段紹輝，丁 慶，黎劍鋒，張 帥

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000；2.明珠電氣有限公司，廣東廣州 511400）

非晶合金鐵芯干式變壓器噪聲特性研究與分析

段紹輝1，丁 慶1，黎劍鋒2，張 帥2

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000；2.明珠電氣有限公司，廣東廣州 511400）

對(duì)非晶合金干式變壓器的噪聲特點(diǎn)和產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并通過仿真建模和成品試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為非晶合金干式變壓器提供了有效的降噪措施。

非晶合金干式變壓器；噪聲；降低措施

0 引言

非晶合金鐵芯變壓器以其優(yōu)越的節(jié)能效果，受到越來越多的用戶青睞，在電網(wǎng)中得到廣泛使用。非晶合金變壓器鐵芯材料不同于常規(guī)的變壓器的硅鋼片，而是采用非晶合金帶材，其基礎(chǔ)元素為鐵（Fe）、鎳（Ni）、鈷（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等，其分子結(jié)構(gòu)呈非晶體狀態(tài)，消除了磁疇移動(dòng)，且其厚度僅為0.02～0.03 mm，是常規(guī)硅鋼片的1/10，故其空載損耗極低，僅為常規(guī)取向硅鋼片的20%～30%，是制造節(jié)能型變壓器的優(yōu)秀材料。

但由于其厚度薄、疊片系數(shù)小、磁致伸縮大、性能受機(jī)械應(yīng)力敏感等原因，故其制造成變壓器產(chǎn)品后，噪聲較難控制，較常規(guī)硅鋼片變壓器聲壓級(jí)要大5～8 dB，造成環(huán)境污染，引來用戶投訴，從而限制了其更加廣泛的推廣使用，也成為了各制造廠的主要攻關(guān)對(duì)象。針對(duì)該問題，本文將從非晶合金鐵芯干式變壓器的噪聲特點(diǎn)、仿真建模、成品試驗(yàn)等方面開展分析和研究，并有針對(duì)性的提出改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)建議。

1 非晶合金鐵芯變壓器噪聲特點(diǎn)分析

由于采用了非晶合金鐵芯帶材作為鐵芯材料，非晶合金變壓器與常規(guī)硅鋼片變壓器噪聲特點(diǎn)略有不同，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）非晶合金鐵芯磁致伸縮量與其帶材的成分及加工工藝存在一定的關(guān)系，通常較常規(guī)取向硅鋼片高約10%左右，而且其鐵芯的磁致伸縮是變壓器噪聲的主要來源，因此從源頭就導(dǎo)致非晶合金變壓器噪聲較高。

（2）非晶合金鐵芯帶材應(yīng)力敏感，在內(nèi)應(yīng)力無法消除時(shí)，其單位質(zhì)量空載損耗、勵(lì)磁功率及磁致伸縮量均會(huì)有所增加，從而影響產(chǎn)品的整體性能。目前，在設(shè)計(jì)上通常都已經(jīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證使得變壓器鐵芯除了承受自身重力外，不再起到其他的支承作用，保證了鐵芯帶材運(yùn)行過程中的應(yīng)力控制。但由于運(yùn)輸、吊裝、裝配過程中，無法避免的會(huì)造成鐵芯帶材應(yīng)力增加，再加上非晶合金鐵芯帶材很脆，裝配過程中極易發(fā)生脫落，故成品的噪聲性能與非晶鐵芯帶材的運(yùn)輸、吊裝、裝配整個(gè)過程中的工藝方法和流程密切相關(guān)[1-2]。

（3）非晶合金鐵芯飽和磁密較低，通常為1.5 T左右，因此，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)磁密也要下降，非晶合金干式變壓器通常設(shè)計(jì)磁密在1.2 T以內(nèi)。

（4）非晶合金鐵芯為卷鐵芯結(jié)構(gòu)，故其鐵芯截面為矩形，與常規(guī)的疊鐵芯硅鋼片變壓器有所區(qū)別，其聲場分布也與常規(guī)圓形截面鐵芯變壓器有所區(qū)別；

（5）非晶合金變壓器鐵芯形式可以設(shè)計(jì)為三相五柱結(jié)構(gòu)或三相三柱結(jié)構(gòu)，兩者鐵芯如圖一所示，文獻(xiàn)[3]給出了兩者之間的詳細(xì)對(duì)比，三相三柱結(jié)構(gòu)目前噪聲控制尚不理想，故目前常用的結(jié)構(gòu)為三相五柱結(jié)構(gòu)，其軛柱（上下鐵軛和旁軛）磁密通常為芯柱磁密的1.155倍，因此，軛柱的磁致伸縮量更大，需有側(cè)重點(diǎn)對(duì)軛柱產(chǎn)生的噪聲加以防護(hù)[3]；

（6）非晶合金鐵芯帶材為各向同性，不同于常規(guī)的取向硅鋼片，因此其振動(dòng)形態(tài)也較為特殊。

由于非晶合金鐵芯變壓器噪聲存在以上諸多特點(diǎn)，故其噪聲控制手段和方法均應(yīng)有針對(duì)性的在傳統(tǒng)變壓器減震降噪方式上進(jìn)一步加以改進(jìn)。

圖1 三相五柱和三相三柱非晶合金鐵芯模型

2 仿真模型的建立

變壓器鐵芯的磁致伸縮頻率是電源頻率的2倍，為了避免共振的發(fā)生，同時(shí)考慮到非晶合金變壓器結(jié)構(gòu)上的特殊性，故需要有針對(duì)性的建立有限元分析模型，取得非晶合金鐵芯變壓器本體的各階固有振動(dòng)頻率，尤其是特征頻率，以避開磁致伸縮頻率的整數(shù)倍，以避免共振的發(fā)生[4]。

圖2為采用有限元分析軟件Ansys建立的非晶合金鐵芯變壓器模型。

圖2 非晶合金鐵芯干式變壓器有限元模型

通過有限元建模，可以分析出非晶合金鐵芯的各階固有頻率及振型，從而進(jìn)一步指導(dǎo)對(duì)非晶合金變壓器本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改變其固有頻率，減少共振發(fā)生，避免噪聲的放大。

此外，通過有限元建模，還可以對(duì)非晶合金鐵芯變壓器的振動(dòng)位移等特性進(jìn)行分析，提供設(shè)計(jì)改進(jìn)的方案。

3 不同磁密下各種狀態(tài)噪聲測試結(jié)果分析

圖3 聲級(jí)測定時(shí)輪廓線及測點(diǎn)分布情況

磁密對(duì)非晶合金干式變壓器的設(shè)計(jì)噪聲影響較大，磁密越低，變壓器產(chǎn)品噪聲也就隨之降低，但變壓器成本也會(huì)隨之增加，如何在非晶合金干式變壓器的設(shè)計(jì)成本與產(chǎn)品噪聲間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，是確定非晶合金干式變壓器設(shè)計(jì)方案的一個(gè)重要因素，針對(duì)此，特選擇了兩臺(tái)型號(hào)分別為SCBH15-630/10和SCBH15-1600/10的非晶合金干式變壓器進(jìn)行不同磁密下的聲級(jí)測定試驗(yàn)，試驗(yàn)從變壓器低壓側(cè)加壓，額定電壓為400 V，設(shè)計(jì)磁密均為1.168 T，變壓器鐵芯磁密與勵(lì)磁電壓成正比，通過改變勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)變壓器鐵芯磁密，從而獲得變壓器聲級(jí)隨鐵芯磁密的變化規(guī)律。聲級(jí)測定時(shí)輪廓線及測點(diǎn)布置如圖3所示。

測量結(jié)果如表1、表2所示。

表1 630 kVA非晶合金干式變壓器不同磁密下產(chǎn)品聲級(jí)測定結(jié)果dB

表2 1 600 kVA非晶合金干式變壓器不同磁密下產(chǎn)品聲級(jí)測定結(jié)果dB

將表1、表2的測得的不同磁密下的聲壓級(jí)和聲功率級(jí)繪制曲線并進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，如圖4、圖5所示。

圖4 630kVA不同磁密下聲壓級(jí)及聲功率級(jí)測定結(jié)果及其趨勢線

圖5 1600kVA不同磁密下聲壓級(jí)及聲功率級(jí)測定結(jié)果及其趨勢線

通過表1、表2、圖4、圖5可以得出以下幾點(diǎn)規(guī)律：

（1）鐵芯磁密對(duì)非晶合金鐵芯干式變壓器噪聲影響很大，磁密每升高0.02 T，產(chǎn)品噪聲升高約1 dB；

（2）在磁密選取為1～1.3 T范圍內(nèi)，非晶合金干式變壓器的噪聲可以用二次項(xiàng)擬合曲線近似表達(dá)，可用于指導(dǎo)類似產(chǎn)品的噪聲規(guī)律研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)；

（3）從各測點(diǎn)的測試結(jié)果可以看出，位于測點(diǎn)1、2、7、8處非晶變壓器產(chǎn)品噪聲略大，可用于驗(yàn)證仿真模型的分析結(jié)果。

4 降低產(chǎn)品噪聲的有效措施分析

從第4節(jié)中630 kVA和1 600 kVA產(chǎn)品的聲級(jí)測定結(jié)果來看，產(chǎn)品樣機(jī)的噪聲控制已經(jīng)比較理想，額定時(shí)630 kVA和1 600 kVA產(chǎn)品聲壓級(jí)分別在50 dB和52 dB以內(nèi)，一方面，通過控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)磁密起到了降低產(chǎn)品噪聲的目的，另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝方案上的改進(jìn)措施能有效降低產(chǎn)品的噪聲，具體如下：

（1）通過有限元仿真分析計(jì)算，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從源頭上避免共振的發(fā)生，同時(shí)在噪聲振動(dòng)中振動(dòng)位移較大的地方，通過增加加強(qiáng)筋等措施降低振幅，從而起到減震的作用；

（2）在鐵芯表面涂覆減振涂層，在鐵芯與夾件之間墊放硅橡膠片等均可減少鐵芯振動(dòng)的傳遞，起到降噪的作用；

（3）在緊固件和結(jié)構(gòu)件連接處增加橡膠墊，可以減少振動(dòng)的傳遞，降低噪聲；

（4）在非晶合金鐵芯訂貨時(shí)，注意控制鐵芯勵(lì)磁功率，并且控制每組片數(shù)，鐵芯搭接位置要求呈扇形分布；

（5）在工藝上，采用先進(jìn)的裝配定位臺(tái)，控制套裝過程中的裝配位置和應(yīng)力，一次到位，減少裝配過程產(chǎn)生的應(yīng)力和返工。

通過以上措施，可以比較有效的控制產(chǎn)品噪聲，使其出廠時(shí)可以達(dá)到常規(guī)硅鋼片變壓器的技術(shù)協(xié)議要求，同時(shí)，在現(xiàn)場安裝時(shí)，通過在安裝下方加裝阻尼減振器、橡膠防震墊等措施，可以有效降低產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)的噪聲水平。

5 結(jié)論

本文針對(duì)非晶合金鐵芯干式變壓器的噪聲特點(diǎn)展開分析，并提供了一些研究方法和測試結(jié)果，最終總結(jié)了一些行之有效的設(shè)計(jì)和工藝措施，從而控制產(chǎn)品的實(shí)際噪聲可以滿足常規(guī)硅鋼片噪聲要求，推動(dòng)節(jié)能效果突出的非晶合金干式變壓器的廣泛使用。

［1］季愛暉，蔡定國，龍麗瓊，等.三相五柱式非晶合金變壓器磁路及其性能參數(shù)分析［J］.變壓器，2009，46（10）：14-17.

［2］侯忠平，陳開全，胡晶金.非晶合金變壓器與硅鋼片鐵心變壓器運(yùn)行參數(shù)比較［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2012（2）：72-74.

［3］唐金權(quán)，蔡定國，陳開全.三相三柱與三相五柱式非晶合金變壓器成本和性能分析［J］.變壓器，2013，50（5）：23-26.

［4］尹克寧.變壓器設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國電力出版社，2003.

Study and Analysis on Noise Characteristics of Amorphous Alloy Core Dry-Type Transformer

DUAN Shao-hui1，DING Qing1，LI Jian-feng2，ZHANG Shuai2
（1.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd.，Shenzhen518000，China；2.Pearl Electrical Co.，Ltd，Guangzhou511400，China）

This article analyzes the noise characteristics of amorphous alloy core dry-type transformer and causes of noise generation. Methods of simulation modeling and finished product testing are adopted for the verification purpose.It puts forward various effective ways for effectively reducing noise.

amorphous alloy core dry-type transformer；noise；noise reduction methods

TS803

A

1009－9492(2014)03－0036－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.011

段紹輝，男，1961年生，湖北恩施人，碩士，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

(編輯：阮 毅)

2013－09－02