油浸式鐵心電抗器噪聲產(chǎn)生的原因及控制方法

張燕華 吳 鈺 沈鈺偉

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫214112）

關(guān)健詞：電抗器；鐵心；振動；氣隙；噪聲

電抗器的噪聲是衡量電抗器性能指標的極其重要的技術(shù)參數(shù)。電抗器噪聲水平的高低，也自然而然成為衡量電抗器生產(chǎn)制造商設(shè)計能力和制造水平的重要指標之一。因此，許多電抗器生產(chǎn)制造商都在積極采取各種措施，以此來降低電抗器的噪聲。基于本人多年來設(shè)計66kV 及以下電壓等級油浸式串聯(lián)電抗器及并聯(lián)電抗器實際經(jīng)驗撰寫此文，從電抗器本體噪聲產(chǎn)生的機理、影響噪聲的因素以及降低噪聲的措施等幾個方面分別進行簡要的闡述。

1 電抗器本體噪聲產(chǎn)生的機理

1.1 對于帶有氣隙的鐵心電抗器而言，氣隙的磁阻遠大于鐵心的磁阻，繞組產(chǎn)生的主磁通在氣隙中的磁場強度比鐵心餅內(nèi)部的磁場強度大的多，同時能量大部分被存儲在氣隙中。由于主磁通經(jīng)過低磁阻的鐵心餅與高磁阻的間隙這兩種介質(zhì)，鐵心餅之間會產(chǎn)生使磁場能量變小趨勢的吸引力- 麥克斯韋力。該磁引力極大，以BKS-60000/35 油浸式并聯(lián)電抗器為例，磁引力約30 噸/柱。因而，主磁路間隙材料在麥克斯韋力的作用下伸縮而引起電抗器鐵心振動的幅值較大。

1.2 硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心振動。所謂磁致伸縮就是鐵心在被外磁場磁化時，其體積和長度將發(fā)生相應(yīng)的變化。沿磁力線方向硅鋼片的尺寸將增加，而垂直于磁力線方向硅鋼片的尺寸將縮小。磁致伸縮使得鐵心隨勵磁頻率的變化而產(chǎn)生周期性的變化。由于電抗器在額定工作狀態(tài)時，磁路磁通密度通常在0.9T～1.4T 間，遠低于變壓器，因而由磁致伸縮引起的振動幅值較小。

1.3 硅鋼片接縫處和疊片間存在著漏磁產(chǎn)生的磁引力，從而引起鐵心的振動。由于鐵心疊積方式的改進，再加上鐵心柱和鐵軛部固化方式的不斷完善，硅鋼片接縫和疊片間產(chǎn)生的電磁吸引力引起的振動很小。

1.4 當繞組中有電流通過時，負載電流產(chǎn)生的漏磁引起繞組、油箱壁的振動。研究和試驗表明，在0.9T～1.4T磁通密度下，負載電流產(chǎn)生的漏磁引起繞組和油箱壁的振動遠低于鐵心引起的振動，基本上可以忽略。

電抗器本體振動通過鐵心墊腳和絕緣油兩個路徑傳遞給油箱，使油箱振動而產(chǎn)生本體噪聲，并以聲波的形式均勻的向四周發(fā)射，這就是電抗器本體噪聲的機理。磁致伸縮和麥克斯韋力的變化周期是電源頻率的半個周期，所以磁致伸縮和麥克斯韋力引起的電抗器本體振動噪聲，是以2 倍的電源頻率為其基波頻率。

2 影響電抗器本體噪聲的因素

2.1 鐵心的磁引力對噪聲的影響

間隙材料的伸縮問題。彈性模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標，其值越大，在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。在磁引力的作用下，變形越小，振動也越小。

2.2 鐵心的磁致伸縮對噪聲的影響。磁致伸縮以ε[7]表示，它等于勵磁時硅鋼片片長的增量ΔL與片長L之比，即

ε=ΔL/L

試驗研究表明，硅鋼片的磁致伸縮ε 與硅鋼片的材質(zhì)、表面絕緣涂層、含硅量、勵磁時磁通密度、機械應(yīng)力、退火溫度、退火工藝等有關(guān)。

2.3 鐵心的幾何尺寸對噪聲的影響。鐵心勵磁時產(chǎn)生的噪聲除了與硅鋼片的磁致伸縮ε 及磁引力有關(guān)，還與鐵心的結(jié)構(gòu)，幾何尺寸及重量有關(guān)也和鐵心的轉(zhuǎn)角位置的接縫方式、搭接面積等有關(guān)。鐵心磁通密度不變時，可以從噪聲的觀點來確定鐵心最佳幾何尺寸、接縫方式及搭接面積。

3 降低電抗器本體噪聲的措施

本文以三相“一”字型油浸式鐵心電抗器為例，對設(shè)計中主要采用的控制振動，降低噪聲的方法進行說明（見圖1）。

圖1 三相電抗器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 提高氣隙間隔片的硬度。如上所述，鐵心電抗器的振動主要來源于主磁路間隙材料在麥克斯韋力作用下伸縮而引起的振動。通過提高氣隙間隔片的硬度，來提高彈性模量。減少在磁引力下的彈性形變，進而減少振動。按照產(chǎn)品類型及容量不同，可采用環(huán)氧玻璃布板、大理石、瓷墊片等材料。

3.2 鐵心最優(yōu)化壓緊力。硅鋼片表面有絕緣層，對硅鋼片有一定應(yīng)力。當緊固力方向與硅鋼片磁通方向一致時，緊固力越大，越會破壞硅鋼片本身特性，使得磁致伸縮振動變大（見圖2）。而鐵心餅間的磁引力引起的振動需要在軸向采用遠大于其磁引力的緊固力進行強力緊固，來減少磁引力引起的振動（見圖3）。兩者正好相反，因而需要通過驗證得出振動最小時的最優(yōu)化緊固力（見圖4）。

圖2 鐵心緊固力- 磁致伸縮振動

圖3 鐵心緊固力- 磁引力振動

圖4 最優(yōu)緊固力

3.3 鐵心柱穿心螺桿的結(jié)構(gòu)。鐵心柱由帶有氣隙的鐵心餅疊積而成，中間由穿心螺桿經(jīng)過上下鐵軛強力緊固。由于鐵心柱在強大的磁引力作用下，長期處于振動狀態(tài)，在運行過程中緊固螺母可能會出現(xiàn)松動而造成噪聲上升。所以，在設(shè)計中采用防松壓緊結(jié)構(gòu)（見圖1），以保證鐵心柱在長期運行保持中恒壓狀態(tài)。

3.4 降低鐵心的磁通密度

對于帶有氣隙的鐵心電抗器來說，磁引力是產(chǎn)生鐵心振動的主要原因。磁引力F∝B2A，當鐵心餅面積A一定時，磁引力F 與磁通密度B的平方成正比；降低磁通密度，磁引力減小，振動減少。試驗表明，磁通密度下降0.1T，噪聲降低2～3dB。

值得注意的是，磁通密度的降低會導(dǎo)致電抗器的體積和重量的增加，使經(jīng)濟性變差。同時由于體積及重量的增加，噪聲將會增大，當鐵心重量增加一倍時，噪聲將增大約4dB。綜上考慮，設(shè)計規(guī)定磁通密度下降不能超過規(guī)定值的15%。

3.5 選擇磁致伸縮ε 小的優(yōu)質(zhì)硅鋼片

與一般的晶粒取向冷軋硅鋼片相比，在同樣磁通密度下，用高導(dǎo)磁硅鋼片，由于提高了結(jié)晶方位的完整性，改善了絕緣涂層，增強了涂層的抗張能力，從而降低了磁致伸縮ε，進而使鐵芯的噪聲降低。同樣兩臺BKS-60000/35 油浸式鐵心并聯(lián)電抗器，在其他材料、工藝、試驗均不變的情況下，第一臺采用型號為高導(dǎo)磁硅鋼片，第二臺采用型號為普通取向冷軋硅鋼片，噪聲測量結(jié)果分別為64dB和66.3dB。試驗結(jié)果表明，采用高導(dǎo)磁硅鋼片可使得噪聲降低2-3dB。

3.6 選擇合適的硅鋼片與銅線的重量比

在磁通密度不變時，鐵心體積和重量越大，會使噪聲發(fā)射的表面積增大，導(dǎo)致電抗器的噪聲變大。而銅線價格遠高于硅鋼片價格，過度的通過增加銅線用量來減少鐵心重量，進而控制噪聲是不可取的。對于正常噪聲要求的電抗器，硅鋼片與銅線重量的比例控制在3.0～4.0；對于低噪聲電抗器比例控制在3.0 以下。

3.7 降低鐵心縱橫比

鐵心中磁通密度分布存在不均勻性和冷軋硅鋼片磁性能的各向異性，使得鐵心不同位置的振動不均勻。這種不均勻性與鐵心的幾何尺寸相關(guān)。變壓器研究表明，減小鐵心窗高h 與心柱直徑d 的比值，h/d 的值每降低10%，鐵心噪聲將降低5.7dB。公司內(nèi)對于“一”字型三相油浸式鐵心電抗器的鐵心尺寸控制：正常噪聲時，鐵心的高度與長度之比控制在1.5～1.1。在進行低噪聲設(shè)計時，鐵心的高度與長度之比控制在1.1 以下。值得注意的是，鐵心固有頻率與磁致伸縮和麥克斯韋力振動的基頻及二、三、四次高頻的頻帶范圍接近或相等時，將會產(chǎn)生諧振，使噪聲顯著增加。在考慮鐵心縱橫比的同時，要對鐵心的固有頻率進行計算，避開磁致伸縮和麥克斯韋力振動的基頻及二、三、四次的頻帶范圍。

3.8 改進鐵心與箱體間的連接方式：增加箱體的厚度及補強的數(shù)量來降低噪聲

鐵心的振動是通過鐵心墊腳和絕緣油兩個途徑傳遞到油箱，再以箱壁振動的方式均勻的向四周發(fā)射。芯體和箱體可通過蓋板連接，固定在箱體底板上，固體路徑傳遞的振動主要通過蓋板和底板傳遞到油箱。改進鐵心腳部和箱底連接部位的剛性連接方式及增加蓋板和底板的厚度，可以有效減少固體路徑傳遞的振動。在噪聲要求低于60dB時，在墊腳和箱底連接位置放一定厚度的橡膠墊（見圖1），來減少振動，試驗證明，墊橡膠墊后可以使噪聲降低2-3dB。當噪聲要求低于50dB時，要把蓋板和底板厚度增加，起到簡易防音功能。

通過絕緣油傳遞的振動均勻地作用于整個箱壁上，并且油箱內(nèi)的絕緣油與油箱同時振動。因而，為了減少箱壁的振動，可以適量增加箱壁的厚度及補強的數(shù)量來提高整體油箱的剛性。

4 結(jié)論

本文簡要介紹了油浸式鐵心電抗器本體噪聲產(chǎn)生的機理、影響噪聲的因素，并著重從設(shè)計角度介紹了降低噪聲的措施，這些降噪措施在本公司進行過很好的實踐驗證。油浸式鐵心電抗器的噪聲設(shè)計，是該類型電抗器設(shè)計中最難解決的問題之一，希望該文對今后油浸式電抗器噪聲控制起到一個借鑒作用。