寧俊德

(太原供電分公司清徐支公司，山西太原 030400)

有限元方法分析干式變壓器類產(chǎn)品噪聲異常的若干問題探討

寧俊德

(太原供電分公司清徐支公司，山西太原 030400)

簡要地探討了試圖用有限元方法計算干式變壓器振動和空腔模態(tài)來解決噪聲異常存在的相關(guān)問題，結(jié)合自己過去在這方面的工作實踐給出了一些大體的方案。

有限元;干式變壓器;噪聲

自上世紀八十年代我國引進干式變壓器的生產(chǎn)制造技術(shù)以來，干式變壓器在我國得到了迅猛的發(fā)展，如2003年國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模已達到了3700萬kVA。由于其免維護、安全、節(jié)能、阻燃防爆、抗短路能力強等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于居民小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校及其它的一些場所。但是，干式變壓器相對油浸式變壓器其噪聲稍大，由此帶來了一些讓用戶和制造廠都感覺困惑的噪聲問題。

1 變壓器噪聲問題概述

1.1 變壓器噪聲的國標比對及其與實踐的矛盾

根據(jù)《GB 3096－93城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》的規(guī)定，各區(qū)域適用的噪聲指標(A計權(quán)聲壓值)如表1所示。

表1 國標規(guī)定的城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準

《JB/T 10088－2004 6 kV～500 kV級電力變壓器聲級》也規(guī)定了干式變壓器產(chǎn)品的噪聲標準。新標準采用的是聲功率級，表2列出主要的代表容量，并與以前通行的聲壓標準進行對比。

分析以上兩組數(shù)據(jù)可知，舊標準中干式配電變壓器的噪聲是不能滿足某些場合的要求的，新頒布的標準因此提高了相關(guān)的指標并用聲功率來衡量變壓器的噪聲性能，基本使符合標準的干式變壓器能夠滿足環(huán)境噪聲要求，但也有例外:

1) 變壓器往往就近安裝在居民樓附近，其附近的住戶在夜間往往被嗡嗡的噪聲所干擾，嚴重影響住戶的休息，故此類變壓器常遭到附近業(yè)主的集體投訴，制造廠不得不進行處理。也正因為這個原因，實際招標中客戶要求的噪聲指標要遠遠低于標準值。

2) 在生產(chǎn)實踐中會遇到個別產(chǎn)品噪聲明顯偏大的問題，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品無法出廠。比如容量為1 250 kVA的變壓器，正常時噪聲為50 dBA左右，但個別產(chǎn)品制造出來噪聲有可能達到60 dBA，個別點甚至70 dBA以上，大大高出其平均水平，而對噪聲有影響的諸如原材料、磁密等因素與其它的型號并沒有明顯差異。

表2 各容量變壓器聲功率級新舊標準的對比

由于以上問題的存在，噪聲是一直困擾大型變壓器制造廠的問題之一。大型變壓器廠對產(chǎn)品質(zhì)量的要求相對較高，同時由于產(chǎn)量大、型號多、非標產(chǎn)品也多，總會遇到上述問題。小廠則型號和品種都比較少，加上質(zhì)量意識不強，問題沒有那么明顯或者沒有引起足夠的重視。

本文重點探討第二個問題，并試圖給出一些答案。

2 某變壓器產(chǎn)品噪聲的分析

在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)某1 250 kVA的變壓器，其平均噪聲達到了60 dBA以上，而與之接近的800 kVA及1 600 kVA變壓器，其噪聲只有52 dBA左右，是什么原因?qū)е略肼暼绱水惓Ｄ?

表3列出了影響變壓器噪聲的一些常見因素和影響程度。

表3 變壓器噪聲的常見影響因素和影響程度

需要說明的是，這臺變壓器的設(shè)計磁密處于正常水平，采用五步疊接縫，使用的硅鋼片也與一般的產(chǎn)品相同。同時公司倉庫里面的材料都是同一個牌號，不存在混片可能。對鐵心的受力重新進行調(diào)整，沒有發(fā)現(xiàn)受力不均勻的情形。

因此不得不懷疑共振與共鳴的可能。共振與共鳴分別指的是鐵心結(jié)構(gòu)和變壓器腔體在各種諧波作用下發(fā)生諧振的一種現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)文獻，它們可以使變壓器噪聲明顯增大，而該臺變壓器正是明顯增大的案例。后來將鐵心的高度適當降低(50 mm)重新生產(chǎn)，根據(jù)理論可以避開可能出現(xiàn)的共振頻率，實際證明有效的降低了變壓器的噪聲。

如果能事先進行共振模態(tài)頻率的計算，就可以避免類似的情況發(fā)生。

若干年以前一些國家就開始對這個現(xiàn)象進行研究，并得到了一些經(jīng)驗公式。隨著變壓器行業(yè)自主創(chuàng)新能力的提高，國內(nèi)某些廠家也試圖自己去分析這種現(xiàn)象。需要指出的是經(jīng)驗公式都是在一定范圍內(nèi)適用的，并不一定適用于各個廠家。在以前的生產(chǎn)實踐中，運用公式計算的頻率與實際相差甚遠，相對誤差甚至達到20%以上。假設(shè)一臺變壓器的頻率為320 Hz，其絕對計算誤差將達到60 Hz以上，從而失去指導(dǎo)意義，因此有必要進行這方面的嘗試。

3 應(yīng)用有限元方法分析噪聲的探討

在眾多的研究方法中，有限元分析是值得采用的方法，其在工程領(lǐng)域得到了廣泛運用。鐵心共振或者空腔共鳴都屬于模態(tài)分析的范疇，各大有限元分析軟件都能夠提供類似的分析功能。但由于變壓器類產(chǎn)品(變壓器，電抗器)的特殊性，需要一些值得注意的地方，以下就這些關(guān)鍵問題進行初期的探討。

3.1 變壓器鐵心振動模態(tài)的試驗與驗證方法

采用有限元計算時應(yīng)首先考慮如何進行試驗驗證，無法驗證的計算結(jié)果是沒有任何意義的。因此如何設(shè)計試驗系統(tǒng)是第一要務(wù)。

在模態(tài)分析中廣泛采用的是脈沖激勵模態(tài)試驗方法，該方法在國防軍工、教學(xué)科研、土木建筑、機械、鐵路交通等行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用，成功完成了大量的模態(tài)試驗任務(wù)，包括航天器、軍械、衛(wèi)星、汽車、橋梁、井架、樓房等等，是否適用于變壓器鐵心的模態(tài)測試有待進一步確認。

另外，基于變壓器自身的特點，也可以考慮用電激勵的方法進行實際測試。比如在變壓器鐵心上繞制導(dǎo)線，然后施加一定的電壓，通過變頻設(shè)備改變頻率，從而測試鐵心在不同頻率信號下的響應(yīng)。實際證明，這個方法是非常有效的。

3.2 變壓器電抗器空腔聲學(xué)模態(tài)的測試方法

結(jié)構(gòu)模態(tài)相對比較直觀，比如一個鋼板，它的一階模態(tài)應(yīng)是彎曲的振動，其模態(tài)特征點位于中部。但對于變壓器空腔，由于腔體比較復(fù)雜，模態(tài)形式往往不太直觀，模態(tài)特征點亦不易確定，因此直接影響傳感器和信號發(fā)生器的擺放位置。分析時可以建立一些簡單的模型，在對聲學(xué)模態(tài)有直觀認識的基礎(chǔ)上再著手分析變壓器腔體，對試驗結(jié)果進行一些對比，分析哪些可以簡化哪些建模時可以忽略，可以降低分析難度。

另外采取什么樣的激勵信號也是值得探討的問題。總體來講，由于變壓器的模態(tài)頻率集中在低頻段，因此一般的音響信號是不能滿足測試要求的，必須采用對低頻信號反映靈敏的低音音響設(shè)備進行聲學(xué)激勵，并且保證其自身的頻率響應(yīng)特性有良好的一致性。

如果測試設(shè)備的響應(yīng)特性不能保證，就一定要事先進行測試了解其實際的響應(yīng)特性，保證測試數(shù)據(jù)的正確性和科學(xué)性。實際上這些設(shè)備的廠家往往能夠提供頻響特性，測試時可以直接作為參考。

3.3 電抗器鐵心的模態(tài)測試

電抗器是變壓器類產(chǎn)品的一種。前面提到，可以用電激勵的方法測試變壓器鐵心的模態(tài)，這是因為變壓器的空載電流小，能夠滿足測量需要。但電抗器與變壓器有所不同，比如串聯(lián)電抗器的電流較大，會超出變頻設(shè)備的能力;并聯(lián)電抗器的電壓較高，也超出變頻設(shè)備的能力。因此對這類產(chǎn)品如何試驗也是必須考慮的問題。

試驗中可以選用功率較大的變頻設(shè)備，從而能夠承受較大的穩(wěn)態(tài)持續(xù)電流。對試驗電壓要求過高的產(chǎn)品，可以在半成品階段降低匝數(shù)，從而達到測試要求。

3.4 有限元計算變壓器鐵心模態(tài)的建模問題

這里涉及的問題較多，比如:

1) 模態(tài)分析一般適用于線性結(jié)構(gòu)，比如一塊鋼板，其本身是連為一體的線性結(jié)構(gòu)。而變壓器鐵心是疊片結(jié)構(gòu)，由若干片疊裝，是否可以視為一體進行分析值得研究

2) 變壓器鐵心有很多的附件，比如夾件、墊腳等。如果將這些考慮進去，勢必造成模型的增大，給有限元分析的劃網(wǎng)和計算增加難度。如果不考慮進去，是否影響到計算精度，也是值得權(quán)衡的問題。

3) 載荷的施加問題:變壓器是直接通過地腳與地面固定。整體講變壓器是受地面的支撐，應(yīng)該施加一定的約束。但實際振動時不是所有的點與地面完全固定在一起，仍然可以在一定范圍內(nèi)微振，從這個層面講，也可以不施加約束。是否需要施加約束要通過多個測試例子綜合分析才可以確定。

3.5 有限元計算電抗器鐵心模態(tài)的建模問題

除了與變壓器鐵心相同的問題之外，需要考慮的是電抗器各餅之間的裝配關(guān)系。是將他們視為一體考慮還是用類似彈簧的結(jié)構(gòu)進行簡化，在實際的分析中有待進一步確認。

3.6 空腔模態(tài)的計算

變壓器和電抗器中存在各種空腔，比如低壓線圈與鐵心之間的空腔、低壓線圈內(nèi)部的空腔、低壓線圈與高壓線圈的空腔、高壓線圈的內(nèi)部空腔等。由此產(chǎn)生以下問題:

1) 是單獨進行計算還是進行整體建模計算? 2)是否可以忽略某些腔體從而簡化計算過程?如果試驗證明起作用的是低壓線圈與鐵心的風道或者高低壓線圈之間的風道，那么線圈內(nèi)部的腔體模態(tài)便可以忽略，從而簡化計算。經(jīng)過己進行的初步分析，高低壓線圈內(nèi)部風道的影響可以忽略，且各個風道可以獨立計算。

3.7 計算結(jié)果的分析和利用

可以預(yù)見，用有限元方法可以計算出鐵心的多階模態(tài)，同時空腔也有多個模態(tài)。避免共振共鳴就要使這些頻率完全避開100、200、300、400、500Hz附近的頻率段，顯然完全使所有的模態(tài)滿足這些條件可以說是不可能的。因此有必要對結(jié)果進一步分析，通過實踐去分析出哪些是主要的模態(tài)，哪些模態(tài)即便共振或共鳴，也不會帶來嚴重后果，即該模態(tài)本身不會被實際激發(fā)或者即便激發(fā)，其共振的強度也不會太大。

4 結(jié)論

總之，用有限元進行變壓器噪聲特性的理論分析和計算是可行的，在一些細節(jié)的技術(shù)問題上需要根據(jù)理論與實踐的綜合進行簡化或者等效。如果在設(shè)計時可以準確計算出變壓器的固有頻率，從而預(yù)知變壓器的噪聲特性，對降低變壓器噪聲特別是防止變壓器的異常是極具應(yīng)用價值的。

干變產(chǎn)品典型的包括環(huán)氧澆注與真空浸漬兩大類，由于在結(jié)構(gòu)上有許多相似之處，以上這些討論內(nèi)容適用于這兩類產(chǎn)品。但是該方法對鐵心電抗器的噪聲研究同樣具有參考意義。

［責任編輯:王琨］

Analyzing Problems of Unusual Noise of Dry-type Transformers with Finite Element Method

NING Jun-de
(Qingxu Sub-branch Company，Taiyuan Power Supply Branch Company，Taiyuan 030400，China)

This article tries to use finite element method to calculate dry-type transformer tremor and cavity mode in order to solve the problems relative to unusual noise，and puts forward a general suggestion combining with the author's own practical experiences.

finite element;dry-type transformer;noise

TM855

A

1671－5977(2012)02－0137－04

2012-04-13

寧俊德(1975-)，男，河北容城人，太原供電分公司清徐支公司助理工程師。