一种低振动噪声的阳极饱和电抗器的制作方法

本发明属于阳极饱和电抗器振动与噪声控制技术领域，特别涉及一种低振动噪声的阳极饱和电抗器。

背景技术：

高压直流输电(hvdc)可有效缓解我国能源和负荷分布不均衡的问题，因此，我国电网发展规划中大量增加了特高压直流输电工程的比重。阳极饱和电抗器是换流阀中用来保护晶闸管的重要设备，阳极饱和电抗器的设计和制造也是换流阀系统的关键技术之一。然而，换流阀的振动噪声问题非常突出，其主要振动源是换流阀内的阳极饱和电抗器。阳极饱和电抗器在换流阀开通或关断时承受脉冲电压的作用，铁芯在磁不饱和与磁饱和状态之间的转换一般在数μs到数十μs的时间内完成。因此阳极饱和电抗器工作电流中含有大量的谐波，谐波电流会加剧阳极饱和电抗器振动，同时频率越高的电流引起的振动噪声越尖锐，严重影响设备寿命与周围居民生活环境。阳极饱和电抗器长期大幅度振动会加速其老化，减少使用寿命，严重时会造成整个换流阀系统发生故障。

因此，研究阳极饱和电抗器降振减噪技术，对于换流阀乃至直流输电系统的性能提高具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明针对换流阀中的阳极饱和电抗器振动噪声很大，提出一种聚氨酯弹性体、碳纤维增强铜基复合材料及铁芯底面固定的降振措施。

聚氨酯阻尼材料也称为粘弹阻尼材料，具有较高的损耗因子和较好的粘结性能。强力的振动不引起这种阻尼材料脱落老化，在一些特殊的环境使用下具有耐高温高湿和油污特性。在振动物体产生较高共振振幅之前，先将一部分振动能在自身中消耗，以达到减小振幅、降低振动能量的目的，是具有较大内损耗、内摩擦的材料。聚氨酯弹性体能增加阳极饱和电抗器的整体阻尼特性从而降低本体结构振动。

本发明的技术方案为：一种低振动噪声的阳极饱和电抗器，包括壳体，九对“跑道型”铁芯和五匝线圈，所述线圈用碳纤维增强铜基复合材料导线进行缠绕，壳体内的空间用聚氨酯弹性体材料填充。

进一步，所述铁芯底面与壳体底面进行固定。

进一步，所述“跑道型”铁芯中间开有气隙，用钢带将一对铁芯紧固在一起，形成一个整体卡在绕组上。

进一步，所述碳纤维增强铜基复合材料导线缠绕的线圈在特定位置穿过壳体并与壳体固定。

阳极饱和电抗器整体结构如图1所示，由九对“跑道型”铁芯以及五匝线圈构成，主要起抑制换流阀内快速上升的电流达到保护晶闸管的目的，单对“跑道型”铁芯结构如图2所示。

本发明的验证试验所采用的聚氨酯阻尼弹性体的基本性能指标如表1所示，基本性能指标均符合阻尼弹性体的要求，阻尼聚氨酯弹性体损耗因子随温度变化情况如图3所示。

表1聚氨酯弹性体性能指标

通过取出单对阳极饱和电抗器铁芯并缠绕22匝线圈，通过可编程电源对绕组施加不同大小和不同频率的电压激励，测试不同激励下铁芯振动大小，测点如图2所示。测完后再把其放入特制的钢材料模具中，加入聚氨酯弹性体对其升温固化，通过可编程电源对绕组施加激励，测试相同位置的振动大小，两种情况下的振动对比表2、表3所示。

通过表2可以看出，对阳极饱和电抗器铁芯添加阻尼聚氨酯弹性体后，振动加速度与噪声大小有了大幅度下降。400hz激励下不同磁通密度铁芯测点处的振动噪声具体数值及降低百分比如表2所示，从表中数据可以看出铁芯的工作磁密越高，弹性体的降振效果越好，当铁芯工作磁密为1.55t时，铁芯已经达到饱和状态，阻尼弹性体的降振百分比为80％，说明此种聚氨酯弹性体对阳极饱和电抗器铁芯降振作用效果显著。随着铁芯中磁通密度的升高，弹性体的降噪百分比先增加后降低，当铁芯中磁通密度为0.62t时，降噪百分比达到18.96％，由于噪声越高的情况下，相同振幅增值的情况下，噪声振动不明显，因此磁通密度较高时降噪百分比较低，但总体的效果较好。

表2400hz激励下测点处不同对应磁通密度的振动噪声抑制率

对磁通密度在0.155t情况下不同频率所产生的振动加速度与噪声大小进行对比分析，振动加速度和噪声大小以及降振降噪率如表3所示，通过表中数据可以看出，随着阳极饱和电抗器铁芯激励频率的升高，降振降噪效果越好，当激励频率达到2000hz的情况下，降振百分比达到93.48％，说明此种聚氨酯弹性体对高频谐波激励的铁芯振动抑制效果显著，因此此种聚氨酯弹性体应用于高频工作下的电气设备降振降噪效果更为有效。

表3铁芯磁通密度为0.155t时不同频率激励下测点处振动噪声抑制率

碳纤维增强铜基复合材料综合了铜的良好导电、导热性，并具有强度高、刚性好、质量轻，低膨胀系数、尺寸稳定性好等优点。同时碳纤维增强铜基复合材料不同于聚合物复合材料，长时间使用或搁置不会老化、吸潮，也不发生分解，更不会对环境有所污染。碳纤维增强铜基复合材料的导电性随碳纤维的含量变化趋势如图4所示，铜的电导率为57.21×10⁶s/m，碳含量为3％的碳纤维增强铜基复合材料的电导率为40.8×10⁶s/m，当碳纤维含量在5％时的电导率为39.71×10⁶s/m，当碳含量大于5％时碳纤维增强铜基复合材料的电导率快速下降。综合考虑选择碳含量为3％的碳纤维增强铜基复合材料，其杨氏模量与泊松比分别为300gpa与0.3，而铜导线的杨氏模量与泊松比分别为90gpa与0.34，碳纤维增强铜基复合材料的机械性能远好于铜导线。

阳极饱和电抗器每对“跑道型”铁芯中间开有气隙，用钢带将一对铁芯紧固在一起，形成一个整体卡在绕组上，具体结构如图5所示。虽然阳极饱和电抗器中浇注聚氨酯弹性体，由于铁芯受磁致伸缩力与电磁力作用，铁芯与壳体碰撞产生的振动噪声很大，因此将铁芯底面的位置1处与壳体底面进行固定，位置1如图5所示，固定约束的作用是增加结构的整体刚度，减小振动幅度。

本发明的有益效果：本发明的阳极饱和电抗器强度高、刚性好、质量轻，低膨胀系数、尺寸稳定性好，导电与导热性能好。聚氨酯弹性体材料具有较高的损耗因子和较好的粘结性能。在降低阳极饱和电抗器振动的同时发热也符合规定值，通过消耗阳极饱和电抗器本体振动内能来降低振动幅度，同时阻尼材料具有很强的吸声性，已通过对单对铁芯试验验证了聚氨酯弹性体的降振效果。碳纤维增强铜基复合材料不同于聚合物复合材料，具有很强的硬度以及韧性，能更好地支撑九对铁芯从而减小振动位移，长时间使用或搁置不会老化、吸潮，也不发生分解，更不会对环境有所污染。上述两种材料的施加能在保证阳极饱和电抗器在电气性能不发生改变的情况下明显减低其振动噪声。“跑道型”铁芯底面与壳体连接固定约束，能有效降低其与壳体底面的碰撞从而增加整体结构稳定性，在受磁致伸缩力与绕组电磁力后位移降低。

附图说明

图1阳极饱和电抗器结构图

图2阳极饱和电抗器单对“跑道型”铁芯结构图及测点

图3聚氨酯弹性体损耗因子随温度变化图

图4碳纤维增强铜基复合材料中不同碳纤维含量所对应的导电率

图5“跑道型”铁芯钢带及与壳体底面固定位置图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的阳极饱和电抗器，包括壳体，九对“跑道型”铁芯和五匝线圈，所述线圈用碳纤维增强铜基复合材料导线进行缠绕，绕制完成后将5匝绕组用环氧树脂进行整体固定，壳体内的空间用聚氨酯弹性体材料填充。

所述阳极饱和电抗器的制备方法包括以下步骤：

步骤一，将碳纤维增强铜基复合材料导线进行缠绕，再将9对“跑道型”铁芯均匀卡在绕组上并用钢带箍紧，施加最大预应力。

步骤二，将每对铁芯的钢带在图5位置1处与阳极饱和电抗器壳体底面固定。

步骤三，将绕组位置2与位置3穿过壳体并与壳体间固定，位置2与位置3如图1所示，再向壳体内部浇注聚氨酯弹性体并对其升温固化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，不能理解为对本发明的保护范围的限制，该领域的技术熟练人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出一些改进和调整。因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。