非晶合金铁芯干式变压器噪声特性研究与分析

段绍辉，丁 庆，黎剑锋，张 帅

（1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518000；2.明珠电气有限公司，广东广州 511400）

非晶合金铁芯干式变压器噪声特性研究与分析

段绍辉1，丁 庆1，黎剑锋2，张 帅2

（1.深圳供电局有限公司，广东深圳 518000；2.明珠电气有限公司，广东广州 511400）

对非晶合金干式变压器的噪声特点和产生原因进行了分析，并通过仿真建模和成品试验进行了验证，为非晶合金干式变压器提供了有效的降噪措施。

非晶合金干式变压器；噪声；降低措施

0 引言

非晶合金铁芯变压器以其优越的节能效果，受到越来越多的用户青睐，在电网中得到广泛使用。非晶合金变压器铁芯材料不同于常规的变压器的硅钢片，而是采用非晶合金带材，其基础元素为铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、硅（Si）、硼（B）、碳（C）等，其分子结构呈非晶体状态，消除了磁畴移动，且其厚度仅为0.02～0.03 mm，是常规硅钢片的1/10，故其空载损耗极低，仅为常规取向硅钢片的20%～30%，是制造节能型变压器的优秀材料。

但由于其厚度薄、叠片系数小、磁致伸缩大、性能受机械应力敏感等原因，故其制造成变压器产品后，噪声较难控制，较常规硅钢片变压器声压级要大5～8 dB，造成环境污染，引来用户投诉，从而限制了其更加广泛的推广使用，也成为了各制造厂的主要攻关对象。针对该问题，本文将从非晶合金铁芯干式变压器的噪声特点、仿真建模、成品试验等方面开展分析和研究，并有针对性的提出改进措施和设计建议。

1 非晶合金铁芯变压器噪声特点分析

由于采用了非晶合金铁芯带材作为铁芯材料，非晶合金变压器与常规硅钢片变压器噪声特点略有不同，主要体现在以下几个方面。

（1）非晶合金铁芯磁致伸缩量与其带材的成分及加工工艺存在一定的关系，通常较常规取向硅钢片高约10%左右，而且其铁芯的磁致伸缩是变压器噪声的主要来源，因此从源头就导致非晶合金变压器噪声较高。

（2）非晶合金铁芯带材应力敏感，在内应力无法消除时，其单位质量空载损耗、励磁功率及磁致伸缩量均会有所增加，从而影响产品的整体性能。目前，在设计上通常都已经通过结构设计保证使得变压器铁芯除了承受自身重力外，不再起到其他的支承作用，保证了铁芯带材运行过程中的应力控制。但由于运输、吊装、装配过程中，无法避免的会造成铁芯带材应力增加，再加上非晶合金铁芯带材很脆，装配过程中极易发生脱落，故成品的噪声性能与非晶铁芯带材的运输、吊装、装配整个过程中的工艺方法和流程密切相关[1-2]。

（3）非晶合金铁芯饱和磁密较低，通常为1.5 T左右，因此，产品的设计磁密也要下降，非晶合金干式变压器通常设计磁密在1.2 T以内。

（4）非晶合金铁芯为卷铁芯结构，故其铁芯截面为矩形，与常规的叠铁芯硅钢片变压器有所区别，其声场分布也与常规圆形截面铁芯变压器有所区别；

（5）非晶合金变压器铁芯形式可以设计为三相五柱结构或三相三柱结构，两者铁芯如图一所示，文献[3]给出了两者之间的详细对比，三相三柱结构目前噪声控制尚不理想，故目前常用的结构为三相五柱结构，其轭柱（上下铁轭和旁轭）磁密通常为芯柱磁密的1.155倍，因此，轭柱的磁致伸缩量更大，需有侧重点对轭柱产生的噪声加以防护[3]；

（6）非晶合金铁芯带材为各向同性，不同于常规的取向硅钢片，因此其振动形态也较为特殊。

由于非晶合金铁芯变压器噪声存在以上诸多特点，故其噪声控制手段和方法均应有针对性的在传统变压器减震降噪方式上进一步加以改进。

图1 三相五柱和三相三柱非晶合金铁芯模型

2 仿真模型的建立

变压器铁芯的磁致伸缩频率是电源频率的2倍，为了避免共振的发生，同时考虑到非晶合金变压器结构上的特殊性，故需要有针对性的建立有限元分析模型，取得非晶合金铁芯变压器本体的各阶固有振动频率，尤其是特征频率，以避开磁致伸缩频率的整数倍，以避免共振的发生[4]。

图2为采用有限元分析软件Ansys建立的非晶合金铁芯变压器模型。

图2 非晶合金铁芯干式变压器有限元模型

通过有限元建模，可以分析出非晶合金铁芯的各阶固有频率及振型，从而进一步指导对非晶合金变压器本体结构进行改进，改变其固有频率，减少共振发生，避免噪声的放大。

此外，通过有限元建模，还可以对非晶合金铁芯变压器的振动位移等特性进行分析，提供设计改进的方案。

3 不同磁密下各种状态噪声测试结果分析

图3 声级测定时轮廓线及测点分布情况

磁密对非晶合金干式变压器的设计噪声影响较大，磁密越低，变压器产品噪声也就随之降低，但变压器成本也会随之增加，如何在非晶合金干式变压器的设计成本与产品噪声间找到一个平衡点，是确定非晶合金干式变压器设计方案的一个重要因素，针对此，特选择了两台型号分别为SCBH15-630/10和SCBH15-1600/10的非晶合金干式变压器进行不同磁密下的声级测定试验，试验从变压器低压侧加压，额定电压为400 V，设计磁密均为1.168 T，变压器铁芯磁密与励磁电压成正比，通过改变励磁电压调节变压器铁芯磁密，从而获得变压器声级随铁芯磁密的变化规律。声级测定时轮廓线及测点布置如图3所示。

测量结果如表1、表2所示。

表1 630 kVA非晶合金干式变压器不同磁密下产品声级测定结果dB

表2 1 600 kVA非晶合金干式变压器不同磁密下产品声级测定结果dB

将表1、表2的测得的不同磁密下的声压级和声功率级绘制曲线并进行二次项拟合，如图4、图5所示。

图4 630kVA不同磁密下声压级及声功率级测定结果及其趋势线

图5 1600kVA不同磁密下声压级及声功率级测定结果及其趋势线

通过表1、表2、图4、图5可以得出以下几点规律：

（1）铁芯磁密对非晶合金铁芯干式变压器噪声影响很大，磁密每升高0.02 T，产品噪声升高约1 dB；

（2）在磁密选取为1～1.3 T范围内，非晶合金干式变压器的噪声可以用二次项拟合曲线近似表达，可用于指导类似产品的噪声规律研究和产品设计；

（3）从各测点的测试结果可以看出，位于测点1、2、7、8处非晶变压器产品噪声略大，可用于验证仿真模型的分析结果。

4 降低产品噪声的有效措施分析

从第4节中630 kVA和1 600 kVA产品的声级测定结果来看，产品样机的噪声控制已经比较理想，额定时630 kVA和1 600 kVA产品声压级分别在50 dB和52 dB以内，一方面，通过控制产品设计磁密起到了降低产品噪声的目的，另外，在结构设计和工艺方案上的改进措施能有效降低产品的噪声，具体如下：

（1）通过有限元仿真分析计算，优化产品结构，从源头上避免共振的发生，同时在噪声振动中振动位移较大的地方，通过增加加强筋等措施降低振幅，从而起到减震的作用；

（2）在铁芯表面涂覆减振涂层，在铁芯与夹件之间垫放硅橡胶片等均可减少铁芯振动的传递，起到降噪的作用；

（3）在紧固件和结构件连接处增加橡胶垫，可以减少振动的传递，降低噪声；

（4）在非晶合金铁芯订货时，注意控制铁芯励磁功率，并且控制每组片数，铁芯搭接位置要求呈扇形分布；

（5）在工艺上，采用先进的装配定位台，控制套装过程中的装配位置和应力，一次到位，减少装配过程产生的应力和返工。

通过以上措施，可以比较有效的控制产品噪声，使其出厂时可以达到常规硅钢片变压器的技术协议要求，同时，在现场安装时，通过在安装下方加装阻尼减振器、橡胶防震垫等措施，可以有效降低产品实际运行时的噪声水平。

5 结论

本文针对非晶合金铁芯干式变压器的噪声特点展开分析，并提供了一些研究方法和测试结果，最终总结了一些行之有效的设计和工艺措施，从而控制产品的实际噪声可以满足常规硅钢片噪声要求，推动节能效果突出的非晶合金干式变压器的广泛使用。

［1］季爱晖，蔡定国，龙丽琼，等.三相五柱式非晶合金变压器磁路及其性能参数分析［J］.变压器，2009，46（10）：14-17.

［2］侯忠平，陈开全，胡晶金.非晶合金变压器与硅钢片铁心变压器运行参数比较［J］.机电工程技术，2012（2）：72-74.

［3］唐金权，蔡定国，陈开全.三相三柱与三相五柱式非晶合金变压器成本和性能分析［J］.变压器，2013，50（5）：23-26.

［4］尹克宁.变压器设计原理［M］.北京：中国电力出版社，2003.

Study and Analysis on Noise Characteristics of Amorphous Alloy Core Dry-Type Transformer

DUAN Shao-hui1，DING Qing1，LI Jian-feng2，ZHANG Shuai2
（1.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd.，Shenzhen518000，China；2.Pearl Electrical Co.，Ltd，Guangzhou511400，China）

This article analyzes the noise characteristics of amorphous alloy core dry-type transformer and causes of noise generation. Methods of simulation modeling and finished product testing are adopted for the verification purpose.It puts forward various effective ways for effectively reducing noise.

amorphous alloy core dry-type transformer；noise；noise reduction methods

TS803

A

1009－9492(2014)03－0036－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.011

段绍辉，男，1961年生，湖北恩施人，硕士，高级工程师。研究领域：电力系统及其自动化。

(编辑：阮 毅)

2013－09－02