宁俊德

(太原供电分公司清徐支公司，山西太原 030400)

有限元方法分析干式变压器类产品噪声异常的若干问题探讨

宁俊德

(太原供电分公司清徐支公司，山西太原 030400)

简要地探讨了试图用有限元方法计算干式变压器振动和空腔模态来解决噪声异常存在的相关问题，结合自己过去在这方面的工作实践给出了一些大体的方案。

有限元;干式变压器;噪声

自上世纪八十年代我国引进干式变压器的生产制造技术以来，干式变压器在我国得到了迅猛的发展，如2003年国内的生产规模已达到了3700万kVA。由于其免维护、安全、节能、阻燃防爆、抗短路能力强等诸多优点，被广泛应用于居民小区、医院、学校及其它的一些场所。但是，干式变压器相对油浸式变压器其噪声稍大，由此带来了一些让用户和制造厂都感觉困惑的噪声问题。

1 变压器噪声问题概述

1.1 变压器噪声的国标比对及其与实践的矛盾

根据《GB 3096－93城市区域环境噪声标准》的规定，各区域适用的噪声指标(A计权声压值)如表1所示。

表1 国标规定的城市区域环境噪声标准

《JB/T 10088－2004 6 kV～500 kV级电力变压器声级》也规定了干式变压器产品的噪声标准。新标准采用的是声功率级，表2列出主要的代表容量，并与以前通行的声压标准进行对比。

分析以上两组数据可知，旧标准中干式配电变压器的噪声是不能满足某些场合的要求的，新颁布的标准因此提高了相关的指标并用声功率来衡量变压器的噪声性能，基本使符合标准的干式变压器能够满足环境噪声要求，但也有例外:

1) 变压器往往就近安装在居民楼附近，其附近的住户在夜间往往被嗡嗡的噪声所干扰，严重影响住户的休息，故此类变压器常遭到附近业主的集体投诉，制造厂不得不进行处理。也正因为这个原因，实际招标中客户要求的噪声指标要远远低于标准值。

2) 在生产实践中会遇到个别产品噪声明显偏大的问题，甚至导致产品无法出厂。比如容量为1 250 kVA的变压器，正常时噪声为50 dBA左右，但个别产品制造出来噪声有可能达到60 dBA，个别点甚至70 dBA以上，大大高出其平均水平，而对噪声有影响的诸如原材料、磁密等因素与其它的型号并没有明显差异。

表2 各容量变压器声功率级新旧标准的对比

由于以上问题的存在，噪声是一直困扰大型变压器制造厂的问题之一。大型变压器厂对产品质量的要求相对较高，同时由于产量大、型号多、非标产品也多，总会遇到上述问题。小厂则型号和品种都比较少，加上质量意识不强，问题没有那么明显或者没有引起足够的重视。

本文重点探讨第二个问题，并试图给出一些答案。

2 某变压器产品噪声的分析

在生产实践中发现某1 250 kVA的变压器，其平均噪声达到了60 dBA以上，而与之接近的800 kVA及1 600 kVA变压器，其噪声只有52 dBA左右，是什么原因导致噪声如此异常呢?

表3列出了影响变压器噪声的一些常见因素和影响程度。

表3 变压器噪声的常见影响因素和影响程度

需要说明的是，这台变压器的设计磁密处于正常水平，采用五步叠接缝，使用的硅钢片也与一般的产品相同。同时公司仓库里面的材料都是同一个牌号，不存在混片可能。对铁心的受力重新进行调整，没有发现受力不均匀的情形。

因此不得不怀疑共振与共鸣的可能。共振与共鸣分别指的是铁心结构和变压器腔体在各种谐波作用下发生谐振的一种现象。根据相关文献，它们可以使变压器噪声明显增大，而该台变压器正是明显增大的案例。后来将铁心的高度适当降低(50 mm)重新生产，根据理论可以避开可能出现的共振频率，实际证明有效的降低了变压器的噪声。

如果能事先进行共振模态频率的计算，就可以避免类似的情况发生。

若干年以前一些国家就开始对这个现象进行研究，并得到了一些经验公式。随着变压器行业自主创新能力的提高，国内某些厂家也试图自己去分析这种现象。需要指出的是经验公式都是在一定范围内适用的，并不一定适用于各个厂家。在以前的生产实践中，运用公式计算的频率与实际相差甚远，相对误差甚至达到20%以上。假设一台变压器的频率为320 Hz，其绝对计算误差将达到60 Hz以上，从而失去指导意义，因此有必要进行这方面的尝试。

3 应用有限元方法分析噪声的探讨

在众多的研究方法中，有限元分析是值得采用的方法，其在工程领域得到了广泛运用。铁心共振或者空腔共鸣都属于模态分析的范畴，各大有限元分析软件都能够提供类似的分析功能。但由于变压器类产品(变压器，电抗器)的特殊性，需要一些值得注意的地方，以下就这些关键问题进行初期的探讨。

3.1 变压器铁心振动模态的试验与验证方法

采用有限元计算时应首先考虑如何进行试验验证，无法验证的计算结果是没有任何意义的。因此如何设计试验系统是第一要务。

在模态分析中广泛采用的是脉冲激励模态试验方法，该方法在国防军工、教学科研、土木建筑、机械、铁路交通等行业得到了非常广泛的应用，成功完成了大量的模态试验任务，包括航天器、军械、卫星、汽车、桥梁、井架、楼房等等，是否适用于变压器铁心的模态测试有待进一步确认。

另外，基于变压器自身的特点，也可以考虑用电激励的方法进行实际测试。比如在变压器铁心上绕制导线，然后施加一定的电压，通过变频设备改变频率，从而测试铁心在不同频率信号下的响应。实际证明，这个方法是非常有效的。

3.2 变压器电抗器空腔声学模态的测试方法

结构模态相对比较直观，比如一个钢板，它的一阶模态应是弯曲的振动，其模态特征点位于中部。但对于变压器空腔，由于腔体比较复杂，模态形式往往不太直观，模态特征点亦不易确定，因此直接影响传感器和信号发生器的摆放位置。分析时可以建立一些简单的模型，在对声学模态有直观认识的基础上再着手分析变压器腔体，对试验结果进行一些对比，分析哪些可以简化哪些建模时可以忽略，可以降低分析难度。

另外采取什么样的激励信号也是值得探讨的问题。总体来讲，由于变压器的模态频率集中在低频段，因此一般的音响信号是不能满足测试要求的，必须采用对低频信号反映灵敏的低音音响设备进行声学激励，并且保证其自身的频率响应特性有良好的一致性。

如果测试设备的响应特性不能保证，就一定要事先进行测试了解其实际的响应特性，保证测试数据的正确性和科学性。实际上这些设备的厂家往往能够提供频响特性，测试时可以直接作为参考。

3.3 电抗器铁心的模态测试

电抗器是变压器类产品的一种。前面提到，可以用电激励的方法测试变压器铁心的模态，这是因为变压器的空载电流小，能够满足测量需要。但电抗器与变压器有所不同，比如串联电抗器的电流较大，会超出变频设备的能力;并联电抗器的电压较高，也超出变频设备的能力。因此对这类产品如何试验也是必须考虑的问题。

试验中可以选用功率较大的变频设备，从而能够承受较大的稳态持续电流。对试验电压要求过高的产品，可以在半成品阶段降低匝数，从而达到测试要求。

3.4 有限元计算变压器铁心模态的建模问题

这里涉及的问题较多，比如:

1) 模态分析一般适用于线性结构，比如一块钢板，其本身是连为一体的线性结构。而变压器铁心是叠片结构，由若干片叠装，是否可以视为一体进行分析值得研究

2) 变压器铁心有很多的附件，比如夹件、垫脚等。如果将这些考虑进去，势必造成模型的增大，给有限元分析的划网和计算增加难度。如果不考虑进去，是否影响到计算精度，也是值得权衡的问题。

3) 载荷的施加问题:变压器是直接通过地脚与地面固定。整体讲变压器是受地面的支撑，应该施加一定的约束。但实际振动时不是所有的点与地面完全固定在一起，仍然可以在一定范围内微振，从这个层面讲，也可以不施加约束。是否需要施加约束要通过多个测试例子综合分析才可以确定。

3.5 有限元计算电抗器铁心模态的建模问题

除了与变压器铁心相同的问题之外，需要考虑的是电抗器各饼之间的装配关系。是将他们视为一体考虑还是用类似弹簧的结构进行简化，在实际的分析中有待进一步确认。

3.6 空腔模态的计算

变压器和电抗器中存在各种空腔，比如低压线圈与铁心之间的空腔、低压线圈内部的空腔、低压线圈与高压线圈的空腔、高压线圈的内部空腔等。由此产生以下问题:

1) 是单独进行计算还是进行整体建模计算? 2)是否可以忽略某些腔体从而简化计算过程?如果试验证明起作用的是低压线圈与铁心的风道或者高低压线圈之间的风道，那么线圈内部的腔体模态便可以忽略，从而简化计算。经过己进行的初步分析，高低压线圈内部风道的影响可以忽略，且各个风道可以独立计算。

3.7 计算结果的分析和利用

可以预见，用有限元方法可以计算出铁心的多阶模态，同时空腔也有多个模态。避免共振共鸣就要使这些频率完全避开100、200、300、400、500Hz附近的频率段，显然完全使所有的模态满足这些条件可以说是不可能的。因此有必要对结果进一步分析，通过实践去分析出哪些是主要的模态，哪些模态即便共振或共鸣，也不会带来严重后果，即该模态本身不会被实际激发或者即便激发，其共振的强度也不会太大。

4 结论

总之，用有限元进行变压器噪声特性的理论分析和计算是可行的，在一些细节的技术问题上需要根据理论与实践的综合进行简化或者等效。如果在设计时可以准确计算出变压器的固有频率，从而预知变压器的噪声特性，对降低变压器噪声特别是防止变压器的异常是极具应用价值的。

干变产品典型的包括环氧浇注与真空浸渍两大类，由于在结构上有许多相似之处，以上这些讨论内容适用于这两类产品。但是该方法对铁心电抗器的噪声研究同样具有参考意义。

［责任编辑:王琨］

Analyzing Problems of Unusual Noise of Dry-type Transformers with Finite Element Method

NING Jun-de
(Qingxu Sub-branch Company，Taiyuan Power Supply Branch Company，Taiyuan 030400，China)

This article tries to use finite element method to calculate dry-type transformer tremor and cavity mode in order to solve the problems relative to unusual noise，and puts forward a general suggestion combining with the author's own practical experiences.

finite element;dry-type transformer;noise

TM855

A

1671－5977(2012)02－0137－04

2012-04-13

宁俊德(1975-)，男，河北容城人，太原供电分公司清徐支公司助理工程师。