居民区配电设施动力分析及隔振措施研究

蔡 浩

(郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150)

居民区配电设施动力分析及隔振措施研究

蔡 浩

(郑州工业应用技术学院，河南 郑州 451150)

分析了居民区配电设施(变压器)的振动规律，并由其产生的结构噪声特点及传播途径，在此基础上对变压器振动治理提出有效的措施。把变压器安置现状简化为质量——弹簧与阻尼系统，对激振频率为100Hz时的系统响应的计算过程采用ANSYS结构动力分析程序，获得系统协响应时程曲线和频谱曲线。在此基础上对常规隔振装置的隔振效果进行了分析，并对隔振系统主要设计参数进行了优化。

变压器;振动特性;结构噪声;隔振

随着社会经济的发展进步以及城市的不断发展和改造，社会生产、工厂、交通等方面所带来的噪声和污染严重影响着人们的生活质量和身心健康。特别是随着用电需求逐年增加，城市居民小区变电站变压器工作的时候所产生的噪声和辐射[1]污染也越来越严重。因此居民区配电设施的隔振研究就显得十分重要，它不但可以提高机械的工作寿命，而且对于提高人们的生活质量，促进整个社会的和谐具有很重要的意义。

一、变压器动力噪声分析

我们知道不管是变压器还是其他机械设备，一般噪声的来源都是来自机械内部的振动，然后通过机械结构传递到外部，所以要对变压器进行隔振措施研究，就要先分析它内部构造的振动规律，对其产生的噪声的成分进行分析，进而提出合理的隔振措施。

1.变压器自身的噪音

有很多因素都影响着变压器本体噪音的大小，如:额定空载时铁芯的磁通密度、变压器的额定容量和硅钢片的性能等。造成变压器产生噪音的原因是：(1)漏磁通造成油箱壁、磁屏蔽等振动；(2)负载电流在经过线圈时，产生电磁力，由于绕组导体之间的漏磁通，造成绕组振动；(3)铁芯因硅钢片的磁致伸缩[2]，而造成振动；(4)由于磁通穿过硅钢片接缝处和叠片之间时，产生电磁力而造成铁芯振动。

2.冷却装置产生的噪音

冷却装置在正常中运行时，潜油泵和冷却风扇的转动会使空气产生流动，进而形成的一种噪音。重点强调的是，变压器的弹性振动系统，是由有许多固有振动频率的各种部件组成的。当机械振动的固有频率与2倍的电源频率基本相同时，或者是50Hz电源和系指400Hz、300Hz、200Hz、100Hz等的整数倍时，将产生谐振，明显地加大了变压器的噪音。

二、变压器噪声特性

变压器的噪声以铁心噪声为主，磁致伸缩基频在2倍的电源频率下，形成噪音，正好说明了磁致伸缩的周期是1/2的电源频率周期。造成磁通明显偏离了正弦波的原因除了铁心磁致伸缩的非线性之外，还有多级铁心中芯柱不同与铁扼相应级的截面，以及沿铁心内框的磁通路径不同与外框等，即存在高次谐波的磁通分量，从而造成铁心的频谱振动中存在其基频整倍数的高频，研究结果表明，电力变压器铁心振动噪声的频谱范围通常在100Hz-500Hz之间，基频分量在变压器噪声中占有的比例，是随着变压器的额定容量的大小而成正比例变化，而二次及以上高频成分所占的比例是成反比例变化，由此说明，铁心噪声的频谱大小是由电力变压器容量的不同而决定的。

三、变压器噪声影响因素

(一)铁心结构[3]的影响

随着社会发展越来越快，电力变压器的容量也不断增大，所以会增大绕组中的磁漏作用。漏磁作用产生的轴向力大约是1 000N～20 000N，变压器的铁心，以及它周围的结构直接承受轴向力的作用，从而使各构件之间产生挤压，形成振动。

1.几何尺寸。铁心的体形状与线形状会因为铁心的几何尺寸有差异。而且，硅钢片材料的自身特性是磁性各向异性、磁密度不均匀分布，这样引起的磁致伸缩体积变形和线变形是不同的，因此，不同的几何尺寸会导致磁通密度和磁特性在不同区域存在差异，而且还会影响铁心的磁致伸缩周期。

2.结构形式。从构造形式上说，铁心是不同的，正常情况下，叠片形式的硅钢片搭接方式是干式变压器经常使用的，该结构方式产生噪音的原因是由于磁路不连贯等而形成的。

3.铁心接缝处和叠片的搭接。虽然结构的强度会因为搭接面积的增大而增强，但是，这样也会增大非轧制方向的面积，从而导致磁路通过该区域时，产生噪音。

4.铁心的夹紧力的作用。铁心的磁致伸缩受到铁心夹紧力的巨大作用，由于硅钢片自身的重量，如果夹紧力较小，会造成铁心发生弯曲，从而产生磁致伸缩。另外，铁心发生弯曲后，使原本在一个平面上的心柱硅钢片和横轭上的硅钢片出现偏差，在磁通量通过时发生变化，增加了高频噪声所占的比例。

(二)绕组结构的影响

变压器整体噪声的增大，是由于铁心自身磁致伸缩频率的增大而产生谐振造成的。这一特性也存在于绕组中，绕组会在铁心发出的励磁频率达到其某一阶频率时而发生谐振。

(三)运行状态的作用：

干式变压器在正常的运行中，经常发出很大的噪音，与出厂值相比要高很多。这主要是下面几个因素所造成的：

1.由于绝缘垫块出现变形、老化、破损等现象，降低了硅钢片之间的压力，或者是变压器中紧固螺母发生松动的现象等，这些都会导致噪声变大。

2.一般情况都是在建筑物内安装变压器，由于屋内的空间范围狭小，变压器所产生的噪声会有回声，所以会增加噪声的音量。

3.由于变压器长时间的运行，导致铁心的温度升高，改变了其固有特性和自身应力的分布状况，从而产生较大的噪音。

4.有一定的直流成分和谐波成分存在于负载电流中，增强了噪音。

四、常规的隔振设计及基于ANSYS的变压器隔振效果分析

振动控制[4]的一个主要方法是隔振，振源和被保护的物体，通过一个包含了特殊装置的辅助系统而被隔离开，以使传到外界的振动和噪声或者对结构本身的影响有明显减小的效果。这种装置在隔振方面起到了明显的效果，有效的降低了振源和被隔振物体之间的动态耦合，降低了产生的噪音。

1.常规隔振设计

通常在一般的情况下，变压器自身刚度和支撑楼板的刚度我们是忽略不计的，把变压器隔振系统简化为质量-弹簧-阻尼系统[5]，如图1所示，c代表阻尼；m代表变压器质量，变压器自身及地基都是刚性；k代表隔振器的刚度。激振力的最大值为F0，传递力的最大值为FT0。

图1

动力传递系数及隔振系数

由图1隔振系统的动力学模型建立系统运动微分方程：

(4-1)

根据方程(4-1)可以求得其稳态解为

x=x0·sin(ωt-θ) ，其中：

(4-2)

在有阻尼的情况下，传至基础的传递力FT0由两个部分组成：一部分为弹簧的弹力，其幅值为K·x0；另一部分为阻尼力，其幅值为C·ω·x0。原因是阻尼力则和速度成正比，而且弹簧力和位移成正比，则得出两者之间有90°相角的相差，故其矢量和为：

(4-3)

式中：

(4-4)

故其动力传递系数为：

(4-5)

相应的隔振系数(代表采用隔振措施后振动级降低的程度)常以分贝表示：

(4-6)

隔振器刚度及阻尼的确定

由公式(4-6)得:

变压器激振频率为100 及其倍频，取f=100Hz。

根据ω/ωn=f/f=2.5～5.0，可得系统固有频率范围为fn=20-40Hz。

基于ANSYS的模型隔振效果分析：

用ANSYS建立变压器、弹簧的简化模型，其中的弹簧刚度K=1 092 000N/m，物块(变压器)的质量为M=2 830Kg，阻尼比一般取ξ=0.05-0.2之间，我们取初始参数为ξ=0.05，激振为F0=100sin2πωt，加载之后输出的时程图和频谱图如图2所示：

图2

结果分析：

不同参数对隔振效果的影响

为了使简化结果更具有鲜明的对比性，取几个特定参数下变化某个参数时的时程、频谱曲线，经过对比，我们就可以清楚的看到各个参数对隔振效果的影响，以此来达到优化的目的。

1.M=2 830Kg，ξ=0.05，K值取K=10 920 000N/m，K=6 006 000N/m，K=1 092 000N/m时的时程图比较：在一定范围内，随着刚度的减小，也就是柔度越来越好，传递力也越来越小，所以隔振效果也越来越好。

2.M=2 830Kg，ξ=0.05，K值取K=1 092 000N/m，K=1 000 000N/m，K=800 000N/m时的频谱图比较：在不同的弹簧刚度下，随着刚度的减小，隔振效果越来越好。同时随着激振频率的不断增加，也就是频率比越来越大，隔振效果不再有明显增加，趋于稳定。

五、结语

通过对变压器的简化模型进行理论计算和模拟分析，结果证明了理论计算和实际模拟结果还是存在一定的误差，模拟结果比理论计算值要大，原因在于受变压器自身刚度等因素的影响，变压器在振动时会产生许多阶的谐振动。通过不同参数的时程图和频谱图比较，可以看到不同参数即刚度、阻尼等对隔振效果的影响，通过在一定范围内对各个参数的调整，就可以达到优化的目的，以取得更好的隔振效果。

[1]宛德福.磁性理论及其应用[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.148～163.

[2]虞兴邦，姜在秀，韩涛.变压器的噪声及其降低[J].噪声与振动控制，2001，(5)：35～37.

[3]王红星.110kV电力变压器本体噪声的降低[J].电工技术,2001，(1).

[4]朱石坚.振动理论与隔振技术[M].北京:国防工业出版社，2006.

[5]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1985.

文章编号：2095-4654(2015)10-0010-03

2095-4654(2015)10-0007-03

2015-05-11

TM407

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