蔡 浩

(鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451150)

居民區(qū)配電設施動力分析及隔振措施研究

蔡 浩

(鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451150)

分析了居民區(qū)配電設施(變壓器)的振動規(guī)律，并由其產(chǎn)生的結構噪聲特點及傳播途徑，在此基礎上對變壓器振動治理提出有效的措施。把變壓器安置現(xiàn)狀簡化為質(zhì)量——彈簧與阻尼系統(tǒng)，對激振頻率為100Hz時的系統(tǒng)響應的計算過程采用ANSYS結構動力分析程序，獲得系統(tǒng)協(xié)響應時程曲線和頻譜曲線。在此基礎上對常規(guī)隔振裝置的隔振效果進行了分析，并對隔振系統(tǒng)主要設計參數(shù)進行了優(yōu)化。

變壓器;振動特性;結構噪聲;隔振

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展進步以及城市的不斷發(fā)展和改造，社會生產(chǎn)、工廠、交通等方面所帶來的噪聲和污染嚴重影響著人們的生活質(zhì)量和身心健康。特別是隨著用電需求逐年增加，城市居民小區(qū)變電站變壓器工作的時候所產(chǎn)生的噪聲和輻射[1]污染也越來越嚴重。因此居民區(qū)配電設施的隔振研究就顯得十分重要，它不但可以提高機械的工作壽命，而且對于提高人們的生活質(zhì)量，促進整個社會的和諧具有很重要的意義。

一、變壓器動力噪聲分析

我們知道不管是變壓器還是其他機械設備，一般噪聲的來源都是來自機械內(nèi)部的振動，然后通過機械結構傳遞到外部，所以要對變壓器進行隔振措施研究，就要先分析它內(nèi)部構造的振動規(guī)律，對其產(chǎn)生的噪聲的成分進行分析，進而提出合理的隔振措施。

1.變壓器自身的噪音

有很多因素都影響著變壓器本體噪音的大小，如:額定空載時鐵芯的磁通密度、變壓器的額定容量和硅鋼片的性能等。造成變壓器產(chǎn)生噪音的原因是：(1)漏磁通造成油箱壁、磁屏蔽等振動；(2)負載電流在經(jīng)過線圈時，產(chǎn)生電磁力，由于繞組導體之間的漏磁通，造成繞組振動；(3)鐵芯因硅鋼片的磁致伸縮[2]，而造成振動；(4)由于磁通穿過硅鋼片接縫處和疊片之間時，產(chǎn)生電磁力而造成鐵芯振動。

2.冷卻裝置產(chǎn)生的噪音

冷卻裝置在正常中運行時，潛油泵和冷卻風扇的轉動會使空氣產(chǎn)生流動，進而形成的一種噪音。重點強調(diào)的是，變壓器的彈性振動系統(tǒng)，是由有許多固有振動頻率的各種部件組成的。當機械振動的固有頻率與2倍的電源頻率基本相同時，或者是50Hz電源和系指400Hz、300Hz、200Hz、100Hz等的整數(shù)倍時，將產(chǎn)生諧振，明顯地加大了變壓器的噪音。

二、變壓器噪聲特性

變壓器的噪聲以鐵心噪聲為主，磁致伸縮基頻在2倍的電源頻率下，形成噪音，正好說明了磁致伸縮的周期是1/2的電源頻率周期。造成磁通明顯偏離了正弦波的原因除了鐵心磁致伸縮的非線性之外，還有多級鐵心中芯柱不同與鐵扼相應級的截面，以及沿鐵心內(nèi)框的磁通路徑不同與外框等，即存在高次諧波的磁通分量，從而造成鐵心的頻譜振動中存在其基頻整倍數(shù)的高頻，研究結果表明，電力變壓器鐵心振動噪聲的頻譜范圍通常在100Hz-500Hz之間，基頻分量在變壓器噪聲中占有的比例，是隨著變壓器的額定容量的大小而成正比例變化，而二次及以上高頻成分所占的比例是成反比例變化，由此說明，鐵心噪聲的頻譜大小是由電力變壓器容量的不同而決定的。

三、變壓器噪聲影響因素

(一)鐵心結構[3]的影響

隨著社會發(fā)展越來越快，電力變壓器的容量也不斷增大，所以會增大繞組中的磁漏作用。漏磁作用產(chǎn)生的軸向力大約是1 000N～20 000N，變壓器的鐵心，以及它周圍的結構直接承受軸向力的作用，從而使各構件之間產(chǎn)生擠壓，形成振動。

1.幾何尺寸。鐵心的體形狀與線形狀會因為鐵心的幾何尺寸有差異。而且，硅鋼片材料的自身特性是磁性各向異性、磁密度不均勻分布，這樣引起的磁致伸縮體積變形和線變形是不同的，因此，不同的幾何尺寸會導致磁通密度和磁特性在不同區(qū)域存在差異，而且還會影響鐵心的磁致伸縮周期。

2.結構形式。從構造形式上說，鐵心是不同的，正常情況下，疊片形式的硅鋼片搭接方式是干式變壓器經(jīng)常使用的，該結構方式產(chǎn)生噪音的原因是由于磁路不連貫等而形成的。

3.鐵心接縫處和疊片的搭接。雖然結構的強度會因為搭接面積的增大而增強，但是，這樣也會增大非軋制方向的面積，從而導致磁路通過該區(qū)域時，產(chǎn)生噪音。

4.鐵心的夾緊力的作用。鐵心的磁致伸縮受到鐵心夾緊力的巨大作用，由于硅鋼片自身的重量，如果夾緊力較小，會造成鐵心發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生磁致伸縮。另外，鐵心發(fā)生彎曲后，使原本在一個平面上的心柱硅鋼片和橫軛上的硅鋼片出現(xiàn)偏差，在磁通量通過時發(fā)生變化，增加了高頻噪聲所占的比例。

(二)繞組結構的影響

變壓器整體噪聲的增大，是由于鐵心自身磁致伸縮頻率的增大而產(chǎn)生諧振造成的。這一特性也存在于繞組中，繞組會在鐵心發(fā)出的勵磁頻率達到其某一階頻率時而發(fā)生諧振。

(三)運行狀態(tài)的作用：

干式變壓器在正常的運行中，經(jīng)常發(fā)出很大的噪音，與出廠值相比要高很多。這主要是下面幾個因素所造成的：

1.由于絕緣墊塊出現(xiàn)變形、老化、破損等現(xiàn)象，降低了硅鋼片之間的壓力，或者是變壓器中緊固螺母發(fā)生松動的現(xiàn)象等，這些都會導致噪聲變大。

2.一般情況都是在建筑物內(nèi)安裝變壓器，由于屋內(nèi)的空間范圍狹小，變壓器所產(chǎn)生的噪聲會有回聲，所以會增加噪聲的音量。

3.由于變壓器長時間的運行，導致鐵心的溫度升高，改變了其固有特性和自身應力的分布狀況，從而產(chǎn)生較大的噪音。

4.有一定的直流成分和諧波成分存在于負載電流中，增強了噪音。

四、常規(guī)的隔振設計及基于ANSYS的變壓器隔振效果分析

振動控制[4]的一個主要方法是隔振，振源和被保護的物體，通過一個包含了特殊裝置的輔助系統(tǒng)而被隔離開，以使傳到外界的振動和噪聲或者對結構本身的影響有明顯減小的效果。這種裝置在隔振方面起到了明顯的效果，有效的降低了振源和被隔振物體之間的動態(tài)耦合，降低了產(chǎn)生的噪音。

1.常規(guī)隔振設計

通常在一般的情況下，變壓器自身剛度和支撐樓板的剛度我們是忽略不計的，把變壓器隔振系統(tǒng)簡化為質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)[5]，如圖1所示，c代表阻尼；m代表變壓器質(zhì)量，變壓器自身及地基都是剛性；k代表隔振器的剛度。激振力的最大值為F0，傳遞力的最大值為FT0。

圖1

動力傳遞系數(shù)及隔振系數(shù)

由圖1隔振系統(tǒng)的動力學模型建立系統(tǒng)運動微分方程：

(4-1)

根據(jù)方程(4-1)可以求得其穩(wěn)態(tài)解為

x=x0·sin(ωt-θ) ，其中：

(4-2)

在有阻尼的情況下，傳至基礎的傳遞力FT0由兩個部分組成：一部分為彈簧的彈力，其幅值為K·x0；另一部分為阻尼力，其幅值為C·ω·x0。原因是阻尼力則和速度成正比，而且彈簧力和位移成正比，則得出兩者之間有90°相角的相差，故其矢量和為：

(4-3)

式中：

(4-4)

故其動力傳遞系數(shù)為：

(4-5)

相應的隔振系數(shù)(代表采用隔振措施后振動級降低的程度)常以分貝表示：

(4-6)

隔振器剛度及阻尼的確定

由公式(4-6)得:

變壓器激振頻率為100 及其倍頻，取f=100Hz。

根據(jù)ω/ωn=f/f=2.5～5.0，可得系統(tǒng)固有頻率范圍為fn=20-40Hz。

基于ANSYS的模型隔振效果分析：

用ANSYS建立變壓器、彈簧的簡化模型，其中的彈簧剛度K=1 092 000N/m，物塊(變壓器)的質(zhì)量為M=2 830Kg，阻尼比一般取ξ=0.05-0.2之間，我們?nèi)〕跏紖?shù)為ξ=0.05，激振為F0=100sin2πωt，加載之后輸出的時程圖和頻譜圖如圖2所示：

圖2

結果分析：

不同參數(shù)對隔振效果的影響

為了使簡化結果更具有鮮明的對比性，取幾個特定參數(shù)下變化某個參數(shù)時的時程、頻譜曲線，經(jīng)過對比，我們就可以清楚的看到各個參數(shù)對隔振效果的影響，以此來達到優(yōu)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時的時程圖比較：在一定范圍內(nèi)，隨著剛度的減小，也就是柔度越來越好，傳遞力也越來越小，所以隔振效果也越來越好。

2.M=2 830Kg，ξ=0.05，K值取K=1 092 000N/m，K=1 000 000N/m，K=800 000N/m時的頻譜圖比較：在不同的彈簧剛度下，隨著剛度的減小，隔振效果越來越好。同時隨著激振頻率的不斷增加，也就是頻率比越來越大，隔振效果不再有明顯增加，趨于穩(wěn)定。

五、結語

通過對變壓器的簡化模型進行理論計算和模擬分析，結果證明了理論計算和實際模擬結果還是存在一定的誤差，模擬結果比理論計算值要大，原因在于受變壓器自身剛度等因素的影響，變壓器在振動時會產(chǎn)生許多階的諧振動。通過不同參數(shù)的時程圖和頻譜圖比較，可以看到不同參數(shù)即剛度、阻尼等對隔振效果的影響，通過在一定范圍內(nèi)對各個參數(shù)的調(diào)整，就可以達到優(yōu)化的目的，以取得更好的隔振效果。

[1]宛德福.磁性理論及其應用[M].武漢：華中理工大學出版社，1996.148～163.

[2]虞興邦，姜在秀，韓濤.變壓器的噪聲及其降低[J].噪聲與振動控制，2001，(5)：35～37.

[3]王紅星.110kV電力變壓器本體噪聲的降低[J].電工技術,2001，(1).

[4]朱石堅.振動理論與隔振技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[5]嚴濟寬.機械振動隔離技術[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，1985.

文章編號：2095-4654(2015)10-0010-03

2095-4654(2015)10-0007-03

2015-05-11

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