非晶合金變壓器的節(jié)能及噪聲控制分析

徐輝　崔建軍　林向榮

摘要：文章首先介紹了非晶合金變壓器的結(jié)構(gòu)及其節(jié)能效果，分析了變壓器產(chǎn)生噪聲的主要原因，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對非晶合金變壓器設(shè)計的參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝裝配及控制進行了探討，希望能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒。

關(guān)鍵詞：非晶合金變壓器；節(jié)能控制；噪聲控制；鐵心；參數(shù)選擇；結(jié)構(gòu)設(shè)計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）05-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.045

在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，電力基礎(chǔ)設(shè)施擴張迅速，尤其是配電變壓器，其需求量呈現(xiàn)出快速、大容量的增長趨勢。但是，在輸配電系統(tǒng)中，配電變壓器處于空載或輕載運行的時間較長，所消耗的電能也是系統(tǒng)電能損耗的主要部分，選用節(jié)能型的配電變壓器已成為電力企業(yè)尋求節(jié)能降損措施的有效途徑。本文以實際工作經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對非晶合金變壓器的特點及其節(jié)能效果進行了描述，分析并探討了非晶合金變壓器噪音來源及其控制措施，希望能夠為我國電力事業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

1 非晶合金變壓器的結(jié)構(gòu)及其節(jié)能特點

1.1 空載損耗低

非晶合金變壓器在空載運行時，其鐵損量只為傳統(tǒng)硅鋼片變壓器的30%，空載電流為20%，是當前最節(jié)能、低損耗的一種變壓器。非晶合金變壓器的主要構(gòu)成材料為非晶合金，該材料具有良好的軟磁性能，被磁與去磁化過程簡單且易完成。非晶合金變壓器在運行時，可以100～120次/秒的速度完成被磁與去磁化過程，這與傳統(tǒng)的硅鋼材料變壓器相比，極大地降低了鐵芯的損耗量，也大幅度降低了鐵芯的空載損耗，節(jié)能效果非常明顯。

1.2 適應(yīng)能力強且運維費用低

非晶合金變壓器的鐵芯以兩行三相五柱式矩形排列，在兩個旁柱間流過零序磁通，磁通過程不經(jīng)由箱體，不會出現(xiàn)發(fā)熱的結(jié)構(gòu)損耗，滿足了變壓器的低損耗和低噪音的性能要求。非晶合金變壓器的高壓和低壓繞組采用的是矩形銅繞組，提升了變壓器的抗短路能力，聯(lián)結(jié)級別為D，yn11，可降低諧波對電網(wǎng)造成的影響。即使變壓器內(nèi)部繞組發(fā)生短路，其結(jié)構(gòu)也能夠承受較大的機械力破壞，確保繞組不發(fā)生變形。非晶合金變壓器的箱體，為冷軋鋼板材料的片狀散熱器，在低壓和高壓套管的上方，加設(shè)了防塵、雨及冰雹的罩體，可用電纜接線并做絕緣保護。箱體為全密封式結(jié)構(gòu)，并以硅油為熱循環(huán)油，在運行時，其內(nèi)部的絕緣件及變壓器油，與外界大氣完全隔離，避免了大氣的氧化和污染。此外，非晶合金變壓器的運行費用極低、發(fā)熱少、運行性能穩(wěn)定，可在30年內(nèi)免維修，并可在高溫環(huán)境中運行。

1.3 對環(huán)境污染小

最近幾年，我國電力負荷以每年大于10%的速度增長，相當于年增315kVA變壓器37余萬臺。如果全國范圍內(nèi)的變壓器更換成非晶合金變壓器，其年降損約為126億kWh，相當于一座2400MW發(fā)電廠的裝機容量（幾乎是八座秦山核電站的年發(fā)電總量）。而這些降損的電量，如果由普通熱電廠產(chǎn)出，其排放出的廢氣和能耗，相當于排了203萬噸的二氧化碳和燃燒了101萬噸的煤。

由此可見，大范圍應(yīng)用非晶合金變壓器，不僅可以節(jié)約資源，增加直接經(jīng)濟收益，還可以降低廢氣、廢渣及對環(huán)境的污染，符合我國國策中的節(jié)能環(huán)保、科學(xué)發(fā)展的新理念，也是配電變壓器重要的替代產(chǎn)品。

2 非晶合金變壓器的噪聲分析

非晶合金變壓器運行成本低、安全可靠且節(jié)能效果明顯，但其運行過程中的噪聲也相對較大，這也是各非晶合金變壓器生產(chǎn)企業(yè)共同關(guān)注并亟待解決的問題。

通過對非晶合金變壓器的結(jié)構(gòu)分析可知，其噪聲主要有兩個來源：其一是由振動的鐵心導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動噪聲，主要包括鐵心自身的振動噪聲和通過連接件及夾件等傳遞的框架結(jié)構(gòu)振動噪聲；其二是由于非晶鐵心不可用夾件過度壓緊，而當導(dǎo)磁材料發(fā)生磁滯伸縮現(xiàn)象時，約束變壓器鐵心振動的壓力將會變小，振動量級逐漸增大，產(chǎn)生的噪聲也會增大。

3 非晶合金變壓器噪聲的控制措施

3.1 設(shè)計參數(shù)的選擇

在非晶合金變壓器的設(shè)計階段，選取工作磁通密度是控制其電磁噪聲的一個關(guān)鍵因素。當降低磁密時，變壓器運行產(chǎn)生的噪聲將會降低，但其生產(chǎn)成本卻會增加，怎樣才能在噪聲控制與設(shè)計成本之間找到平衡點，是確定非晶合金變壓器噪聲控制方案的重要影響因素。

冷軋硅鋼片的飽和磁密約為2.0T，而非晶合金材料則在1.5T左右，為了將非晶合金鐵心的磁滯伸縮與冷軋硅鋼片相近或相同，其工作磁密要低于冷軋硅鋼片的工作磁密。實驗表明，當升高0.05T磁密時，空載噪聲將增加2dB，變壓器噪聲將增加5dB。所以，在滿足噪聲控制的前提下，應(yīng)盡可能地減少鐵心的用量，非晶合金變壓器的工作磁密選擇要小于1.25T。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 由于非晶合金鐵心在受到外力時，變壓器損耗量會迅速增加，噪聲也會隨之增大。所以，為了避免鐵心受力過大，應(yīng)將鐵心懸掛于繞組上，確保其只受自身重量的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，器身的上下和左右部位，采用成型框架或“Ω”字形彎板夾件結(jié)構(gòu)，鐵心和繞組由結(jié)構(gòu)件支撐。

3.2.2 由于非晶合金變壓器的規(guī)格不同，其固有的振動頻率則不相同。為了有效控制變壓器的振動輻射噪聲，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要先通過有限元等軟件，對主要的聲學(xué)模態(tài)頻率和振動模態(tài)進行分析計算，再避開這些模態(tài)頻率進行變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而降低振動能量轉(zhuǎn)化為輻射聲能的幾率。

3.2.3 非晶合金鐵心安裝于側(cè)彎板與上下彎板的框架內(nèi)，框架在設(shè)計時，要預(yù)留適當?shù)脑６?。如果預(yù)留的裕度較大，將增加鐵心的振動量，產(chǎn)生的噪聲也較大；如果預(yù)留的裕度較小，鐵心將受到擠壓，空載損耗與噪聲都會增加。為了避免鐵心受力和降低噪聲，可在鐵心與框架間加設(shè)吸聲減振材料。

3.3 工藝系數(shù)的設(shè)定

在產(chǎn)品的制造過程中，降低非晶合金鐵心的單位磁化容量也是控制變壓器噪聲的有效手段。非晶合金的單位磁化容量與單位損耗存有一定的制約關(guān)系，而降低單位磁化容量則需要從企業(yè)的制造工藝入手。在繞組與鐵心框裝配過程中，需要進行鐵軛接縫、套裝繞組、合上接縫步驟的操作，這些操作精度在很大程度上依賴于操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗以及工藝參數(shù)的設(shè)定，通常情況下，工藝系數(shù)應(yīng)控制在1.05～1.25之間。另外，可以選擇較高的單位損耗以獲取較低的單位磁化容量，即在滿足空載要求的情況下，將多出的損耗性能轉(zhuǎn)化成磁化性能，實現(xiàn)降低噪聲的目的。

3.4 裝配過程的控制

鐵心接縫的裝配精度對非晶合金變壓器的噪聲影響較大，裝配形式通常分為平裝法和倒裝法。平裝法是利用專用設(shè)備將鐵心先平放，再套裝繞組并合攏后立起；倒裝法是將鐵心接縫朝上，在將接縫套裝繞組打開后再合上，最后將器身180°翻轉(zhuǎn)。平裝法的裝配形式對鐵心的開口損壞相對較小，接縫的質(zhì)量也較高，在噪音控制上優(yōu)于倒裝法，但其工藝性要求高，且需用到專用設(shè)備。鐵心接縫是影響非晶合金變壓器噪聲大小的關(guān)鍵影響因素，改善并縮小鐵心接縫，可均勻分布接縫處的磁通，降低氣隙中的磁密和接縫振幅，進而減少變壓器的勵磁電流和勵磁容量以及由于接縫磁吸力的作用而導(dǎo)致的噪聲。在裝配階段，搭接的長度應(yīng)控制在10～15mm之間，并用耐油、耐高溫的密封膠封堵，以減少接縫處振動，降低噪聲。另外，鐵心合攏后，要對鐵心側(cè)面的尖角和毛刺進行處理。裝配后的非晶合金鐵心，應(yīng)在其表面涂抹一層環(huán)氧樹脂，并在鐵心和器身間加設(shè)消聲墊。

3.5 其他控制措施

非晶合金變壓器油箱的內(nèi)側(cè)要加一層防聲壁，如瓦楞紙板等；鐵心的接縫處要用絕緣吸聲膠等密封；夾件與鐵心的接觸面要用高密度吸聲材料，保證非晶合金鐵心具有一定的彈性并能夠良好的固定，有效控制輻射噪聲；由于變壓器的部分噪聲是由其基礎(chǔ)和箱底傳播出去的，所以應(yīng)在油箱底腳與基礎(chǔ)（基礎(chǔ)應(yīng)水平）、箱底與器身墊腳之間，加設(shè)緩沖材料，如安裝防振膠墊等。這種措施可以有效控制噪聲傳播，并可降低1～2dB等級的噪聲；油箱內(nèi)的連接標準件應(yīng)采用防松螺母，金屬零部件等所有附件不得出現(xiàn)松動；由于電流在通過繞組時，將產(chǎn)生電磁力，其振幅值與電流平方成正比，聲功率則與振動的幅值平方成正比，所以變壓器繞組所發(fā)射的聲功率與通過的負載電流有著明顯的關(guān)系，而漏磁場也是造成結(jié)構(gòu)件振動的重要原因；由于空載噪聲頻率以兩倍電源頻率為基頻，而鐵心除了基頻磁通，還包含高頻磁通，所以變壓器的空載噪聲頻率也存有二次以上的高頻頻波。當油箱和鐵心的固有頻率接近于噪聲頻率時，將會出現(xiàn)噪聲共振的情況，從而增加噪聲等級。因此油箱和鐵心的固有頻率應(yīng)與高頻頻波避開；為了降低導(dǎo)線振動量，在滿足要求的情況下，要盡可能地縮小繞組的長軸尺寸。而在裝配器身時，高壓繞組與旁軛間及相間要撐緊，以此避免由于繞組長軸導(dǎo)線振動而導(dǎo)致的噪聲。此外，在設(shè)計非晶合金變壓器的箱體結(jié)構(gòu)時，器身的頂部要設(shè)計成氣囊式結(jié)構(gòu)，一方面可以有效降低振動及噪音的產(chǎn)生和傳播途徑；另一方面可以減少變壓器的滲漏點。

4 結(jié)語

非晶合金變壓器的運行成本及空載損耗較低，是當前最為理想的一種節(jié)能型變壓器，在配電網(wǎng)大批量應(yīng)用后，可以有效降低電網(wǎng)系統(tǒng)的線損量，既能節(jié)省大量的能源消耗，又可以獲取明顯的經(jīng)濟和環(huán)境效益。雖然非晶合金變壓器在運行過程中，其噪聲污染相對較大，但是通過一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制，完全可以避免噪聲所帶來的不利影響。隨著我國經(jīng)濟“科學(xué)發(fā)展，節(jié)能減排”基本國策的陸續(xù)貫徹并執(zhí)行，在輸配電行業(yè)，非晶合金變壓器的應(yīng)用必將具有更加廣闊的前景。

參考文獻

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[2] 馬大猷.噪聲控制學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1987.

作者簡介：徐輝（1977-），男，國網(wǎng)河北新河縣供電有限責(zé)任公司工程師，研究方向：配電網(wǎng)建設(shè)；崔建軍

（1965-），男，國網(wǎng)河北新河縣供電有限責(zé)任公司工程師，研究方向：配電網(wǎng)建設(shè)；林向榮（1982-），男，河北電力工程監(jiān)理有限公司工程師，研究方向：電力工程監(jiān)理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）