三相五柱式电抗器心柱和拉杆受力分析

刘均菲 曲光磊 邢军强 王菲

摘 要：本文以三相五柱式电抗器结构为例，对电抗器铁心压紧和器身压紧过程后心柱的实际受力情况，以及心柱拉杆、旁轭拉杆、相间拉杆的受力情况进行了分析。

关键词：三相五柱式电抗器；铁心压紧力；拉杆受力

1 引言

带气隙电抗器的噪声主要来源于交变磁通在各铁心饼间的电磁力作用和硅钢片的磁滞伸缩。那么对心柱施加适当的作用力以抵消心柱电磁力是解决噪声问题的途径之一。目前抵消心柱电磁力主要采用的方法是利用心柱中心的拉杆和旁轭、相间的拉杆对心柱进行压紧。但是因为在三相五柱式结构中心柱、旁轭、相间拉杆所处位置不同、施力的过程也不同。本文将按照电抗器心柱实际加压过程利用ANSYS软件对心柱和各处拉杆的受力情况进行分析，得到心柱和各处拉杆实际的受力情况，为后续心柱压緊力的大小和各处拉杆强度的选取提供参考，并有针对性的优化加压过程。

2 心柱压紧过程简要说明

对心柱的加压过程主要是以下几个步骤：①铁心饼在下铁轭上叠装后未套线圈前进行预压，主要目的是为了将各铁心饼带胶后预压到要求的高度并粘牢。②线圈套装、安装上铁轭。安装完上铁轭后，利用三个心柱中心的拉杆对心柱进行加压。在此过程中因为未插旁轭小片可以将上铁轭看成是一个自由活动的部件。③加压完成后，插旁轭小片，夹紧，再安装旁轭和相间拉杆。相间拉杆暂不进行加压处理。④器身进行干燥处理，干燥后利用心柱中心的拉杆对心柱进行二次加压。⑤心柱二次加压后，对旁轭和相间拉杆进行加压，完成整个心柱的加压过程。需要注意的是此时旁轭小片已经夹紧，其摩擦力很大。⑥整个心柱加压过程完成后，需对器身进行加压根据要求值压紧器身。此时旁轭小片处于夹紧状态，心柱拉杆与旁轭、相间拉杆也处于拉紧状态。完成以上操作过程后，心柱与各处拉杆将处于一个平衡的受力状态，这也将是产品运行时的最终状态。

3 电抗器心柱和各处拉杆受力分析的仿真计算

仿真计算是力学分析的一个重要手段，本文采用ANSYS软件的有限元分析方法，根据上述工艺步骤中的三个加压过程，对心柱和各处拉杆的受力情况进行分析，总体模型如图1所示。模型中，心柱拉杆和旁轭、相间拉杆均为直接受力装置，加压后不会有反弹现象，所以设置为梁单元。心柱与器身加压后会有反弹力，所以设置为弹簧单元。

3.1 通过心柱拉杆对每个心柱施加压过程和计算结果

①通过心柱拉杆对每个心柱施加一定的压力，本文以35吨压力为例进行仿真计算。此时的上铁轭未插小片处于活动状态，旁轭和相间拉杆也未安装，计算模型如图2所示；②此时心柱和心柱拉杆受力均为35吨。

3.2 通过旁轭和相间拉杆对心柱加压过程和计算结果

①器身干燥后，通过旁轭和相间拉杆对心柱加压，每根拉杆施加一定的压力，本文以8.3吨为例进行仿真计算。因为此时的上铁轭已插小片处于固定状态，当给旁轭和相间拉杆加压时，会出现上铁轭的变形，变形趋势如图3所示；②通过计算得出心柱受力为A、C相42吨，B相48吨；心柱拉杆受力为A、C相33.6吨，B相32.2吨；旁轭和相间拉杆受力均为8.3吨。

3.3 通过器身加压装置对器身加压过程和计算结果

①通过器身加压装置对器身施加一定的压力，本文以每相施加14吨压紧力为例进行仿真计算。因为此时的上铁轭已插小片处于固定状态，心柱拉杆与旁轭、相间拉杆也处于拉紧状态。当给器身加压时，会出现上铁轭的变形，变形趋势如图4所示；②通过计算得出心柱最终受力为A、C相36吨，B相39吨；心柱拉杆受力为A、C相为34.3吨，B相为33.6吨；旁轭拉杆受力为8.2吨；相间拉杆受力为9.7吨。

4 结论

通过以上计算结果可以看出，心柱和旁轭、相间拉杆力和心柱加压过程，心柱上最终达到平衡的力是不一样的。也就是说当电抗器运行时心柱虽然已处于压紧状态，但是由于压紧力不同，那么它的形变量也是不同的，从而会影响电抗器的噪声问题。同时，各处拉杆由于处在的位置不同，并且受到旁轭小片夹紧的影响，最终所受的拉力也不同，尤其是相间拉杆已达到原给定值的1.17倍。利用计算结果对拉杆的强度进行校核，选取合适强度或直径的拉杆避免拉杆产生塑形变形，导致损坏。借鉴以上计算结果，铁心压紧时需要适当调整心柱压紧力和各处拉杆拉力，保证三个心柱所受压紧力一致，这是控制噪声的重要环节。再通过计算和实践摸索到一个心柱压紧力的最佳值才会将心柱噪声降到最低。

作者简介：

刘均菲（1980- ），男，辽宁抚顺人，特变电工沈阳变压器集团有限公司工程师，从事电抗器类产品的设计开发工作。