基于“电磁—机械—噪声”多场耦合的非晶合金变压器振动特性研究

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我国的配网系统,消耗在变压器上的功率占线路总损耗的30%至60%,而变压器损耗中的50%至80%为其空载运行时的损耗,因此,增加节能型变压器的比重,可以有效地提高配网系统的运行效率。非晶合金变压器最大的优势就是其空载损耗低,主要原因有两个:1.非晶带材厚度约为硅钢片的十分之一,单片非晶合金厚度约为0.02mm~0.03mm,所以非晶铁芯的涡流损耗更小。2.与硅钢材料相比,非晶合金材料饱和磁密低,磁导率大、矫顽力较小,所以铁芯损耗更低。目前,非晶合金变压器已广泛应用于我国的配电网系统中,但非晶合金材料对外部应力较敏感,铁芯整体结构松散,且非晶合金材料的磁致伸缩系数约为硅钢片的10倍,致使非晶合金变压器运行噪声远大于常用的硅钢变压器。综上,非晶合金电力变压器的振动噪声研究对于它们在电力系统中的应用具有极为重要的意义。首先,本课题建立了非晶合金变压器空载运行振动及噪声的理论模型。在电磁场方面,运用磁路理论得到了非晶合金变压器铁芯磁通密度与三相电流随时间变化的规律,并利用麦克斯韦方程组以及虚功原理得到了铁芯磁致伸缩体力密度以及表面力的表达式。在结构场方面,利用有限元法及机械振动理论建立了非晶合金变压器结构振动解析模型。在声场方面,通过声压理论得到了变压器远场处声压级和声功率级的表达式。其次,本课题利用有限元软件建立了非晶合金变压器空载运行振动及噪声的数值计算模型,结合试验数据验证了模型的准确性。在电磁场方面,通过对一台SBH15-M-400/10.5非晶合金变压器结构模型BH曲线、磁致伸缩特性曲线、损耗曲线等参数的设置,对比该型号变压器的空载、短路试验数据,验证了电磁场环境计算结果的准确性。在结构场方面,利用双通道手持式振动仪测量得到变压器底部、正面、侧面的振动加速度时域波形,将信号通过MATLAB傅里叶分析得到振动加速度特征频率,并与有限元分析数据相比较,验证了模型机械结构振动计算结果的准确性。在声场方面,利用谐响应噪声分析模块计算得到远场处噪声分贝值,通过与A计权手持式噪声仪测量得到噪声结果的对比,验证了模型声场环境计算结果的准确性。对非晶合金变压器进行谐响应分析,研究表明,非晶合金变压器振动噪声主要来源于非晶铁芯及本体结构件,振动加速度基频为100Hz,在300Hz处加速度最大为0.05mm/s~2。最后,结合非晶合金变压器结构和材料特点,在兼顾经济性的基础上,分析了变压器局部位移较大区域,以及橡胶垫块不同结构尺寸对减小振动噪声的贡献度,提出两种降低噪声的方法:1.在变压器本体结构件上盖板处利用四条L型加强筋和结构件上弯板处增加钢条减小结构件振动位移,2.将变压器本体与油箱间橡胶垫块厚度增加到22.5mm用于隔振。综合以上方法提出降噪方案,与原模型相比,噪声降低2.8626d B。
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