新型電抗器的設(shè)計(jì)與仿真研究

郭翔 梅超 阮征 鄒祖嬌

摘 ?要：噪聲問題是限制電抗器在城區(qū)室內(nèi)使用的一個(gè)關(guān)鍵因素，文章設(shè)計(jì)一種新型電抗器，其鐵芯由硅鋼片和金屬軟磁粉芯組成，并對其進(jìn)行有限元電磁場仿真分析，最后根據(jù)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果制作一臺樣機(jī)，其噪聲測試為54.3dB，低于傳統(tǒng)硅鋼片制備的電抗器。

關(guān)鍵詞：電抗器;低噪聲;金屬軟磁粉芯;有限元仿真

中圖分類號：TM47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）28-0028-05

Abstract： Noise is a key factor restricting reactors application in urban areas. In this paper， a new type of reactor， consisting of silicon steel and soft magnetic powder core， was designed and the electromagnetic field was analyzed by FEM simulation. Based on the design and simulation results， a reactor prototype was manufactured. The testing result indicated that the noise of reactor was 54.3 dB， much lower than that of the reactors with silicon steel core.

Keywords： reactor; low noise; soft magnetic powder core; FEM simulation

1 概述

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量也提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。在電網(wǎng)中，無功補(bǔ)償對電能質(zhì)量的改善和提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益起到關(guān)鍵的作用，因此無功補(bǔ)償技術(shù)一直是電力系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。其中并聯(lián)電抗器作為無功補(bǔ)償技術(shù)中最為核心的電氣裝置，可以有效地補(bǔ)償輸電線路上的電容效應(yīng)，并且可以在輕載時(shí)吸收無功功率，從而保證電能傳輸?shù)姆€(wěn)定和高效。目前，由于越來越多的城市采用10kV干式鐵芯電抗器作為室內(nèi)變電站無功補(bǔ)償裝置，這使得電抗器的噪聲問題尤為凸顯，這也大大限制了電抗器在城市中的應(yīng)用?；谠肼曃廴締栴}，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛的研究。華南理工大學(xué)韓強(qiáng)教授課題組研究干式變壓器的振動(dòng)噪聲，首次通過研究干式鐵心并聯(lián)電抗器在通電狀態(tài)下鐵心和線圈的振動(dòng)特性，同時(shí)研究不同時(shí)刻振動(dòng)噪聲的頻譜特性，深入研究其振動(dòng)噪聲的根源，并且利用有限元軟件對其進(jìn)行了驗(yàn)證。上海交通大學(xué)范春菊課題組研究了干式變壓器振動(dòng)和噪聲形成的機(jī)理，并且通過有限元模擬方法計(jì)算了10kV干式變壓器的振動(dòng)模態(tài)特性。天津工業(yè)大學(xué)的楊意妹研究了不同工作狀態(tài)下鐵心磁場和振動(dòng)的數(shù)值分析，得到了其磁場、振動(dòng)的分布情況，其結(jié)論可以為減少電抗器振動(dòng)噪聲的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和計(jì)算方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉驥利用有限元仿真軟件對三相串聯(lián)鐵芯電抗器在工頻工作狀態(tài)下的磁場分布、鐵芯磁致伸縮位移、鐵餅間的麥克斯韋力位移和聲壓級進(jìn)行分析研究。從上述分析可以得出，電抗器的噪聲的來源主要集中于鐵芯的振動(dòng)和硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)。但是目前在工程領(lǐng)域，應(yīng)對噪聲污染主要采用的是被動(dòng)治理措施，通過給電抗器增加隔聲罩或者建立隔音房來達(dá)到降低噪聲污染的目的，這種治理方式?jīng)]有從根本上解決噪聲問題，并且還額外增加了經(jīng)濟(jì)成本和電抗器的整體體積。隨著軟磁材料不斷發(fā)展，磁芯的種類已經(jīng)不是單單局限于硅鋼片和鐵氧體，非晶材料、納米晶材料和金屬軟磁粉芯已經(jīng)成為近年來研究的熱點(diǎn)。其中，金屬軟磁粉芯是由鐵系合金粉末以及包覆在磁粉表面的絕緣材料復(fù)合而成，這類材料的磁致伸縮系數(shù)和磁晶各向異性常數(shù)接近零，可以有效解決電抗器中的噪聲問題，并且由于材料中的金屬磁粉被絕緣介質(zhì)完全包覆，所以可以有效隔絕渦流，使得制備的磁元件在具有高次諧波的電路中仍然保證良好的電氣性能。本文正是基于金屬軟磁粉芯，設(shè)計(jì)一種新型的低噪聲并聯(lián)電抗器，其中電抗器中的鐵芯采用金屬軟磁粉芯和硅鋼片，同時(shí)利用ANSYS Maxwell三維有限元仿真軟件對并聯(lián)電抗器進(jìn)行電磁場仿真，研究電抗器電感值、磁通密度分布以及損耗，從而在理論上分析了新型電抗器的磁路結(jié)構(gòu)，最后制作一臺與設(shè)計(jì)和仿真匹配的并聯(lián)電抗器進(jìn)行損耗與噪聲測試，從而在理論和實(shí)際上驗(yàn)證新型電抗器的可行性，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。

2 新型并聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的三相并聯(lián)電抗器的容量為260kVA，輸入電壓為10kV的工頻交流電。其中，磁軛選擇磁導(dǎo)率較高的硅鋼片（0.3mm）作為鐵芯材料，選用有效磁導(dǎo)率為60的金屬軟磁粉芯作為磁柱的材料，從而構(gòu)成一種具有混合磁路的新型并聯(lián)電抗器。其具體參數(shù)設(shè)計(jì)過程如下：

3.1 ANSYS Maxwell有限元仿真原理

Maxwell仿真軟件是美國ANSYS公司推出的一款專業(yè)的電磁場仿真軟件，也是目前高校、企業(yè)以及科研單位進(jìn)行電磁場分析的主流軟件。Maxwell仿真軟件是基于有限元的思想，即是把連續(xù)的集合結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，并在每個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而將上述連續(xù)的物體轉(zhuǎn)換成只在節(jié)點(diǎn)處相連接的一種集合體，并且選取場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)作為未知量，同時(shí)在每個(gè)單元中假設(shè)一個(gè)插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，再建立求解節(jié)點(diǎn)處未知函數(shù)有限元方程組，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)換成離散的有限自由度問題。Maxwell軟件包括靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場等求解模塊，可以用來分析永磁電機(jī)、變壓器、傳感器等設(shè)備的電磁場，從而實(shí)現(xiàn)對于電磁設(shè)備仿真和驗(yàn)證。目前，ANSYS Maxwell仿真軟件憑借其優(yōu)異的有限元計(jì)算能力和多物理場的耦合能力，成為電力電子、汽車、航空航天、電網(wǎng)、核工業(yè)、船舶等領(lǐng)域必不可缺的幫手。

3.2 三相并聯(lián)電抗器有限元建模

為保證Maxwell有限元仿真結(jié)果與實(shí)際工況更加接近，本文的三維有限元仿真模型與設(shè)計(jì)參數(shù)按照1：1進(jìn)行建模，仿真模型見圖1所示，其中圖1（a）是三相并聯(lián)電抗器仿真模型圖，圖1（b）是三相并聯(lián)電抗器鐵芯及氣隙模型圖。本文的仿真建?；谝韵聨c(diǎn)假設(shè)：（1）激勵(lì)源為正弦變化，未考慮高次諧波對電抗器的影響;（2）鐵芯氣隙墊塊的屬性近似和空氣相同;（3）忽略位移電流的影響。

仿真模型的主要參數(shù)為：上下磁軛為1180*200*200mm;磁柱為700*200*200mm，繞組的內(nèi)徑325mm，外徑440mm;磁芯截面積為336cm2;每柱匝數(shù)為1050匝，每個(gè)磁柱氣隙長度為46mm，將其分成四個(gè)部分添加至磁柱上，在磁柱上的氣隙長度從上到下分別是8mm，12mm，12mm，14mm。

3.3 三相并聯(lián)電抗器有限元仿真分析

3.3.1 網(wǎng)格剖分

在Maxwell仿真分析中，網(wǎng)格剖分是其進(jìn)行求解的基礎(chǔ)，求解結(jié)果的準(zhǔn)確度取絕于網(wǎng)格數(shù)量的多少。所以本文對于三相并聯(lián)電抗器網(wǎng)格剖分是基于軟件自適應(yīng)剖分的基礎(chǔ)上，采用TAU模式作為網(wǎng)格剖分單元，將模型中鐵芯部分進(jìn)行加密剖分，其剖分設(shè)置為最大網(wǎng)格單元的邊長為5mm;由于模型中存在的氣隙可以顯著的影響損耗分布和磁通的走向，并加大電抗器的漏感，所以同樣需要對氣隙進(jìn)行加密網(wǎng)格剖分，其剖分設(shè)置的最大網(wǎng)格單元邊長是0.5mm。網(wǎng)格剖分如圖2所示，圖2（a）是電抗器仿真模型網(wǎng)格剖分圖，圖2（b）是電抗器磁芯和氣隙部分網(wǎng)格剖分加密圖。

3.3.2 電感量分析

三相并聯(lián)電抗器的電感值仿真結(jié)果如圖3所示，通過對圖3的分析可以知道，隨著外加電壓做正弦變化，電感值經(jīng)過一個(gè)短暫非平衡狀態(tài)后，進(jìn)入到一個(gè)穩(wěn)定變化的狀態(tài)，每一相的電感值從0.9810H到1.0953H之間變化，其中A相的平均電感值約為1.0536H，B相的平均電感值約為1.0365H，C相的平均電感值約為1.0290H，三相的平均電感值都在1H附近，所以仿真得到的電感量與設(shè)計(jì)電感量接近，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)可行性。

3.3.3 感應(yīng)電流分析

三相電抗器的感應(yīng)電流如圖4所示，從圖可以看出，三相并聯(lián)電抗器感應(yīng)電流呈現(xiàn)正弦分布，并且每相電流的相位差為120°，A、B、C三相的感應(yīng)電流有效值分別是14.5576A、14.7111A以及15.1415A，利用Maxwell軟件仿真得到的電流與設(shè)計(jì)值15A接近，說明設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。

3.3.4 磁通密度分析

由圖4可知，三相電抗器的每相電流之間存在相位差，所以每相電流達(dá)到最大值對應(yīng)的時(shí)間不同，本文選取中間柱線圈電流達(dá)到最大值的時(shí)刻作為研究對象。三相電抗器的磁通密度分布如圖5（a）所示，從圖上可以看出，由于此時(shí)中間柱線圈電流相對較大，導(dǎo)致中柱鐵芯呈現(xiàn)較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最大值約為0.85T，并且可以清楚看出，上下磁軛處的磁通密度值較低，所以可知，三相電抗器中的磁力線主要集中于中柱和兩側(cè)邊柱，而在上下磁軛處分布較少;圖5（b）為三相電抗器磁力線分布圖，其磁力線分布情況與磁通密度分布圖相一致，除此之外，從圖上可以看出磁力線在氣隙處呈現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，這是由于氣隙屬于非導(dǎo)磁物質(zhì)，對磁力線無聚集能力，所以會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，本文采用分布式氣隙設(shè)計(jì)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)開集中氣隙的方法，可以有效的降低漏感，并且可以降低磁力線經(jīng)過繞組產(chǎn)生的渦流損耗。

3.3.5 損耗分析

三相并聯(lián)電抗器的鐵芯損耗和銅線損耗如圖6所示，鐵損的平均值為1.0564kW，銅損的平均值為2.6304kW，所以利用Maxwell仿真得到的總損耗為3.6868kW，從損耗仿真數(shù)據(jù)可以得出，新型三相并聯(lián)電抗器的損耗主要集中在繞組上，而鐵芯損耗相對較低。

4 三相并聯(lián)電抗器樣機(jī)分析

基于設(shè)計(jì)參數(shù)和ANSYSMaxwell有限元仿真分析結(jié)果，本文制作一臺容量為260kVA，額定電壓為10kV三相并聯(lián)電抗器，并對制作的樣機(jī)進(jìn)行電磁性能和噪聲測試，樣機(jī)如圖7所示。當(dāng)測試的施加電壓為額定電壓10kV條件下，樣機(jī)的總損耗為3.7634kW。實(shí)測損耗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)兩者之間的誤差約為2%左右，說明利用Maxwell仿真軟件得到的損耗結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性，從而也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和仿真的合理性。在額定電壓下，樣機(jī)的噪聲為54.3dB，而同容量純硅鋼制作的三相并聯(lián)電抗器的噪聲一般在70dB左右，說明本文設(shè)計(jì)的新型三相并聯(lián)電抗器可以有效降低噪聲。

5 結(jié)束語

綜上所述，為解決電抗器的噪聲問題，使其噪聲等級能夠滿城區(qū)室內(nèi)使用要求，本文設(shè)計(jì)了一種容量為260kVA，額定電壓為10kV的新型三相并聯(lián)電抗器，其鐵芯材料由兩部分組成，磁軛處采用傳統(tǒng)的硅鋼片，三個(gè)磁柱使用金屬軟磁粉芯作為鐵芯材料，由于金屬軟磁粉芯具有極低的磁致伸縮系數(shù)，所以可以有效減弱電抗器的振動(dòng)問題，從而降低電抗器的噪聲。針對上述三相并聯(lián)電抗器，采用ANSYSMaxwell有限元軟件對其進(jìn)行電磁場仿真分析，研究電感量、感應(yīng)電流、磁通密度分布以及損耗對其的影響。最后，基于設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，制作一臺容量為260kVA的三相并聯(lián)電抗器，并對其進(jìn)行電磁性能和噪聲測試，其噪聲為54.3dB，低于傳統(tǒng)的硅鋼鐵芯電抗器，說明使用金屬軟磁粉芯作為電抗器磁芯可以有效降低電抗器的噪聲，為解決干式鐵芯電抗器的噪聲問題提出了一種有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚黎軍，陳洪波，歐強(qiáng)，等.特高壓并聯(lián)電抗器運(yùn)行振動(dòng)與噪聲特性研究[J].變壓器，2016，53（7）：43-46.

[2]鐘星鳴.干式變壓器的振動(dòng)和噪聲研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

[3]黃俊.10kV干式配電變壓器工藝參數(shù)與振動(dòng)噪聲特性試驗(yàn)研究[D].上海交通大學(xué)，2016.

[4]楊意妹，祝麗花，王斌，等.考慮磁致伸縮效應(yīng)的可控飽和電抗器電磁振動(dòng)分析[J].電工電能新技術(shù)，2016，35（8）：40-45.

[5]劉驥，何亞倩，李凱.電抗器鐵芯振動(dòng)噪聲多物理場研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（1）：35-40.

[6]趙國生，孫彬，李培，等.基于Simplorer與Maxwell的磁控電抗器特性仿真分析[J].電氣傳動(dòng)，2019，49（10）：91-95.

[7]吳書煜，馬宏忠，姜寧，等.基于多物理場耦合的特高壓并聯(lián)電抗器振動(dòng)噪聲仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2020，40（3）：122-127.

[8]Stan Zurek.FEM Simulation of Effect of Non-Uniform Air Gap on Apparent Permeability of Cut Cores[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2012，48（4）：1520-1523.