大型電力變壓器的噪聲預(yù)估研究

環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)訊:摘要：隨著電力事業(yè)的發(fā)展，高電壓輸電線路被逐漸引進(jìn)城市，變壓器噪聲所帶來的危害越來越多地受到人們的關(guān)注。中小型變壓器的噪聲基本能符合城區(qū)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，而大型變壓器的噪聲都超出了城區(qū)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

1 前言

傳統(tǒng)的變壓器設(shè)計(jì)方法局限于對(duì)產(chǎn)品功能與造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，較少考慮其振動(dòng)與噪聲特性，在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，如果噪聲不達(dá)標(biāo)再對(duì)其進(jìn)行降噪處理，就需要改變產(chǎn)品的局部或者整體設(shè)計(jì)，為此，有必要在變壓器改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)所設(shè)計(jì)減振降噪方案，通過仿真計(jì)算，對(duì)其降噪效果加以預(yù)估，從而為變壓器減振降噪措施的實(shí)施提供指導(dǎo)。為了達(dá)到此目的就需要一種切實(shí)可行的變壓器噪聲預(yù)估方法。

2 變壓器結(jié)構(gòu)有限元建模

變壓器的噪聲聲源分為本體噪聲和冷卻系統(tǒng)噪聲。鐵心的硅鋼片在交變磁場(chǎng)的作用下，長(zhǎng)度發(fā)生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵(lì)磁頻率的變化做周期性振動(dòng)。繞組在漏磁場(chǎng)電磁力作用下使一些部件產(chǎn)生振動(dòng)，引起噪聲。鐵心電磁吸力和磁致伸縮、繞組間電動(dòng)力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸縮等所產(chǎn)生的電磁噪聲，一起構(gòu)成變壓器的本體噪聲，該噪聲由油箱傳遞給外界，和冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲相疊加，構(gòu)成變壓器的總體噪聲。

文中研究的某型號(hào)變壓器的部件主要包括[1]：油箱、內(nèi)部夾件拉板組件、鐵心繞組結(jié)構(gòu)、散熱片結(jié)構(gòu)、油枕管路等。其中，變壓器的油箱、夾件拉板組件、油枕、散熱片、套管及升高座等的材料為Q345B，鐵心的材料為30RK100，繞組的材料為銅，絕緣油的型號(hào)是I-20克拉瑪依油，另外還有絕緣紙板等5種材料。

由于變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用ANSYS Workbench軟件直接建立裝配模型較困難，文中選用功能強(qiáng)大的Solid Works軟件建立變壓器各構(gòu)件實(shí)體模型，生成符合Para solid標(biāo)準(zhǔn)的接口文件，通過通用接口導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中建立有限元模型。

2.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

運(yùn)用Solid Works對(duì)變壓器各個(gè)部件進(jìn)行幾何建模時(shí)，根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算需要，對(duì)各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化，忽略了倒角、鍵槽、螺紋等對(duì)其整體剛度與質(zhì)量影響不大的結(jié)構(gòu)。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分比ANSYS Classic方便，導(dǎo)入CAD幾何模型具有高度成功率，尤其是它的自動(dòng)接觸識(shí)別功能，對(duì)分析大型裝配體時(shí)非常實(shí)用。網(wǎng)格劃分采用ANSYS Workbench里的Mesh劃分工具，考慮到變壓器整體結(jié)構(gòu)幾何模型的復(fù)雜性，主要采用自由網(wǎng)格劃分，在局部規(guī)則區(qū)域(如鐵心繞組)采用映射網(wǎng)格劃分。對(duì)于不規(guī)則的模型，如油箱，選用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元(SOILD187)，對(duì)于規(guī)則的模型，如鐵心結(jié)構(gòu)，選用20節(jié)點(diǎn)的六面體單元(SOILD186)，即六面體主導(dǎo)法(Hex Dominant)，單元大小采用Workbench默認(rèn)的數(shù)值。在ANSYS Workbench的Engineer data中定義5種材料的屬性，螺栓連接等效為綁定接觸。

3 變壓器振動(dòng)諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是計(jì)算線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的響應(yīng)，得到響應(yīng)值(通常是位移)是隨頻率變化的曲線。由于電網(wǎng)中高次諧波的存在和變壓器鐵心結(jié)構(gòu)的影響，變壓器鐵心振動(dòng)頻率除了基頻外，還包含有各種基頻整數(shù)倍的高頻。為了計(jì)算變壓器在基頻及各次諧波激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，假設(shè)變壓器本體結(jié)構(gòu)是線性系統(tǒng)，對(duì)變壓器進(jìn)行諧響應(yīng)分析[2]。

諧響應(yīng)分析需要知道激勵(lì)力的大小與分布，對(duì)于文中的計(jì)算，需要模擬變壓器在通電不勵(lì)磁狀態(tài)下電磁力對(duì)各線圈進(jìn)行加載的情況。由于難于得到實(shí)際電磁力大小，可采用施加相對(duì)大小激勵(lì)力的方法計(jì)算變壓器的振動(dòng)諧響應(yīng)。文中計(jì)算中給4個(gè)線圈的底面和外表面上均加0.25MPa的壓強(qiáng)，然后根據(jù)已經(jīng)建立的模型計(jì)算得到變壓器整體結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)力的響應(yīng)。

采取相對(duì)比較方法檢驗(yàn)有限元模型的合理性：將有限元計(jì)算的變壓器箱壁上各點(diǎn)振動(dòng)加速度相對(duì)大小與試驗(yàn)測(cè)量的各點(diǎn)振動(dòng)加速度的相對(duì)大小進(jìn)行比較。文中建立的有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在各測(cè)點(diǎn)的幅值變化大小具有基本相同的趨勢(shì)，表明文中所建立的有限元分析模型基本正確。

4 變壓器噪聲預(yù)估方法

聲學(xué)計(jì)算方法最常見的是邊界元法和有限元法，通過間接邊界元法可以對(duì)變壓器油箱噪聲進(jìn)行預(yù)估，這種噪聲預(yù)估方法可應(yīng)用于變壓器降噪措施的效果仿真計(jì)算。

對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算時(shí)，是采用Workbench軟件計(jì)算出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，并且輸出包含結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果文件[3]。聲學(xué)仿真過程為：首先，把它導(dǎo)入到LMS軟件中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲學(xué)邊界元網(wǎng)格劃分，聲學(xué)邊界元對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量要求較高；其次，完成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與聲學(xué)網(wǎng)格的映射，即把結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)映射到聲學(xué)網(wǎng)格上；最后，在LMS軟件中距變壓器左面2m處設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)面，在距離變壓器正面2m處1/3高度與2/3高度處，各設(shè)置16個(gè)聲壓響應(yīng)輸出點(diǎn)，為了與試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，還設(shè)置了距離變壓器底部670mm的地面和距離變壓器右邊3500mm右面，從而模擬實(shí)際測(cè)量的地面以及旁邊墻面兩個(gè)全反射面。利用上述建立的聲學(xué)仿真模型就可以計(jì)算變壓器表面的噪聲分布以及場(chǎng)點(diǎn)的噪聲分布。

通過上述間接邊界元法可以對(duì)變壓器噪聲進(jìn)行預(yù)估，這種噪聲預(yù)估方法可應(yīng)用于變壓器降噪措施的效果仿真計(jì)算。

5 噪聲預(yù)估實(shí)例

針對(duì)所研究的某型號(hào)變壓器，在100%額定電流工況下，測(cè)試了距離該變壓器2m、2/3高度場(chǎng)點(diǎn)處的噪聲以及油箱表面的振動(dòng)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見圖11?？紤]到變壓器噪聲頻率主要是100Hz及其倍頻，下面將變壓器各測(cè)點(diǎn)處100Hz噪聲預(yù)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1，噪聲預(yù)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

下面再運(yùn)用上述噪聲預(yù)估方法對(duì)某型號(hào)高電壓變壓器采取減振降噪措施后的降噪效果進(jìn)行仿真預(yù)估。采取的減振降噪措施如下。

5.1 油箱內(nèi)壁敷設(shè)絕緣紙板(方案1)

在變壓器油箱的前后面內(nèi)壁上附上一層絕緣紙板。

5.2 油箱表面安裝空氣薄膜阻尼裝置(方案2)

在油箱前后兩外表面上布置一層空氣薄膜阻尼結(jié)構(gòu)，安裝后應(yīng)保證油箱壁與附加鋼板之間存在空氣間隙。

5.3 變壓器底部布置金屬橡膠隔振器(方案3)

按照變壓器原來的安裝方式，在油箱底部布置了12個(gè)金屬橡膠隔振器。

幾種措施的降噪效果預(yù)估結(jié)果見表2，從表2中可見，采用上述噪聲預(yù)估方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的降噪效果進(jìn)行定量預(yù)估，從而為變壓器低噪聲改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

表2，變壓器降噪效果預(yù)估結(jié)果