非晶合金鐵芯干式變壓器噪聲特性研究與分析

段紹輝，丁 慶，黎劍鋒，張 帥

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000；2.明珠電氣有限公司，廣東廣州 511400）

非晶合金鐵芯干式變壓器噪聲特性研究與分析

段紹輝1，丁 慶1，黎劍鋒2，張 帥2

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518000；2.明珠電氣有限公司，廣東廣州 511400）

對非晶合金干式變壓器的噪聲特點和產生原因進行了分析，并通過仿真建模和成品試驗進行了驗證，為非晶合金干式變壓器提供了有效的降噪措施。

非晶合金干式變壓器；噪聲；降低措施

0 引言

非晶合金鐵芯變壓器以其優越的節能效果，受到越來越多的用戶青睞，在電網中得到廣泛使用。非晶合金變壓器鐵芯材料不同于常規的變壓器的硅鋼片，而是采用非晶合金帶材，其基礎元素為鐵（Fe）、鎳（Ni）、鈷（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等，其分子結構呈非晶體狀態，消除了磁疇移動，且其厚度僅為0.02～0.03 mm，是常規硅鋼片的1/10，故其空載損耗極低，僅為常規取向硅鋼片的20%～30%，是制造節能型變壓器的優秀材料。

但由于其厚度薄、疊片系數小、磁致伸縮大、性能受機械應力敏感等原因，故其制造成變壓器產品后，噪聲較難控制，較常規硅鋼片變壓器聲壓級要大5～8 dB，造成環境污染，引來用戶投訴，從而限制了其更加廣泛的推廣使用，也成為了各制造廠的主要攻關對象。針對該問題，本文將從非晶合金鐵芯干式變壓器的噪聲特點、仿真建模、成品試驗等方面開展分析和研究，并有針對性的提出改進措施和設計建議。

1 非晶合金鐵芯變壓器噪聲特點分析

由于采用了非晶合金鐵芯帶材作為鐵芯材料，非晶合金變壓器與常規硅鋼片變壓器噪聲特點略有不同，主要體現在以下幾個方面。

（1）非晶合金鐵芯磁致伸縮量與其帶材的成分及加工工藝存在一定的關系，通常較常規取向硅鋼片高約10%左右，而且其鐵芯的磁致伸縮是變壓器噪聲的主要來源，因此從源頭就導致非晶合金變壓器噪聲較高。

（2）非晶合金鐵芯帶材應力敏感，在內應力無法消除時，其單位質量空載損耗、勵磁功率及磁致伸縮量均會有所增加，從而影響產品的整體性能。目前，在設計上通常都已經通過結構設計保證使得變壓器鐵芯除了承受自身重力外，不再起到其他的支承作用，保證了鐵芯帶材運行過程中的應力控制。但由于運輸、吊裝、裝配過程中，無法避免的會造成鐵芯帶材應力增加，再加上非晶合金鐵芯帶材很脆，裝配過程中極易發生脫落，故成品的噪聲性能與非晶鐵芯帶材的運輸、吊裝、裝配整個過程中的工藝方法和流程密切相關[1-2]。

（3）非晶合金鐵芯飽和磁密較低，通常為1.5 T左右，因此，產品的設計磁密也要下降，非晶合金干式變壓器通常設計磁密在1.2 T以內。

（4）非晶合金鐵芯為卷鐵芯結構，故其鐵芯截面為矩形，與常規的疊鐵芯硅鋼片變壓器有所區別，其聲場分布也與常規圓形截面鐵芯變壓器有所區別；

（5）非晶合金變壓器鐵芯形式可以設計為三相五柱結構或三相三柱結構，兩者鐵芯如圖一所示，文獻[3]給出了兩者之間的詳細對比，三相三柱結構目前噪聲控制尚不理想，故目前常用的結構為三相五柱結構，其軛柱（上下鐵軛和旁軛）磁密通常為芯柱磁密的1.155倍，因此，軛柱的磁致伸縮量更大，需有側重點對軛柱產生的噪聲加以防護[3]；

（6）非晶合金鐵芯帶材為各向同性，不同于常規的取向硅鋼片，因此其振動形態也較為特殊。

由于非晶合金鐵芯變壓器噪聲存在以上諸多特點，故其噪聲控制手段和方法均應有針對性的在傳統變壓器減震降噪方式上進一步加以改進。

圖1 三相五柱和三相三柱非晶合金鐵芯模型

2 仿真模型的建立

變壓器鐵芯的磁致伸縮頻率是電源頻率的2倍，為了避免共振的發生，同時考慮到非晶合金變壓器結構上的特殊性，故需要有針對性的建立有限元分析模型，取得非晶合金鐵芯變壓器本體的各階固有振動頻率，尤其是特征頻率，以避開磁致伸縮頻率的整數倍，以避免共振的發生[4]。

圖2為采用有限元分析軟件Ansys建立的非晶合金鐵芯變壓器模型。

圖2 非晶合金鐵芯干式變壓器有限元模型

通過有限元建模，可以分析出非晶合金鐵芯的各階固有頻率及振型，從而進一步指導對非晶合金變壓器本體結構進行改進，改變其固有頻率，減少共振發生，避免噪聲的放大。

此外，通過有限元建模，還可以對非晶合金鐵芯變壓器的振動位移等特性進行分析，提供設計改進的方案。

3 不同磁密下各種狀態噪聲測試結果分析

圖3 聲級測定時輪廓線及測點分布情況

磁密對非晶合金干式變壓器的設計噪聲影響較大，磁密越低，變壓器產品噪聲也就隨之降低，但變壓器成本也會隨之增加，如何在非晶合金干式變壓器的設計成本與產品噪聲間找到一個平衡點，是確定非晶合金干式變壓器設計方案的一個重要因素，針對此，特選擇了兩臺型號分別為SCBH15-630/10和SCBH15-1600/10的非晶合金干式變壓器進行不同磁密下的聲級測定試驗，試驗從變壓器低壓側加壓，額定電壓為400 V，設計磁密均為1.168 T，變壓器鐵芯磁密與勵磁電壓成正比，通過改變勵磁電壓調節變壓器鐵芯磁密，從而獲得變壓器聲級隨鐵芯磁密的變化規律。聲級測定時輪廓線及測點布置如圖3所示。

測量結果如表1、表2所示。

表1 630 kVA非晶合金干式變壓器不同磁密下產品聲級測定結果dB

表2 1 600 kVA非晶合金干式變壓器不同磁密下產品聲級測定結果dB

將表1、表2的測得的不同磁密下的聲壓級和聲功率級繪制曲線并進行二次項擬合，如圖4、圖5所示。

圖4 630kVA不同磁密下聲壓級及聲功率級測定結果及其趨勢線

圖5 1600kVA不同磁密下聲壓級及聲功率級測定結果及其趨勢線

通過表1、表2、圖4、圖5可以得出以下幾點規律：

（1）鐵芯磁密對非晶合金鐵芯干式變壓器噪聲影響很大，磁密每升高0.02 T，產品噪聲升高約1 dB；

（2）在磁密選取為1～1.3 T范圍內，非晶合金干式變壓器的噪聲可以用二次項擬合曲線近似表達，可用于指導類似產品的噪聲規律研究和產品設計；

（3）從各測點的測試結果可以看出，位于測點1、2、7、8處非晶變壓器產品噪聲略大，可用于驗證仿真模型的分析結果。

4 降低產品噪聲的有效措施分析

從第4節中630 kVA和1 600 kVA產品的聲級測定結果來看，產品樣機的噪聲控制已經比較理想，額定時630 kVA和1 600 kVA產品聲壓級分別在50 dB和52 dB以內，一方面，通過控制產品設計磁密起到了降低產品噪聲的目的，另外，在結構設計和工藝方案上的改進措施能有效降低產品的噪聲，具體如下：

（1）通過有限元仿真分析計算，優化產品結構，從源頭上避免共振的發生，同時在噪聲振動中振動位移較大的地方，通過增加加強筋等措施降低振幅，從而起到減震的作用；

（2）在鐵芯表面涂覆減振涂層，在鐵芯與夾件之間墊放硅橡膠片等均可減少鐵芯振動的傳遞，起到降噪的作用；

（3）在緊固件和結構件連接處增加橡膠墊，可以減少振動的傳遞，降低噪聲；

（4）在非晶合金鐵芯訂貨時，注意控制鐵芯勵磁功率，并且控制每組片數，鐵芯搭接位置要求呈扇形分布；

（5）在工藝上，采用先進的裝配定位臺，控制套裝過程中的裝配位置和應力，一次到位，減少裝配過程產生的應力和返工。

通過以上措施，可以比較有效的控制產品噪聲，使其出廠時可以達到常規硅鋼片變壓器的技術協議要求，同時，在現場安裝時，通過在安裝下方加裝阻尼減振器、橡膠防震墊等措施，可以有效降低產品實際運行時的噪聲水平。

5 結論

本文針對非晶合金鐵芯干式變壓器的噪聲特點展開分析，并提供了一些研究方法和測試結果，最終總結了一些行之有效的設計和工藝措施，從而控制產品的實際噪聲可以滿足常規硅鋼片噪聲要求，推動節能效果突出的非晶合金干式變壓器的廣泛使用。

［1］季愛暉，蔡定國，龍麗瓊，等.三相五柱式非晶合金變壓器磁路及其性能參數分析［J］.變壓器，2009，46（10）：14-17.

［2］侯忠平，陳開全，胡晶金.非晶合金變壓器與硅鋼片鐵心變壓器運行參數比較［J］.機電工程技術，2012（2）：72-74.

［3］唐金權，蔡定國，陳開全.三相三柱與三相五柱式非晶合金變壓器成本和性能分析［J］.變壓器，2013，50（5）：23-26.

［4］尹克寧.變壓器設計原理［M］.北京：中國電力出版社，2003.

Study and Analysis on Noise Characteristics of Amorphous Alloy Core Dry-Type Transformer

DUAN Shao-hui1，DING Qing1，LI Jian-feng2，ZHANG Shuai2
（1.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd.，Shenzhen518000，China；2.Pearl Electrical Co.，Ltd，Guangzhou511400，China）

This article analyzes the noise characteristics of amorphous alloy core dry-type transformer and causes of noise generation. Methods of simulation modeling and finished product testing are adopted for the verification purpose.It puts forward various effective ways for effectively reducing noise.

amorphous alloy core dry-type transformer；noise；noise reduction methods

TS803

A

1009－9492(2014)03－0036－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.011

段紹輝，男，1961年生，湖北恩施人，碩士，高級工程師。研究領域：電力系統及其自動化。

(編輯：阮 毅)

2013－09－02