變壓器用可調頻磁吸動力吸振器減振降噪特性研究

摘要：以一臺110 kV油浸式變壓器為研究對象，進行了變壓器箱體的振動噪聲測試。根據變壓器振動噪聲特性，設計了一款可調頻磁吸動力吸振器。為研究動力吸振器的排布方式，建立了變壓器箱體三維有限元模型，并結合現場實驗分析了變壓器箱體的模態特征，進而掌握了變壓器的振動能量分布，并根據振動能量分布安裝動力吸振器。結果表明：在200 Hz頻率附近，單個吸振器的減振效率為60%，三個吸振器的減振效率為80%。在100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz單頻激勵下，實驗室環境噪聲整體降噪2～3 dB（A），200 Hz處最大降噪量為3.51 dB（A）。安裝動力吸振器后，變壓器振動加速度總值降幅為1.96 m/s2，減振率71.3%，300 Hz頻率處最大減振量為1.00 m/s2、最大降噪量為5.96 dB（A），變壓器噪聲總值降幅為4.56 dB（A）。該研究驗證了磁吸動力吸振器在變壓器減振降噪上應用的可行性，也為后續類似諧波頻率振動的控制提供了參考。

關鍵詞：變壓器；可調頻磁吸；動力吸振器；減振降噪

中圖分類號：TH212；TH213.3""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.02.003

文章編號：1006-0316 （2025） 02-0015-10

Vibration and Noise Reduction of Power Transformer Based on

Adjustable Frequency Magnetic Tuned Mass Damper

GUO Songbo1，ZENG Cai2，DU Xing2，FAN Shengping3，LI Linyong3，ZHANG Bo1

（ 1. School of Mechanics and Aerospace Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China; 2. School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

3. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangdong 510080， China ）

Abstract：Taking a 110 kV oil transformer as the research object， and carries out the vibration and noise test of the transformer box. According to the characteristics of transformer vibration and noise， this paper designs an adjustable tuned mass damper. In order to study the arrangement of tuned mass damper， a three-dimensional finite element model of transformer was established in this paper， and the modal characteristics of transformer box were analyzed combined with field experiments. Then the vibration energy distribution of transformer was grasped， and the tuned mass dampers were installed according to the vibration energy distribution. The results show that the vibration reduction efficiency of a single tuned mass damper is 60%， and that of three tuned mass dampers is 80% near the frequency of 200 Hz. Under 100 Hz， 200 Hz， 300 Hz， 400 Hz， 500 Hz and 600 Hz single frequency excitation， the overall noise of the laboratory environment was reduced by 2～3 dB（A）， and the maximum noise reduction at 200 Hz was 3.51 dB（A）. The total value of transformer vibration acceleration decreases by 1.96 m/s2， the vibration reduction rate is 71.3%， at 300 Hz frequency， the maximum vibration reduction is 1.00 m/s2， and the maximum noise reduction is 5.96 dB（A）， the total value of transformer noise decreases by 4.56 dB（A）.This paper verified the vibration reduction and noise reduction performance of the magnetic tuned mass damper， and also provided a reference for the control of similar vibration in the future.

Key words：transformers；adjustable frequency magnetic；tuned mass damper；vibration and noise reduction

電力變壓器是電力系統廠站中最為重要的設備，是整個電網的“心臟”，起著電能輸送與合理分配的關鍵作用。電力變壓器在正常運行時產生持續振動，并以噪聲的形式輻射到空氣中產生環境噪聲污染[1]。變電工程噪聲治理是現代綠色環保領域一項重要課題。

電力變壓器內部結構復雜，振動源眾多。其中，鐵心振動主要來源于硅鋼片的磁致伸縮效應與鐵心接縫處的漏磁引起的Maxwell力的共同作用；繞組振動主要來源于載流電磁線在漏磁場中受到電磁力作用；鐵芯及繞組的振動會通過夾件及絕緣油傳導至變壓器箱體，引起油箱振動，這是變壓器低頻振動噪聲的主要來源[2-5]。變壓器噪聲主要集中在100～1000 Hz內50 Hz的偶數倍頻，部分變壓器在50 Hz的奇數倍頻亦存在特征峰，具有顯著的低頻特性。傳統變電工程噪聲治理手段主要有隔聲罩、聲屏障等[6-7]，此類技術降噪效果較好，但不利于電力設備的運維、檢修，并且存在施工周期長、需停電等問題。因此，開發一種不影響電力設備運維、檢修的降噪技術具有重要意義。

動力吸振器（Tuned Mass Damper，TMD）是振動控制領域一種重要的減振裝置，廣泛應用于航空航天、高鐵、船舶等領域，但在電力行業應用較少[8]。自從1909年Frahm發明了無阻尼動力吸振器以來，大量學者在其研究基礎上豐富并發展了動力吸振理論[9]。近年來，動力吸振器在電力行業也得到了一些應用。曹浩等[10]設計了變壓器分布式動力吸振器，模型驗證表明，安裝動力吸振器后，場域內距變壓器中心1 m處，最大降噪效果為2.1 dB（A）。吳健等[11]通過在變壓器箱體上附連動力吸振器，使變壓器箱體的整體振動降低，從而使變壓器整體噪聲降低3 dB。

基于以上分析，本文首先對變壓器進行現場測試，針對變壓器的振動噪聲特性設計了一款可調頻磁吸動力吸振器。為探究動力吸振器的設計合理性以及排布方式，建立三維有限元數值分析模型，并結合實驗室實驗驗證其減振降噪效果。最后，根據變壓器的模態特征，進行現場應用測試，評價其減振降噪效果。該可調頻磁吸動力吸振器通過抑制變壓器箱體表面振動進而降低輻射噪聲，具有不影響設備運維、檢修，無需停電，安裝簡便等優點。

1 動力吸振器設計理論

1.1 工作原理

動力吸振器由質量、彈簧以及阻尼組成，屬于輔助減振設備。基本工作原理為：在目標振動系統（主振系統）中增加一個輔助系統（動力吸振器），利用多自由度系統的反共振特性，將振動能量從目標振動系統轉移到輔助系統中，從而達到減振目的[12]。動力吸振器的安裝位置會直接影響其減振效果，所以應將動力吸振器安裝在設備振動最大的位置。

1.2 設計方法

基于變壓器振動特性和動力吸振器定點理論[13]開展動力吸振器參數設計。

建立考慮阻尼力的動力吸振器力學模型，如圖1所示。

在目標系統上施加激勵力，建立振動系統的運動微分方程組：

（1）

式中：，為靜應力，為外激勵頻率，t為時間；，，、為復數位移振幅。

M為目標振動系統質量；K為目標振動系統剛度；x1為目標振動系統位移量；m為動力吸振器質量；k為動力吸振器剛度；c為動力吸振器阻尼；x2為動力吸振器位移量；F為激勵力。

整理可得對F的幅頻特性為：

（2）

求解得到的最優設計條件[13]為：

（3）

（4）

式中：為動力吸振器系統和目標振動系統的質量比，即；為f的最優設計值，f為動力吸振器系統和目標振動系統的固有頻率比，即；為目標振動系統固有頻率，；為動力吸振器系統固有頻率，；為的最優設計值，為動力吸振器系統的阻尼比，。

2 變壓器箱體聲振特性研究

2.1 振動噪聲測試

為了掌握變壓器箱體聲振特性，以1臺 110 kV油浸式變壓器為研究對象進行變壓器箱體振動噪聲測試，其工作頻率為50 Hz。測點布置參照DL/T 1540－2016[14]及GB/T 1094.10－2003[15]，如圖2所示。各測點測試結果如表1、圖3、圖4所示，可以看出：

（1）變壓器振動主要集中在100～1000 Hz內50 Hz的偶數倍頻，部分變壓器在50 Hz的奇數倍頻亦存在特征峰，具有顯著的低頻特性，這可能與變壓器的工作原理、交流電頻率相關。

（2）變壓器振動峰值呈現先增加后降低的規律，結合噪聲測試結果，本文主要的控制頻率為：100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz，主要控制位置為變壓器箱體測試面的右側區域。

2.2 模態仿真

為探究測試中變壓器振動的分布規律，為動力吸振器的設計和排布提供依據，本文根據前文測試110 kV油浸式變壓器的實際結構，建立變壓器箱體三維有限元模型。單元類型采用四面體單元，單元數24.88萬，網格頂點7.78萬，變壓器具體結構參數為：材質Q235，箱體尺寸5300×2700×1800 mm，箱體厚度10 mm，底板厚度20 mm，總重76.29 t。

采用MUMPS算法對變壓器箱體進行模態分析，得其前6階倍頻的模態振型如圖5所示。

可以看出，變壓器箱體模態頻率出現在101.55 Hz、199.70 Hz、300.34 Hz、397.47 Hz、502.90 Hz及600.53 Hz，這也是圖3測試中這些頻率的振動峰值較高的原因。

此外，根據模態振型可知，101.55 Hz、191.70 Hz、300.34 Hz、397.47 Hz頻率處的變壓器箱體振動能量主要集中在箱體側面，而502.90 Hz、600.53 Hz頻率處的箱體振動能量主要集中在箱體頂面和側面。

同時，由于變壓器箱體側面采用扁鋼立式加強結構板，如圖6所示，共振峰值主要出現在扁鋼立式加強結構板之間的位置。因此，為抑制變壓器箱體在100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率處的共振幅值，將動力吸振器設置在變壓器加強結構板之間，模態振型最大位置處。

3 動力吸振器設計及測試

3.1 結構設計

綜合考慮各階模態貢獻、箱體表面的諧響應分析及變壓器幾何結構等因素，結合前文所述動力吸振器設計原理及公式，進行單個動力吸振器設計。所設計的動力吸振器以懸臂梁為核心結構，由懸臂梁提供等效彈性元件。如圖7所示，在懸臂梁的末端附加質量塊，由質量塊充當主要質量元件[16]。將懸臂梁等效為一個頻率可調的彈性元件，通過調整質量塊的位置，可以改變懸臂梁的有效長度，從而調節其剛度，實現對頻率的調節。與此同時，在懸臂梁彈簧片兩端設置阻尼，以擴寬動力吸振器的工作頻率范圍，降低設計誤差的影響。

針對100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率處的共振，設計6種懸臂梁吸振彈簧結構。懸臂梁尺寸、質量塊尺寸及材料選擇如表2所示。

利用三維有限元對懸臂梁固有模態進行仿真校準，1階彎曲模態結果如圖8所示。對比目標頻率與仿真頻率，兩者差距≤2.70%，滿足工程設計要求。

動力吸振器的整體結構設計如圖9所示。懸臂梁首端為固定邊界條件，固定在吸振器外殼上，每個吸振器包含6個懸臂梁結構。吸振器外殼安裝有3個磁鐵，通過磁鐵吸力實現動力吸振器的安裝。

3.2 實驗室測試

（1）測試方案

為了研究吸振器的減振降噪性能，以1塊長×寬×厚為1000 mm×1000 mm×10 mm的鋼板為測試對象，將鋼板垂直放置，采用激振器施加振動激勵，模擬變壓器箱體外殼體振動。測點布置參照GB/T 11349.3－2006[17]。測試方案如圖10所示。測試現場布置如圖11所示。使用Bamp;K振動加速度傳感器及傳聲器，振動測點均布在鋼板表面；噪聲測點距離設備輪廓線1 m，距離地面高度1.2 m。

（2）實驗室效果

為簡述動力吸振器在實驗室的測試驗證過程，本文以200 Hz吸振器的實驗室測試為例，其振動頻譜響應曲線如圖12所示。測試結果表明，針對200 Hz激勵，無動力吸振器、1個動力吸振器和3個動力吸振器的振動幅值分別為0.219 m/s2、0.081 m/s2及0.045 m/s2。由此可得，1個吸振器的減振效率為60%，3個吸振器的減振效率為80%。

與此類似，可以分別得到100 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz吸振器的減振效率。

此外，本文也對動力吸振器單頻降噪效果進行了測試驗證，結果如表3所示。可以看出，針對100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率激勵，安裝吸振器后，實驗室環境噪聲整體降低2～3 dB（A）。

3.3 現場測試

經過結構設計及實驗室驗證后，為探究動力吸振器實際使用效果，對其進行了現場應用測試。以前文測試110 kV油浸式變壓器為測試對象，振動測點布置參照DL/T 1540－2016[14]、噪聲測點布置參照GB/T 1094. 10－2003[15]，測試方案如圖13所示。

測試現場布置如圖14所示。使用Bamp;K振動加速度傳感器及傳聲器，振動測點位于箱體中間偏上位置；噪聲測點距離設備輪廓線1 m，距離地面高度1.2 m，吸振器根據前文測試及模態仿真結果所確定的目標點位進行放置。

得到吸振器振動頻譜響應曲線如圖15所示。結果表明，安裝吸振器前后，振動加速度總值分別為2.75 m/s、0.79 m/s，降幅1.96 m/s2，減振率71.3%；在300 Hz頻率處減振量達到最大，為1.00 m/s2。

動力吸振器噪聲頻譜響應曲線如圖16所示。結果表明，100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率安裝吸振器前后，噪聲總值分別為72.74 dB（A）、68.18 dB（A），降幅為4.56 dB（A）；在300 Hz頻率處降噪量達到最大，為5.96 dB（A）。

4 結論

針對變壓器等電力設備工頻倍頻線譜噪聲輻射特性，提出一種基于動力吸振的變壓器減振降噪方法。進行了變壓器箱體振動測試，建立了變壓器箱體模態仿真模型，進行了吸振器系統設計，并針對其減振降噪性能進行了實驗室內和現場應用測試，得到如下結論：

（1）磁吸動力吸振器實驗室測試效果良好，在200 Hz頻率附近，1個吸振器的減振效率為60%，3個吸振器的減振效率為80%。在100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz單頻激勵下，實驗室環境噪聲整體降噪2～3 dB（A），200 Hz處最大降噪量為3.51 dB（A）。

（2）磁吸動力吸振器現場應用效果良好，安裝動力吸振器后，變壓器振動加速度總值降幅為1.96 m/s2，減振率71.3%，300 Hz頻率處最大減振量為1.00 m/s2。變壓器噪聲總值降幅為4.56 dB（A），在300 Hz頻率處最大降噪量為5.96 dB（A）。

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