壓應(yīng)力對硅鋼片磁特性的影響研究

張會燕 王昱皓 張俊杰 司良英 祝麗花

摘要 并聯(lián)電抗器是電站設(shè)備中噪音的主要來源，設(shè)計和研究低噪聲電抗器具有重要意義。依據(jù)間隙鐵心式電抗器鐵心的結(jié)構(gòu)特點，需要螺栓的緊固作用，在工作狀態(tài)下電抗器的間隙式鐵心部分受壓應(yīng)力作用。為了準(zhǔn)確分析間隙鐵心式電抗器的工作磁特性和電磁振動，開展了不同應(yīng)力下多種鐵心硅鋼的磁化和磁致伸縮特性測量，并基于測量數(shù)據(jù)對電抗器樣機電磁振動進(jìn)行了分析計算。文中首先改進(jìn)磁致伸縮測量系統(tǒng)，測量獲取首鋼3種典型鐵心用硅鋼在不同應(yīng)力，特別是壓應(yīng)力下的磁化和磁致伸縮特性;考慮鐵心磁致伸縮效應(yīng)，對不同硅鋼牌號制造的間隙電抗器鐵心，分別對其不同應(yīng)力下的磁場和機械場進(jìn)行分析計算，獲得了鐵心磁通密度和應(yīng)力的分布，以及不同位置的振動情況。本文的研究成果可為低噪聲間隙鐵心式電抗器的設(shè)計提供不同硅鋼磁特性數(shù)據(jù)和理論分析方法。

關(guān) 鍵 詞 壓應(yīng)力;工作磁特性;間隙鐵心式電抗器;磁致伸縮;電磁振動

Abstract Shunt reactors are the main sources of noise in power plant equipment. It is of great significance to design and study low noise reactors. According to the structural characteristics of the gap-core reactor core， the fastening effect of bolts is required， and the partial compressive stress of the gap-core of the reactor acts under the working state. In order to accurately analyze the working magnetic characteristics and electromagnetic vibration of the gap core reactor， the magnetization and magnetostriction characteristics of various core silicon steels under different stresses are measured， and the electromagnetic vibration of the reactor prototype is analyzed and calculated based on the measured data. Firstly， the magnetostrictive measurement system is improved to measure and obtain the magnetization and magnetostrictive characteristics of three typical silicon steels for iron cores in Shougang under different stresses， especially compressive stresses. Considering the magnetostrictive effect of iron core， the magnetic field and mechanical field of gap reactor iron cores made of different silicon steel grades under different stresses are analyzed and calculated respectively， and the distribution of magnetic flux density and stress as well as the vibration at different positions of the iron core are obtained. The research results can provide different silicon steel magnetic characteristic data and theoretical analysis methods for the design of low noise gap core reactor.

Key words compressive stress; working magnetic characteristics; gapped-core reactor; magnetostriction; electromagnetic vibration

0 引言

自2018年1月起，環(huán)保稅全面推進(jìn)，特高壓變電站被劃分為2類聲環(huán)境功能區(qū)，GB12348—2008中規(guī)定2類聲環(huán)境功能區(qū)要求廠界外噪聲限值為晝間60 dB（A），夜間50 dB（A）。相對于電站其他設(shè)備，并聯(lián)電抗器噪聲水平較高。并聯(lián)電抗器采用隔聲罩降噪單臺造價高，最嚴(yán)重的問題是在失火情況下，BOX-in的密閉結(jié)構(gòu)將阻礙火勢初始段的最佳消防時機，延誤滅火;常規(guī)BOX-in中的玻璃棉也有助燃絕緣油火勢的作用。如果設(shè)計和研究一種低噪聲并聯(lián)電抗器本體，將噪音從源頭上降低下來，將更具有意義。

電工硅鋼片是廣泛應(yīng)用在電氣產(chǎn)品中的一種磁性材料，其磁特性關(guān)系到電氣產(chǎn)品的節(jié)能降耗和優(yōu)化設(shè)計[1]，準(zhǔn)確地掌握硅鋼片在實際應(yīng)用狀態(tài)下的磁特性，并根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用要求研制相應(yīng)的硅鋼片，是設(shè)計出性能優(yōu)良的電氣產(chǎn)品的必要條件。由于拉螺桿的緊固作用，間隙鐵心式并聯(lián)電抗器的鐵心餅在自然和工作狀態(tài)下都是在壓應(yīng)力作用下，然而壓應(yīng)力會嚴(yán)重影響硅鋼片的磁特性[2]，因此，為了研究應(yīng)力對硅鋼片磁特性的影響，需要對電工鋼片的磁特性進(jìn)行仔細(xì)地測量。安德森等測量了硅鋼片在磁通密度為1.5 T時不同應(yīng)力下的磁致伸縮量[3];賁彤[4]測量了硅鋼片在自由狀態(tài)及拉應(yīng)力下的磁特性;劉松[5]利用無取向硅鋼立方疊片三維磁特性并在此基礎(chǔ)上對飽和電抗器電磁振動進(jìn)行了計算分析;Gao等[6-7]討論了采用高硬度絕緣材料填充電抗器鐵心間隙的降噪措施并且對電抗器鐵心拐角處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以降低損耗;Rossi等[8]分析了一臺帶有氣隙的U型電抗器，并通過磁致伸縮力與麥克斯韋力相互抵消來減小電抗器垂直方向的振動;張棟等[9]對大型并聯(lián)電抗器的漏磁場特性和電磁結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了系統(tǒng)討論，運用節(jié)點力的方法計算了電抗器鐵心的受力情況;車福來等[10]設(shè)計了1臺并聯(lián)電抗器等效模型，此模型在各方面性能等效于電抗器產(chǎn)品，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝優(yōu)化有促進(jìn)作用，為產(chǎn)品級本體降噪新結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究提供了基礎(chǔ)參數(shù)和測試實驗平臺;常晨等[11]基于等效模型對并聯(lián)電抗器的振動和噪聲特性展開研究，在不同預(yù)壓力和電壓下進(jìn)行振動和噪聲多次實驗，得出相應(yīng)分析結(jié)果，有助于并聯(lián)電抗器減振降噪、優(yōu)化設(shè)計及建模仿真等方面的工程應(yīng)用。

目前，針對間隙鐵心式電抗器鐵心工作磁特性的測量及電磁振動分析相關(guān)研究還較少。本文首先改進(jìn)磁特性測量系統(tǒng)，測量了首鋼三種不同牌號硅鋼片在不同應(yīng)力下的磁化和磁致伸縮特性;基于測量數(shù)據(jù)，對比分析了間隙鐵心式電抗器鐵心使用不同牌號硅鋼片、不同壓應(yīng)力下的磁密及分布和電磁振動，給出了鐵心的振動信息和對比結(jié)果，為產(chǎn)品使用廠商提供基礎(chǔ)實用的工作特性，為設(shè)計更好的電抗器產(chǎn)品提供設(shè)計分析依據(jù)。

1 壓力下硅鋼磁特性測量系統(tǒng)及測量方法

德國BROCKHAUS的標(biāo)準(zhǔn)磁致伸縮測量系統(tǒng)，是基于單片磁性測量原理實現(xiàn)的，如圖1所示。該磁致伸縮測量系統(tǒng)包括主機、電源、單片磁測量裝置、氣動隔振平臺、激光干涉儀、氣動預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)、空氣壓縮機。主機是用于設(shè)置硅鋼片參數(shù)、線圈參數(shù)、激勵形式、激勵頻率、去磁頻率、激勵大小等參數(shù)。單片磁測量裝置主要由線圈和上下鐵軛組成，被試電工硅鋼片放入線圈中。激光干涉儀是用來測量電工硅鋼片在磁場中的長度變化量，分辨率為10 nm/m。

被試樣片的規(guī)格為600 mm × 100 mm，如圖2所示。定義矩形硅鋼樣片的長度方向為軋制方向（Rolling Direction，RD），寬度方向為垂直軋制方向（Transverse Direction，TD）。

單片硅鋼片所受的不同預(yù)應(yīng)力大小由預(yù)應(yīng)力控制器顯示和調(diào)節(jié)，預(yù)應(yīng)力控制器如圖3所示。通過控制樣片軋制方向的外加應(yīng)力大小，實現(xiàn)不同預(yù)應(yīng)力下樣片的磁化和磁致伸縮特性測量。

滿足標(biāo)準(zhǔn)的磁致伸縮測量裝置通常是測量硅鋼片單端自由狀態(tài)下的磁致伸縮，本臺磁致伸縮測量裝置也僅能夠施加少量壓應(yīng)力。當(dāng)在單片硅鋼片上施加較大壓應(yīng)力時，鋼片會彎曲變形，嚴(yán)重影響鋼片上的磁場和磁特性。本文對德國BROCKHAUS的標(biāo)準(zhǔn)磁致伸縮測量裝置進(jìn)行了部分改造，使其能夠施加10 MPa范圍內(nèi)的壓應(yīng)力。具體方法是：在樣片上放入適當(dāng)厚度的環(huán)氧樹脂板，并用聚酯薄膜調(diào)節(jié)厚度，以填充樣片和線圈之間的空隙;在硅鋼片無支撐的部分放入支撐墊塊，并用上鐵軛壓住，以確保測量過程中測量樣片不發(fā)生彎曲變形，墊塊與樣片接觸的表面涂鉛筆芯以減小摩擦力。拉應(yīng)力測量時要保證樣片緊貼下鐵軛，上鐵軛懸起，系統(tǒng)如圖4所示，壓應(yīng)力測量時系統(tǒng)如圖5所示。

2 不同壓應(yīng)力下硅鋼片磁特性的測量分析

本文利用符合國家和國際標(biāo)準(zhǔn)的Epstein 700測量工頻50 Hz下硅鋼片的磁化特性，所用樣片為首鋼生產(chǎn)的3種典型硅鋼牌號，其樣片牌號分別為20SQGD070、27SQGD085、30SQG120。牌號為20SQGD070的硅鋼片質(zhì)量為88.5 g，密度為7650 g/dm3，截面面積為19.28 mm2;牌號為27SQGD085的硅鋼片質(zhì)量為117.6 g，密度為7650 g/dm3，截面面積為25.62 mm2;牌號為30SQG120的硅鋼片質(zhì)量為132 g，密度為7 650 g/dm3，截面面積為28.76 mm2。

通過磁致伸縮測量裝置對上述3種硅鋼片施加不同拉力和壓力，測量了磁化特性和磁致伸縮特性，測量結(jié)果如圖6～圖8所示。圖6測量結(jié)果表明，拉應(yīng)力下20SQGD070牌號硅鋼片磁化特性變化較小，拉應(yīng)力對磁致伸縮特性的影響比較小，而壓應(yīng)力對磁致伸縮特性影響較大。圖6b）蝴蝶曲線表明最大壓應(yīng)力下，磁致伸縮是負(fù)磁致伸縮。由圖6c）可知樣品的磁致伸縮峰峰值隨壓應(yīng)力增大而增大，特別是壓應(yīng)力超過7 MPa后磁致伸縮增加更為明顯，遠(yuǎn)大于無應(yīng)力下的磁致伸縮值。該牌號硅鋼片，磁致伸縮性微應(yīng)變量值不高，性能優(yōu)異，特別在并聯(lián)電抗器工作點1 T左右的低磁密區(qū)域，壓應(yīng)力下磁致伸縮微應(yīng)變量值也不高。

27SQGD085牌號硅鋼不同應(yīng)力下磁致伸縮測量結(jié)果如圖7所示，測量結(jié)果顯示樣片所受應(yīng)力超過6 MPa后磁致伸縮峰峰值變化較大，且數(shù)值較20SQGD070牌號大。30SQG120牌號硅鋼的測量結(jié)果如圖8所示，測量結(jié)果同樣表明硅鋼樣品磁化特性隨拉應(yīng)力變化較小，幾乎可以忽略，磁致伸縮受拉應(yīng)力影響可以忽略，受壓應(yīng)力影響較大;該樣品從壓應(yīng)力超過5 MPa后磁致伸縮峰峰值顯著增大，數(shù)值比27SQGD085牌號更大。不同于20SQGD070牌號，27SQGD085、30SQG120牌號的蝴蝶曲線表明，隨著壓力的增大，磁致伸縮由負(fù)磁致伸縮逐漸變?yōu)檎胖律炜s。

由圖6～圖8可看出不同牌號的硅鋼片，拉應(yīng)力對磁化特性影響不大;對于磁致伸縮特性，拉應(yīng)力越大，磁致伸縮量略減小，壓應(yīng)力越大，磁致伸縮量越大，超過一定壓力后，磁致伸縮值遠(yuǎn)大于無應(yīng)力下的磁致伸縮值。因此，電抗器用的硅鋼片不能用常規(guī)無應(yīng)力下的磁致伸縮性能來表征和篩選，某些特制的低磁致伸縮硅鋼片可能不適用于并聯(lián)電抗器。上述結(jié)果也表明，壓力下的磁致伸縮量隨著硅鋼片的厚度增加而增加。這是因為在磁場的作用下，磁性材料中的疇壁將會移動，磁疇將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對于正磁致伸縮材料，張力方向是易磁化方向，即硅鋼片在拉應(yīng)力方向易磁化，拉伸應(yīng)力將使磁化沿拉伸方向上升，故磁通密度也隨拉應(yīng)力的增加而增加，而壓應(yīng)力反之。同時，磁致伸縮的方向主要沿磁化方向，為了使磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)，拉應(yīng)力需要克服磁各向異性，所以磁致伸縮隨拉應(yīng)力的增大而減小，壓應(yīng)力則反之，這與其他研究者測量和理論分析一致[2，4]。

3 間隙鐵心式電抗器電磁振動分析

4 間隙鐵心式電抗器模型計算與分析

4.1 鐵心磁通密度及應(yīng)力分布

本文以一臺10 kV、1 250 kVar的間隙鐵心式電抗器作為研究對象，其相關(guān)參數(shù)值如下表1所示。該電抗器本體結(jié)構(gòu)由鐵軛、鐵心餅、氣隙墊塊、繞組組成，為了提高求解精度和求解速度，對間隙鐵心部分進(jìn)行了細(xì)化剖分，利用有限元方法對其求解，得到其磁通密度分布如圖9所示，該電抗器設(shè)計工作磁密為1.2 T，由圖9的計算結(jié)果表明計算磁通密度分布正確。在磁場準(zhǔn)確計算的基礎(chǔ)上，以應(yīng)力下測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對間隙電抗器主體部件進(jìn)行固體力學(xué)分析，在進(jìn)行力學(xué)分析時，以邊柱底端為固定約束，鐵心在4 MPa壓應(yīng)力下的應(yīng)力分布如圖10所示。由于約束和間隙部分的夾緊應(yīng)力作用，圖10所示底柱鐵心的應(yīng)力分布較大。

4.2 數(shù)值計算結(jié)果

為更準(zhǔn)備表達(dá)鐵心的電磁振動信息，選取鐵心中不同點，如圖9所示。選取牌號為27SQGD085的硅鋼片作為間隙電抗器鐵心材料，應(yīng)用壓應(yīng)力下測量的硅鋼樣片磁致伸縮特性數(shù)據(jù)，選取如圖7所示特性曲線中4 MPa應(yīng)力時作為計算的特性數(shù)據(jù)，計算得到鐵心A、B、C? 3處的振動情況，3點的振動加速度如圖11所示，其中A點處振動最大，其次是C點，振動最小的為B點。結(jié)合圖9磁通密度分布圖可看出，鐵心磁通密度分布與鐵心振動情況密切相關(guān)[12]，磁通密度越集中的地方，其振動加速度越大，鐵心應(yīng)力也越大。

由于螺栓的緊固作用，電抗器鐵心部分自然工作狀態(tài)是在壓應(yīng)力下，為了研究壓應(yīng)力對間隙鐵心式電抗器鐵心在工作狀態(tài)下的振動影響，先選取某一牌號硅鋼片在不同應(yīng)力下的磁特性數(shù)據(jù)作為鐵心部分?jǐn)?shù)據(jù)，從而對鐵心部分振動情況進(jìn)行分析。本文選取牌號為27SQGD085的硅鋼片的磁特性作為裂心鐵心部分的磁特性。將測得的0、-4.22 MPa、-6.25 MPa、? -7.88 MPa、-10 MPa這幾種壓應(yīng)力下的磁特性數(shù)據(jù)代入有限元分析軟件中進(jìn)行計算，得到了電抗器鐵心中點A在不同壓應(yīng)力下的振動情況，其振動加速度和位移的計算結(jié)果如圖12所示。

由圖12可得，間隙鐵心式電抗器裂心部分在不同壓應(yīng)力下具有不同的振動加速度，且振動加速度值隨壓應(yīng)力的增加而增大，由圖6～圖8也可看出磁致伸縮峰峰值大小也與壓應(yīng)力值有關(guān)，即隨著壓應(yīng)力的增加，硅鋼片的磁致伸縮峰峰值的增長基本保持一致，所以硅鋼片的磁致伸縮峰峰值越大，鐵心的振動加速度值越大，因此在電抗器的電磁振動分析設(shè)計時過大的夾緊力會增加電抗器的振動。

由于不同牌號的硅鋼片具有不同的磁特性，為了研究不同牌號下鐵心在相關(guān)工作狀態(tài)下的振動情況對比，將文中3組牌號的硅鋼片在壓應(yīng)力為4 MPa下的磁特性數(shù)據(jù)作為鐵心磁特性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，分別實現(xiàn)對其的電磁振動分析，3種牌號硅鋼鐵心在相同位置（圖9中A點）的振動情況如圖13所示。計算結(jié)果表明，不同牌號硅鋼片的鐵心具有不同的振動加速度，其振動加速度大小與硅鋼片的磁致伸縮峰峰值有關(guān)，其磁致伸縮峰峰值越大，鐵心的振動加速度和振動位移越大，因此，在電抗器設(shè)計及制造中，選用磁致伸縮較小的硅鋼片可以適當(dāng)降低鐵心的振動情況。

5 結(jié)論

本文首先通過改進(jìn)磁致伸縮測量裝置實現(xiàn)了3種首鋼典型硅鋼片在不同應(yīng)力下的磁特性測量分析，測量結(jié)果顯示應(yīng)力對硅鋼片的磁特性有影響：拉應(yīng)力越大，硅鋼片的導(dǎo)磁性越好，磁致伸縮量越小;壓應(yīng)力越大，硅鋼片的磁致伸縮量越大?；陔娍蛊麒F心的三維磁-機械耦合模型，將測得的磁特性數(shù)據(jù)代入并進(jìn)行計算，計算結(jié)果表明，壓應(yīng)力對鐵心的振動具有一定的影響，同一牌號的硅鋼片，壓應(yīng)力值越大，鐵心的振動越大;不同牌號的硅鋼片，其磁致伸縮峰峰值越大，鐵心的振動越大。因此，在進(jìn)行電抗器的設(shè)計時，盡量選擇磁致伸縮峰峰值小的硅鋼片牌號，同時，要避免給鐵心施加過大的夾緊力，但是對于電抗器本身的結(jié)構(gòu)來說，夾緊力又是必需的，所以應(yīng)采取適當(dāng)?shù)膴A緊力。

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