干式變壓器振動特性的研究及隔振系統的設計

張德貴

（山西西山華通水泥有限公司， 山西 古交 030200）

引言

變壓器是重要的輸配電設備，目前我國使用最廣泛的是干式變壓器，它有著運行安全性高、維護簡單、可靠性高等優點。因為城市規劃和電力損耗限制，干式變壓器一般直接安裝在居民小區內。為了達到散熱效果，干式變壓器的鐵心和線阻都直接暴露在空氣中，其結構振動引起的環境噪音會影響到小區居民的正常生活。所以研究干式變壓器振動特性和其隔板系統的設計有著重要的現實意義。

1 現場振動監測及振源分析

為了研究干式變壓器的振動特性，以某小區變電站干式變壓器型號SCB10-800為例進行現場觀測研究。該型號的干式變壓器固定頻率為50Hz，額定容量為800kVA[1-2]。將測點分別設置在4座變壓器支座的底部，隔音箱的外壁來進行振動數據收集。將收集數據時長設置為36 s，采樣的頻率設置為1 000Hz，采樣結束后使用DASYLAB進行信號處理分析。

1.1 隔音箱壁振動監測

將采集到的干式變壓器隔音壁處的振動信號利用DASYLAB軟件進行處理，得到其加速度的有效值，其相應的振動加速度級如表1所示。

觀察發現變壓器產生的振動信號是以一定的周期向外傳播的，但是振幅卻經常發生變化。實驗電源的頻率為50 Hz，并且鐵心的基頻振動為100 Hz[2]。監測時發現干式變壓器在100 Hz、200 Hz、300 Hz和400 Hz時振動幅值特別突出。所以可以認為干式變壓器的振動頻率為100 Hz、200 Hz、300 Hz和 400 Hz。

表1 干式變壓器隔音壁振動測試

1.2 支座處地面振動監測

將采集到的支座處地面的振動信號利用DASYLAB軟件進行處理，得到其加速度的有效值及其相應的振動加速度級，如表2所示。

表2 支座處地面振動測試

由上表可知干式變壓器的振動信號傳至支座地面時都顯著降低。這是由于干式變壓器結構的特殊性，各個變壓器的振動幅值都減小，但是總的振動幅度還是很大，需要采取相應的隔振措施。

2 振動特性有限元分析

使用ANSYS進行有限元模型搭建和分析，使用20節點的SOLID95單元為模型材料。整個模型由11 842個單元和56 621個節點構成[3]。在每個構建的接觸部分，使用粘接的處理方式，各個接觸面共享邊界。各個部件（包括鐵心、繞組、上下夾件和基座）使用不同的網格屬性和材料。其中使用質量等效的方式來計算繞組的密度，所有組件約束底面全部自由度。

2.1 模態分析

對模型進行模態分析后，得到了干式變壓器的前15階的固有頻率如下頁表3所示。因為變壓器的振動傳播主要是發生在縱向的振動，對應模態為表中的第3、4、8、10和13階，其振動的頻率分別為172.43 Hz、236.73 Hz、301.24 Hz、331.24 Hz和 471.68Hz。通過觀察模態振型，發現變壓器整體的變形主要來自于鐵心的變形，其它部位變形很小。從結構傳聲的角度分析減少鐵心振動就可以降低整個干式變壓器的振動，從而達到降低變壓器噪聲的目的。

表3 干式變壓器模型各階固有頻率

因為組成變壓器的各個部件固有頻率不同，當這些部件的固有頻率和硅鋼片磁滯伸縮振動基頻（100Hz）接近或者是存在數量級關系（例如為200Hz，300 Hz和500 Hz）時，這些部件就會產生相應的倍數諧振。此外，由于每臺變壓器的制作工藝不同，在現場工作中經常發生固有頻率前后波動的現象，導致各個部件固有頻率落在諧振區內產生較大噪音。

2.2 諧響應分析

對0～600 Hz內的變壓器模型進行諧響應分析，使用完全（FULL）法[4]，荷載布選定為1，得到如圖1所示的頻譜圖。從圖中可以看出，在0～600 Hz內的所有縱向平面的固有頻率都被激發，整個模型的自振頻率范圍位于 80～130 Hz，160～230 Hz，265～315 Hz，365～415 Hz，565～515 Hz之間。為了減小干式變壓器振動傳播，可以采取適當的隔振措施，并且需要注意變壓器的共振區域。

3 變壓器隔振系統的設計

對于一般的隔振系統來說，系統的固有頻率越低，共振峰值越小，則避振效果越優良。目前廣泛使用的有板-梁-質量隔振系統、梁-質量隔振系統和無梁板雙層隔振系統。對于干式變壓器來說，可以采用板-梁-質量隔振系統來降低變壓器高頻區域的振動傳播。該方式在100 Hz處對應的功率流相比另外兩種分別減少22 dB和110 dB。在選擇梁時，通過改變組成梁的材料槽鋼的型號、長度來改變梁的剛度，達到抑制功率流傳遞的效果。由于干式變壓器為高頻振動，隔振器的阻尼對變壓器振動傳播沒有影響，但是加入一定的阻尼比可以加速振動的衰減，減少自由振動的振幅。對于干式變壓器，選取0.05～0.2的阻尼比。此外，通過增加隔振系統中間質量塊的質量也可以顯著抑制振動功率流的傳遞。該措施可以拓寬隔振系統的隔振頻域，使變壓器隔振系統有更強的隔振表現。

圖1 干式變壓器諧響應頻譜

4 結論

1）干式變壓器以 100 Hz、200 Hz、300 Hz和 400 Hz的頻譜特性向外傳遞振動。

2）利用ANSYS進行有限元分析，得出了變壓器整體的變形主要來自于鐵心的變形的結論。此外，鐵心和其他部件的多階頻率位于80～515 Hz的諧振頻域內，干式變壓器容易發生共振現象。

3）在進行變壓器隔振系統的設計時，采用板-梁-質量隔振系統來降低變壓器高頻區域的振動傳播。通過改變梁的材料，增加阻尼和增加隔振系統中間質量塊的質量來增強隔振效果。