油浸式铁心电抗器噪声产生的原因及控制方法

2020-11-05张燕华沈钰伟

科学技术创新 2020年32期

张燕华吴钰沈钰伟

（日新电机（无锡）有限公司，江苏无锡214112）

关健词：电抗器；铁心；振动；气隙；噪声

电抗器的噪声是衡量电抗器性能指标的极其重要的技术参数。电抗器噪声水平的高低，也自然而然成为衡量电抗器生产制造商设计能力和制造水平的重要指标之一。因此，许多电抗器生产制造商都在积极采取各种措施，以此来降低电抗器的噪声。基于本人多年来设计66kV 及以下电压等级油浸式串联电抗器及并联电抗器实际经验撰写此文，从电抗器本体噪声产生的机理、影响噪声的因素以及降低噪声的措施等几个方面分别进行简要的阐述。

1 电抗器本体噪声产生的机理

1.1 对于带有气隙的铁心电抗器而言，气隙的磁阻远大于铁心的磁阻，绕组产生的主磁通在气隙中的磁场强度比铁心饼内部的磁场强度大的多，同时能量大部分被存储在气隙中。由于主磁通经过低磁阻的铁心饼与高磁阻的间隙这两种介质，铁心饼之间会产生使磁场能量变小趋势的吸引力- 麦克斯韦力。该磁引力极大，以BKS-60000/35 油浸式并联电抗器为例，磁引力约30 吨/柱。因而，主磁路间隙材料在麦克斯韦力的作用下伸缩而引起电抗器铁心振动的幅值较大。

1.2 硅钢片的磁致伸缩引起铁心振动。所谓磁致伸缩就是铁心在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生相应的变化。沿磁力线方向硅钢片的尺寸将增加，而垂直于磁力线方向硅钢片的尺寸将缩小。磁致伸缩使得铁心随励磁频率的变化而产生周期性的变化。由于电抗器在额定工作状态时，磁路磁通密度通常在0.9T～1.4T 间，远低于变压器，因而由磁致伸缩引起的振动幅值较小。

1.3 硅钢片接缝处和叠片间存在着漏磁产生的磁引力，从而引起铁心的振动。由于铁心叠积方式的改进，再加上铁心柱和铁轭部固化方式的不断完善，硅钢片接缝和叠片间产生的电磁吸引力引起的振动很小。

1.4 当绕组中有电流通过时，负载电流产生的漏磁引起绕组、油箱壁的振动。研究和试验表明，在0.9T～1.4T磁通密度下，负载电流产生的漏磁引起绕组和油箱壁的振动远低于铁心引起的振动，基本上可以忽略。

电抗器本体振动通过铁心垫脚和绝缘油两个路径传递给油箱，使油箱振动而产生本体噪声，并以声波的形式均匀的向四周发射，这就是电抗器本体噪声的机理。磁致伸缩和麦克斯韦力的变化周期是电源频率的半个周期，所以磁致伸缩和麦克斯韦力引起的电抗器本体振动噪声，是以2 倍的电源频率为其基波频率。

2 影响电抗器本体噪声的因素

2.1 铁心的磁引力对噪声的影响

间隙材料的伸缩问题。弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，在一定应力作用下，发生弹性变形越小。在磁引力的作用下，变形越小，振动也越小。

2.2 铁心的磁致伸缩对噪声的影响。磁致伸缩以ε[7]表示，它等于励磁时硅钢片片长的增量ΔL与片长L之比，即

ε=ΔL/L

试验研究表明，硅钢片的磁致伸缩ε 与硅钢片的材质、表面绝缘涂层、含硅量、励磁时磁通密度、机械应力、退火温度、退火工艺等有关。

2.3 铁心的几何尺寸对噪声的影响。铁心励磁时产生的噪声除了与硅钢片的磁致伸缩ε 及磁引力有关，还与铁心的结构，几何尺寸及重量有关也和铁心的转角位置的接缝方式、搭接面积等有关。铁心磁通密度不变时，可以从噪声的观点来确定铁心最佳几何尺寸、接缝方式及搭接面积。

3 降低电抗器本体噪声的措施

本文以三相“一”字型油浸式铁心电抗器为例，对设计中主要采用的控制振动，降低噪声的方法进行说明（见图1）。

图1 三相电抗器结构示意图

3.1 提高气隙间隔片的硬度。如上所述，铁心电抗器的振动主要来源于主磁路间隙材料在麦克斯韦力作用下伸缩而引起的振动。通过提高气隙间隔片的硬度，来提高弹性模量。减少在磁引力下的弹性形变，进而减少振动。按照产品类型及容量不同，可采用环氧玻璃布板、大理石、瓷垫片等材料。

3.2 铁心最优化压紧力。硅钢片表面有绝缘层，对硅钢片有一定应力。当紧固力方向与硅钢片磁通方向一致时，紧固力越大，越会破坏硅钢片本身特性，使得磁致伸缩振动变大（见图2）。而铁心饼间的磁引力引起的振动需要在轴向采用远大于其磁引力的紧固力进行强力紧固，来减少磁引力引起的振动（见图3）。两者正好相反，因而需要通过验证得出振动最小时的最优化紧固力（见图4）。

图2 铁心紧固力- 磁致伸缩振动

图3 铁心紧固力- 磁引力振动

图4 最优紧固力

3.3 铁心柱穿心螺杆的结构。铁心柱由带有气隙的铁心饼叠积而成，中间由穿心螺杆经过上下铁轭强力紧固。由于铁心柱在强大的磁引力作用下，长期处于振动状态，在运行过程中紧固螺母可能会出现松动而造成噪声上升。所以，在设计中采用防松压紧结构（见图1），以保证铁心柱在长期运行保持中恒压状态。

3.4 降低铁心的磁通密度

对于带有气隙的铁心电抗器来说，磁引力是产生铁心振动的主要原因。磁引力F∝B2A，当铁心饼面积A一定时，磁引力F 与磁通密度B的平方成正比；降低磁通密度，磁引力减小，振动减少。试验表明，磁通密度下降0.1T，噪声降低2～3dB。

值得注意的是，磁通密度的降低会导致电抗器的体积和重量的增加，使经济性变差。同时由于体积及重量的增加，噪声将会增大，当铁心重量增加一倍时，噪声将增大约4dB。综上考虑，设计规定磁通密度下降不能超过规定值的15%。

3.5 选择磁致伸缩ε 小的优质硅钢片

与一般的晶粒取向冷轧硅钢片相比，在同样磁通密度下，用高导磁硅钢片，由于提高了结晶方位的完整性，改善了绝缘涂层，增强了涂层的抗张能力，从而降低了磁致伸缩ε，进而使铁芯的噪声降低。同样两台BKS-60000/35 油浸式铁心并联电抗器，在其他材料、工艺、试验均不变的情况下，第一台采用型号为高导磁硅钢片，第二台采用型号为普通取向冷轧硅钢片，噪声测量结果分别为64dB和66.3dB。试验结果表明，采用高导磁硅钢片可使得噪声降低2-3dB。

3.6 选择合适的硅钢片与铜线的重量比

在磁通密度不变时，铁心体积和重量越大，会使噪声发射的表面积增大，导致电抗器的噪声变大。而铜线价格远高于硅钢片价格，过度的通过增加铜线用量来减少铁心重量，进而控制噪声是不可取的。对于正常噪声要求的电抗器，硅钢片与铜线重量的比例控制在3.0～4.0；对于低噪声电抗器比例控制在3.0 以下。

3.7 降低铁心纵横比

铁心中磁通密度分布存在不均匀性和冷轧硅钢片磁性能的各向异性，使得铁心不同位置的振动不均匀。这种不均匀性与铁心的几何尺寸相关。变压器研究表明，减小铁心窗高h 与心柱直径d 的比值，h/d 的值每降低10%，铁心噪声将降低5.7dB。公司内对于“一”字型三相油浸式铁心电抗器的铁心尺寸控制：正常噪声时，铁心的高度与长度之比控制在1.5～1.1。在进行低噪声设计时，铁心的高度与长度之比控制在1.1 以下。值得注意的是，铁心固有频率与磁致伸缩和麦克斯韦力振动的基频及二、三、四次高频的频带范围接近或相等时，将会产生谐振，使噪声显著增加。在考虑铁心纵横比的同时，要对铁心的固有频率进行计算，避开磁致伸缩和麦克斯韦力振动的基频及二、三、四次的频带范围。

3.8 改进铁心与箱体间的连接方式：增加箱体的厚度及补强的数量来降低噪声

铁心的振动是通过铁心垫脚和绝缘油两个途径传递到油箱，再以箱壁振动的方式均匀的向四周发射。芯体和箱体可通过盖板连接，固定在箱体底板上，固体路径传递的振动主要通过盖板和底板传递到油箱。改进铁心脚部和箱底连接部位的刚性连接方式及增加盖板和底板的厚度，可以有效减少固体路径传递的振动。在噪声要求低于60dB时，在垫脚和箱底连接位置放一定厚度的橡胶垫（见图1），来减少振动，试验证明，垫橡胶垫后可以使噪声降低2-3dB。当噪声要求低于50dB时，要把盖板和底板厚度增加，起到简易防音功能。

通过绝缘油传递的振动均匀地作用于整个箱壁上，并且油箱内的绝缘油与油箱同时振动。因而，为了减少箱壁的振动，可以适量增加箱壁的厚度及补强的数量来提高整体油箱的刚性。