干式變壓器振動特性的研究及隔振系統(tǒng)的設(shè)計

張德貴

（山西西山華通水泥有限公司， 山西 古交 030200）

引言

變壓器是重要的輸配電設(shè)備，目前我國使用最廣泛的是干式變壓器，它有著運行安全性高、維護簡單、可靠性高等優(yōu)點。因為城市規(guī)劃和電力損耗限制，干式變壓器一般直接安裝在居民小區(qū)內(nèi)。為了達到散熱效果，干式變壓器的鐵心和線阻都直接暴露在空氣中，其結(jié)構(gòu)振動引起的環(huán)境噪音會影響到小區(qū)居民的正常生活。所以研究干式變壓器振動特性和其隔板系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)場振動監(jiān)測及振源分析

為了研究干式變壓器的振動特性，以某小區(qū)變電站干式變壓器型號SCB10-800為例進行現(xiàn)場觀測研究。該型號的干式變壓器固定頻率為50Hz，額定容量為800kVA[1-2]。將測點分別設(shè)置在4座變壓器支座的底部，隔音箱的外壁來進行振動數(shù)據(jù)收集。將收集數(shù)據(jù)時長設(shè)置為36 s，采樣的頻率設(shè)置為1 000Hz，采樣結(jié)束后使用DASYLAB進行信號處理分析。

1.1 隔音箱壁振動監(jiān)測

將采集到的干式變壓器隔音壁處的振動信號利用DASYLAB軟件進行處理，得到其加速度的有效值，其相應(yīng)的振動加速度級如表1所示。

觀察發(fā)現(xiàn)變壓器產(chǎn)生的振動信號是以一定的周期向外傳播的，但是振幅卻經(jīng)常發(fā)生變化。實驗電源的頻率為50 Hz，并且鐵心的基頻振動為100 Hz[2]。監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)干式變壓器在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz時振動幅值特別突出。所以可以認為干式變壓器的振動頻率為100 Hz、200 Hz、300 Hz和 400 Hz。

表1 干式變壓器隔音壁振動測試

1.2 支座處地面振動監(jiān)測

將采集到的支座處地面的振動信號利用DASYLAB軟件進行處理，得到其加速度的有效值及其相應(yīng)的振動加速度級，如表2所示。

表2 支座處地面振動測試

由上表可知干式變壓器的振動信號傳至支座地面時都顯著降低。這是由于干式變壓器結(jié)構(gòu)的特殊性，各個變壓器的振動幅值都減小，但是總的振動幅度還是很大，需要采取相應(yīng)的隔振措施。

2 振動特性有限元分析

使用ANSYS進行有限元模型搭建和分析，使用20節(jié)點的SOLID95單元為模型材料。整個模型由11 842個單元和56 621個節(jié)點構(gòu)成[3]。在每個構(gòu)建的接觸部分，使用粘接的處理方式，各個接觸面共享邊界。各個部件（包括鐵心、繞組、上下夾件和基座）使用不同的網(wǎng)格屬性和材料。其中使用質(zhì)量等效的方式來計算繞組的密度，所有組件約束底面全部自由度。

2.1 模態(tài)分析

對模型進行模態(tài)分析后，得到了干式變壓器的前15階的固有頻率如下頁表3所示。因為變壓器的振動傳播主要是發(fā)生在縱向的振動，對應(yīng)模態(tài)為表中的第3、4、8、10和13階，其振動的頻率分別為172.43 Hz、236.73 Hz、301.24 Hz、331.24 Hz和 471.68Hz。通過觀察模態(tài)振型，發(fā)現(xiàn)變壓器整體的變形主要來自于鐵心的變形，其它部位變形很小。從結(jié)構(gòu)傳聲的角度分析減少鐵心振動就可以降低整個干式變壓器的振動，從而達到降低變壓器噪聲的目的。

表3 干式變壓器模型各階固有頻率

因為組成變壓器的各個部件固有頻率不同，當這些部件的固有頻率和硅鋼片磁滯伸縮振動基頻（100Hz）接近或者是存在數(shù)量級關(guān)系（例如為200Hz，300 Hz和500 Hz）時，這些部件就會產(chǎn)生相應(yīng)的倍數(shù)諧振。此外，由于每臺變壓器的制作工藝不同，在現(xiàn)場工作中經(jīng)常發(fā)生固有頻率前后波動的現(xiàn)象，導(dǎo)致各個部件固有頻率落在諧振區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大噪音。

2.2 諧響應(yīng)分析

對0～600 Hz內(nèi)的變壓器模型進行諧響應(yīng)分析，使用完全（FULL）法[4]，荷載布選定為1，得到如圖1所示的頻譜圖。從圖中可以看出，在0～600 Hz內(nèi)的所有縱向平面的固有頻率都被激發(fā)，整個模型的自振頻率范圍位于 80～130 Hz，160～230 Hz，265～315 Hz，365～415 Hz，565～515 Hz之間。為了減小干式變壓器振動傳播，可以采取適當?shù)母粽翊胧⑶倚枰⒁庾儔浩鞯墓舱駞^(qū)域。

3 變壓器隔振系統(tǒng)的設(shè)計

對于一般的隔振系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的固有頻率越低，共振峰值越小，則避振效果越優(yōu)良。目前廣泛使用的有板-梁-質(zhì)量隔振系統(tǒng)、梁-質(zhì)量隔振系統(tǒng)和無梁板雙層隔振系統(tǒng)。對于干式變壓器來說，可以采用板-梁-質(zhì)量隔振系統(tǒng)來降低變壓器高頻區(qū)域的振動傳播。該方式在100 Hz處對應(yīng)的功率流相比另外兩種分別減少22 dB和110 dB。在選擇梁時，通過改變組成梁的材料槽鋼的型號、長度來改變梁的剛度，達到抑制功率流傳遞的效果。由于干式變壓器為高頻振動，隔振器的阻尼對變壓器振動傳播沒有影響，但是加入一定的阻尼比可以加速振動的衰減，減少自由振動的振幅。對于干式變壓器，選取0.05～0.2的阻尼比。此外，通過增加隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量塊的質(zhì)量也可以顯著抑制振動功率流的傳遞。該措施可以拓寬隔振系統(tǒng)的隔振頻域，使變壓器隔振系統(tǒng)有更強的隔振表現(xiàn)。

圖1 干式變壓器諧響應(yīng)頻譜

4 結(jié)論

1）干式變壓器以 100 Hz、200 Hz、300 Hz和 400 Hz的頻譜特性向外傳遞振動。

2）利用ANSYS進行有限元分析，得出了變壓器整體的變形主要來自于鐵心的變形的結(jié)論。此外，鐵心和其他部件的多階頻率位于80～515 Hz的諧振頻域內(nèi)，干式變壓器容易發(fā)生共振現(xiàn)象。

3）在進行變壓器隔振系統(tǒng)的設(shè)計時，采用板-梁-質(zhì)量隔振系統(tǒng)來降低變壓器高頻區(qū)域的振動傳播。通過改變梁的材料，增加阻尼和增加隔振系統(tǒng)中間質(zhì)量塊的質(zhì)量來增強隔振效果。