压应力对硅钢片磁特性的影响研究

张会燕 王昱皓 张俊杰 司良英 祝丽花

摘要 并联电抗器是电站设备中噪音的主要来源，设计和研究低噪声电抗器具有重要意义。依据间隙铁心式电抗器铁心的结构特点，需要螺栓的紧固作用，在工作状态下电抗器的间隙式铁心部分受压应力作用。为了准确分析间隙铁心式电抗器的工作磁特性和电磁振动，开展了不同应力下多种铁心硅钢的磁化和磁致伸缩特性测量，并基于测量数据对电抗器样机电磁振动进行了分析计算。文中首先改进磁致伸缩测量系统，测量获取首钢3种典型铁心用硅钢在不同应力，特别是压应力下的磁化和磁致伸缩特性;考虑铁心磁致伸缩效应，对不同硅钢牌号制造的间隙电抗器铁心，分别对其不同应力下的磁场和机械场进行分析计算，获得了铁心磁通密度和应力的分布，以及不同位置的振动情况。本文的研究成果可为低噪声间隙铁心式电抗器的设计提供不同硅钢磁特性数据和理论分析方法。

关 键 词 压应力;工作磁特性;间隙铁心式电抗器;磁致伸缩;电磁振动

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，環保税全面推进，特高压变电站被划分为2类声环境功能区，GB12348—2008中规定2类声环境功能区要求厂界外噪声限值为昼间60 dB（A），夜间50 dB（A）。相对于电站其他设备，并联电抗器噪声水平较高。并联电抗器采用隔声罩降噪单台造价高，最严重的问题是在失火情况下，BOX-in的密闭结构将阻碍火势初始段的最佳消防时机，延误灭火;常规BOX-in中的玻璃棉也有助燃绝缘油火势的作用。如果设计和研究一种低噪声并联电抗器本体，将噪音从源头上降低下来，将更具有意义。

电工硅钢片是广泛应用在电气产品中的一种磁性材料，其磁特性关系到电气产品的节能降耗和优化设计[1]，准确地掌握硅钢片在实际应用状态下的磁特性，并根据产品应用要求研制相应的硅钢片，是设计出性能优良的电气产品的必要条件。由于拉螺杆的紧固作用，间隙铁心式并联电抗器的铁心饼在自然和工作状态下都是在压应力作用下，然而压应力会严重影响硅钢片的磁特性[2]，因此，为了研究应力对硅钢片磁特性的影响，需要对电工钢片的磁特性进行仔细地测量。安德森等测量了硅钢片在磁通密度为1.5 T时不同应力下的磁致伸缩量[3];贲彤[4]测量了硅钢片在自由状态及拉应力下的磁特性;刘松[5]利用无取向硅钢立方叠片三维磁特性并在此基础上对饱和电抗器电磁振动进行了计算分析;Gao等[6-7]讨论了采用高硬度绝缘材料填充电抗器铁心间隙的降噪措施并且对电抗器铁心拐角处进行结构优化以降低损耗;Rossi等[8]分析了一台带有气隙的U型电抗器，并通过磁致伸缩力与麦克斯韦力相互抵消来减小电抗器垂直方向的振动;张栋等[9]对大型并联电抗器的漏磁场特性和电磁结构特点进行了系统讨论，运用节点力的方法计算了电抗器铁心的受力情况;车福来等[10]设计了1台并联电抗器等效模型，此模型在各方面性能等效于电抗器产品，对产品结构设计和工艺优化有促进作用，为产品级本体降噪新结构应用研究提供了基础参数和测试实验平台;常晨等[11]基于等效模型对并联电抗器的振动和噪声特性展开研究，在不同预压力和电压下进行振动和噪声多次实验，得出相应分析结果，有助于并联电抗器减振降噪、优化设计及建模仿真等方面的工程应用。

目前，针对间隙铁心式电抗器铁心工作磁特性的测量及电磁振动分析相关研究还较少。本文首先改进磁特性测量系统，测量了首钢三种不同牌号硅钢片在不同应力下的磁化和磁致伸缩特性;基于测量数据，对比分析了间隙铁心式电抗器铁心使用不同牌号硅钢片、不同压应力下的磁密及分布和电磁振动，给出了铁心的振动信息和对比结果，为产品使用厂商提供基础实用的工作特性，为设计更好的电抗器产品提供设计分析依据。

1 压力下硅钢磁特性测量系统及测量方法

德国BROCKHAUS的标准磁致伸缩测量系统，是基于单片磁性测量原理实现的，如图1所示。该磁致伸缩测量系统包括主机、电源、单片磁测量装置、气动隔振平台、激光干涉仪、气动预应力系统、空气压缩机。主机是用于设置硅钢片参数、线圈参数、激励形式、激励频率、去磁频率、激励大小等参数。单片磁测量装置主要由线圈和上下铁轭组成，被试电工硅钢片放入线圈中。激光干涉仪是用来测量电工硅钢片在磁场中的长度变化量，分辨率为10 nm/m。

被试样片的规格为600 mm × 100 mm，如图2所示。定义矩形硅钢样片的长度方向为轧制方向（Rolling Direction，RD），宽度方向为垂直轧制方向（Transverse Direction，TD）。

单片硅钢片所受的不同预应力大小由預应力控制器显示和调节，预应力控制器如图3所示。通过控制样片轧制方向的外加应力大小，实现不同预应力下样片的磁化和磁致伸缩特性测量。

满足标准的磁致伸缩测量装置通常是测量硅钢片单端自由状态下的磁致伸缩，本台磁致伸缩测量装置也仅能够施加少量压应力。当在单片硅钢片上施加较大压应力时，钢片会弯曲变形，严重影响钢片上的磁场和磁特性。本文对德国BROCKHAUS的标准磁致伸缩测量装置进行了部分改造，使其能够施加10 MPa范围内的压应力。具体方法是：在样片上放入适当厚度的环氧树脂板，并用聚酯薄膜调节厚度，以填充样片和线圈之间的空隙;在硅钢片无支撑的部分放入支撑垫块，并用上铁轭压住，以确保测量过程中测量样片不发生弯曲变形，垫块与样片接触的表面涂铅笔芯以减小摩擦力。拉应力测量时要保证样片紧贴下铁轭，上铁轭悬起，系统如图4所示，压应力测量时系统如图5所示。

2 不同压应力下硅钢片磁特性的测量分析

本文利用符合国家和国际标准的Epstein 700测量工频50 Hz下硅钢片的磁化特性，所用样片为首钢生产的3种典型硅钢牌号，其样片牌号分别为20SQGD070、27SQGD085、30SQG120。牌号为20SQGD070的硅钢片质量为88.5 g，密度为7650 g/dm3，截面面积为19.28 mm2;牌号为27SQGD085的硅钢片质量为117.6 g，密度为7650 g/dm3，截面面积为25.62 mm2;牌号为30SQG120的硅钢片质量为132 g，密度为7 650 g/dm3，截面面积为28.76 mm2。

通过磁致伸缩测量装置对上述3种硅钢片施加不同拉力和压力，测量了磁化特性和磁致伸缩特性，测量结果如图6～图8所示。图6测量结果表明，拉应力下20SQGD070牌号硅钢片磁化特性变化较小，拉应力对磁致伸缩特性的影响比较小，而压应力对磁致伸缩特性影响较大。图6b）蝴蝶曲线表明最大压应力下，磁致伸缩是负磁致伸缩。由图6c）可知样品的磁致伸缩峰峰值随压应力增大而增大，特别是压应力超过7 MPa后磁致伸缩增加更为明显，远大于无应力下的磁致伸缩值。该牌号硅钢片，磁致伸缩性微应变量值不高，性能优异，特别在并联电抗器工作点1 T左右的低磁密区域，压应力下磁致伸缩微应变量值也不高。

27SQGD085牌号硅钢不同应力下磁致伸缩测量结果如图7所示，测量结果显示样片所受应力超过6 MPa后磁致伸缩峰峰值变化较大，且数值较20SQGD070牌号大。30SQG120牌号硅钢的测量结果如图8所示，测量结果同样表明硅钢样品磁化特性随拉应力变化较小，几乎可以忽略，磁致伸缩受拉应力影响可以忽略，受压应力影响较大;该样品从压应力超过5 MPa后磁致伸缩峰峰值显著增大，数值比27SQGD085牌号更大。不同于20SQGD070牌号，27SQGD085、30SQG120牌号的蝴蝶曲线表明，随着压力的增大，磁致伸缩由负磁致伸缩逐渐变为正磁致伸缩。

由图6～图8可看出不同牌号的硅钢片，拉应力对磁化特性影响不大;对于磁致伸缩特性，拉应力越大，磁致伸缩量略减小，压应力越大，磁致伸缩量越大，超过一定压力后，磁致伸缩值远大于无应力下的磁致伸缩值。因此，电抗器用的硅钢片不能用常规无应力下的磁致伸缩性能来表征和筛选，某些特制的低磁致伸缩硅钢片可能不适用于并联电抗器。上述结果也表明，压力下的磁致伸缩量随着硅钢片的厚度增加而增加。这是因为在磁场的作用下，磁性材料中的畴壁将会移动，磁畴将发生旋转。对于正磁致伸缩材料，张力方向是易磁化方向，即硅钢片在拉应力方向易磁化，拉伸应力将使磁化沿拉伸方向上升，故磁通密度也随拉应力的增加而增加，而压应力反之。同时，磁致伸缩的方向主要沿磁化方向，为了使磁畴发生旋转，拉应力需要克服磁各向异性，所以磁致伸缩随拉应力的增大而减小，压应力则反之，这与其他研究者测量和理论分析一致[2，4]。

3 间隙铁心式电抗器电磁振动分析

4 间隙铁心式电抗器模型计算与分析

4.1 铁心磁通密度及应力分布

本文以一台10 kV、1 250 kVar的间隙铁心式电抗器作为研究对象，其相关参数值如下表1所示。该电抗器本体结构由铁轭、铁心饼、气隙垫块、绕组组成，为了提高求解精度和求解速度，对间隙铁心部分进行了细化剖分，利用有限元方法对其求解，得到其磁通密度分布如图9所示，该电抗器设计工作磁密为1.2 T，由图9的计算结果表明计算磁通密度分布正确。在磁场准确计算的基础上，以应力下测量数据为基础对间隙电抗器主体部件进行固体力学分析，在进行力学分析时，以边柱底端为固定约束，铁心在4 MPa压应力下的应力分布如图10所示。由于约束和间隙部分的夹紧应力作用，图10所示底柱铁心的应力分布较大。

4.2 数值计算结果

为更准备表达铁心的电磁振动信息，选取铁心中不同点，如图9所示。选取牌号为27SQGD085的硅钢片作为间隙电抗器铁心材料，应用压应力下测量的硅钢样片磁致伸缩特性数据，选取如图7所示特性曲线中4 MPa应力时作为计算的特性数据，计算得到铁心A、B、C  3处的振动情况，3点的振动加速度如图11所示，其中A点处振动最大，其次是C点，振动最小的为B点。结合图9磁通密度分布图可看出，铁心磁通密度分布与铁心振动情况密切相关[12]，磁通密度越集中的地方，其振动加速度越大，铁心应力也越大。

由于螺栓的紧固作用，电抗器铁心部分自然工作状态是在压应力下，为了研究压应力对间隙铁心式电抗器铁心在工作状态下的振动影响，先选取某一牌号硅钢片在不同应力下的磁特性数据作为铁心部分数据，从而对铁心部分振动情况进行分析。本文选取牌号为27SQGD085的硅钢片的磁特性作为裂心铁心部分的磁特性。将测得的0、-4.22 MPa、-6.25 MPa、  -7.88 MPa、-10 MPa这几种压应力下的磁特性数据代入有限元分析软件中进行计算，得到了电抗器铁心中点A在不同压应力下的振动情况，其振动加速度和位移的计算结果如图12所示。

由图12可得，间隙铁心式电抗器裂心部分在不同压应力下具有不同的振动加速度，且振动加速度值随压应力的增加而增大，由图6～图8也可看出磁致伸缩峰峰值大小也与压应力值有关，即随着压应力的增加，硅钢片的磁致伸缩峰峰值的增长基本保持一致，所以硅钢片的磁致伸缩峰峰值越大，铁心的振动加速度值越大，因此在电抗器的电磁振动分析设计时过大的夹紧力会增加电抗器的振动。

由于不同牌号的硅钢片具有不同的磁特性，为了研究不同牌号下铁心在相关工作状态下的振动情况对比，将文中3组牌号的硅钢片在压应力为4 MPa下的磁特性数据作为铁心磁特性数据基础，分别实现对其的电磁振动分析，3种牌号硅钢铁心在相同位置（图9中A点）的振动情况如图13所示。计算结果表明，不同牌号硅钢片的铁心具有不同的振动加速度，其振动加速度大小与硅钢片的磁致伸缩峰峰值有关，其磁致伸缩峰峰值越大，铁心的振动加速度和振动位移越大，因此，在电抗器设计及制造中，选用磁致伸缩较小的硅钢片可以适当降低铁心的振动情况。

5 结论

本文首先通过改进磁致伸缩测量装置实现了3种首钢典型硅钢片在不同应力下的磁特性测量分析，测量结果显示应力对硅钢片的磁特性有影响：拉应力越大，硅钢片的导磁性越好，磁致伸缩量越小;压应力越大，硅钢片的磁致伸缩量越大。基于电抗器铁心的三维磁-机械耦合模型，将测得的磁特性数据代入并进行计算，计算结果表明，压应力对铁心的振动具有一定的影响，同一牌号的硅钢片，压应力值越大，铁心的振动越大;不同牌号的硅钢片，其磁致伸缩峰峰值越大，铁心的振动越大。因此，在进行电抗器的设计时，尽量选择磁致伸缩峰峰值小的硅钢片牌号，同时，要避免给铁心施加过大的夹紧力，但是对于电抗器本身的结构来说，夹紧力又是必需的，所以应采取适当的夹紧力。

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