CN109033626A - 一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，考虑了电抗器振动噪声产生的过程，基于多物理场耦合的有限元理论，建立多场耦合的电抗器电磁‑结构‑噪声的全过程仿真模型，计算电抗器振动噪声。获得特高压并联电抗器各种尺寸及相关参数，建立真实数据的电抗器三维模型；在瞬态磁场中，采用虚位移法计算电抗器绕组和铁心所受电磁力；对电抗器所受电磁力进行FFT变换，获得其频率、幅值与相位；以FFT变换的电磁力为载荷激励，进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器振动速度和振动特性；以电抗器振动速度为载荷激励，进行噪声分析，获得电抗器噪声分布。本发明为特高压并联电抗器的振动抑制和噪声减弱提供了理论依据，具有较好的应用价值。

Description

一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法

技术领域

本发明属于电抗器多物理场耦合计算技术领域，具体涉及一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法。

背景技术

特高压并联电抗器作为改善电压分布和无功补偿的关键设备，在电力系统中扮演着至关重要的作用，因而大型特高压变电站都安装有特高压并联电抗器。

但由于特高压并联电抗器容量巨大、电压极高，加之其特殊的结构等原因，容易造成振动增大、噪声污染严重等问题。一方面，振动的增大给电抗器自身的运行带来影响，降低了运行年限；另一方面，噪声对环境造成极大了干扰，带来其他问题。

现有方法很难对电抗器的振动噪声作出准确的判断与预测，这是由于一方面，振动噪声属于机械范畴，运动规律变化较大；另一方面，振动噪声难以预测，工程实践较困难。而通过实验的方法往往需要依赖大量数据的采集，不仅浪费人力与物力，且无法从生产与制造阶段给出减弱振动噪声的办法，因此，如何预测电抗器振动噪声及为其减振降噪提供有效的措施显得非常重要，也是相关领域人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，旨在计算电抗器振动噪声，分析电抗器振动噪声分布特性，为特高压并联电抗器的振动抑制和噪声减弱提供了理论依据，具有较强的工程实用性。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，包括以下步骤：

(1)建立电抗器三维仿真模型；

(2)将所述电抗器三维仿真模型导入Maxwell 3D软件中，将求解器设置为瞬态磁场求解器，设定时间求解步长，采用虚位移法计算得到电抗器绕组与铁心所受电磁力；

(3)对步骤(2)中得到的电抗器绕组与铁心所受电磁力数据进行FFT变换，得到电磁力的频率、幅值与相位；

(4)基于所述电抗器三维仿真模型，以步骤(3)中计算得到的电磁力数据作为载荷激励，进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器的振动速度；

(5)基于所述电抗器三维仿真模型，以步骤(4)计算得到的电抗器振动速度作为载荷激励，进行噪声分析，获得电抗器噪声分布，完成并联电抗器振动噪声的计算。

进一步地，所述步骤(1)中：在电抗器三维仿真模型建立的过程中，首先利用3D软件先建立电抗器各部分零件模型，然后进行零件的装配，最终以装配体呈现。

进一步地，所述步骤(1)具体为：在3D软件中，建立1:1真实比例数据的电抗器三维仿真模型，并保存为*.x_t格式。

进一步地，所述步骤(2)的具体实施步骤为：

将电抗器三维仿真模型导入Maxwell 3D软件中；

设置求解器为瞬态磁场求解器，同时，设定时间求解步长；

定义绕组材料属性和铁心材料属性，施加激励，并且在Winding中设置绕组并联支路数，假设电流在绕组中均匀分布，通过网格划分完成电抗器绕组与铁心所受电磁力的计算。

进一步地，所述完成电抗器绕组与铁心所受电磁力的计算，具体包括以下步骤：

进行电磁场计算，所述电抗器电磁场满足Maxwell方程和三维瞬态电磁场方程，具体为：

式中：A为矢量磁势；v为材料磁阻率；J为电流密度，为涡流密度；x、y、z 分别表示三维坐标x、y、z轴；t为时间。

根据式(1)计算得到磁势；

通过虚位移法求解电磁力，电磁力计算公式为：

式中：F为电磁力；J为电流密度；A为矢量磁势；dg为虚位移,V为积分体积。

进一步地，所述步骤(4)具体为：

将电抗器三维仿真模型导入ANSYS Workbench中；

对绕组和铁心施加由步骤(3)计算得到的电磁力载荷激励，包括电磁力的幅值与相位，同时定义结构-噪声耦合传递文件；利用模态分析与谐响应分析遵循动力学方程进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器的振动速度；所述动力学方程为：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；为加速度矢量；为速度矢量，{x}为位移矢量；{F(t)}为力矢量；

所述的结构-噪声耦合传递文件，用于将获得的振动速度作为载荷激励传到噪声场中。

进一步地，所述步骤(5)具体为：

将电抗器三维仿真模型导入ANSYS Acoustic中；

在噪声场中定义耦合噪声源，设置噪声计算边界条件、声音传播区域材料属性，同时将求解方法、频率范围、求解步长设置为与谐响应分析一致；

在噪声计算过程中，假设流体为理想介质，电抗器满足的波动方程为：

式中：p为声压；c₀为声速，x、y、z分别表示三维坐标x、y、z轴；t为时间。

将声压转化成声压级，计算公式如下：

式中：p_e为声压的有效值；p₀为基准声压。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，不仅给出了计算电抗器振动噪声的计算方法，还分析了电抗器振动噪声分布特性，为特高压并联电抗器的振动抑制和噪声减弱提供了理论依据，具有较强的工程实用性。

附图说明

图1为本发明一种实施例的流程图；

图2为本发明一种实施例中的电抗器整体结构图；

图3(a)为本发明一种实施例中电抗器油箱模态振型示意图；

图3(b)为本发明一种实施例中电抗器油箱固有频率示意图；

图4为本发明一种实施例中电抗器声压分布云图；

图5为本发明一种实施例中电抗器噪声测点分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过提供一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，解决了现有技术中很难对电抗器的振动噪声作出准确的判断与预测的问题，不仅给出了计算电抗器振动噪声的计算方法，还提出了电抗器振动噪声分布特性的分析方法，为特高压并联电抗器的振动抑制和噪声减弱提供了理论依据，具有较强的工程实用性。

本发明中的技术方案为解决上述串扰的问题，总体思路如下：

(1)获得特高压并联电抗器各种尺寸及相关参数，建立电抗器三维仿真模型；

(2)将所述电抗器三维仿真模型导入Ansoft Maxwell 3D软件中，求解器设置为瞬态磁场求解器，设定时间求解步长，后处理得到电抗器绕组与铁心所受电磁力的时域波形并记录各时间点数据；

(3)对步骤(2)中得到的电抗器绕组与铁心所受电磁力数据进行FFT变换，得到电磁力的频率、幅值与相位；

(4)将所述电抗器三维仿真模型导入到ANSYS Workbench中，以步骤(3)中计算得到的电磁力数据作为载荷激励，同时定义结构-噪声耦合传递文件，进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器振动速度；

(5)将模型导入ANSYS Acoustic中，以步骤(4)计算得到的电抗器振动速度作为载荷激励，定义耦合噪声源，接收结构场计算结果，求解计算，获得电抗器噪声分布。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例以BKDF-240000/1000型号的特高压并联电抗器作为振动噪声研究对象，具体包括以下步骤：

步骤(1)：在SolidWorks软件中建立1:1真实比例数据的电抗器三维仿真模型，并保存为*.x_t格式；在本发明的其他实施例中，还可以采用其他三维软件来代替SolidWorks软件，本发明中不对三维软件的具体名称做限定，只要能够实现建立电抗器三维仿真模型即可；

电抗器整体由绕组、铁心、油箱1、套管2等组成。在本发明实施例中，绕组采用铜导线螺旋绕制而成，因此，建立模型时以圆筒状结构代替；铁心整体结构为一铁心柱带两旁轭，铁心柱由气隙垫块和铁心饼交替叠加组成，并用非导磁材料穿心螺杆、螺母和特制碟簧组成的压紧装置进行紧固；油箱采用矩形桶式结构，以槽型增加油箱整体强度，箱盖顶端有纵横向的加强筋，具体结构如图2所示。

步骤(2)：将步骤(1)中得到的*.x_t格式的电抗器三维仿真模型导入AnsoftMaxwell 3D中，选择瞬态磁场求解器，绕组材料属性定义为铜，铁心材料属性为自定义的硅钢片，截取绕组截面，在绕组截面施加线圈端子，定义匝数，同时添加Winding，定义绕组电流与并联支路数，添加绕组与铁心电磁力参数，设置求解时间范围100ms、求解步长为0.5ms，通过网格划分完成电抗器绕组与铁心所受电磁力的计算；

在计算电抗器绕组与铁心所受电磁力时，首先需要对电磁场进行计算，在本发明实施例中，整个电磁场的计算过程中，电抗器电磁场满足Maxwell方程和三维瞬态电磁场方程

式中：A为矢量磁势；v为材料磁阻率；J为电流密度，为涡流密度。

计算得到磁势，通过虚位移法求解电磁力：

式中：J为电流密度；A为矢量磁势；dg为虚位移；V为积分体积。

最终完成电磁场的计算，结果后处理得到电抗器绕组与铁心的电磁力，记录时间点的数据，并将结果保存为*.txt格式；所述的结果后处理得到电抗器绕组与铁心的电磁力的具体实施过程为：工程管理栏→Results→Create Transient Report→Data Table。

本步骤中的电磁场计算是电磁-结构-噪声耦合计算的第一部分，是为了得到电抗器绕组与铁心所受电磁力，为步骤(3)提供原始原始数据。

步骤(3)：在MATLAB中编写程序，对电磁力进行FFT变换，记录电磁力频率、幅值与相位；本实施例的其他实施方式中，可以在其他的计算软件来替代MATLAB，只要能够实现对电磁力进行FFT变换即可；

步骤(4)：将电抗器三维仿真模型导入ANSYS Workbench中，进行模态分析与谐响应分析，以获得电抗器的振动速度；

重新定义各材料属性，参数设置包括材料密度、泊松比和弹性模量等，对电抗器套管支撑件底部和油箱底部施加固定约束，频率范围设置为0～1000Hz，求解步长为10，施加载荷激励为绕组与铁心经FFT变换后100Hz电磁力的幅值与相位，同时在谐响应分析中定义结构-噪声耦合传递文件，该结构-噪声耦合传递文件用于将获得电抗器的振动速度传送到噪声场中；

模态分析与谐响应分析遵循动力学方程：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；为加速度矢量；为速度矢量，{x}为位移矢量；{F(t)}为力矢量。

完成设置后，求解计算，电抗器油箱模态振型与固有频率如图3(a)和图3(b)所示。由图3(a)和图3(b)可知，电抗器油箱的前几阶固有频率很低，随着阶数增大，固有频率增大，模态振型由套管渐渐移向油箱本体。

(6)将模型导入ANSYS Acoustic中，进行噪声分析；

联立工程材料数据，进行材料属性的传递，即噪声场分析与结构场中的材料相同；在噪声场中设置噪声计算边界条件、声音传播区域材料属性等，同时频率范围、求解步长和求解方法与谐响应分析保持一致。

在噪声计算过程中，假设流体为理想介质，电抗器满足的波动方程为：

式中：p为声压；c₀为声速。

将声压转化成声压级：

式中：p_e为声压的有效值；p₀为基准声压。

设置完成后，求解计算，电抗器声压分布云图如图4所示。由图4可知，电抗器本体噪声内部大于外侧，由于铁心所受电磁力、磁致伸缩效应以及硅钢片本身的特殊材质等原因，使铁心上轭成为最大噪声区域。

对BKDF-240000/1000型号的特高压并联电抗器进行噪声测量实验，通过声压计采集噪声信号。选择水平距离电抗器表面0.3m和2.0m，垂直距离地面1.5m的点作为噪声测量点，电抗器噪声测点分布如图5所示。由此获得电抗器以100Hz为中心频率的1/3倍频带的噪声声压级，并与仿真计算结果作对比，具体参见表1。由表1可知，由于其他两相电抗器以及环境背景噪声等因素的影响，电抗器噪声实验测量值比计算值大，但整体误差很小，证明了模型的准确性。可用此模型及计算方法对电抗器振动噪声进行预测，对电抗器振动减振降噪具有非常重要意义。

表1 仿真计算与实验测量对比

综上所述：

本发明公开了一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其方法考虑电抗器振动噪声产生的过程，基于多物理场耦合的有限元理论，建立多场耦合的电抗器电磁-结构-噪声的全过程仿真模型，计算电抗器振动噪声，具体包括：(1)获得特高压并联电抗器各种尺寸及相关参数，建立真实数据的电抗器三维模型；(2)在瞬态磁场中，采用虚位移法计算电抗器绕组和铁心所受电磁力；(3)对电抗器所受电磁力进行FFT变换，获得其频率、幅值与相位；(4)以FFT变换的电磁力为载荷激励，进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器振动特性和振动速度；(5)以电抗器振动速度为载荷激励，进行噪声分析，获得电抗器噪声分布。本发明为特高压并联电抗器的振动抑制和噪声减弱提供了理论依据，具有较好的应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立电抗器三维仿真模型；

(2)将所述电抗器三维仿真模型导入Maxwell 3D软件中，将求解器设置为瞬态磁场求解器，设定时间求解步长，采用虚位移法计算得到电抗器绕组与铁心所受电磁力；

(3)对步骤(2)中得到的电抗器绕组与铁心所受电磁力数据进行FFT变换，得到电磁力的频率、幅值与相位；

(4)基于所述电抗器三维仿真模型，以步骤(3)中计算得到的电磁力数据作为载荷激励，进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器的振动速度；

(5)基于所述电抗器三维仿真模型，以步骤(4)计算得到的电抗器振动速度作为载荷激励，进行噪声分析，获得电抗器噪声分布，完成并联电抗器振动噪声的计算。

2.根据权利要求1所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述步骤(1)中：

在电抗器三维仿真模型建立的过程中，首先利用3D软件先建立电抗器各部分零件模型，然后进行零件的装配，最终以装配体呈现。

3.根据权利要求1或2所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：

在3D软件中，建立1:1真实比例数据的电抗器三维仿真模型，并保存为*.x_t格式。

4.根据权利要求1所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实施步骤为：

将电抗器三维仿真模型导入Maxwell 3D软件中；

设置求解器为瞬态磁场求解器，同时，设定时间求解步长；

定义绕组材料属性和铁心材料属性，施加激励，并且在Winding中设置绕组并联支路数，假设电流在绕组中均匀分布，通过网格划分完成电抗器绕组与铁心所受电磁力的计算。

5.根据权利要求4所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述完成电抗器绕组与铁心所受电磁力的计算，具体包括以下步骤：

进行电磁场计算，所述电抗器电磁场满足Maxwell方程和三维瞬态电磁场方程，具体为：

式中：A为矢量磁势；v为材料磁阻率；J为电流密度，为涡流密度；x、y、z分别表示三维坐标x、y、z轴；t为时间；

根据式(1)计算得到磁势；

通过虚位移法求解电磁力，电磁力计算公式为：

式中：F为电磁力；J为电流密度；A为矢量磁势；dg为虚位移，V为积分体积。

6.根据权利要求1所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：

将电抗器三维仿真模型导入ANSYS Workbench中；

对绕组和铁心施加由步骤(3)计算得到的电磁力载荷激励，包括电磁力的幅值与相位；

在谐响应分析中定义结构-噪声耦合传递文件；利用模态分析与谐响应分析遵循动力学方程进行模态分析与谐响应分析，获得电抗器的振动速度；所述动力学方程为：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；为加速度矢量；为速度矢量，{x}为位移矢量；{F(t)}为力矢量；

所述的结构-噪声耦合传递文件，用于将获得的振动速度作为载荷激励传到噪声场中。

7.根据权利要求6所述的一种特高压并联电抗器振动噪声计算方法，其特征在于：所述步骤(5)具体为：

将电抗器三维仿真模型导入ANSYS Acoustic中；

在噪声场中定义耦合噪声源，设置噪声计算边界条件、声音传播区域材料属性，同时将求解方法、频率范围、求解步长设置为与谐响应分析一致；

在噪声计算过程中，假设流体为理想介质，电抗器满足的波动方程为：

式中：p为声压；c₀为声速，x、y、z分别表示三维坐标x、y、z轴；t为时间。

将声压转化成声压级，计算公式如下：

式中：p_e为声压的有效值；p₀为基准声压。