新型电抗器的设计与仿真研究

郭翔 梅超 阮征 邹祖娇

摘  要：噪声问题是限制电抗器在城区室内使用的一个关键因素，文章设计一种新型电抗器，其铁芯由硅钢片和金属软磁粉芯组成，并对其进行有限元电磁场仿真分析，最后根据设计和仿真结果制作一台样机，其噪声测试为54.3dB，低于传统硅钢片制备的电抗器。

关键词：电抗器;低噪声;金属软磁粉芯;有限元仿真

中图分类号：TM47 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）28-0028-05

Abstract： Noise is a key factor restricting reactors application in urban areas. In this paper， a new type of reactor， consisting of silicon steel and soft magnetic powder core， was designed and the electromagnetic field was analyzed by FEM simulation. Based on the design and simulation results， a reactor prototype was manufactured. The testing result indicated that the noise of reactor was 54.3 dB， much lower than that of the reactors with silicon steel core.

Keywords： reactor; low noise; soft magnetic powder core; FEM simulation

1 概述

随着电力电子技术的高速发展，对电网的电能质量也提出了更高的要求和标准。在电网中，无功补偿对电能质量的改善和提高电网的经济效益起到关键的作用，因此无功补偿技术一直是电力系统研究的热点和难点。其中并联电抗器作为无功补偿技术中最为核心的电气装置，可以有效地补偿输电线路上的电容效应，并且可以在轻载时吸收无功功率，从而保证电能传输的稳定和高效。目前，由于越来越多的城市采用10kV干式铁芯电抗器作为室内变电站无功补偿装置，这使得电抗器的噪声问题尤为凸显，这也大大限制了电抗器在城市中的应用。基于噪声污染问题，国内学者对此进行了广泛的研究。华南理工大学韩强教授课题组研究干式变压器的振动噪声，首次通过研究干式铁心并联电抗器在通电状态下铁心和线圈的振动特性，同时研究不同时刻振动噪声的频谱特性，深入研究其振动噪声的根源，并且利用有限元软件对其进行了验证。上海交通大学范春菊课题组研究了干式变压器振动和噪声形成的机理，并且通过有限元模拟方法计算了10kV干式变压器的振动模态特性。天津工业大学的杨意妹研究了不同工作状态下铁心磁场和振動的数值分析，得到了其磁场、振动的分布情况，其结论可以为减少电抗器振动噪声的设计提供理论依据和计算方法。哈尔滨工业大学刘骥利用有限元仿真软件对三相串联铁芯电抗器在工频工作状态下的磁场分布、铁芯磁致伸缩位移、铁饼间的麦克斯韦力位移和声压级进行分析研究。从上述分析可以得出，电抗器的噪声的来源主要集中于铁芯的振动和硅钢片的磁致伸缩效应。但是目前在工程领域，应对噪声污染主要采用的是被动治理措施，通过给电抗器增加隔声罩或者建立隔音房来达到降低噪声污染的目的，这种治理方式没有从根本上解决噪声问题，并且还额外增加了经济成本和电抗器的整体体积。随着软磁材料不断发展，磁芯的种类已经不是单单局限于硅钢片和铁氧体，非晶材料、纳米晶材料和金属软磁粉芯已经成为近年来研究的热点。其中，金属软磁粉芯是由铁系合金粉末以及包覆在磁粉表面的绝缘材料复合而成，这类材料的磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数接近零，可以有效解决电抗器中的噪声问题，并且由于材料中的金属磁粉被绝缘介质完全包覆，所以可以有效隔绝涡流，使得制备的磁元件在具有高次谐波的电路中仍然保证良好的电气性能。本文正是基于金属软磁粉芯，设计一种新型的低噪声并联电抗器，其中电抗器中的铁芯采用金属软磁粉芯和硅钢片，同时利用ANSYS Maxwell三维有限元仿真软件对并联电抗器进行电磁场仿真，研究电抗器电感值、磁通密度分布以及损耗，从而在理论上分析了新型电抗器的磁路结构，最后制作一台与设计和仿真匹配的并联电抗器进行损耗与噪声测试，从而在理论和实际上验证新型电抗器的可行性，为后续优化设计提供有益的参考。

2 新型并联电抗器设计

本文设计的三相并联电抗器的容量为260kVA，输入电压为10kV的工频交流电。其中，磁轭选择磁导率较高的硅钢片（0.3mm）作为铁芯材料，选用有效磁导率为60的金属软磁粉芯作为磁柱的材料，从而构成一种具有混合磁路的新型并联电抗器。其具体参数设计过程如下：

3.1 ANSYS Maxwell有限元仿真原理

Maxwell仿真软件是美国ANSYS公司推出的一款专业的电磁场仿真软件，也是目前高校、企业以及科研单位进行电磁场分析的主流软件。Maxwell仿真软件是基于有限元的思想，即是把连续的集合结构离散成有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，从而将上述连续的物体转换成只在节点处相连接的一种集合体，并且选取场函数的节点作为未知量，同时在每个单元中假设一个插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立求解节点处未知函数有限元方程组，从而将一个连续的无限自由度问题转换成离散的有限自由度问题。Maxwell软件包括静磁场、涡流场、瞬态场等求解模块，可以用来分析永磁电机、变压器、传感器等设备的电磁场，从而实现对于电磁设备仿真和验证。目前，ANSYS Maxwell仿真软件凭借其优异的有限元计算能力和多物理场的耦合能力，成为电力电子、汽车、航空航天、电网、核工业、船舶等领域必不可缺的帮手。

3.2 三相并联电抗器有限元建模

为保证Maxwell有限元仿真结果与实际工况更加接近，本文的三维有限元仿真模型与设计参数按照1：1进行建模，仿真模型见图1所示，其中图1（a）是三相并联电抗器仿真模型图，图1（b）是三相并联电抗器铁芯及气隙模型图。本文的仿真建模基于以下几点假设：（1）激励源为正弦变化，未考虑高次谐波对电抗器的影响;（2）铁芯气隙垫块的属性近似和空气相同;（3）忽略位移电流的影响。

仿真模型的主要参数为：上下磁轭为1180*200*200mm;磁柱为700*200*200mm，绕组的内径325mm，外径440mm;磁芯截面积为336cm2;每柱匝数为1050匝，每个磁柱气隙长度为46mm，将其分成四个部分添加至磁柱上，在磁柱上的气隙长度从上到下分别是8mm，12mm，12mm，14mm。

3.3 三相并联电抗器有限元仿真分析

3.3.1 网格剖分

在Maxwell仿真分析中，网格剖分是其进行求解的基础，求解结果的准确度取绝于网格数量的多少。所以本文对于三相并联电抗器网格剖分是基于软件自适应剖分的基础上，采用TAU模式作为网格剖分单元，将模型中铁芯部分进行加密剖分，其剖分设置为最大网格单元的边长为5mm;由于模型中存在的气隙可以显著的影响损耗分布和磁通的走向，并加大电抗器的漏感，所以同样需要对气隙进行加密网格剖分，其剖分设置的最大网格单元边长是0.5mm。网格剖分如图2所示，图2（a）是电抗器仿真模型网格剖分图，图2（b）是电抗器磁芯和气隙部分网格剖分加密图。

3.3.2 电感量分析

三相并联电抗器的电感值仿真结果如图3所示，通过对图3的分析可以知道，随着外加电压做正弦变化，电感值经过一个短暂非平衡状态后，进入到一个稳定变化的状态，每一相的电感值从0.9810H到1.0953H之间变化，其中A相的平均电感值约为1.0536H，B相的平均电感值约为1.0365H，C相的平均电感值约为1.0290H，三相的平均电感值都在1H附近，所以仿真得到的电感量与设计电感量接近，从而验证了设计可行性。

3.3.3 感应电流分析

三相电抗器的感应电流如图4所示，从图可以看出，三相并联电抗器感应电流呈现正弦分布，并且每相电流的相位差为120°，A、B、C三相的感应电流有效值分别是14.5576A、14.7111A以及15.1415A，利用Maxwell软件仿真得到的电流与设计值15A接近，说明设计符合预期要求。

3.3.4 磁通密度分析

由图4可知，三相电抗器的每相电流之间存在相位差，所以每相电流达到最大值对应的时间不同，本文选取中间柱线圈电流达到最大值的时刻作为研究对象。三相电抗器的磁通密度分布如图5（a）所示，从图上可以看出，由于此时中间柱线圈电流相对较大，导致中柱铁芯呈现较高的磁感应强度，最大值约为0.85T，并且可以清楚看出，上下磁轭处的磁通密度值较低，所以可知，三相电抗器中的磁力线主要集中于中柱和两侧边柱，而在上下磁轭处分布较少;图5（b）为三相电抗器磁力线分布图，其磁力线分布情况与磁通密度分布图相一致，除此之外，从图上可以看出磁力线在气隙处呈现扩散现象，这是由于气隙属于非导磁物质，对磁力线无聚集能力，所以会产生漏磁现象，本文采用分布式气隙设计来代替传统开集中气隙的方法，可以有效的降低漏感，并且可以降低磁力线经过绕组产生的涡流损耗。

3.3.5 损耗分析

三相并聯电抗器的铁芯损耗和铜线损耗如图6所示，铁损的平均值为1.0564kW，铜损的平均值为2.6304kW，所以利用Maxwell仿真得到的总损耗为3.6868kW，从损耗仿真数据可以得出，新型三相并联电抗器的损耗主要集中在绕组上，而铁芯损耗相对较低。

4 三相并联电抗器样机分析

基于设计参数和ANSYSMaxwell有限元仿真分析结果，本文制作一台容量为260kVA，额定电压为10kV三相并联电抗器，并对制作的样机进行电磁性能和噪声测试，样机如图7所示。当测试的施加电压为额定电压10kV条件下，样机的总损耗为3.7634kW。实测损耗数据与仿真结果相比，发现两者之间的误差约为2%左右，说明利用Maxwell仿真软件得到的损耗结果具有较高的准确度和可靠性，从而也验证了设计和仿真的合理性。在额定电压下，样机的噪声为54.3dB，而同容量纯硅钢制作的三相并联电抗器的噪声一般在70dB左右，说明本文设计的新型三相并联电抗器可以有效降低噪声。

5 结束语

综上所述，为解决电抗器的噪声问题，使其噪声等级能够满城区室内使用要求，本文设计了一种容量为260kVA，额定电压为10kV的新型三相并联电抗器，其铁芯材料由两部分组成，磁轭处采用传统的硅钢片，三个磁柱使用金属软磁粉芯作为铁芯材料，由于金属软磁粉芯具有极低的磁致伸缩系数，所以可以有效减弱电抗器的振动问题，从而降低电抗器的噪声。针对上述三相并联电抗器，采用ANSYSMaxwell有限元软件对其进行电磁场仿真分析，研究电感量、感应电流、磁通密度分布以及损耗对其的影响。最后，基于设计和仿真结果，制作一台容量为260kVA的三相并联电抗器，并对其进行电磁性能和噪声测试，其噪声为54.3dB，低于传统的硅钢铁芯电抗器，说明使用金属软磁粉芯作为电抗器磁芯可以有效降低电抗器的噪声，为解决干式铁芯电抗器的噪声问题提出了一种有益的参考。

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