电力系统
2020.14  电力系统装备丨85
Electric System
2020年第14期
2020 No.14
电力系统装备
Electric Power System Equipment
电抗器线圈中流过电流时，会在线圈周围产生辐向和轴向漏磁场，线圈中的电流与其相互作用分别产生轴向力和辐向力。线圈的轴向力传向铁心结构件，可能导致结构件变形，严重时会顶起铁轭，破坏整个铁心结构；辐向力使线圈辐向收缩膨胀，导致线圈内侧受力变形，线圈外侧受到拉力，匝绝缘会发生断裂，从而破坏整个主纵绝缘结构。
试验电抗器由于其特有的使用特性，需要经常运输，这对试验电抗器又提出了比固定式变压器更高的机械性能要求。
电抗器在运行过程中，当铁芯的固有频率与轴向电磁力的频率相近时会产生共振现象，可能产生比预紧力大得多的动态力，此动态力会导致电抗器铁芯共振，铁芯压紧力减小，最终导致绕组发生松动变形及噪声过大等问题。故需要对电抗器铁芯固有频率进行分析，在设计阶段避开产品空载（谐振频率250Hz ）及负载（谐振频率25Hz ）时的电磁力频率。1  电抗器铁芯振动建模
1.1  计算对象
电抗器的铁芯是由厚度0.27~0.35 mm 的硅钢片叠装而成的，装好后，用夹铁和绑带夹紧。主要进行铁芯6阶频率以内的结构模态研究分析。主要分析的是铁芯被夹紧状态下的振动模态和产品装配好状态下铁芯被夹紧状态下的振动模态，具体见图1。
1.2  铁芯模型
为了提高计算效率，建模过程中对模型尺寸进行简化，去除不必要的倒角及圆角，去除了一些不关注零部件，用等效质量代替，简化后的模型尽量与原模型保持一致。本文模型网格划分时采用六面体和四面体混合网格划分法，图1a 划分后产生749732个节点，182430个单元；图1b 划分后产生890809个节点，254335个单元。具体计算模型如图2所示。
1.3  边界条件
1.3.1
材料特性参数
a 单独铁芯夹紧状态
b 整体装配铁芯状态
图1
铁心计算模型
图2 铁心有限元计算模型
产品及支架各部件材料参数见表1。
表1 单独铁芯模态计算结果
阶数模态/Hz 振型158.191铁芯绕z 轴摆动261.249铁芯绕x 轴摆动3103.97铁芯绕y 轴摆扭转
4213.95—5235.92—6
239.44
—
［摘    要］变频串联谐振试验装置是开展高压设备耐压试验的基础，尤其对于长距离大容量超高压电缆而言，需要大容量高压试验电抗器与长距离被试电缆的电容发生串联谐振，以最小电源容量高效完成耐压试验。本文以广州供电局广南—穗西500 kV 21km 长距离陆缆耐压试验项目GZHKJXM20160040中的
大容量高压试验电抗器为例，对大容量高压试验电抗器进行机械性能参数的选型设计分析，并通过仿真建模验证该型电抗器机械性能设计的有效性和可行性。［关键词］电抗器；模态；铁芯；固有频率［中图分类号］TM47    　［文献标志码］A      ［文章编号］01–523X （2020）14–0085–03
Iron Core Vibration Simulation Analysis of Iron Core Reactor
Fan Wei-nan, Wang Yong, Huang Bai, Zhu Lu, Li Guang-mao
［Abstract ］The variable frequency series resonance test device is the basis for carrying out the high-voltage equipment withstand voltage test. Especially for long-distance and large-capacity ultra-high-voltage cables, large-capacity high-voltage test reactors and long-distance tested cables are required to have series resonance in order to The minimum power supply capacity can efficiently complete the withstand voltage test. Taking the large-capacity high-voltage test reactor in the Guangzhou Power Supply Bureau Guangnan-Suixi 500 kV 21km long-distance land cable withstand voltage test project GZHKJXM20160040 as an example, the design and analysis of the mechanical performance parameters of the large-capacity high-voltage test reactor were carried out, and The effectiveness and feasibility of the mechanical performance design of this type of reactor are verified through simulation modeling.［Keywords ］reactor; finite element analysis; modal; iron core; natural frequency 铁芯电抗器铁芯振动仿真分析
范伟男，王　勇，黄　柏，朱　璐，李光茂
（广州供电局电力试验研究院，广东广州  510000）
基金项目： 本文系南方电网重点项目资助，项目编号：    GZHKJXM20160040。
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86丨电力系统装备  2020.14Electric System
2020年第14期2020 No.14
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2  电抗器铁芯振动分析
2.1  模态分析
由于系统的动力响应由结构低阶模态决定，阶数越高，振型参与系数越小，对振动的贡献越小。故主要分析铁芯前3阶模态，仿真计算时设置计算了前六阶模态。计算所得各阶固有频率如表2所示，单独铁芯模态振型如图3~8所示，1阶模态为58.2 Hz，2阶模态为61.25 Hz，3阶模态为104 Hz，由于铁芯底部为
弹性支承约束，故底部振幅较小，故铁芯横梁两端振动最大。
表2 六阶模态固有频率
阶数模态/Hz振型
158.191铁芯绕z轴摆动
261.249铁芯绕x轴摆动
3103.97铁芯绕y轴摆扭转
4213.95—
5235.92—
6239.44
—
图3 1阶振型
图4 2
阶振型
图5 3
阶振型
图6 4
阶振型
图7 5
阶振型图8 6阶振型
2.2  计算结果汇总及分析
表3给出了单独铁芯的模态计算结果。
表3 单独铁芯模态计算结果
零件名称材料弹性模量（GPa）密度（kg/m3）泊松比
铁芯硅钢片21076500.3
饼间网格布玻纤布107000.34
铁饼硅钢片21076500.3
隔磁板花岗岩5527000.3
绝缘夹件电绝缘纸板2411400.35
垫脚Q235A20078500.3
上夹件Q235A20078500.3
上压台Q235A20078500.3
拉杆8.8级20078500.3
螺母、垫片8.8级20078500.3
结合表3模态计算结果，可知铁心的振动主要是由于磁滞
伸缩和电磁力，根据磁滞伸缩和电磁力的原理，铁芯硅钢片
磁滞伸缩和电流引起的电磁力的频率都为电流频率的2倍，对
于此型号电抗器，空载频率250 Hz，负载频率25 Hz，为了避
免共振，行业要求一般要避开激励频率的15%，故需要避开的
共振频率为425~575 Hz和42.5~57.5 Hz。
仅考虑单独铁芯模态计算结果，空载状态下，激励频率
较高，而铁芯低阶频率都较低，故不会引起共振。负载电流
频率25 Hz时，单独铁芯的1阶频率58.2 Hz，大于负载状态下
要求避开的42.5~57.5 Hz，无共振风险。
3  其他主要机械性能分析与校验
3.1  壳体机械性能分析与校验
壳体主要承受内部绝缘油的压强，该部件的机械性能
相对比较容易分析校验。绝缘筒中油高2520 mm，压强为
P=ρgh=17011 Pa=17.011 kPa。产品试验做打压试漏为50 kPa，
可确保壳体机械性能。
仿真结果与计算结果吻合，设计符合壳体机械性能要求。
如图9~10
所示。
（a）壳体模型（b）壳体网格划分
图9
壳体模型与壳体网络划分
图10 壳体强度仿真结果
3.2  电抗器整体紧固件校验核算
电抗器重要紧固件均选用高强度材料：抗拉强度
600 MPa，其机械强度是Q235的2.55倍，以确保各部分紧固
（下转第117页）
运行与维护
2020.14  电力系统装备丨117
Operation And Maintenance
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2020年第14期
2020 No.14
的切除需要到MCC 控制柜上把所对应油泵的控制旋钮从“远程”打到“就地”，即由远程切换到就地控制后联锁自动解除；同时，当任意一台辅助油泵启动后，DCS 上所有油泵的启/停控制按钮将锁定，使之无法在DCS 上进行启/停操作；如运行过程中因维修或故障，确实需要启/停油泵，则须到MCC 控制柜上进行就地停泵操作。自启油压值、电机为远程控制、已送电等其它联锁条件不作改动。
当事故直流油泵独立启动时，两台辅助油泵的自启联锁不自动投入。因如果自动投入，DCS 程序将跟据油压联锁值判断此时系统油压低于辅助油泵自启油压值，从而启动辅助油泵。
reactor project 线程去除联锁“投/切”按钮改为后台程序后，为便于观察油泵联锁是否自动投入或着已经切除，在原“投/切”按钮处作联锁投入判断状态显示。
DCS 程序调整完成后，启动油泵与原操作相同，但启动油泵后如果需要停油泵则需要操作人员到MCC 室操作，变得相对麻烦；同时在油系统火灾需要紧急停泵时反应速度相对较慢。但两害取其轻：通过差异化操作，时刻提醒操作人员此机组与其它机组的不同之处，从限制人为不可控因素上避免误操作事故。
2.3.2  高位油箱
高位油箱为单向/止回阀机械式供油，其动作机制可以应
对误操作停泵、全厂停电等各种导致润滑油系统停摆的情况，是机组润滑系统较为稳妥的防线；但需要考虑场地预留位置以及投资成本增加等因素。本案因考虑成本及工期因素，生产方/业主并未采用增加高位油箱的建议。3  结语
本文分别介绍了设置与未设置主油泵和高位油箱的汽轮机润滑油系统工作原理以及事故状态下的反应机制。通过某机组的事故实践，说明在未带主油泵和高位油箱情况下机组存在的隐患，通过事故后对机组的改进方案描述，探讨了无主油泵及高位油箱机组的改进方向。如果只对DCS 程序进行改进，所需成本较低，同时能极大提升防误操作的能力，具有较好的执行性；但是在没有高位油箱的情况下遇到全厂停电且事故油泵直流电源故障时，汽轮发电机组依然会出现烧瓦事故。因此，在项目建设时期采购带有主油泵的汽轮机、同时设置高位油箱，为从根本上处理以上问题的方法。
参考文献
[1]  郑金明.汽轮机润滑油高位油箱的应用[J].电力系统装备，2019（8）：105-108.
[2]  曹丽萍，韩传海.浅析安全生产事故中的人为因素及预防措施[J].科技致富向导，2010（2）：139-140.
（上接第86页）
件的性能。
（1）螺杆M20打压10T 。
P =F /S =100000 N/254.93 mm 2=392.26 MPa ，该值小于抗拉强度600 MPa 。
（2）螺杆M16打120 N•m 。
即压紧力F =T /kD =120 N•m/（0.22×0.016 mm ）=34090 N ，P =F /S =34090 N/156.67 mm 2=217.59 MPa ，该值小于抗拉强度600 MPa 。
（3）仿真结果与计算结果吻合，设计符合紧固件机械性能要求。如图11~14
所示。
图11 M16
螺杆网格划分
图12 M16
螺杆仿真结果
图13 M20
螺杆网格划分
图14 M20螺杆仿真结果
4  结语
（1）单独铁芯模态计算，空载状态下，电磁力激励频率较高，而铁芯低阶频率都较低，故不会引起共振。
（2）单独铁芯模态计算，负载状态下，因1阶频率大于共振频率范围，无共振风险。
（3）轴向力小于506 N ，幅向力小于33 N ，铁心预压紧力20 T 和线圈预压紧力6.25 T ，器身机械性能无风险。
（4）壳体以及紧固件经过验算和仿真，均有足够的安全裕度。
（5）通过产品试制及测试，验证了该型电抗器机械性能
设计的有效性和可行性。

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