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ansoft电机减少振动

随着印度电抗器市场竞争日益激烈,为了适应印度电抗器市场既经济又可靠的需求,特变电工沈变集团、营口职业技术学院的研究人员徐春苗、肖朋,在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文,针对印度765kV并联电抗器技术要求和市场产品特点,从铁心磁路结构、线圈油路设计、油箱结构和散热器布置方式等方面进行设计和验证,产品实测结果满足用户要求,验证了该方案的可行性。

响应国家“一带一路”战略号召,积极推动产能输出,在印度宏大的经济发展前景下,印度的电力行业发展也十分迅速,以印度电力市场的开发建设为契机,765kV特高压输变电设备发展潜力巨大。作为无功补偿设备的并联电抗器需求量逐年递增。为了适应印度电抗器市场既经济又可靠的需要,通过均衡调整765kV并联电抗器铁心磁路结构、线圈油路设计、油箱结构、散热器布置方式等方面的安全裕度,设计出效率高、可靠性高、经济性好的产品势在必行。

1 中国与印度765kV并联电抗器的差异

1)电抗器阻抗偏差不同。国内并联电抗器电抗值偏差范围为-5%~5%;印度并联电抗器电抗偏差范围为-5%~0,电抗偏差要求更加严格。2)温升要求。国内最高年平均气温为+20℃,国内并联电抗器温升要求为温升顶层油50K,绕组平均60K,绕组热点70K;印度年平均气温更高,达到+32℃,因此并联电抗器温升要求为顶层油40K,绕组平均45K,绕组热点59K。3)散热器布置不同。国内散热器一般采用集中布置方式,散热器和储油柜与本体分离;印度散热器采用鹅颈披挂油箱式结构,散热器与储油柜直接挂本体。2 并联电抗器产品技术参数

该设计依托印度国网要求的采购合同项目765kV并联电抗器,主要性能参数见表1。

表1 765kV并联电抗器主要性能参数

3 765kV并联电抗器总体结构设计

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通过近年来对765kV以及1000kV电抗器产品的研制总结,并吸收乌克兰、日立、西门子等技术,研发了主纵绝缘强度、损耗、温升、抗震等计算软件,为研制80Mvar/765kV电抗器提供良好的技术、设备和试验基础条件。BKD-80000/765TH是为印度国家电网生产的特高压并联电抗器。

本产品为单相中部铁心柱加两旁轭结构;中部铁心柱由铁心饼叠积而成,中部铁心柱内部由穿心螺杆夹紧上、下铁轭以压紧中柱铁心饼;铁心旁轭及上、下轭采用粘带绑紧;印度并联电抗器产品磁路设计的总体原则是通过大体积铁轭加油箱磁屏蔽的方式控制漏磁通的走向,降低产品杂散损耗。

夹件采用无磁钢或低磁钢,从而大幅度减少夹件和拉板因漏磁场引起的杂散损耗,避免局部过热情况出现。

线圈的主要特点是采用内屏连续式,采用薄匝绝缘导线,线圈设置轴向油道加挡油板结构,减少主绝缘距离采用小油隙分割的布置方式,缩小产品的整体尺寸及重量。油箱结构,采用桶式油箱,高压侧为半圆型结构,在满足电气绝缘的前提下尽可能减小油箱体积,以达到节省钢板和变压器油的目的,油箱加强铁中装降噪材料,旁轭两侧箱壁焊减振隔声板。以降低噪声和振动。

对散热器的布置及储油柜进行挂本体设计,减少结构管路及油的用量,降低产品成本,产品外形图如图1所示。

图1 产品外形图

4 765kV并联电抗器3D磁场有限元分析

本文模型采用电磁场分析软件Ansoft进行计算,该软件包括全套的电磁场分析模块,例如电场、磁场、涡流场、瞬态场等二维、三维求解模块,还可以进行基于涡流场和瞬态场的损耗计算,并直接耦合进行温度场的计算和分析。

基于三维涡流场对765kV并联电抗器的磁场和温度场进行分析,验证产品设计的可靠性。Ansoft软件的涡流求解器主要分析时变磁场,由导体中时变电流或者外界磁场源所引起,以及所产生的磁密及损耗等分布情况。

图2是765kV并联电抗器有限元模型,根据有限元分析,在1.05倍及1.25倍额定电压下铁心饼、铁轭及铁心间气隙磁通密度分布分别如图3和图4所示。

图2 765kV并联电抗器有限元模型
图3 1.05倍电压下铁心磁感应强度分布图

同时,根据仿真结果对额定电压下铁心饼、铁轭、铁心间气隙磁通密度分布分析可知,铁心柱、铁轭磁密满足设计要求。在额定条件下,计算油箱和油箱磁屏蔽中磁通密度分布情况,具体分布如图5所示,从图中可以看出,漏磁主要集中在磁屏蔽边缘与油箱的交接处,最大漏磁为0.092T。再计算器身夹件中磁通密度分布情况,具体分布如图6所示,漏磁主要集中在靠近最下端铁心饼这侧的夹件上,最大漏磁为0.238T。

图4 1.25倍电压下铁心磁感应强度分布图
图5 油箱磁感应强度分布图
图6 夹件磁感应强度分布图

综合以上仿真计算及分析可知,铁心柱、铁轭、油箱、夹件等磁场强度值均满足设计要求,从而验证方案设计的合理性。

5 765kV并联电抗器温升计算

为使电抗器绝缘水平提高,经常采用增加绝缘件数量来提高并联电抗器的抗电场击穿能力,但是增多绝缘材料后,直接影响设备的散热性能。假如温升设计不合理,会导致绝缘材料的老化,同时油箱中的油分解进而产生气体,因此电抗器的温升必须进行分析和验证。

5.1 电抗器损耗计算

准确分析电抗器各个结构件的损耗是温升计算的前提,当铁心中通过恒定磁通时,不产生功率损耗,当铁心中通过交变磁通时,会产生功率损耗,称为磁损耗,工程上简称铁损或铁耗。以30ZH120硅钢片为例,50Hz、60Hz频率下材料实测损耗曲线及基于最小二乘法归算损耗曲线如图7所示。

根据损耗曲线归算,将归算得到损耗系数代入三维有限元计算模型来计算铁心损耗。当电抗器线圈中流过电流时,会产生直流电阻损耗,称为电损耗,工程上简称铜损或铜耗,通常用Pcu表示,可以用下式计算:

图7 不同频率损耗曲线测量值和预测值

5.2 基于三维耦合场电抗器温升计算

将上述计算出的铁损和铜损求代数和,得到并联电抗器的功率损耗,并作为热负荷,同时加载必要的边界条件,通过三维有限元模型计算,得出额定电压下油箱、夹件温度场分析如图8至图11所示。图8和图9分别为额定电压下损耗计算所得油箱低压侧和高压侧温升分布图。

图8 低压侧油箱三维温度场分布图
图9 高压侧油箱三维温度场分布图

图10和图11分别为额定电压下器身上下夹件三维温升分布图。

图10 额定电压下上夹件三维温度场分布
图11 额定电压下下夹件三维温度场分布

由三维温度场分析可得,高低压侧油箱及上下夹件温升均低于设计要求值,满足设计要求。

6 765kV并联电抗器油箱强度和抗震计算

利用Ansys软件对真空度为33Pa,正压试验为98kPa的765kV并联电抗器油箱的机械强度进行了计算分析。图12是油箱正压变形量图,图13是油箱正压应力图,计算结果如下:箱壁中心最大变形18.9mm,小于箱壁厚度的2.5倍,刚度满足要求;箱壁底部用铁加固,最大应力303.8MPa,小于许用应力420MPa,强度满足要求。

图12 油箱正压变形图
图13 油箱正压应力图

7 765kV并联电抗器抗震强度

用Ansys模拟地震工况下765kV并联电抗器模型,如图14所示,取加速度为Ah=0.2g,垂直加速度为Ay=0.135g,所用阻尼比为2%,突然承受3个共振正弦周期,同时考虑地震水平和垂直加速度。

根据计算结果,我们可以得出以下结论:地震工况下,电抗器最大位移为67.9mm;地震工况下,电抗器最大等效应力为87.6MPa,位于储油柜支架上。其材质为Q235,许用强度值为312MPa,计算后安全系数为3.56,安全。电抗器套管最大等效应力为8.37MPa,材质为瓷,允许强度值为60MPa,计算后安全系数为7.16,安全。套管根部最大等效应力为9.81MPa,材质为铸铝,许用强度值为130MPa,计算后的安全系数为13.25,安全。

根据计算结果,可以得出765kV并联电抗器满足客户抗震能力的要求。

图14 地震工况下电抗器等效应力分布图

8 产品试验数据

依托印度国网公司与我公司签订的765kV并联电抗器批量采购合同,本文选取合同中一台765kV并联电抗器,对产品试验结果进行整理和对比,产品的各项性能指标优异,试验结果完全满足或优于技术协议要求值,产品实验照片如图15所示。

图15 产品试验照片ansoft电机减少振动

产品完成了相关试验,其中损耗、温升、阻抗值各项指标见表2。

表2 产品实测值与设计值的对比表

9 结论

通过试验对比产品的各项性能指标,产品的漏磁控制方法有效、损耗值达到设计要求值,温升计算准确、油箱机械强度可靠,均达到、实现设计预期值,能够满足高效率、高可靠以及高经济的要求,目前产品已经在现场安装完成,具备投运条件。

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