非晶合金铁心变压器振动噪声分析与研究

34 2.25
2.5
第 47 卷
时采用简谐激励力 F(t)=F0sinωt，其中不妨都取幅值 为 1，激 励 频 率 为 0Hz～500Hz，取 5 个 子 步 分 析 ，其 谐响应载荷见图 9。
2
位 移 响 应 大 小/mm
1.5
3.16e-1
1
1.22e-3
0.5
9.00e-5
6.36e-4
4.39e-4
在 非 晶 合 金 变 压 器 空 载 工 况 下 360V、400V、 440V 三 种 不 同 电 压 以 及 在 短 路 负 载 30% 、60% 、
32
z y
x6号 Leabharlann 号7号A相B相
C相
5号
1号
8号
4号
3号
图 1 器身振动与噪声测量试验测点布置 Fig.1 Measure points of active part vibration and noise
measure points
试验结果表明，空载工况下的噪声远大于负载 工况，所以铁心是该变压器振动噪声的主要激励源。 噪声量级较高的频率分量分别为 100Hz 和 400Hz。 图 2 和图 3 说明振动较大的部位发生在上夹件局部 区域，特别是上夹件的垂直方向。
3 噪声源分析
3.1 建模和模态测试
0 100 200 300 400 500 600 频 率 /Hz
（1）简化或直接忽略一些不重要的倒角、螺纹孔 等几何信息。
（2）简化铁心内部结构，直接依照其外形建立几 何模型， 并依据试验数据得到该结构的近似材料特 性参数作有限元分析。
（3）变压器所有紧固件连接，将在有限元几何模 型建立以后， 通过添加约束的方法实现连接件的功 能，模拟实际情况。
在几何模型的基础上，利用 HyperMesh 软件进 行网格划分。 整个模型的网格控制尺寸为 50mm，部 分地方由于连接处理需要进行网格细化， 最终 Hy-
单元参数 /mm
厚 度 ：8 — — —
直 径 ：26
密度 /t·mm-3 7.8e-9 5.925e-9 8.5e-9 7.8e-9 7.8e-9
弹性模量 泊松比
/MPa
2.1e-5
0.3
0.473e-5 0.3
1e-5
0.3
2.1e-5
0.3
2.1e-5
0.3
图5 Fig.5
非晶合金变压器器身有限元单元模型图 Finite element model of active part of transformer with amorphoue core
3.3 分析结果 由图 8 可看出，在简谐激励的情况下，变压器的
振幅最大的部件为上夹件， 振幅最大的频率是在 400Hz，其谐响应远远大于其他地方的响应。 考虑变 压器的激励力频率主要在 100Hz 这个基频上，故可 以 初 步 判 断 在 基 频 100Hz 处 以 及 在 上 夹 件 的 共 振 频 率 400Hz 处 ，结 构 振 动 辐 射 噪 声 比 较 大 ，这 点 与 试验结果基本吻合。 3.4 非晶合金变压器噪声源分析
上夹件 侧夹件
1.60e-4
2.70e-4
6.60e-4
铁心中点 0
200
400
800
峰 值 频 率 /Hz
图 8 上夹件、侧夹件中点以及铁心处响应最大值比较 Fig.8 Maximum respose of upper clamp, side clamp midpoint and core
根据上述分析的结果，器身整体动态特性分析 结果见表 2。
1 0.75
0.5
0.25 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100
频 率 /Hz
图 7 箭头 A 指向处位移响应频谱图 Fig.7 Displacement response frequency spectrum
at direction of arrow A
100%的情况下进行测量。由于大于 600Hz 时所测得 信号基本为零，所以取这些信号在 600Hz 以下区间 100Hz 及其倍频频率上的数值进行比较。 发现在这 六种工况下的振动与噪声的数据柱图高低不一，而 且存在谐振现象。 100Hz 和 400Hz 振动响应比较见 图 2 和图 3，空载 440V 工况下噪声频谱见图 4。
1 前言
由于非晶合金铁心配电变压器年平均低负载时 节能效果明显，目前得到了广泛的认可。但非晶合金 变压器有其固有的弱点，非晶合金材料硬而脆，噪声 普遍比硅钢片铁心大得多， 尤其在夜间轻载过励磁 时，其噪声的增量也比硅钢片铁心变压器大得多。而 非晶合金配电变压器又是最适合于紧接纯居民脉冲 性负载（日和季节性峰谷变化大，年平均负载率低， 通 常 小 于 20%）的 供 电 ，由 此 引 起 的 噪 声 纠 纷 也 最 为强烈。 非晶合金铁心配电变压器有油浸式和干式 两种， 本文中笔者对一台非晶合金铁心干式配电变 压器进行了振动噪声特性测试分析和实体力学建模 与分析， 并在此基础上， 通过测试和有限元综合分 析，对变压器噪声源进行了识别，最后给出了初步的 治理思路，并按此进行结构改进，获得了良好效果。
表 2 理论与试验结果对比 Table 2 Comparison between theoretic and
tested volues
数值模态分析
谐响应分析
现场试验
51.2Hz、95.4Hz、97.6Hz、 上 夹 件 中 点 谐 噪 声 频 率 集 中 在
400Hz 存 在 共 振 频 率 ， 且 响 应 最 大 值 在 100Hz 和 400Hz 处 ，
获取变压器不同工况下各测点的振动、 噪声数 据和频谱特性，为噪声源识别提供依据。笔者分别对 一台 1 250kVA 非晶合金铁心干式变压器的空载和 短路负载工况下的器身振动与噪声进行了测量，比 较了在不同频率下器身各个部分的振动情况。 为此 分别在变压器的底座和绕组对应的上、 下框架夹件 等处布置了振动传感器， 同时在变压器正前方 1m 处布置了一个用于噪声测量的声传感器， 测试布点 参见图 1。
振 动 加 速 度 /m·s-2
声 压/Pa
第 47 卷
0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH8 测点号 图 3 400Hz 各测点振动总值比较图
Fig.3 Total vibration volues diagram at 400Hz measure points
0.04
0.03
0.02
0.01
振 动 加 速 度 /m·s-2
0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02
0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH8 测点号
图 2 100Hz 各测点振动总值比较图 Fig.2 Total vibration values diagram at 100Hz
从图 6 可以看出，倍工频附近的器身模态以上 夹件的局部振动为主，而 400Hz 恰好是变压器器身 的一个固有频率。 3.2 谐响应分析
变压器的振动主要来源于铁心，其主要频率是 100Hz 及其倍频。 在本次分析中， 采用 Full （完全
位 移 /(e-3mm)
2.5
2.25
A
2
1.75
1.5 1.25
（a）51.151Hz 模态振型
（b）95.407Hz 模态振型
（c）97.594Hz 模态振型
（d）400Hz 模态振型
图 6 器身模态振型 Fig.6 Vibration type of active part mould
分别对金属框架着橡胶垫和铁心悬挂状态下， 采用锤击法测模态。 并在 ANSYS 计算中，通过对材 料的弹性模量、密度以及泊松比进行修改，使得有限 元计算结果能够与试验结果相符合，从而得到金属 框架和铁心近似模态参数（密度、弹性模量和泊松 比）。 而绕组、 垫块和压钉/螺母直接在振动台上获 得。 模态参数及单元设置参数见表 1。
振动以上夹件为主
400Hz 处 ，且 大 于 振 动 较 大 的 部 位 在 上
第 47 卷 第 10 期 2010 年 10 月
TRANSFORMER
Vol.47 No.10 October 2010
试验研究
非晶合金铁心变压器振动噪声分析与研究
姜益民 1, 何洪军 2, 邵宇鹰 2, 塔 娜 2, 饶柱石 2
（1.华东电网有限公司，上海 200002； 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240）
Abstract：Based on vibration noise characteristic test, mechanical modelling and analysis of dry-type distribution transformer with amorphous core, the transformer noise source is identified. The measures to reduce noise are presented. Key words：Transformer with amorphous core； Noise； Analysis
有限元模型所需的各部件子模型模态参数由模 态试验获得，见图 6。
法），由 Frontal Solver 解算，变压器的简谐激励的频 率 设 为 0Hz～1 000Hz， 分 为 10 个 子 步 ， 也 就 是 在 100Hz 及其倍频上进行谐响应计算。
变压器的材料及各部分都简化为线性， 对于线 性系统其响应满足叠加定理， 故本次分析用单位力 进行分析。 因为变压器铁心的振动是通过框架作用 到变压器其他结构上的， 铁心振动对框架作用的效 果可以简化为框架受到铁心的激励。因此，分析中用 幅值为 1N 的分布简谐力作用在框架撑板与铁心接 触的区域。 谐响应计算结果见图 7，上夹件、侧夹件 中点以及铁心处响应最大值比较见图 8。