并聯(lián)電抗器的振動(dòng)分析及控制

許永豐 丁敏

摘 要：并聯(lián)電抗器由于工作原理與設(shè)計(jì)等原因無法完全的規(guī)避其自身的振動(dòng)。這種振動(dòng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中容易造成噪聲污染、設(shè)備的損壞等安全生產(chǎn)事故。文章基于并聯(lián)電抗器的振動(dòng)原理以及其減震的必要性對(duì)不同的減震方案進(jìn)行測(cè)試。并確定不同方式的減震效果。為后續(xù)的研究與實(shí)踐生產(chǎn)中并聯(lián)電抗器的振動(dòng)控制提供理論基礎(chǔ)與實(shí)踐方案。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)電抗器；振動(dòng)原理；減震分析；控制

1 引言

并聯(lián)電抗器是一種重要的電氣設(shè)備，其在電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方面起到至關(guān)重要的作用。由于并聯(lián)電抗器的結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致其在啟動(dòng)與運(yùn)行的過程中產(chǎn)生一定幅度的振動(dòng)，此種振動(dòng)在不加以規(guī)避與控制的情況下容易造成元件鏈接的松動(dòng)、運(yùn)行電阻的增加進(jìn)而造成設(shè)備的過度產(chǎn)熱，在增加了產(chǎn)生生產(chǎn)事故發(fā)生概率的同時(shí)降低了設(shè)備的使用壽命。因此，在實(shí)踐的過程中對(duì)并聯(lián)電抗器的振動(dòng)分析以及控制研究十分必要。

2 并聯(lián)電抗器的振動(dòng)危害及其控制必要性分析

2.1 并聯(lián)電抗器的振動(dòng)原理

在實(shí)踐生產(chǎn)過程中常規(guī)的并聯(lián)電抗器以選擇鐵芯電抗器為主。其振動(dòng)產(chǎn)生的原理主要來源于其結(jié)構(gòu)振動(dòng)。在運(yùn)行的過程中鐵芯部分受到外部磁圈的電流干擾會(huì)產(chǎn)生一定的磁化現(xiàn)象，此種磁化現(xiàn)象的產(chǎn)生是不可避免的。同時(shí)由于其與外部磁圈的磁極相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)與噪聲。此種內(nèi)部振動(dòng)由于鐵芯的固定效應(yīng)會(huì)無損耗的傳導(dǎo)到與之固定的電抗器外殼中去。同時(shí)有研究表明此種振動(dòng)的幅度與鐵芯與磁圈之間的變頻以及電抗器外殼設(shè)計(jì)的本身振動(dòng)頻率相關(guān)。在目前的設(shè)計(jì)中外殼的設(shè)計(jì)能夠有效的規(guī)避此種振動(dòng)帶來的共振效應(yīng)，但是無法削弱磁極振動(dòng)所帶來的振幅增加。與并聯(lián)電抗器運(yùn)行參數(shù)相關(guān)電抗器的振動(dòng)頻率與運(yùn)行電路中交流電變頻頻率呈現(xiàn)2倍的關(guān)系。

綜上所述，并聯(lián)電抗器外殼設(shè)計(jì)無法有效的規(guī)避此種振動(dòng)的存在。

2.2 并聯(lián)電抗器振動(dòng)的危害及其控制必要性

由于并聯(lián)電抗器的振動(dòng)是無法通過內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)避的。因此，其在實(shí)際的運(yùn)行與使用過程中振動(dòng)帶來的危害是必然的。這種危害主要表現(xiàn)為噪聲危害、設(shè)備安全性危害以及設(shè)備使用壽命危害等三個(gè)方面：

在噪聲危害方面：主要表現(xiàn)為內(nèi)部噪聲以及外部噪聲兩個(gè)方面。內(nèi)部噪聲主要產(chǎn)生于鐵芯與外部磁圈在變頻過程中產(chǎn)生的變頻噪音。而在外部噪聲方面則主要是由于振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)噪音與撞擊噪音兩個(gè)部分。振動(dòng)噪音與整體的并聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)相關(guān)，主要決定于變頻頻率與振動(dòng)幅度兩個(gè)指標(biāo)。撞擊噪聲主要是由于振動(dòng)的電抗器與固定元件之間的微隙撞擊產(chǎn)生的。在噪音存在的過程中較低了工作區(qū)域的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)產(chǎn)生噪聲污染。

在設(shè)備安全性危害方面：主要是由于設(shè)備的振動(dòng)而導(dǎo)致其與外部鏈接元件的松動(dòng)而產(chǎn)生的生產(chǎn)事故的概率的增加。具體表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面是由于設(shè)備的振動(dòng)而造成其與其他電網(wǎng)元件的鏈接脫離，此種危害容易導(dǎo)致電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)膿p耗，另外在脫離電阻累積到一定程度的時(shí)候，容易產(chǎn)生整條供電線路的跳閘停機(jī)。危害整條線路的使用安全。另一方面是由于設(shè)備的振動(dòng)而造成其與固定元件的脫離，此方面的危害容易造成設(shè)備脫離、設(shè)備噪聲增加，甚至是設(shè)備自身的傾覆等事故，嚴(yán)重的降低了設(shè)備的安全系數(shù)。

在設(shè)備使用壽命危害方面：此方面危害分為內(nèi)部使用壽命以及外部使用壽命兩個(gè)方面。設(shè)備振動(dòng)的來源為內(nèi)部鐵芯與外部磁圈的磁極變頻振動(dòng)。在內(nèi)部，此種振動(dòng)無法進(jìn)行有效衰減的話容易造成鐵芯脫落、鐵芯與磁圈碰撞等問題，進(jìn)而造成設(shè)備的損壞。在外部，此種振動(dòng)導(dǎo)致電力傳輸元件與并聯(lián)電抗器間的松動(dòng)，增加了間隙電阻。在造成了一定的電力損耗的同時(shí)增加了電流產(chǎn)熱效應(yīng)，容易造成起火、元件老化等問題，進(jìn)而減少了設(shè)備的使用壽命。

3 并聯(lián)電抗器的振動(dòng)分析

本文基于并聯(lián)電抗器的振動(dòng)原理，以降低其振動(dòng)以及振動(dòng)危害為目的。對(duì)并聯(lián)電抗器的振動(dòng)進(jìn)行了一系列控制優(yōu)化，此種優(yōu)化主要表現(xiàn)為對(duì)內(nèi)部設(shè)計(jì)的改進(jìn)以及外部安裝條件的優(yōu)化。并針對(duì)優(yōu)化前后的設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，希望通過本文的研究能夠?yàn)榻窈蟛⒙?lián)電抗器振動(dòng)控制提供可行方案。

3.1 并聯(lián)電抗器振動(dòng)的監(jiān)控方法

對(duì)并聯(lián)電抗器振動(dòng)的監(jiān)控與分析采用實(shí)際安裝運(yùn)行，紅外線監(jiān)控的方式進(jìn)行。并與未優(yōu)化設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)振動(dòng)控制優(yōu)化措施的有效性。振動(dòng)的檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為48小時(shí)，為后續(xù)設(shè)備的正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 并聯(lián)電抗器的振動(dòng)分析

并聯(lián)電抗器的振動(dòng)控制主要從內(nèi)部設(shè)計(jì)以及外部固定等兩個(gè)方面進(jìn)行。在內(nèi)部設(shè)計(jì)控制優(yōu)化的過程中，我們通過理論分析可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鐵芯的振動(dòng)頻率與運(yùn)行線路變頻頻率成正比。因此，在減震處理過程中僅能夠從振幅的角度出發(fā)。在振幅優(yōu)化的過程中我們有理由相信內(nèi)部鐵芯餅狀間距具有決定性作用。而在外部振動(dòng)優(yōu)化的過程中一方面是通過減震墊對(duì)并聯(lián)電抗器整體進(jìn)行減震、另一方面是通過液壓減震器對(duì)并聯(lián)電抗器進(jìn)行抬高操作，進(jìn)而達(dá)到減震的目的。在分析的過程中分別監(jiān)測(cè)了不同優(yōu)化條件下與非優(yōu)化調(diào)價(jià)下的振動(dòng)幅度，進(jìn)而對(duì)其減震效果進(jìn)行評(píng)估與判斷。為后續(xù)振動(dòng)的控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2.1 鐵芯壓緊優(yōu)化測(cè)試

利用高密度的絕緣材料將內(nèi)部鐵芯鐵餅間的空隙填滿，并進(jìn)行緊壓處理。使得鐵餅間的空隙降到最低。在相同條件下與非優(yōu)化電抗器進(jìn)行并聯(lián)，檢測(cè)48小時(shí)內(nèi)的振動(dòng)變化，具體結(jié)果如下圖（圖1）：

圖1 鐵芯緊壓降震處理結(jié)果圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過鐵芯緊壓的降震處理內(nèi)部?jī)?yōu)化后，并聯(lián)電抗器整體振動(dòng)有大幅度削減，在設(shè)備啟動(dòng)過程中振動(dòng)峰值優(yōu)化后為86μm，與非優(yōu)化（140μm）相比降低了38.57%。設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行后平均振動(dòng)幅度為±40μm，與非優(yōu)化（65μm）相比降低了38.46%。說明通過內(nèi)部?jī)?yōu)化能夠有效的降低并聯(lián)電抗器的整體振動(dòng)幅度，對(duì)改善工作環(huán)境，增加設(shè)備的運(yùn)行安全系數(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有積極的作用。同時(shí)，在試驗(yàn)的過程中我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部鐵芯鐵餅間隙的填充物對(duì)減震效果具有一定的影響，內(nèi)部填充物的重量以及內(nèi)部間隙的擠壓程度與抗震效果成正比的關(guān)系。

3.2.2 外部液壓優(yōu)化測(cè)試

在外部液壓優(yōu)化測(cè)試過程中采用內(nèi)部結(jié)果相同的兩部并聯(lián)電抗器并聯(lián)入輸電線路進(jìn)行同步測(cè)試的方式進(jìn)行。外部液壓減震裝置采用液壓千斤頂將設(shè)備整體抬起的方式進(jìn)行，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用五柱式的抬起方式進(jìn)行，液壓千斤頂?shù)姆植紴樗慕桥c中央共同支撐的模式來進(jìn)行。在設(shè)備運(yùn)行的48小時(shí)內(nèi)分別對(duì)不同設(shè)備的振動(dòng)幅度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得數(shù)據(jù)如圖2：

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，通過外部液壓降震處理具有顯著的效果。對(duì)比優(yōu)化前后的振動(dòng)幅度我們可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后并聯(lián)電抗器整體振動(dòng)有大幅度削減，在設(shè)備啟動(dòng)過程中振動(dòng)峰值優(yōu)化后為31μm，與非優(yōu)化（140μm）相比降低了77.85%。設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行后平均振動(dòng)幅度為±32.7μm，與非優(yōu)化（65.0μm）相比降低了49.69%。說明通過外部液壓減震能夠有效的降低并聯(lián)電抗器的整體振動(dòng)幅度。同時(shí)對(duì)比外部減壓以及內(nèi)部?jī)?yōu)化的減震幅度我們可以發(fā)現(xiàn)，外部液壓減震效果更為顯著，此種顯著效果表現(xiàn)為對(duì)啟動(dòng)振動(dòng)以及后續(xù)平穩(wěn)振動(dòng)的降低幅度均顯著高于內(nèi)部?jī)?yōu)化方式。

3.2.3 外部減震墊優(yōu)化測(cè)試

在外部減震墊優(yōu)化的處理過程中，在設(shè)備的安裝過程中鋪設(shè)減震墊以作為整體并聯(lián)電抗器的外部減震措施，減震墊厚度選擇為5cm。并在減震墊鋪設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行固定。將優(yōu)化與非優(yōu)化設(shè)備同時(shí)并聯(lián)入輸電線路，在同等條件下監(jiān)測(cè)其48小時(shí)內(nèi)的振動(dòng)幅度，為后續(xù)的減震效果分析提供數(shù)據(jù)來源。具體的減震效果如下圖（圖3）：

圖3 外部減震墊降震處理結(jié)果圖

由圖3我們可以發(fā)現(xiàn)，在增加減震墊的優(yōu)化處理過程中能夠有效的降低并聯(lián)電抗器的振動(dòng)幅度。其中在設(shè)備啟動(dòng)過程中振動(dòng)峰值優(yōu)化后為±84μm，與非優(yōu)化（±140μm）相比降低了40.00%。設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行后平均振動(dòng)幅度為±36.8μm，與非優(yōu)化（±65.0μm）相比降低了43.38%。由此可見，在外部減震過程中鋪設(shè)減震墊的處理模式同樣可以有效的降低并聯(lián)電抗器的振動(dòng)幅度，與外部液壓減震模式相比較，啟動(dòng)振動(dòng)峰值有明顯的增加，而運(yùn)行平均振動(dòng)無顯著性差異。由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，在外部減震優(yōu)化的過程中，外部液壓減震的減震效果相對(duì)優(yōu)秀。

4 并聯(lián)電抗器的振動(dòng)控制

并聯(lián)電抗器的振動(dòng)控制可以從內(nèi)部?jī)?yōu)化以及外部?jī)?yōu)化兩個(gè)方面來進(jìn)行。通過本文的研究我們可以發(fā)現(xiàn)外部?jī)?yōu)化以及內(nèi)部?jī)?yōu)化對(duì)于振幅的降低均具有顯著效果。在具體的并聯(lián)電抗器的振動(dòng)控制可以從如下兩個(gè)方面進(jìn)行：

4.1 并聯(lián)電抗器內(nèi)部設(shè)計(jì)的振動(dòng)控制

并聯(lián)電抗器內(nèi)部設(shè)計(jì)的振動(dòng)控制主要可以從如下三個(gè)方面入手：

（1）從振動(dòng)原理來看內(nèi)部鐵芯鐵餅間隙所產(chǎn)生的力差是振動(dòng)產(chǎn)生的原因之一。在實(shí)際的內(nèi)部振動(dòng)控制設(shè)計(jì)過程中可以采用填充、壓實(shí)的方式來降低這種間隙所產(chǎn)生的振動(dòng)。在具體的實(shí)踐過程中我們發(fā)現(xiàn)，填充物質(zhì)的密度（即重量）與振動(dòng)幅度呈反比關(guān)系。因此在實(shí)際的振動(dòng)控制過程中可以選取高密度的絕緣材料進(jìn)行填充，并進(jìn)行高壓壓實(shí)的方式進(jìn)行。

（2）設(shè)備的油箱分布對(duì)于設(shè)備整體的振動(dòng)具有一定的整幅效果。在根據(jù)前人研究資料的總結(jié)與分析中我們發(fā)現(xiàn)，油箱針對(duì)內(nèi)部元件的相對(duì)距離與振動(dòng)幅度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。另外，在實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行過程中油箱的內(nèi)部油料分布以及充實(shí)程度也在一定程度上對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生影響?；谌缟蠗l件，設(shè)備在設(shè)計(jì)以及實(shí)際的使用過程中應(yīng)該保障油箱對(duì)于設(shè)備的最小有效具體。同時(shí)保障油箱處于滿溢的狀態(tài)。

（3）鐵芯固定工藝對(duì)設(shè)備整體振動(dòng)具有一定的影響。在實(shí)踐生產(chǎn)過程中鐵芯多以澆筑的方式與設(shè)備進(jìn)行連接，此種連接方式保障了振動(dòng)的正常傳導(dǎo)，同時(shí)避免了由于內(nèi)部振動(dòng)而導(dǎo)致的鐵芯脫落。在優(yōu)化的過程中可以適當(dāng)?shù)脑阼F芯與外部磁圈間增加適當(dāng)?shù)臏p震材料。可以顯著的提高設(shè)備內(nèi)部的振動(dòng)產(chǎn)生。

4.2 并聯(lián)電抗器外部抗震優(yōu)化控制

在并聯(lián)電抗器外部抗震優(yōu)化控制中主要可以通過緊固、液壓減震以及減震墊減震等三種方式來進(jìn)行。

在緊固處理過程中主要是通過增加并聯(lián)電抗器的固定位點(diǎn)將其與地面或其他固定元件進(jìn)行緊密固定，此種方式在短時(shí)間內(nèi)能夠有效的降低設(shè)備的振動(dòng)幅度。但是，隨著設(shè)備使用年限的延長(zhǎng)，緊固的固定位點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、擴(kuò)孔等物理現(xiàn)象而使得緊固效果失效。在利用此種模式的進(jìn)行抗震的過程中需要加大對(duì)設(shè)備維護(hù)與維修的力度，進(jìn)而保障此種減震方式的有效。

在液壓減震處理中需要考慮液壓元件的位點(diǎn)配置問題。通過本文的研究我們可以發(fā)現(xiàn)五點(diǎn)液壓減震元件的分布能夠有效的降低設(shè)備整體的振動(dòng)幅度。同時(shí)，此種減震方式能夠長(zhǎng)期的有效。但是，在實(shí)際的操作過程中此種減震方式對(duì)于設(shè)備的安裝成本以及設(shè)備的自身長(zhǎng)提高較大，不適宜于大規(guī)模的推廣與應(yīng)用。另外，利用液壓減震處理對(duì)設(shè)備進(jìn)行減震安裝的過程中不同位點(diǎn)的液壓平衡也是關(guān)鍵問題之一。如果在安裝與調(diào)試的過程中無法很好的進(jìn)行把握，容易造成設(shè)備整體形態(tài)的傾覆，無法達(dá)到合理的減震效果。

在減震墊減震處理中我們可以發(fā)現(xiàn)，減震墊能夠有效的降低設(shè)備整體的振動(dòng)幅度。且其安裝成本相對(duì)較低，可以進(jìn)行大范圍的推廣與應(yīng)用。同時(shí)，由于減震墊減震效果與減震幅度與液壓減震相比具有相對(duì)的劣勢(shì)，對(duì)于嚴(yán)密的減震環(huán)境而言相對(duì)適用性較低。另外，減震墊的厚度以及減震變量對(duì)于整體的減震效果具有積極的影響。通過本文的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)前人研究的總結(jié)我們發(fā)現(xiàn)減震墊的厚度在5-8cm為最佳。

5 結(jié)束語

本文從并聯(lián)電抗器的振動(dòng)原理角度出發(fā)，結(jié)合并聯(lián)電抗器振動(dòng)的危害以及振動(dòng)控制的必然性對(duì)并聯(lián)電抗器振動(dòng)分析以及減震控制進(jìn)行研究。通過本文研究我們發(fā)現(xiàn)利用內(nèi)部?jī)?yōu)化以及外部減震優(yōu)化均能夠有效的降低并聯(lián)電抗器的整體振動(dòng)。且減震效果為：外部液壓減震>內(nèi)部鐵芯優(yōu)化>外部減震墊減震。考慮到實(shí)際的減震成本以及安裝維護(hù)成本建議在后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)與運(yùn)行過程中采用內(nèi)部鐵芯優(yōu)化以及外部減震墊的方式來進(jìn)行。此外，在安裝與運(yùn)行的過程中應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)，進(jìn)而增加減震措施的有效性。希望通過本文的研究能夠?yàn)榻窈蟛⒙?lián)電抗器的振動(dòng)控制提供理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

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