干式变压器振动特性的研究及隔振系统的设计

2020-10-18张德贵

机械管理开发 2020年9期

张德贵

（山西西山华通水泥有限公司，山西古交 030200）

引言

变压器是重要的输配电设备，目前我国使用最广泛的是干式变压器，它有着运行安全性高、维护简单、可靠性高等优点。因为城市规划和电力损耗限制，干式变压器一般直接安装在居民小区内。为了达到散热效果，干式变压器的铁心和线阻都直接暴露在空气中，其结构振动引起的环境噪音会影响到小区居民的正常生活。所以研究干式变压器振动特性和其隔板系统的设计有着重要的现实意义。

1 现场振动监测及振源分析

为了研究干式变压器的振动特性，以某小区变电站干式变压器型号SCB10-800为例进行现场观测研究。该型号的干式变压器固定频率为50Hz，额定容量为800kVA[1-2]。将测点分别设置在4座变压器支座的底部，隔音箱的外壁来进行振动数据收集。将收集数据时长设置为36 s，采样的频率设置为1 000Hz，采样结束后使用DASYLAB进行信号处理分析。

1.1 隔音箱壁振动监测

将采集到的干式变压器隔音壁处的振动信号利用DASYLAB软件进行处理，得到其加速度的有效值，其相应的振动加速度级如表1所示。

观察发现变压器产生的振动信号是以一定的周期向外传播的，但是振幅却经常发生变化。实验电源的频率为50 Hz，并且铁心的基频振动为100 Hz[2]。监测时发现干式变压器在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz时振动幅值特别突出。所以可以认为干式变压器的振动频率为100 Hz、200 Hz、300 Hz和 400 Hz。

表1 干式变压器隔音壁振动测试

1.2 支座处地面振动监测

将采集到的支座处地面的振动信号利用DASYLAB软件进行处理，得到其加速度的有效值及其相应的振动加速度级，如表2所示。

表2 支座处地面振动测试

由上表可知干式变压器的振动信号传至支座地面时都显著降低。这是由于干式变压器结构的特殊性，各个变压器的振动幅值都减小，但是总的振动幅度还是很大，需要采取相应的隔振措施。

2 振动特性有限元分析

使用ANSYS进行有限元模型搭建和分析，使用20节点的SOLID95单元为模型材料。整个模型由11 842个单元和56 621个节点构成[3]。在每个构建的接触部分，使用粘接的处理方式，各个接触面共享边界。各个部件（包括铁心、绕组、上下夹件和基座）使用不同的网格属性和材料。其中使用质量等效的方式来计算绕组的密度，所有组件约束底面全部自由度。

2.1 模态分析

对模型进行模态分析后，得到了干式变压器的前15阶的固有频率如下页表3所示。因为变压器的振动传播主要是发生在纵向的振动，对应模态为表中的第3、4、8、10和13阶，其振动的频率分别为172.43 Hz、236.73 Hz、301.24 Hz、331.24 Hz和 471.68Hz。通过观察模态振型，发现变压器整体的变形主要来自于铁心的变形，其它部位变形很小。从结构传声的角度分析减少铁心振动就可以降低整个干式变压器的振动，从而达到降低变压器噪声的目的。

表3 干式变压器模型各阶固有频率

因为组成变压器的各个部件固有频率不同，当这些部件的固有频率和硅钢片磁滞伸缩振动基频（100Hz）接近或者是存在数量级关系（例如为200Hz，300 Hz和500 Hz）时，这些部件就会产生相应的倍数谐振。此外，由于每台变压器的制作工艺不同，在现场工作中经常发生固有频率前后波动的现象，导致各个部件固有频率落在谐振区内产生较大噪音。

2.2 谐响应分析

对0～600 Hz内的变压器模型进行谐响应分析，使用完全（FULL）法[4]，荷载布选定为1，得到如图1所示的频谱图。从图中可以看出，在0～600 Hz内的所有纵向平面的固有频率都被激发，整个模型的自振频率范围位于 80～130 Hz，160～230 Hz，265～315 Hz，365～415 Hz，565～515 Hz之间。为了减小干式变压器振动传播，可以采取适当的隔振措施，并且需要注意变压器的共振区域。

3 变压器隔振系统的设计

对于一般的隔振系统来说，系统的固有频率越低，共振峰值越小，则避振效果越优良。目前广泛使用的有板-梁-质量隔振系统、梁-质量隔振系统和无梁板双层隔振系统。对于干式变压器来说，可以采用板-梁-质量隔振系统来降低变压器高频区域的振动传播。该方式在100 Hz处对应的功率流相比另外两种分别减少22 dB和110 dB。在选择梁时，通过改变组成梁的材料槽钢的型号、长度来改变梁的刚度，达到抑制功率流传递的效果。由于干式变压器为高频振动，隔振器的阻尼对变压器振动传播没有影响，但是加入一定的阻尼比可以加速振动的衰减，减少自由振动的振幅。对于干式变压器，选取0.05～0.2的阻尼比。此外，通过增加隔振系统中间质量块的质量也可以显著抑制振动功率流的传递。该措施可以拓宽隔振系统的隔振频域，使变压器隔振系统有更强的隔振表现。