大型电力变压器的噪声预估研究
发布日期：2019-08-21 来源：电力设备 作者：电力设备 浏览次数：1130
大型电力变压器的噪声预估研究
摘要：随着电力事业的发展，高电压输电线路被逐渐引进城市，变压器噪声所带来的危害越来越多地受到人们的关注。中小型变压器的噪声基本能符合城区环境噪声标准，而大型变压器的噪声都超出了城区环境噪声标准。
1 前言
传统的变压器设计方法局限于对产品功能与造型进行设计，较少考虑其振动与噪声特性，在完成产品设计后，如果噪声不达标再对其进行降噪处理，就需要改变产品的局部或者整体设计，为此，有必要在变压器改进设计过程中，针对所设计减振降噪方案，通过仿真计算，对其降噪效果加以预估，从而为变压器减振降噪措施的实施提供指导。为了达到此目的就需要一种切实可行的变压器噪声预估方法。
2 变压器结构有限元建模
变压器的噪声声源分为本体噪声和冷却系统噪声。铁心的硅钢片在交变磁场的作用下，长度发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动。绕组在漏磁场电磁力作用下使一些部件产生振动，引起噪声。铁心电磁吸力和磁致伸缩、绕组间电动力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸缩等所产生的电磁噪声，一起构成变压器的本体噪声，该噪声由油箱传递给外界，和冷却系统产生的空气动力噪声相叠加，构成变压器的总体噪声。
文中研究的某型号变压器的部件主要包括[1]：油箱、内部夹件拉板组件、铁心绕组结构、散热片结构、油枕管路等。其中，变压器的油箱、夹件拉板组件、油枕、散热片、套管及升高座等的材料为Q345B，铁心的材料为30RK100，绕组的材料为铜，绝缘油的型号是I-20克拉玛依油，另外还有绝缘纸板等5种材料。
由于变压器结构复杂，利用ANSYS Workbench软件直接建立装配模型较困难，文中选用功能强大的Solid Works软件建立变压器各构件实体模型，生成符合Para solid标准的接口文件，通过通用接口导入到ANSYS Workbench软件中建立有限元模型。
2.1 计算模型简化
运用Solid Works对变压器各个部件进行几何建模时，根据变压器结构特点和计算需要，对各部件结构进行了适当地简化，忽略了倒角、键槽、螺纹等对其整体刚度与质量影响不大的结构。
2.2 有限元网格划分
ANSYS Workbench网格划分比ANSYS Classic方便，导入CAD几何模型具有高度成功率，尤其是它的自动接触识别功能，对分析大型装配体时非常实用。网格划分采用ANSYS Workbench里的Mesh划分工具，考虑到变压器整体结构几何模型的复杂性，主要采用自由网格划分，在局部规则区域(如铁心绕组)采用映射网格划分。对于不规则的模型，如油箱，选用10节点的四面体单元(SOILD187)，对于规则的模型，如铁心结构，选用20节点的六面体单元(SOILD186)，即六面体主导法(Hex Dominant)，单元大小采用Workbench默认的数值。在ANSYS Workbench的Engineer data中定义5种材料的属性，螺栓连接等效为绑定接触。
3 变压器振动谐响应分析
谐响应分析是计算线性系统结构在简谐激励下的响应，得到响应值(通常是位移)是随频率变化的曲线。由于电网中高次谐波的存在和变压器铁心结构的影响，变压器铁心振动频率除了基频外，还包含有各种基频整数倍的高频。为了计算变压器在基频及各次谐波激励下的振动响应，假设变压器本体结构是线性系统，对变压器进行谐响应分析[2]。
谐响应分析需要知道激励力的大小与分布，对于文中的计算，需要模拟变压器在通电不励磁状态下电磁力对各线圈进行加载的情况。由于难于得到实际电磁力大小，可采用施加相对大小激励力的方法计算变压器的振动谐响应。文中计算中给4个线圈的底面和外表面上均加0.25MPa的压强，然后根据已经建立的模型计算得到变压器整体结构对激励力的响应。
采取相对比较方法检验有限元模型的合理性：将有限元计算的变压器箱壁上各点振动加速度相对大小与试验测量的各点振动加速度的相对大小进行比较。文中建立的有限元模型计算结果与实测结果在各测点的幅值变化大小具有基本相同的趋势，表明文中所建立的有限元分析模型基本正确。
4 变压器噪声预估方法
声学计算方法最常见的是边界元法和有限元法，通过间接边界元法可以对变压器油箱噪声进行预估，这种噪声预估方法可应用于变压器降噪措施的效果仿真计算。
对变压器结构进行声学仿真计算时，是采用Workbench软件计算出结构的振动响应，并且输出包含结构网格和振动响应的计算结果文件[3]。声学仿真过程为：首先，把它导入到LMS软件中，对结构进行声学边界元网格划分，声学边界元对网格的质量要求较高；其次，完成结构网格与声学网格的映射，即把结构的振动响应数据映射到声学网格上；最后，在LMS软件中距变压器左面2m处设置场点面，在距离变压器正面2m处1/3高度与2/3高度处，各设置16个声压响应输出点，为了与试验测试点相对应，还设置了距离变压器底部670mm的地面和距离变压器右边3500mm右面，从而模拟实际测量的地面以及旁边墙面两个全反射面。利用上述建立的声学仿真模型就可以计算变压器表面的噪声分布以及场点的噪声分布。
通过上述间接边界元法可以对变压器噪声进行预估，这种噪声预估方法可应用于变压器降噪措施的效果仿真计算。
5 噪声预估实例
针对所研究的某型号变压器，在100%额定电流工况下，测试了距离该变压器2m、2/3高度场点处的噪声以及油箱表面的振动，测试现场见图11。考虑到变压器噪声频率主要是100Hz及其倍频，下面将变压器各测点处100Hz噪声预估结果与实测结果进行对比，见表1。
表1，噪声预估结果与实测结果对比
下面再运用上述噪声预估方法对某型号高电压变压器采取减振降噪措施后的降噪效果进行仿真预估。采取的减振降噪措施如下。
5.1 油箱内壁敷设绝缘纸板(方案1)
在变压器油箱的前后面内壁上附上一层绝缘纸板。
5.2 油箱表面安装空气薄膜阻尼装置(方案2)
在油箱前后两外表面上布置一层空气薄膜阻尼结构，安装后应保证油箱壁与附加钢板之间存在空气间隙。
5.3 变压器底部布置金属橡胶隔振器(方案3)
按照变压器原来的安装方式，在油箱底部布置了12个金属橡胶隔振器。
几种措施的降噪效果预估结果见表2，从表2中可见，采用上述噪声预估方法可以实现对变压器结构改进的降噪效果进行定量预估，从而为变压器低噪声改进设计提供指导。
表2，变压器降噪效果预估结果
摘要：随着电力事业的发展，高电压输电线路被逐渐引进城市，变压器噪声所带来的危害越来越多地受到人们的关注。中小型变压器的噪声基本能符合城区环境噪声标准，而大型变压器的噪声都超出了城区环境噪声标准。
1 前言
传统的变压器设计方法局限于对产品功能与造型进行设计，较少考虑其振动与噪声特性，在完成产品设计后，如果噪声不达标再对其进行降噪处理，就需要改变产品的局部或者整体设计，为此，有必要在变压器改进设计过程中，针对所设计减振降噪方案，通过仿真计算，对其降噪效果加以预估，从而为变压器减振降噪措施的实施提供指导。为了达到此目的就需要一种切实可行的变压器噪声预估方法。
2 变压器结构有限元建模
变压器的噪声声源分为本体噪声和冷却系统噪声。铁心的硅钢片在交变磁场的作用下，长度发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动。绕组在漏磁场电磁力作用下使一些部件产生振动，引起噪声。铁心电磁吸力和磁致伸缩、绕组间电动力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸缩等所产生的电磁噪声，一起构成变压器的本体噪声，该噪声由油箱传递给外界，和冷却系统产生的空气动力噪声相叠加，构成变压器的总体噪声。
文中研究的某型号变压器的部件主要包括[1]：油箱、内部夹件拉板组件、铁心绕组结构、散热片结构、油枕管路等。其中，变压器的油箱、夹件拉板组件、油枕、散热片、套管及升高座等的材料为Q345B，铁心的材料为30RK100，绕组的材料为铜，绝缘油的型号是I-20克拉玛依油，另外还有绝缘纸板等5种材料。
由于变压器结构复杂，利用ANSYS Workbench软件直接建立装配模型较困难，文中选用功能强大的Solid Works软件建立变压器各构件实体模型，生成符合Para solid标准的接口文件，通过通用接口导入到ANSYS Workbench软件中建立有限元模型。
2.1 计算模型简化
运用Solid Works对变压器各个部件进行几何建模时，根据变压器结构特点和计算需要，对各部件结构进行了适当地简化，忽略了倒角、键槽、螺纹等对其整体刚度与质量影响不大的结构。
2.2 有限元网格划分
ANSYS Workbench网格划分比ANSYS Classic方便，导入CAD几何模型具有高度成功率，尤其是它的自动接触识别功能，对分析大型装配体时非常实用。网格划分采用ANSYS Workbench里的Mesh划分工具，考虑到变压器整体结构几何模型的复杂性，主要采用自由网格划分，在局部规则区域(如铁心绕组)采用映射网格划分。对于不规则的模型，如油箱，选用10节点的四面体单元(SOILD187)，对于规则的模型，如铁心结构，选用20节点的六面体单元(SOILD186)，即六面体主导法(Hex Dominant)，单元大小采用Workbench默认的数值。在ANSYS Workbench的Engineer data中定义5种材料的属性，螺栓连接等效为绑定接触。
3 变压器振动谐响应分析
谐响应分析是计算线性系统结构在简谐激励下的响应，得到响应值(通常是位移)是随频率变化的曲线。由于电网中高次谐波的存在和变压器铁心结构的影响，变压器铁心振动频率除了基频外，还包含有各种基频整数倍的高频。为了计算变压器在基频及各次谐波激励下的振动响应，假设变压器本体结构是线性系统，对变压器进行谐响应分析[2]。
谐响应分析需要知道激励力的大小与分布，对于文中的计算，需要模拟变压器在通电不励磁状态下电磁力对各线圈进行加载的情况。由于难于得到实际电磁力大小，可采用施加相对大小激励力的方法计算变压器的振动谐响应。文中计算中给4个线圈的底面和外表面上均加0.25MPa的压强，然后根据已经建立的模型计算得到变压器整体结构对激励力的响应。
采取相对比较方法检验有限元模型的合理性：将有限元计算的变压器箱壁上各点振动加速度相对大小与试验测量的各点振动加速度的相对大小进行比较。文中建立的有限元模型计算结果与实测结果在各测点的幅值变化大小具有基本相同的趋势，表明文中所建立的有限元分析模型基本正确。
4 变压器噪声预估方法
声学计算方法最常见的是边界元法和有限元法，通过间接边界元法可以对变压器油箱噪声进行预估，这种噪声预估方法可应用于变压器降噪措施的效果仿真计算。
对变压器结构进行声学仿真计算时，是采用Workbench软件计算出结构的振动响应，并且输出包含结构网格和振动响应的计算结果文件[3]。声学仿真过程为：首先，把它导入到LMS软件中，对结构进行声学边界元网格划分，声学边界元对网格的质量要求较高；其次，完成结构网格与声学网格的映射，即把结构的振动响应数据映射到声学网格上；最后，在LMS软件中距变压器左面2m处设置场点面，在距离变压器正面2m处1/3高度与2/3高度处，各设置16个声压响应输出点，为了与试验测试点相对应，还设置了距离变压器底部670mm的地面和距离变压器右边3500mm右面，从而模拟实际测量的地面以及旁边墙面两个全反射面。利用上述建立的声学仿真模型就可以计算变压器表面的噪声分布以及场点的噪声分布。
通过上述间接边界元法可以对变压器噪声进行预估，这种噪声预估方法可应用于变压器降噪措施的效果仿真计算。
5 噪声预估实例
针对所研究的某型号变压器，在100%额定电流工况下，测试了距离该变压器2m、2/3高度场点处的噪声以及油箱表面的振动，测试现场见图11。考虑到变压器噪声频率主要是100Hz及其倍频，下面将变压器各测点处100Hz噪声预估结果与实测结果进行对比，见表1。
表1，噪声预估结果与实测结果对比
下面再运用上述噪声预估方法对某型号高电压变压器采取减振降噪措施后的降噪效果进行仿真预估。采取的减振降噪措施如下。
5.1 油箱内壁敷设绝缘纸板(方案1)
在变压器油箱的前后面内壁上附上一层绝缘纸板。
5.2 油箱表面安装空气薄膜阻尼装置(方案2)
在油箱前后两外表面上布置一层空气薄膜阻尼结构，安装后应保证油箱壁与附加钢板之间存在空气间隙。
5.3 变压器底部布置金属橡胶隔振器(方案3)
按照变压器原来的安装方式，在油箱底部布置了12个金属橡胶隔振器。
几种措施的降噪效果预估结果见表2，从表2中可见，采用上述噪声预估方法可以实现对变压器结构改进的降噪效果进行定量预估，从而为变压器低噪声改进设计提供指导。
表2，变压器降噪效果预估结果