摘要：以一臺(tái)110 kV油浸式變壓器為研究對(duì)象，進(jìn)行了變壓器箱體的振動(dòng)噪聲測(cè)試。根據(jù)變壓器振動(dòng)噪聲特性，設(shè)計(jì)了一款可調(diào)頻磁吸動(dòng)力吸振器。為研究動(dòng)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析了變壓器箱體的模態(tài)特征，進(jìn)而掌握了變壓器的振動(dòng)能量分布，并根據(jù)振動(dòng)能量分布安裝動(dòng)力吸振器。結(jié)果表明：在200 Hz頻率附近，單個(gè)吸振器的減振效率為60%，三個(gè)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(lì)下，實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(dòng)力吸振器后，變壓器振動(dòng)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(yàn)證了磁吸動(dòng)力吸振器在變壓器減振降噪上應(yīng)用的可行性，也為后續(xù)類似諧波頻率振動(dòng)的控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：變壓器；可調(diào)頻磁吸；動(dòng)力吸振器；減振降噪

中圖分類號(hào)：TH212；TH213.3""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.02.003

文章編號(hào)：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，F(xiàn)AN 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(tǒng)廠站中最為重要的設(shè)備，是整個(gè)電網(wǎng)的“心臟”，起著電能輸送與合理分配的關(guān)鍵作用。電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)，并以噪聲的形式輻射到空氣中產(chǎn)生環(huán)境噪聲污染[1]。變電工程噪聲治理是現(xiàn)代綠色環(huán)保領(lǐng)域一項(xiàng)重要課題。

電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動(dòng)源眾多。其中，鐵心振動(dòng)主要來(lái)源于硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)與鐵心接縫處的漏磁引起的Maxwell力的共同作用；繞組振動(dòng)主要來(lái)源于載流電磁線在漏磁場(chǎng)中受到電磁力作用；鐵芯及繞組的振動(dòng)會(huì)通過(guò)夾件及絕緣油傳導(dǎo)至變壓器箱體，引起油箱振動(dòng)，這是變壓器低頻振動(dòng)噪聲的主要來(lái)源[2-5]。變壓器噪聲主要集中在100～1000 Hz內(nèi)50 Hz的偶數(shù)倍頻，部分變壓器在50 Hz的奇數(shù)倍頻亦存在特征峰，具有顯著的低頻特性。傳統(tǒng)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(shù)降噪效果較好，但不利于電力設(shè)備的運(yùn)維、檢修，并且存在施工周期長(zhǎng)、需停電等問(wèn)題。因此，開發(fā)一種不影響電力設(shè)備運(yùn)維、檢修的降噪技術(shù)具有重要意義。

動(dòng)力吸振器（Tuned Mass Damper，TMD）是振動(dòng)控制領(lǐng)域一種重要的減振裝置，廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵、船舶等領(lǐng)域，但在電力行業(yè)應(yīng)用較少[8]。自從1909年Frahm發(fā)明了無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器以來(lái)，大量學(xué)者在其研究基礎(chǔ)上豐富并發(fā)展了動(dòng)力吸振理論[9]。近年來(lái)，動(dòng)力吸振器在電力行業(yè)也得到了一些應(yīng)用。曹浩等[10]設(shè)計(jì)了變壓器分布式動(dòng)力吸振器，模型驗(yàn)證表明，安裝動(dòng)力吸振器后，場(chǎng)域內(nèi)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(guò)在變壓器箱體上附連動(dòng)力吸振器，使變壓器箱體的整體振動(dòng)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(duì)變壓器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，針對(duì)變壓器的振動(dòng)噪聲特性設(shè)計(jì)了一款可調(diào)頻磁吸動(dòng)力吸振器。為探究動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)合理性以及排布方式，建立三維有限元數(shù)值分析模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其減振降噪效果。最后，根據(jù)變壓器的模態(tài)特征，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，評(píng)價(jià)其減振降噪效果。該可調(diào)頻磁吸動(dòng)力吸振器通過(guò)抑制變壓器箱體表面振動(dòng)進(jìn)而降低輻射噪聲，具有不影響設(shè)備運(yùn)維、檢修，無(wú)需停電，安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

1 動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)理論

1.1 工作原理

動(dòng)力吸振器由質(zhì)量、彈簧以及阻尼組成，屬于輔助減振設(shè)備?；竟ぷ髟頌椋涸谀繕?biāo)振動(dòng)系統(tǒng)（主振系統(tǒng)）中增加一個(gè)輔助系統(tǒng)（動(dòng)力吸振器），利用多自由度系統(tǒng)的反共振特性，將振動(dòng)能量從目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到輔助系統(tǒng)中，從而達(dá)到減振目的[12]。動(dòng)力吸振器的安裝位置會(huì)直接影響其減振效果，所以應(yīng)將動(dòng)力吸振器安裝在設(shè)備振動(dòng)最大的位置。

1.2 設(shè)計(jì)方法

基于變壓器振動(dòng)特性和動(dòng)力吸振器定點(diǎn)理論[13]開展動(dòng)力吸振器參數(shù)設(shè)計(jì)。

建立考慮阻尼力的動(dòng)力吸振器力學(xué)模型，如圖1所示。

在目標(biāo)系統(tǒng)上施加激勵(lì)力，建立振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程組：

（1）

式中：，為靜應(yīng)力，為外激勵(lì)頻率，t為時(shí)間；，，、為復(fù)數(shù)位移振幅。

M為目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量；K為目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)剛度；x1為目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)位移量；m為動(dòng)力吸振器質(zhì)量；k為動(dòng)力吸振器剛度；c為動(dòng)力吸振器阻尼；x2為動(dòng)力吸振器位移量；F為激勵(lì)力。

整理可得對(duì)F的幅頻特性為：

（2）

求解得到的最優(yōu)設(shè)計(jì)條件[13]為：

（3）

（4）

式中：為動(dòng)力吸振器系統(tǒng)和目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量比，即；為f的最優(yōu)設(shè)計(jì)值，f為動(dòng)力吸振器系統(tǒng)和目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率比，即；為目標(biāo)振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率，；為動(dòng)力吸振器系統(tǒng)固有頻率，；為的最優(yōu)設(shè)計(jì)值，為動(dòng)力吸振器系統(tǒng)的阻尼比，。

2 變壓器箱體聲振特性研究

2.1 振動(dòng)噪聲測(cè)試

為了掌握變壓器箱體聲振特性，以1臺(tái) 110 kV油浸式變壓器為研究對(duì)象進(jìn)行變壓器箱體振動(dòng)噪聲測(cè)試，其工作頻率為50 Hz。測(cè)點(diǎn)布置參照DL/T 1540－2016[14]及GB/T 1094.10－2003[15]，如圖2所示。各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表1、圖3、圖4所示，可以看出：

（1）變壓器振動(dòng)主要集中在100～1000 Hz內(nèi)50 Hz的偶數(shù)倍頻，部分變壓器在50 Hz的奇數(shù)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(guān)。

（2）變壓器振動(dòng)峰值呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，結(jié)合噪聲測(cè)試結(jié)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(cè)試面的右側(cè)區(qū)域。

2.2 模態(tài)仿真

為探究測(cè)試中變壓器振動(dòng)的分布規(guī)律，為動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)和排布提供依據(jù)，本文根據(jù)前文測(cè)試110 kV油浸式變壓器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，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(shù)24.88萬(wàn)，網(wǎng)格頂點(diǎn)7.78萬(wàn)，變壓器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：材質(zhì)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(duì)變壓器箱體進(jìn)行模態(tài)分析，得其前6階倍頻的模態(tài)振型如圖5所示。

可以看出，變壓器箱體模態(tài)頻率出現(xiàn)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(cè)試中這些頻率的振動(dòng)峰值較高的原因。

此外，根據(jù)模態(tài)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(dòng)能量主要集中在箱體側(cè)面，而502.90 Hz、600.53 Hz頻率處的箱體振動(dòng)能量主要集中在箱體頂面和側(cè)面。

同時(shí)，由于變壓器箱體側(cè)面采用扁鋼立式加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板，如圖6所示，共振峰值主要出現(xiàn)在扁鋼立式加強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(dòng)力吸振器設(shè)置在變壓器加強(qiáng)結(jié)構(gòu)板之間，模態(tài)振型最大位置處。

3 動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)及測(cè)試

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮各階模態(tài)貢獻(xiàn)、箱體表面的諧響應(yīng)分析及變壓器幾何結(jié)構(gòu)等因素，結(jié)合前文所述動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)原理及公式，進(jìn)行單個(gè)動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器以懸臂梁為核心結(jié)構(gòu)，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(zhì)量塊，由質(zhì)量塊充當(dāng)主要質(zhì)量元件[16]。將懸臂梁等效為一個(gè)頻率可調(diào)的彈性元件，通過(guò)調(diào)整質(zhì)量塊的位置，可以改變懸臂梁的有效長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)其剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，在懸臂梁彈簧片兩端設(shè)置阻尼，以擴(kuò)寬動(dòng)力吸振器的工作頻率范圍，降低設(shè)計(jì)誤差的影響。

針對(duì)100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率處的共振，設(shè)計(jì)6種懸臂梁吸振彈簧結(jié)構(gòu)。懸臂梁尺寸、質(zhì)量塊尺寸及材料選擇如表2所示。

利用三維有限元對(duì)懸臂梁固有模態(tài)進(jìn)行仿真校準(zhǔn)，1階彎曲模態(tài)結(jié)果如圖8所示。對(duì)比目標(biāo)頻率與仿真頻率，兩者差距≤2.70%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)力吸振器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)吸振器包含6個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。吸振器外殼安裝有3個(gè)磁鐵，通過(guò)磁鐵吸力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力吸振器的安裝。

3.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

（1）測(cè)試方案

為了研究吸振器的減振降噪性能，以1塊長(zhǎng)×寬×厚為1000 mm×1000 mm×10 mm的鋼板為測(cè)試對(duì)象，將鋼板垂直放置，采用激振器施加振動(dòng)激勵(lì)，模擬變壓器箱體外殼體振動(dòng)。測(cè)點(diǎn)布置參照GB/T 11349.3－2006[17]。測(cè)試方案如圖10所示。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖11所示。使用Bamp;K振動(dòng)加速度傳感器及傳聲器，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均布在鋼板表面；噪聲測(cè)點(diǎn)距離設(shè)備輪廓線1 m，距離地面高度1.2 m。

（2）實(shí)驗(yàn)室效果

為簡(jiǎn)述動(dòng)力吸振器在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程，本文以200 Hz吸振器的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試為例，其振動(dòng)頻譜響應(yīng)曲線如圖12所示。測(cè)試結(jié)果表明，針對(duì)200 Hz激勵(lì)，無(wú)動(dòng)力吸振器、1個(gè)動(dòng)力吸振器和3個(gè)動(dòng)力吸振器的振動(dòng)幅值分別為0.219 m/s2、0.081 m/s2及0.045 m/s2。由此可得，1個(gè)吸振器的減振效率為60%，3個(gè)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(duì)動(dòng)力吸振器單頻降噪效果進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯槍?duì)100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz及600 Hz頻率激勵(lì)，安裝吸振器后，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境噪聲整體降低2～3 dB（A）。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后，為探究動(dòng)力吸振器實(shí)際使用效果，對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。以前文測(cè)試110 kV油浸式變壓器為測(cè)試對(duì)象，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置參照DL/T 1540－2016[14]、噪聲測(cè)點(diǎn)布置參照GB/T 1094. 10－2003[15]，測(cè)試方案如圖13所示。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖14所示。使用Bamp;K振動(dòng)加速度傳感器及傳聲器，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位于箱體中間偏上位置；噪聲測(cè)點(diǎn)距離設(shè)備輪廓線1 m，距離地面高度1.2 m，吸振器根據(jù)前文測(cè)試及模態(tài)仿真結(jié)果所確定的目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行放置。

得到吸振器振動(dòng)頻譜響應(yīng)曲線如圖15所示。結(jié)果表明，安裝吸振器前后，振動(dòng)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(dá)到最大，為1.00 m/s2。

動(dòng)力吸振器噪聲頻譜響應(yīng)曲線如圖16所示。結(jié)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(dá)到最大，為5.96 dB（A）。

4 結(jié)論

針對(duì)變壓器等電力設(shè)備工頻倍頻線譜噪聲輻射特性，提出一種基于動(dòng)力吸振的變壓器減振降噪方法。進(jìn)行了變壓器箱體振動(dòng)測(cè)試，建立了變壓器箱體模態(tài)仿真模型，進(jìn)行了吸振器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并針對(duì)其減振降噪性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，得到如下結(jié)論：

（1）磁吸動(dòng)力吸振器實(shí)驗(yàn)室測(cè)試效果良好，在200 Hz頻率附近，1個(gè)吸振器的減振效率為60%，3個(gè)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(lì)下，實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(dòng)力吸振器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，安裝動(dòng)力吸振器后，變壓器振動(dòng)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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