橡胶材料在电抗器中的隔振性能研究

廖益蓝，杨启，陆凯雷，顾杰，孙健，宋戈

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102）

引言

电抗器是特高压直流设备中的重要部件，主要抑制晶闸管通断时产生的脉冲电压，承担保护晶闸管的作用。而电抗器主要以铁芯电抗器为主，其振动主要由于内部结构在交变电磁场下产生磁致伸缩效应引起[1]，因此无法从根源消除振动，只能从内部结构、外部传递采取隔振措施。

随着电力设备容量的逐渐增大，电抗器的容量也随之增大，产生的振动问题愈加凸显[2]。近年来越来越多的研究学者着力研究电抗器等电力设备的振动问题[3-5]，在内部结构控制振动研究中，较多学者在铁芯的制造过程开展了研究工作[6-8]，如采用铁芯真空压力浇筑、铁芯紧固等特殊工艺，能有效降低内部产生的振动幅度，但若对铁芯紧固夹紧不当则会引起更大的振动[9]。也有学者采用聚氨酯阻尼弹性体填充铁芯以抑制电抗器铁芯的振动[10]。

多数学者对电抗器的降振主要从改进本体结构进行研究，但对于外部传递过程中的隔振措施研究较少。有学者在电抗器安装过程中铺设隔振垫以降低振动传递，虽得到了明显的隔振效果，但对于隔振垫如何设计选型较为模糊[11]。

本研究以某特高压输电设备中的电抗器组件为试验对象，通过建立隔振数学模型，分析隔振的必要条件，据此选取三种橡胶材料进行隔振性能对比测试，通过对振动信号的频谱分析，得出一款软木橡胶的隔振效果较好的结论，为电抗器降振方案设计提供参考。

1 隔振方案设计

1.1 电抗器组件

安装在电力设备中的电抗器组件如图1所示。电抗器组件与横梁之间采用螺栓刚性连接，电抗器振动由此传递到其他元器件中。为减缓电抗器振动对其他元器件的影响，需在电抗器组件与横梁之间铺设隔振阻尼材料。

图1 电抗器组件

根据电抗器内部铁芯及线圈绕制方式可得知电抗器主要振动方向为垂直方向，因此只需在垂直方向上铺设隔振阻尼材料，这属于单自由度积极隔振系统，其简化的数学模型如图2所示。

图2 电抗器隔振数学模型

振源设备电抗器质量为m，其激励力为F=FAejwt，隔振阻尼材料的等效弹簧刚度、阻尼分别为k、c，将系统的刚性基础端和振动设备上下端分别视为前端和末端，则状态向量分别为：Z0=(xs,Fs)T，Z1=(x,F)T，其传递矩阵方程如式（1）。

对于刚性基础，其xs=0，引入频率比λ=和阻尼比ξ=，化简式（1）可得该电抗器隔振系统的传递比如式（2）。

由式（2）可知，传递比T＞1时，铺设隔振材料会加剧振动传递；当传递比T＜1时，铺设隔振材料才达到隔振的目的，而达到隔振目的理论条件为频率比λ＞2，即振源频率w与阻尼材料固有频率wn之比大于2。同时，由于材料的阻尼c目前无法通过物理力学定律计算得出，一般通过试验来确定。因此，对于隔振传递公式，不同阻尼比系数ξ对应的隔振性能稍有差别：ξ越小，共振放大越剧烈，隔振影响较小；ξ越大，能有效减小共振放大的振幅，但隔振性能有所降低。

因此，为使电抗器具有良好的隔振性能，在设计选型隔振材料时，需明确隔振系统的振源频率，以及隔振材料的隔振传递比函数。

1.2 方案设计

电抗器内部铁芯结构在交变磁场作用下产生振动，振动频率主要为工频w=50 Hz，因此橡胶材料具有隔振性能的理论条件为其固有频率wn＜35 Hz。而橡胶材料的固有频率不仅与厚度有关，还与接触应力有关。

据此，选取了三款隔振性能较好的橡胶材料，分别为软木橡胶A，软木橡胶B，硅橡胶C。其中A的隔振性能传递比函数曲线如图3所示，固有频率与厚度、接触应力关系如图4所示。

图3 软木橡胶A的隔振性能传递比函数曲线

图4 软木橡胶A的固有频率与厚度、接触应力关系

接触应力在1 MPa～2 MPa时，不同厚度下的隔振材料其固有频率较为稳定。为达到良好的接触应力，需根据螺栓紧固力矩，设计隔振材料的接触尺寸面积，并结合电抗器组件尺寸，选择合适的隔振材料厚度。经计算，当隔振垫尺寸包络整个电抗器组件与横梁之间的接触面，且隔振垫厚度为10 mm时，可以达到较好的理论隔振性能。

对三款材料的隔振特性并结合设计尺寸分析，A、B、C三款材料的固有频率分别约为30 Hz，31 Hz，28 Hz，均满足隔振设计要求。由于阻尼比ξ无法计算确定，三款材料实际隔振性能需通过振动试验验证。

2 隔振性能试验验证

2.1 试验方案

按照电抗器组件在直流输电设备中的运行工况，在电气试验平台上对电抗器组件施加相同的激励。将三款材料铺设于电抗器组件与横梁之间，以分析三款材料在模拟工况下对电抗器组件的隔振性能。

由于电抗器组件在特高压的工况下运行，传统的接触式振动测量仪无法适用，故采用非接触式振动测量仪，通过采集电抗器、横梁的振动参数，以分析比较三款材料的隔振性能，主要试验测量设备如图5所示。

图5 电抗器组件隔振性能主要试验设备

电抗器运行时由其内部铁芯及线圈绕制方式可知振动方向为垂直方向，因此采用非接触式测振仪测量垂直方向的振动信号。为比较铺设隔振垫后振动传递的衰减性，测点布置如图6所示，分为电抗器组件平整面1#测点，横梁平整面2#测点。

图6 振动信号测点布置

2.2 测试结果与分析

非接触式测振仪测量的振动信号主要为时域、频域下的加速度与振动幅值。为比较不同橡胶材料的隔振性能，进行原结构、铺设三款材料共四组测试，通过测量电抗器组件稳定运行下的加速度与振动幅值，进而分析测试数据，得到隔振性能差异性的比较。图7为加速度与振幅分别在时域和频域下的信号谱。

由图7(b)、(d)频域下的信号可知，电抗器的振动频率为50 Hz的倍频。为进一步探究所测振动信号包含的有效信息，对其稳定时域下的信号进一步处理，选取一段稳定时域下的频谱分析，如图8所示。

图7 加速度与振幅在时域、频域下信号

图8 稳定时域下的加速度与位移信号

以峰值加速度的均值作为测点的加速度，以峰谷位移的均值作为测点的位移，汇总结果如表1所示。

由表1可知，在无隔振材料的原结构情况下，电抗器组件安装结构已有一定的降振效果，其主要原因为电抗器本体振动传递到横梁上时已被电抗器组件耗散了一部分振动能量。

表1 不同材料的隔振率

橡胶阻尼材料由内部粘滞特性将振动能量转化为内部摩擦耗散能量，进而表现为隔振特性。通过比较可知，三款隔振材料都具有较好的隔振性能，其中硅橡胶C的隔振性能最佳，提高了20.4%，但降幅只提升了3.5%；软木橡胶A的隔振性能较好，提高了16.9%，降幅性能最好，达到了23.9%；相对其他两种材料，软木橡胶B的隔振性能一般，只提高了10.3%，降幅也只提升了3.5%。不同材料的隔振性能不同，主要是由于材料的阻尼特性不同；而降幅性能不同，主要是由于同一周期内，加速度的变化不同。通过以上比较可知，软木橡胶A的隔振综合性能最佳，其次硅橡胶C，软木橡胶B一般。

由于电抗器组件的频率为50 Hz的倍频，时域下体现为50 Hz，由前期得出的A、B、C三款材料的固有频率分别约为30 Hz、31 Hz、28 Hz，可知电抗器组件频率与三款材料固有频率的比值都大于2，处于隔振性能状态。根据三款材料的隔振特性曲线，在电抗器组件频率下，三款材料的隔振率分别约为13.6%、9.3%、19.7%，与实际提升隔振性能大致相同。

进一步由表1可知，相对产品的运输振动[12]，电抗器组件的加速度和振幅都比较低，对产品的振动影响较小，从侧面体现出产品具有较高的可靠性。

3 结论

（1）三款材料在电抗器中都提升了一定的隔振性能，软木橡胶A的隔振综合性能最佳，其次硅橡胶C，软木橡胶B一般；

（2）通过理论计算与实际验证，三款材料的隔振性能基本吻合，不同材料的隔振性能不同主要是因为其阻尼特性略有差异；

（3）三款材料对比的降振性能与降幅性能非正比关系，主要是因为在一个周期内，加速度变化不同。