基于短接绕组的铁芯电抗器振动抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于短接绕组的铁芯电抗器振动抑制方法，在铁芯电抗器一边的旁轭上设置短接绕组，当铁芯电抗器主绕组通过交流电流时，在铁芯中产生脉振磁通，在短接绕组中感应产生电动势和电流，短接绕组的电磁过程与短路的变压器副边绕组相同，与短接绕组匝链的总磁通由穿过短接绕组的磁通与短接绕组中的感应电流产生的磁通叠加而成，穿过短接绕组的磁通在相位上滞后于没有穿过短接绕组的磁通，铁芯饼与铁芯饼之间始终存在着电磁力，从而大大削弱电抗器铁芯振动和噪声；通过理论分析及实验证实短接绕组对铁芯电抗器的振动抑制效果明显，本发明不改变铁芯电抗器的总体结构，且短接绕组对绕组绕制工艺要求较低，易于机械加工。

说明书

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，特别涉及一种基于短接绕组的铁芯电抗器振动抑制方法，可应用在各种电压等级的铁芯电抗器的研究、制造和运行中。

背景技术

电抗器是电感性元件，经常接到电力系统的相与地之间、相与中性点之间，用以吸收电网中的容性无功功率、抑制同步电机在轻载情况下有可能出现的自励磁现象，削弱远距离输电线路在空载和轻载时由于电容效应引起的升压现象，起到保护和稳定电力系统的功能，是电力系统中不能缺少的电气设备，它的正常运行关系着电网的稳定性。

随着电力系统向超高压、大容量、跨区域、远距离发展，电抗器得到了更加广泛的运用。与此同时，由电抗器引起的振动和噪声问题也越来越引起人们的关注。尤其是对装设在户内或人口相对稠密的地方(例如：居民住宅小区及高层建筑的地下室)，对电抗器的振动和噪声限制的要求就更加严格。

铁芯电抗器因为其工作原理和自身结构的原因，工作时会伴有振动和噪声，如果振动幅度较大且长时间得不到有效控制，特别是当铁芯紧固件等松动并随着器身一起振动时，会导致故障与事故发生。因此改进铁芯电抗器的设计和对铁芯电抗器的运行状态进行实时监测具有重要意义。

对于在交变电磁场中的铁芯电抗器，铁芯的磁致伸缩效应和铁芯饼间相互吸引的麦克斯韦尔力是其产生振动和噪声的主要原因。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于短接绕组的铁芯电抗器振动抑制方法，从铁芯电抗器结构和原理出发，在设计和制造阶段，抑制铁芯电抗器运行中振动，可应用在各种电压等级的铁芯电抗器的制造和运行中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于短接绕组的铁芯电抗器振动抑制方法，在铁芯电抗器一边的旁轭上设置短接绕组，当铁芯电抗器主绕组通过交流电流时，在铁芯中产生脉振磁通，在短接绕组中感应产生电动势和电流，短接绕组的电磁过程与短路的变压器副边绕组相同，与短接绕组匝链的总磁通由穿过短接绕组的磁通与短接绕组中的感应电流产生的磁通叠加而成，穿过短接绕组的磁通在相位上滞后于没有穿过短接绕组的磁通，铁芯饼与铁芯饼之间始终存在着电磁力，从而大大削弱电抗器铁芯振动和噪声。

本发明中，短接绕组仅在铁芯电抗器一边的旁轭上设置，而不能在两边旁轭上均设置。

短接绕组的容量由铁芯电抗器的容量和铁芯结构决定，短接绕组的容量随铁芯电抗器的容量和铁芯结构而变，短接绕组的容量应当采用理论计算和实验测试的方法进行校核，理论计算和实验测试均可参照副边短路的变压器电磁过程的分析方法。

所述短接绕组的参数还包括：匝数N、感应电动势e_k(其相量为)、电流i_k(其相量为)，感应电动势e_k的变化规律由下式确定

式中，为的瞬时值表达式，电流由下式确定

式中，R_K为短接绕组的电阻，L_K为短接绕组的电感，ω为交流电压的角频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过理论分析及实验证实短接绕组对铁芯电抗器的振动抑制效果明显。不改变铁芯电抗器的总体结构。短接绕组对绕组绕制工艺要求较低，易于机械加工。

附图说明

图1是并联电抗器结构示意图。

图2是电磁力示意图。

图3是短接绕组的设置示意图。

图4是磁通相量关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

铁芯电抗器运行时产生振动噪声的源头在于铁心，铁心磁路在交流电的作用下，铁心硅钢片上受到的电磁力将会使硅钢片发生复杂的磁致伸缩效应，从而使硅钢片的尺寸发生微小的变化。如果电抗器的油箱等附件的固有振动频率和来自铁心的振动频率一致时，就会出现共振现象，使电抗器振动加剧，噪声加大。

电抗器工作时，铁心中会有磁场流通，由于铁心饼之间存在气隙，铁心饼的上下侧面上会产生电磁力，沿着磁场的走向铁心发生磁致伸缩变形，这两种电磁激励使得铁心产生振动，铁心振动通过铁心与油箱之间的固态连接结构以及变压器油传递给油箱，使得油箱也发生振动，铁心和油箱的共同振动产生了噪声。电抗器振动噪声的源头是电磁力和磁致伸缩变形，振动源是铁心，噪声由铁心和油箱振动产生。

铁心在磁场的作用下，硅钢片的尺寸在沿磁力线的方向上要增大，而在垂直于磁力线的方向上尺寸有减小的趋势，这种尺寸上的变化使铁心饼在交变的电磁场中进行周期性的振动。图1是并联电抗器结构，图中，铁芯饼5之间有气隙垫块3，铁芯外有绕组4，电抗器下部设置弹性垫1，上部有压紧装置7和蝶簧6，图中虚线表示外框回路振动的振幅分布2。

磁场单位体积的能量(即能量体密度)为

W_V＝∫HdB

式中，H为磁场强度，B为磁感应强度。在气隙磁场中

μ₀为气隙的磁导率。若气隙的磁感应强度为B₀，气隙磁场的能量体密度为

铁心运动距离为dx时，因铁心运动dx引起的磁场能量变化为

式中，S₀为气隙磁场的截面积。由能量守恒定律，气隙磁场能量的改变值就是电磁力F吸引铁芯移动距离dx所做的功。即

Fdx＝dW_V0

就是

电磁力F为

电抗器的励磁电流是交变的，所以磁通和磁感应强度也是交变的。设气隙的磁感应强度为

B₀＝B_msinωt

则电磁力的瞬时值为

式中

是电磁吸力的最大值。可见，电磁吸力的瞬时值由两部分组成：恒定分量和交变分量，如图2所示。

电磁力f的方向不变，但它的大小是变动的。当磁通经过零值时，电磁吸力为零；当磁通达到最大值时，吸力也达最大值。且以两倍的电源频率在零与最大值之间脉动，铁心振动加速度是以100Hz为基频的信号。这种脉动的吸力作用在铁芯上，使铁芯产生振动，引起很大噪音，造成工作环境极不安宁，并使铁心、机械零件以及接触处磨损，因此必须消除这种现象。

电抗器工作中电磁力和磁致伸缩变形的具体规律难以精确得到，特别是磁致伸缩变形，由于其影响因素众多，例如：硅钢片中的磁感应强度，硅钢片的磁化曲线还有硅钢片中的应力状态，电抗器的磁致伸缩变形难以精确衡量。

铁心是电抗器的振源，结构复杂，主体由硅钢片叠片压紧，硅钢片之间有一些不导磁的微结构，铁心中的夹件系统焊接诸多钢板，铁心与油箱之间的固态连接结构也是多种部件组合的接触结构，所以铁心整个结构是非连续均匀的，由多种不同材料的部件接触压紧构成，又有较多微结构，其振动特性十分复杂，必须通过理论分析，结合多种试验测试以及大量的仿真计算来明确铁心的振动特征并建立有效的振动噪声分析模型。

对于电抗器振动抑制和噪声治理，主要从声源和传播途径两个方面进行研究。前者主要是针对电抗器本体结构进行治理，例如：选用低噪声电抗器、减小极板间的间隙、增大浸渍剂的粘滞性等，这些方法对振动有抑制作用，但效果有限。从传播途径上可以采用隔振、消声、吸声以及综合控制等措施，这些方法都是被动式的振动和噪声抑制方法，都不能从原理和根本上解决问题。

如图3所示，在电抗器一边的旁轭8上设置短接绕组9。当电抗器主绕组10通过交流电流时，在铁芯11中产生脉振磁通。在短接绕组9中感应产生电动势和电流短接绕组9的电磁过程与短路的变压器副边绕组相同。与短接绕组9匝链的总磁通由穿过短接绕组9的磁通(由主绕组中电流产生)与产生的磁通叠加而成

如图4所示，可见，磁通与没有穿过短接绕组9的磁通之间形成了一定的相位差也就是穿过短接绕组9的磁通在相位上滞后于没有穿过短接绕组9的磁通磁通过零瞬间，磁通不为零。因此铁芯饼与铁芯饼之间始终存在着电磁力。从而，电抗器铁芯振动和噪声就被大大削弱。