大型电力变压器振动和噪声控制方法研究

引
言
为了提高城市供电的可靠性和改善供电质
远离变压器铁心带电后施加在油箱上的激振力 的频率， 并利用阻尼钢板的阻尼特性， 使有可能 发生共振的频率的振幅得到衰减， 从而达到降 低变压器辐射噪声的目的。
量， 减少电力传输的损耗， 城网用大型降压变电 站要建在市区。为了保证居民不受噪声干扰， 供电部门将对变压器的噪声性能提出较高的要 求。 本文在分析变压器振动和噪声产生的机 理、 传播途径和各种影响因素的基础上， 结合变 压器具体制造工艺， 同时把经济效益也作为一 项主要指标给予充分考虑后， 提出了将变压器 油箱作为实现变压器减振降噪目的的研究对 象， 通过改变变压器油箱的动力特性， 和在箱壁 表面附加阻尼钢板的办法， 使油箱的固有频率
收稿日期： — — 万方数据 ’ " " ! ’ ’ % 作者简介： 顾晓安 （ —） ， 男， 江苏常州人， 博士研究生。 ! R # R
: 变压器的振动和噪声
: ; : 变压器的结构简介 变压器主要由铁心、 绕组、 绝缘结构、 油箱， 以及其他一些附件组成。 （ ） 铁心 ! 为了减少交变磁通在铁心中引起的损耗， 变压器的铁心都是由厚度为" ) ’ ( ! " ) % & G G的 硅钢片叠装而成， 硅钢片的两面涂以绝缘漆， 作 为片间绝缘之用。目前， 大容量变压器多采用
大型电力变压器振动和噪声控制方法研究
文章编号： （ ） ! " " # $ ! % & & ’ " " ! " & $ " " " ( $ " &
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大型电力变压器振动和噪声控制方法研究
顾晓安!， 沈荣瀛!， 徐基泰’
（ 上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室， 上海’ ； 西安变压器厂， 西安( ） ! ) " " " % " ’ ) ! " " ( (
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图 ! 三相变压器铁心和绕组布置图 万方数据
大型电力变压器振动和噪声控制方法研究 ! " # 变压器振动和噪声的传播途径 变压器本体噪声取决于铁心的磁致伸缩振 动。铁心的磁致伸缩振动是通过两条路径传递 给油箱的， 一条是固体传递途径—铁心的振动 通过其垫脚传至油箱； 另一条是液体传递途径 —铁心的振动通过绝缘油传至油箱。这两条途 径传递的振动能量， 使箱壁 （包括磁屏蔽等） 振 动而产生本体噪声。通过空气， 本体噪声以声 波的形式均匀地向四周发射。 研究结果表明， 固体路径和液体路径所传 递的振动， 其能量几乎是相等的。因此， 即使将 其中任何一条途径传递的振动完全吸收或衰减 掉， 变压器的本体噪声也只能降低大约! " # （$） 。 从以上分析可以看出， 当变压器的结构、 选 用材料和生产装配工艺受各种技术和经济条件 限制无法改变时， 可以选择变压器油箱为研究 对象， 通过避免油箱发生谐振的办法， 来抑制变 压器油箱的振动， 以减少其振动的辐射噪声。
模型结构动力特性分析 # % & ’ ( ’
# " ! 建模 动 力特性分析采用的单元是壳体平面三 角 形 单 元， 在 加 强 筋、 板 密 集 的 区 域， 单元划
图 , 模型变压器铁芯结构示意
+ ’ ’ #年# ’月
［ ］ + 分密， 油箱箱盖划分稀 。
噪来自百度文库
声
与
振
动
控
制
第*期
表 ! 六种油箱结构的固有频率与铁心激振频率
［ ］ ! 变压器振动和噪声的机理
（ ） 当绕组中有负载电流通过时， 负载电流 % 产生的漏磁引起绕组、 油箱壁 （包括磁屏蔽等） 的振动。 近年来， 由于铁心叠积方式的改进 （如采用 阶梯接缝等） ， 再加上心柱和铁轭都用环氧玻璃 丝粘带绑扎， 因此硅钢片接缝处和叠片之间的 电磁吸引力所引起的铁心振动， 比硅钢片磁致 伸缩的铁心振动要小得多。 变压器的额定工作磁密通常取! & ’ ! ! & ( ) （特斯拉） 。国内外的研究和试验均证明， 在这 样的磁密范围内， 负载电流产生的漏磁引起的 绕组、 油箱壁 （包括磁屏蔽等） 的振动， 与硅钢片 的磁致伸缩的铁心振动相比要小得多， 也可以 忽略。 这就是说变压器的振动主要取决于铁心的 振动， 而铁心的振动可以看作完全由硅钢片的 磁致伸缩所致。 铁心的磁致伸缩振动通过铁心垫脚和绝缘 油这两条路径传递给油箱壁， 使箱壁 （包括磁屏 蔽等） 振动而产生本体噪声， 并以声波的形式均 匀地向四周发射， 这就是变压器本体噪声的机 理。 值得提及的是， 当铁心的固有频率与磁致 伸缩振动的频率相接近时， 或者当油箱及其附 件的固有频率与来自铁心的振动频率相接近 时， 铁心或油箱将会产生谐振， 使本体噪声骤 增。 由于磁致伸缩的变化周期恰恰是电源频率 的半个周期， 所以磁致伸缩引起的变压器本体 的振动噪声， 是以两倍的电源频率为其基频的。 由于磁致伸缩的非线性、 多级铁心中心柱和铁 轭相应级的截面不同， 以及沿铁心内框和外框 的磁路径长短不同等等， 均使得磁通明显地偏 离了正弦波， 即有高次谐波的分量存在， 这样就 使得铁心的振动频谱中除了有基频振动以外， 还包含有其频率为基频整数倍的高频附加振 动。所以， 变压器铁心振动的噪声频谱中除了 基频噪声之外， 还包含有其频率为基频整数倍 的高频噪声。
摘要： 本文在简要分析变压器振动和噪声产生的机理、 传播途径和各种影响因素的基础上， 论述了 通过改变变压器油箱的动力特性来控制大型电力变压器振动和噪声的措施。 关键词： 变压器振动和噪声； 控制方法 文献标识码： 中图分类号： * + & % & ,
! " # $ ’ " ( ) * + , . " + & ’. ’ $’ & + / ) 0 & ’ " & 1 " ) 0 ( ’ + # ) / %& 2 + ’ 1 . )4 & 5 ) " . ’ / 6 & 7 ) / 3
国内外的研究结果表明， 变压器振动的根 源在于： （ ） 硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。 ! 所谓磁致伸缩就是铁心励磁时， 沿磁力线方向 硅钢片的尺寸要增加， 而垂直于磁力线方向硅 钢片的尺寸要缩小， 这种尺寸的变化称为磁致 伸缩。磁致伸缩使得铁心随着励磁频率的变化 而周期性地振动。 （ ） 硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏 $ 磁而产生的电磁吸引力， 从而引起铁心的振动。
序号 一 二 固有频率 （! ） " 三 四 五 六 铁心激 振频率 （! ） "
" # $ 说明 现代大型电力变压器一般都采用钟罩式 油箱， 油箱分为上节油箱和下节油箱， 变压器 器身安装在下节油箱里， 上、 下节油箱之间用 螺栓联结， 接缝用耐油橡胶进行密封。变压 器在现场安装时， 下节油箱放在电站地基上， 并用地脚螺栓与地基紧固联结。铁心的振动 通过铁心与下节油箱之间的垫脚传给下节油 箱， 再通过上、 下节油箱之间的刚性联结传给 上节油箱。变压器的噪声主要是上节油箱箱壁 的辐射噪声。所以几何实体模型的原型采用模
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由于固体路径 （铁心的振动通过其垫脚传至油 箱） 和液体路径所传递的振动， 其能量几乎是相 等的， 可基于此结论对实验结果进行修正。 $ " $ 模型变压器器身设计 电力变压器噪声试验是在变压器额定空载
［ ］ ) * 运行下进行的 。变压器空载时， 二次侧电流
， 变压器铁心中的磁通完全由一次侧空载 5 * ,6 电流 （激磁电流） 所产生的空载磁势 ! 所建 5 * * 立。 模型变压器器身的几个主要参数是按照下 述步骤确定的： （ ） 综合考虑模型变压器油箱的尺寸和具 ) 体运输条件， 将铁心心柱直径定为 " + * 2 2。 （ ） 选取变压器铁心空载磁通密度 # , 7 *6) （8） 。 1 （ ） 计算绕组每匝电势： 根据电磁感应原 ! 理， 可计算得到每匝电势为) ／ 匝。 7 4 ) ! ! 9 （ ） 计算绕组匝数为) : ! 4匝。 （ ） 根据每相绕组的辐向尺寸和轴向尺寸， 1 两心柱中心距为 选取变 压 器 窗 高 为 , 1 * 2 2， 如 图 , 所 示。 铁 心 硅 钢 片 型 号 为 ) 4 1 2 2， 。 ! * ( ) : *
$ 模型变压器设计
$ " ! 模型变压器对真实变压器的简化 本文实验采用的模型变压器是在对某厂设 计和 生 产 的 一 台 型 号 为 % — ／ & ’ % ( ) * ) + * * * * , , *的电力变压器进行适当简化后而设计的。 模型变压器对真实变压器的简化主要有： （ ） 油箱的简化 ) （ ） 拆除安装在真实变压器油箱上的各种 变压器组件。 （ ） 真实变压器油箱的尺寸是 / . , , *0! , , * （长 宽 高） ， 模型变压器油箱的 0 ! 1 * * 2 2 0 0 尺寸按) 倍进行缩小， 在这个前提下， 拆除各 3 4 种组件后留在变压器油箱上的安装孔可以忽略 不计。 （ ） 器身的简化 , 变压器的器身是由铁心、 绕组和各种绝缘 件组成的。器身的简化遵循变压器的基本电磁 理论， 而不能简单地按比例缩小。 万方数据 （ ） 模型变压器油箱内不注入变压器油。 !
$ * * !年! *月 高磁导率、 低损耗的冷轧硅钢片。
噪
声
与
振
动
控
制
第’期
铁心由两部分所组成 （图 ! ） 。其中 " 为铁 心柱； 它使两柱之间的磁路闭合。铁 #为铁轭， 心叠装好后， 用夹铁和绑带夹紧坚固。 （ ） 绕组 $ 绕组用高导电性能的铜导线绕制而成， 在 导线外面包缠有高强度的绝缘纸带。绕组套装 在铁心上。为了绝缘方便， 低压绕组紧靠着铁 心， 高压绕组则套装在低压绕组的外面。三相 变压器中同一相的高、 低压绕组套装在同一铁 心柱上。 （ ） 变压器油箱 % 高低压绕组套装在铁心上之后， 铁心与绕 组总称为器身。器身将被放置在油箱中。大型 电力变压器的油箱分为上节和下节油箱两部 分， 器身放置在下节油箱中， 铁心垫脚与箱底之 间进行刚性联结。上节油箱上布置有变压器的 各种组件。上下节油箱装配、 密封好后， 在油箱 中注满变压器油。变压器油主要起绝缘和散热 的作用。 ! " #