其影響因素眾多，例如：硅鋼片中的磁感應強度，硅鋼片的磁化曲線還有硅鋼片中的應力狀態，電抗器的磁致伸縮變形難以精確衡量。

鐵心是電抗器的振源，結構復雜，主體由硅鋼片疊片壓緊，硅鋼片之間有一些不導磁的微結構，鐵心中的夾件系統焊接諸多鋼板，鐵心與油箱之間的固態連接結構也是多種部件組合的接觸結構，所以鐵心整個結構是非連續均勻的，由多種不同材料的部件接觸壓緊構成，又有較多微結構，其振動特性十分復雜，必須通過理論分析，結合多種試驗測試以及大量的仿真計算來明確鐵心的振動特征并建立有效的振動噪聲分析模型。

對于電抗器振動抑制和噪聲治理，主要從聲源和傳播途徑兩個方面進行研究。前者主要是針對電抗器本體結構進行治理，例如：選用低噪聲電抗器、減小極板間的間隙、增大浸漬劑的粘滯性等，這些方法對振動有抑制作用，但效果有限。從傳播途徑上可以采用隔振、消聲、吸聲以及綜合控制等措施，這些方法都是被動式的振動和噪聲抑制方法，都不能從原理和根本上解決問題。

如圖3所示，在電抗器一邊的旁軛8上設置短接繞組9。當電抗器主繞組10通過交流電流時，在鐵芯11中產生脈振磁通。在短接繞組9中感應產生電動勢和電流短接繞組9的電磁過程與短路的變壓器副邊繞組相同。與短接繞組9匝鏈的總磁通由穿過短接繞組9的磁通(由主繞組中電流產生)與產生的磁通疊加而成

如圖4所示，可見，磁通與沒有穿過短接繞組9的磁通之間形成了一定的相位差也就是穿過短接繞組9的磁通在相位上滯后于沒有穿過短接繞組9的磁通磁通過零瞬間，磁通不為零。因此鐵芯餅與鐵芯餅之間始終存在著電磁力。從而，電抗器鐵芯振動和噪聲就被大大削弱。