一种确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法和系统

摘要

本发明提供一种确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法和系统。所述方法和系统通过建立并联电抗器的振动仿真实验模型，并计算所述仿真几何模型的铁芯在磁场作用下的磁致伸缩力和电磁作用力，然后采用声振模型，利用铁芯表面的加速度为激励，计算铁芯周围的声场分布，确定所述几何模型周围的平均声压级。所述方法和系统将整个铁芯作为一个整体，对铁芯饼的杨氏模量进行测量来模拟实现铁芯的叠片结构，并且根据测量的磁场与磁致伸缩量的伸缩关系曲线确定铁芯由磁致伸缩引起的预应变，从而更加准确地区分铁芯的磁致伸缩力和电磁力中哪一种力对电抗器的振动噪声影响最大，对于电抗器的本体降噪的理论设计有重要作用。

说明书

技术领域

本发明涉及电工装备领域,并且更具体地，涉及一种确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法和系统。

背景技术

特高压并联电抗器一般接在超特高压输电线路的末端和地之间，主要起无功补偿作用，是特高压变电站安全运行的重要设备之一，同时特高压并联电抗器也是变电站内主要噪声源设备之一。由于特高压并联电抗器的噪声能量主要分布在100Hz为中心频率的1/3倍频带上，约占总声能量的80％，且存在声波干涉的现象，加上电抗器一般布置在靠近围墙的地方，更加容易造成该侧围墙外的厂界噪声超标。特高压并联电抗器由于分段铁芯饼之间存在着交变磁场的吸引力，噪声水平一般比同容量的变压器高出10dB左右。关于并联电抗器铁芯的振动机理研究，对特高压并联电抗器本体降噪技术具有重要意义。

为了降低电抗器的本体噪声，目前主要采用加高围墙和给电抗器加装Box-IN装置等措施来降低变电站厂界噪声[3]。尽管这些措施在一定程度上降低了厂界噪声，但是由于电抗器声能量主要集中在低频段，线谱特征明显，导致这些工程措施效果未达到预期效果。因此迫切需要从本体上降低电抗器的噪声，虽然国内针对本体降噪有一些研究，更多的是从经验上来采取相关措施降低噪声，总体来讲生产厂家都缺少对并联电抗器铁芯振动及传递机制全面细致的研究，从而缺乏相关的优化设计方法。另一方面，目前对于电抗器的仿真计算的精度有待进一步的提高，因此无法满足工程上的精细化设计指导。此外，由于特高压并联电抗器的器身本体体积和重量太大，加上加载的电压和电流参数太高，因此无法采用真型的特高压并联电抗器对理论仿真和计算结果进行实际的实验验证。总的来说，现有技术对并联电抗器的振动噪声计算相对比较多，但是与实际结果的误差相对有点大，还不能精确指导低噪声电抗器的优化设计。

发明内容

为了解决现有技术中对并联电抗器的振动噪声计算误差大，无法精确指导低噪声电抗器优化设计的技术问题，本发明提供一种确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法，所述方法包括：

在预先建立的并联电抗器的1/2几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，预先设置的声传播介质磁导率μ

根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u；

根据所述铁芯振动时的位移u，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

根据所述i点处辐射声源总能量W

根据所述声压级LP

进一步地，所述在预先建立的并联电抗器的1/2几何模型的绕组上加载电压或者电流之前还包括：

建立特高压并联电抗器的1/2几何模型，所述几何模型包括铁轭，铁芯，绕组，大理石垫块，绕组支撑绝缘板，木头垫块，屏蔽层及金属拉杆装置，其中，铁芯和铁轭部分按整体进行建模，铁轭为电抗器提供磁路，让磁力线闭合；铁芯和大理石垫块形成的间隙组成电抗器的电感；大理石垫块采用等面积原则，将实际并联电抗器每层的多个大理石垫块利用一个整体的环形状的大理石垫块代替，用于支撑铁芯，同时为铁芯之间提供空气间隙；绕组支撑绝缘板和木头垫块用于支撑绕组；屏蔽层用于屏蔽磁场在外壳上产生涡流感应；金属拉杆装置用于给由铁芯饼和大理石垫块组成的铁芯柱提供预紧力；绕组忽略实际并联电抗器中绕组线匝的具体结构，按整体尺寸进行建模，并对所述几何模型进行网格划分，划分为T个表面，其中，第j个面的声辐射系数为k

采用脉冲激振法对所述几何模型的铁芯进行测量，确定所述铁芯的杨氏模量E；

采用磁化与磁致伸缩测量系统测量所述几何模型的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁致伸缩曲线，所述磁致伸缩曲线是磁场B

确定所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]；

设置所述几何模型所在位置声传播介质磁导率μ

进一步地，在所述几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，空气磁导率μ

进一步地，根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

ε

进一步地，根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

式中，n表示的磁场法向方向上的向量算子。

进一步地，根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u，其计算公式为：

进一步地，根据所述铁芯振动时的加速度v，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

式中，T表示对所述几何模型进行网格划分时确定的网格数量。

进一步地，根据所述i点处辐射声源总能量W

Lp

进一步地，根据所述声压级LP

式中，N表示到几何模型表面的距离为R

根据本发明的另一方面，本发明提供一种确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的系统，所述系统包括：

第一计算单元，其用于在预先建立的并联电抗器的1/2几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，预先设置的声传播介质磁导率μ

第二计算单元，其用于根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

第三计算单元，其用于根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁导率ν

第四计算单元，其用于根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u；

第五计算单元，其用于根据所述铁芯振动时的位移u，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

第六计算单元，其用于根据所述i点处辐射声源总能量W

第七计算单元，其用于根据所述声压级LP

进一步地，所述系统还包括：

模型建立单元，其用于建立特高压并联电抗器的1/2几何模型，所述几何模型包括铁轭，铁芯，绕组，大理石垫块，绕组支撑绝缘板，木头垫块，屏蔽层及金属拉杆装置，其中，铁芯和铁轭部分按整体进行建模，铁轭为电抗器提供磁路，让磁力线闭合；铁芯和大理石垫块形成的间隙组成电抗器的电感；大理石垫块采用等面积原则，将实际并联电抗器每层的多个大理石垫块利用一个整体的环形状的大理石垫块代替，用于支撑铁芯，同时为铁芯之间提供空气间隙；绕组支撑绝缘板和木头垫块用于支撑绕组；屏蔽层用于屏蔽磁场在外壳上产生涡流感应；金属拉杆装置用于给由铁芯饼和大理石垫块组成的铁芯柱提供预紧力；绕组忽略实际并联电抗器中绕组线匝的具体结构，按整体尺寸进行建模，并对所述几何模型进行网格划分，划分为T个表面，其中，第j个面的声辐射系数为k

第一测量单元，其用于采用脉冲激振法对所述几何模型的铁芯进行测量，确定所述铁芯的杨氏模量E；

第二测量单元，其用于采用磁化与磁致伸缩测量系统测量所述几何模型的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁致伸缩曲线，所述磁致伸缩曲线是磁场B

第一参数单元，其用于确定所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]；

第二参数单元，其用于设置所述几何模型所在位置声传播介质磁导率μ

进一步地，所述第一计算单元在所述几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，空气磁导率μ

进一步地，所述第二计算单元根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

ε

进一步地，所述第三计算单元根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

式中，n表示的磁场法向方向上的向量算子。

进一步地，所述第四计算单元根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u，其计算公式为：

进一步地，所述第五计算单元根据所述铁芯振动时的加速度v，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

进一步地，所述第六计算单元根据所述i点处辐射声源总能量W

Lp

进一步地，所述第七计算单元根据所述声压级LP

式中，N表示到几何模型表面的距离为R

本发明技术方案提供的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法和系统通过建立并联电抗器的振动仿真实验模型，并计算所述仿真几何模型的铁芯在磁场作用下的磁致伸缩力和电磁作用力，然后采用声振模型，利用铁芯表面的加速度为激励，计算铁芯周围的声场分布，确定所述几何模型周围的平均声压级。所述方法和系统对于仿真几何模型中铁芯的杨氏模量不是采用现有技术中的硅钢片的杨氏模量，而是将整个铁芯作为一个整体，对铁芯饼的杨氏模量进行测量来模拟实现铁芯的叠片结构，并且针对铁芯的磁致伸缩特征受其上施加的磁场大小和受的压应力影响大的特点，采用磁致伸缩系统和测量标准对铁芯使用的硅钢片在一定压力和固定磁场作用下的磁致伸缩量进行测量，然后再根据磁场与磁致伸缩量的伸缩关系曲线确定铁芯由磁致伸缩引起的预应变，从而更加准确地区分铁芯的磁致伸缩力和电磁力中哪一种力对电抗器的振动噪声影响最大，对于电抗器的本体降噪的理论设计有重要作用。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法的流程图；

图2为根据本发明优选实施方式的特高压并联电抗器等效缩比模型的示意图；

图3为根据本发明优选实施方式的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的系统的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法的流程图。如图1所示，本优选实施方式所述的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法100从步骤101开始。

在步骤101，建立特高压并联电抗器的1/2几何模型。

图2为根据本发明优选实施方式的特高压并联电抗器等效缩比模型的示意图。如图2所示，所述特高压并联电抗器的1/2几何模型包括铁轭201，铁芯202，绕组203，大理石垫块204，绕组支撑绝缘板205，木头垫块206，屏蔽层207及金属拉杆装置208，其中，铁芯202和铁轭部分201按整体进行建模，铁轭201为电抗器提供磁路，让磁力线闭合；铁芯202和大理石垫块204形成的间隙组成电抗器的电感；大理石垫块204采用等面积原则，将实际并联电抗器每层的多个大理石垫块利用一个整体的环形状的大理石垫块代替，用于支撑铁芯，同时为铁芯之间提供空气间隙；绕组支撑绝缘板205和木头垫块206用于支撑绕组；屏蔽层207用于屏蔽磁场在外壳上产生涡流感应；金属拉杆装置208用于给由铁芯饼202和大理石垫块204组成的铁芯柱提供预紧力；绕组忽略实际并联电抗器中绕组线匝的具体结构，按整体尺寸进行建模，并对所述几何模型进行网格划分，划分为T个表面，其中，第j个面的声辐射系数为k

在步骤102，采用脉冲激振法对所述几何模型的铁芯进行测量，确定所述铁芯的杨氏模量E。现有技术中，一般铁芯的杨氏模量采用的是硅钢片的杨氏模量，但是铁芯为层叠结构，当其作为一个整体考虑的话就不能使用硅钢的杨氏模量，因此首先对铁芯饼的杨氏模量进行测量；然后将铁芯的杨氏模量参数设置为实测的铁芯杨氏模量参数，从而模拟铁芯的叠片结构。

在步骤103，采用磁化与磁致伸缩测量系统测量所述几何模型的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁致伸缩曲线，所述磁致伸缩曲线是磁场B

在步骤104，确定所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]。

在步骤105，设置所述几何模型所在位置声传播介质磁导率μ

在步骤106，在建立的并联电抗器的1/2几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，预先设置的声传播介质磁导率μ

在步骤107，根据所述磁感应强度B，铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

在步骤108，根据所述磁感应强度B，铁芯的杨氏模量E，铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

在步骤109，根据所述电磁作用力F，所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u；

在步骤110，根据所述铁芯振动时的位移u，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

在步骤111，根据所述i点处辐射声源总能量W

在步骤112，根据所述声压级LP

优选地，在所述几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，空气磁导率μ

优选地，根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

ε

优选地，根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

式中，n表示的磁场法向方向上的向量算子。

优选地，根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u，其计算公式为：

优选地，根据所述铁芯振动时的加速度v，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

式中，T表示对所述几何模型进行网格划分时确定的网格数量。

优选地，根据所述i点处辐射声源总能量W

Lp

优选地，根据所述声压级LP

式中，N表示到几何模型表面的距离为R

本优选实施方式中，对一个特高压并联电抗器的一个1/2等效缩比模型按照本申请的方法进行了声场计算。计算得到在电抗器两侧距离器身1.5m平面相同位置处，在6.25MPa作用下的声压级最小分别为82.79dB，实测的结果为81.2dB，误差为1.59dB。计算结果比较接近实测值。

图3为根据本发明优选实施方式的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的系统的结构示意图。如图3所示，本优选实施方式所述的确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的系统300包括：

模型建立单元301，其用于建立特高压并联电抗器的1/2几何模型，所述几何模型包括铁轭，铁芯，绕组，大理石垫块，绕组支撑绝缘板，木头垫块，屏蔽层及金属拉杆装置，其中，铁芯和铁轭部分按整体进行建模，铁轭为电抗器提供磁路，让磁力线闭合；铁芯和大理石垫块形成的间隙组成电抗器的电感；大理石垫块采用等面积原则，将实际并联电抗器每层的多个大理石垫块利用一个整体的环形状的大理石垫块代替，用于支撑铁芯，同时为铁芯之间提供空气间隙；绕组支撑绝缘板和木头垫块用于支撑绕组；屏蔽层用于屏蔽磁场在外壳上产生涡流感应；金属拉杆装置用于给由铁芯饼和大理石垫块组成的铁芯柱提供预紧力；绕组忽略实际并联电抗器中绕组线匝的具体结构，按整体尺寸进行建模，并对所述几何模型进行网格划分，划分为T个表面，其中，第j个面的声辐射系数为k

第一测量单元302，其用于采用脉冲激振法对所述几何模型的铁芯进行测量，确定所述铁芯的杨氏模量E；

第二测量单元303，其用于采用磁化与磁致伸缩测量系统测量所述几何模型的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁致伸缩曲线，所述磁致伸缩曲线是磁场B

第一参数单元304，其用于确定所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]；

第二参数单元305，其用于设置所述几何模型所在位置声传播介质磁导率μ

第一计算单元306，其用于在预先建立的并联电抗器的1/2几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，预先设置的声传播介质磁导率μ

第二计算单元307，其用于根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

第三计算单元308，其用于根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁导率ν

第四计算单元309，其用于根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u；

第五计算单元310，其用于根据所述铁芯振动时的位移u，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

第六计算单元311，其用于根据所述i点处辐射声源总能量W

第七计算单元312，其用于根据所述声压级LP

优选地，所述第一计算单元306在所述几何模型的绕组上加载电压或者电流，根据所述绕组上的电流密度J和电阻率ρ，空气磁导率μ

优选地，第二计算单元307根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯所采用的硅钢片在一定压力下的磁场B

ε

优选地，第三计算单元308根据所述磁感应强度B，预先确定的铁芯的杨氏模量E，预先设置的铁芯的泊松比α，铁芯磁阻率ν

式中，n表示的磁场法向方向上的向量算子。

优选地，第四计算单元309根据所述电磁作用力F，预先确定的所述几何模型的质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，计算所述铁芯振动时的位移u，其计算公式为：

优选地，第五计算单元310根据所述铁芯振动时的加速度v，预先设置的声传播介质的特性阻抗ρc，预先划分的几何模型第j个面的声辐射系数k

优选地，第六计算单元311根据所述i点处辐射声源总能量W

Lp

优选地，第七计算单元根据所述声压级LP

式中，N表示到几何模型表面的距离为R

本发明所述确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的系统通过计算仿真几何模型的铁芯的电磁作用力和磁致伸缩力来确定几何模型周围声压级的步骤与本发明所述确定特高压并联电抗器铁芯振动噪声的方法采用的步骤相同，并且达到的技术效果也相同，此处不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。