考虑工程实际的电抗器电磁振动建模仿真与验证

Under the joint action of the applied static packing stress and the vibration impact stress (magnetostrictive stress and Maxwell stress), reactors produce severe vibration in operation and cause electrical faults. But due to the limitation of testing for material properties and modeling, previous researches have not considered the influence of the applied static packing stress and vibration impact stress on magnetic properties of cores and mechanical properties of air gap pads, still less study their effects on the vibration of reactors. In addition, because the effect of the strong magnetic field in the air gaps on conventional sensor operation, research on reactor vibration test technology is also rare. The above constrains the accurate simulation and verification of the reactor electromagnetic vibration characteristics. Comprehensive study for magnetic properties of cores and the mechanical properties of air gap pads under the joint action of the static stress and vibration impact stress is focused in this project. A two - way dynamic electromagnetic field-force coupling numerical model is proposed. for considering the effect of the applied static packing stress and vibration impact stress on the magnetic properties of cores and the mechanical properties of air gap pads. A method of vibration properties measurement for air gap pads and cores of reactors is presented to verify the proposed model by using Wiedemannt effect in magnetic materials caused by the strong magnetic field in the air gap. Achievements of this project will make a substantial contribution on promoting accurate modeling and verification of reactor electromagnetic vibration and the industrial standardization process.

在静态压紧应力和振动冲击应力（磁致伸缩应力、麦克斯韦应力）的共同作用下，电抗器产生剧烈电磁振动而引发故障。目前，电抗器电磁振动研究均未考虑静态应力和冲击应力对铁心磁特性的影响，也未考虑振动特性对气隙垫块的力学性能的影响，更没有研究它们对电抗器振动的影响；同时，气隙处的强磁场对常用应力应变传感器的正确工作存在干扰，这些都制约了电抗器振动特性的精准模拟与验证。本项目结合工程实际，在测试静态和冲击应力共同作用下铁心的磁特性以及不同振动下气隙垫块的力学性能基础上，考虑动静态应力对铁心磁特性的影响以及振动特性对气隙垫块力学特性的影响，提出电抗器电磁场-力双向动态耦合数值模型，提出利用气隙处的强磁场在磁性材料中产生魏德曼效应的机理，对铁心和气隙垫块的振动特性进行测试，解决常用应力应变传感器受到强磁场的影响不能正确工作的问题，从而推进电抗器电磁振动的精准建模与验证，为建立电抗器振动噪声行业标准奠定基础。

在静态压紧应力和振动冲击应力的共同作用下，电抗器产生剧烈电磁振动而引发故障。因此如何设计、生产低噪声的电抗器和降噪成为生产企业和国家电网关注和研究的重点。本项目结合工程实际，针对电抗器的服役条件，测量了直流偏磁、谐波、应力下硅钢片的磁致伸缩和磁化特性，并分析了硅钢片磁致伸缩以及磁化特性各向异性，建立电工钢材料的电磁-力本构关系数据库。测试了含不同谐波激励下钐铁合金垫块材料的ΔE效应。考虑Weiss分子场、退磁系数和钉扎效应的作用，对硅钢片的磁致伸缩特性进行建模，提出基于力-磁耦合效应的磁致伸缩改进模型，从实验数据中提取控制饱和磁畴壁移的磁场和变形等模型参数，以提取的模型参数为基础，对硅钢片磁特性进行模拟，通过比较仿真与实验结果验证模型的有效性。结合硅钢材料的磁致伸缩改进模型，对振动主要来源为磁致伸缩效应和麦克斯韦电磁应力的磁可控并联电抗器进行电磁振动研究，建立考虑磁致伸缩效应与麦克斯韦电磁应力的电抗器电磁-力双向动态耦合数值模型，给出铁心内部应力与磁特性的双向动态响应求解方法，得到磁可控并联电抗器的电磁振动特性，同时进行振动实验，验证模型的正确性。建立了考虑钐铁合金垫块ΔE效应的磁控电抗器电磁-力耦合模型，对裂心式可控电抗器振动进行了仿真计算与分析，并进行实验验证。研究了最小磁阀高度、磁阀级数两个参数对磁阀式可控电抗器振动的影响，得到了减振效果较好的磁阀结构参数。提出在电抗器气隙处填充负磁致伸缩材料，在外加磁场的作用下负磁致伸缩材料因其本身特有的负磁致伸缩形变与电抗器原有的正磁致伸缩形变相抵消，达到减振的目的。提出了铁心电抗器减振的谐波注入法，采用遗传算法确定了最优的谐波注入量，实验验证了基于谐波注入法的铁心电抗器的减振效果。因为谐波注入量相对于基波主激励非常小，所以可忽略其对电抗器的影响。本项目研究成果推进了电抗器电磁振动的精准建模与验证，为建立电抗器振动噪声行业标准奠定基础。