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)

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(jì)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(shí)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(jì)八十年代我國引進(jìn)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(dá)到了3700萬kVA。由于其免維護(hù)、安全、節(jié)能、阻燃防爆、抗短路能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(biāo)比對及其與實(shí)踐的矛盾

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

表1 國標(biāo)規(guī)定的城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)

《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(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。

分析以上兩組數(shù)據(jù)可知，舊標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)因此提高了相關(guān)的指標(biāo)并用聲功率來衡量變壓器的噪聲性能，基本使符合標(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(jìn)行處理。也正因?yàn)檫@個原因，實(shí)際招標(biāo)中客戶要求的噪聲指標(biāo)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

2) 在生產(chǎn)實(shí)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(dá)到60 dBA，個別點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(qiáng)，問題沒有那么明顯或者沒有引起足夠的重視。

本文重點(diǎn)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)某1 250 kVA的變壓器，其平均噪聲達(dá)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(jì)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(jìn)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(xiàn)，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(dāng)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(shí)際證明有效的降低了變壓器的噪聲。

如果能事先進(jìn)行共振模態(tài)頻率的計(jì)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(jìn)行研究，并得到了一些經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(shí)踐中，運(yùn)用公式計(jì)算的頻率與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，相對誤差甚至達(dá)到20%以上。假設(shè)一臺變壓器的頻率為320 Hz，其絕對計(jì)算誤差將達(dá)到60 Hz以上，從而失去指導(dǎo)意義，因此有必要進(jìn)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(yùn)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(jìn)行初期的探討。

3.1 變壓器鐵心振動模態(tài)的試驗(yàn)與驗(yàn)證方法

采用有限元計(jì)算時應(yīng)首先考慮如何進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，無法驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果是沒有任何意義的。因此如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(yàn)方法，該方法在國防軍工、教學(xué)科研、土木建筑、機(jī)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(yàn)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(jìn)一步確認(rèn)。

另外，基于變壓器自身的特點(diǎn)，也可以考慮用電激勵的方法進(jìn)行實(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(rèn)識的基礎(chǔ)上再著手分析變壓器腔體，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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?？傮w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(jìn)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(jìn)行測試了解其實(shí)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(shí)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?yàn)樽儔浩鞯目蛰d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(yàn)也是必須考慮的問題。

試驗(yàn)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(yàn)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(dá)到測試要求。

3.4 有限元計(jì)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(jìn)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(jìn)去，勢必造成模型的增大，給有限元分析的劃網(wǎng)和計(jì)算增加難度。如果不考慮進(jìn)去，是否影響到計(jì)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(shí)際振動時不是所有的點(diǎn)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?yán)泳C合分析才可以確定。

3.5 有限元計(jì)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(jìn)行簡化，在實(shí)際的分析中有待進(jìn)一步確認(rèn)。

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

3.7 計(jì)算結(jié)果的分析和利用

可以預(yù)見，用有限元方法可以計(jì)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(jìn)一步分析，通過實(shí)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(yán)重后果，即該模態(tài)本身不會被實(shí)際激發(fā)或者即便激發(fā)，其共振的強(qiáng)度也不會太大。

4 結(jié)論

總之，用有限元進(jìn)行變壓器噪聲特性的理論分析和計(jì)算是可行的，在一些細(xì)節(jié)的技術(shù)問題上需要根據(jù)理論與實(shí)踐的綜合進(jìn)行簡化或者等效。如果在設(shè)計(jì)時可以準(zhǔn)確計(jì)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(zé)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。