非晶合金变压器的节能及噪声控制分析

徐辉　崔建军　林向荣

摘要：文章首先介绍了非晶合金变压器的结构及其节能效果，分析了变压器产生噪声的主要原因，并结合实际工作经验，对非晶合金变压器设计的参数选择、结构设计、工艺装配及控制进行了探讨，希望能够给予同行业人员有意义的借鉴。

关键词：非晶合金变压器；节能控制；噪声控制；铁心；参数选择；结构设计 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）05-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.045

在我国经济快速发展的背景下，电力基础设施扩张迅速，尤其是配电变压器，其需求量呈现出快速、大容量的增长趋势。但是，在输配电系统中，配电变压器处于空载或轻载运行的时间较长，所消耗的电能也是系统电能损耗的主要部分，选用节能型的配电变压器已成为电力企业寻求节能降损措施的有效途径。本文以实际工作经验为基础，对非晶合金变压器的特点及其节能效果进行了描述，分析并探讨了非晶合金变压器噪音来源及其控制措施，希望能够为我国电力事业的发展做出贡献。

1 非晶合金变压器的结构及其节能特点

1.1 空载损耗低

非晶合金变压器在空载运行时，其铁损量只为传统硅钢片变压器的30%，空载电流为20%，是当前最节能、低损耗的一种变压器。非晶合金变压器的主要构成材料为非晶合金，该材料具有良好的软磁性能，被磁与去磁化过程简单且易完成。非晶合金变压器在运行时，可以100～120次/秒的速度完成被磁与去磁化过程，这与传统的硅钢材料变压器相比，极大地降低了铁芯的损耗量，也大幅度降低了铁芯的空载损耗，节能效果非常明显。

1.2 适应能力强且运维费用低

非晶合金变压器的铁芯以两行三相五柱式矩形排列，在两个旁柱间流过零序磁通，磁通过程不经由箱体，不会出现发热的结构损耗，满足了变压器的低损耗和低噪音的性能要求。非晶合金变压器的高压和低压绕组采用的是矩形铜绕组，提升了变压器的抗短路能力，联结级别为D，yn11，可降低谐波对电网造成的影响。即使变压器内部绕组发生短路，其结构也能够承受较大的机械力破坏，确保绕组不发生变形。非晶合金变压器的箱体，为冷轧钢板材料的片状散热器，在低压和高压套管的上方，加设了防尘、雨及冰雹的罩体，可用电缆接线并做绝缘保护。箱体为全密封式结构，并以硅油为热循环油，在运行时，其内部的绝缘件及变压器油，与外界大气完全隔离，避免了大气的氧化和污染。此外，非晶合金变压器的运行费用极低、发热少、运行性能稳定，可在30年内免维修，并可在高温环境中运行。

1.3 对环境污染小

最近几年，我国电力负荷以每年大于10%的速度增长，相当于年增315kVA变压器37余万台。如果全国范围内的变压器更换成非晶合金变压器，其年降损约为126亿kWh，相当于一座2400MW发电厂的装机容量（几乎是八座秦山核电站的年发电总量）。而这些降损的电量，如果由普通热电厂产出，其排放出的废气和能耗，相当于排了203万吨的二氧化碳和燃烧了101万吨的煤。

由此可见，大范围应用非晶合金变压器，不仅可以节约资源，增加直接经济收益，还可以降低废气、废渣及对环境的污染，符合我国国策中的节能环保、科学发展的新理念，也是配电变压器重要的替代产品。

2 非晶合金变压器的噪声分析

非晶合金变压器运行成本低、安全可靠且节能效果明显，但其运行过程中的噪声也相对较大，这也是各非晶合金变压器生产企业共同关注并亟待解决的问题。

通过对非晶合金变压器的结构分析可知，其噪声主要有两个来源：其一是由振动的铁心导致的结构振动噪声，主要包括铁心自身的振动噪声和通过连接件及夹件等传递的框架结构振动噪声；其二是由于非晶铁心不可用夹件过度压紧，而当导磁材料发生磁滞伸缩现象时，约束变压器铁心振动的压力将会变小，振动量级逐渐增大，产生的噪声也会增大。

3 非晶合金变压器噪声的控制措施

3.1 设计参数的选择

在非晶合金变压器的设计阶段，选取工作磁通密度是控制其电磁噪声的一个关键因素。当降低磁密时，变压器运行产生的噪声将会降低，但其生产成本却会增加，怎样才能在噪声控制与设计成本之间找到平衡点，是确定非晶合金变压器噪声控制方案的重要影响因素。

冷轧硅钢片的饱和磁密约为2.0T，而非晶合金材料则在1.5T左右，为了将非晶合金铁心的磁滞伸缩与冷轧硅钢片相近或相同，其工作磁密要低于冷轧硅钢片的工作磁密。实验表明，当升高0.05T磁密时，空载噪声将增加2dB，变压器噪声将增加5dB。所以，在满足噪声控制的前提下，应尽可能地减少铁心的用量，非晶合金变压器的工作磁密选择要小于1.25T。

3.2 结构设计

3.2.1 由于非晶合金铁心在受到外力时，变压器损耗量会迅速增加，噪声也会随之增大。所以，为了避免铁心受力过大，应将铁心悬挂于绕组上，确保其只受自身重量的影响。在结构设计上，器身的上下和左右部位，采用成型框架或“Ω”字形弯板夹件结构，铁心和绕组由结构件支撑。

3.2.2 由于非晶合金变压器的规格不同，其固有的振动频率则不相同。为了有效控制变压器的振动辐射噪声，在结构设计时，要先通过有限元等软件，对主要的声学模态频率和振动模态进行分析计算，再避开这些模态频率进行变压器的结构设计，进而降低振动能量转化为辐射声能的几率。

3.2.3 非晶合金铁心安装于侧弯板与上下弯板的框架内，框架在设计时，要预留适当的裕度。如果预留的裕度较大，将增加铁心的振动量，产生的噪声也较大；如果预留的裕度较小，铁心将受到挤压，空载损耗与噪声都会增加。为了避免铁心受力和降低噪声，可在铁心与框架间加设吸声减振材料。

3.3 工艺系数的设定

在产品的制造过程中，降低非晶合金铁心的单位磁化容量也是控制变压器噪声的有效手段。非晶合金的单位磁化容量与单位损耗存有一定的制约关系，而降低单位磁化容量则需要从企业的制造工艺入手。在绕组与铁心框装配过程中，需要进行铁轭接缝、套装绕组、合上接缝步骤的操作，这些操作精度在很大程度上依赖于操作人员的技术水平和经验以及工艺参数的设定，通常情况下，工艺系数应控制在1.05～1.25之间。另外，可以选择较高的单位损耗以获取较低的单位磁化容量，即在满足空载要求的情况下，将多出的损耗性能转化成磁化性能，实现降低噪声的目的。

3.4 装配过程的控制

铁心接缝的装配精度对非晶合金变压器的噪声影响较大，装配形式通常分为平装法和倒装法。平装法是利用专用设备将铁心先平放，再套装绕组并合拢后立起；倒装法是将铁心接缝朝上，在将接缝套装绕组打开后再合上，最后将器身180°翻转。平装法的装配形式对铁心的开口损坏相对较小，接缝的质量也较高，在噪音控制上优于倒装法，但其工艺性要求高，且需用到专用设备。铁心接缝是影响非晶合金变压器噪声大小的关键影响因素，改善并缩小铁心接缝，可均匀分布接缝处的磁通，降低气隙中的磁密和接缝振幅，进而减少变压器的励磁电流和励磁容量以及由于接缝磁吸力的作用而导致的噪声。在装配阶段，搭接的长度应控制在10～15mm之间，并用耐油、耐高温的密封胶封堵，以减少接缝处振动，降低噪声。另外，铁心合拢后，要对铁心侧面的尖角和毛刺进行处理。装配后的非晶合金铁心，应在其表面涂抹一层环氧树脂，并在铁心和器身间加设消声垫。

3.5 其他控制措施

非晶合金变压器油箱的内侧要加一层防声壁，如瓦楞纸板等；铁心的接缝处要用绝缘吸声胶等密封；夹件与铁心的接触面要用高密度吸声材料，保证非晶合金铁心具有一定的弹性并能够良好的固定，有效控制辐射噪声；由于变压器的部分噪声是由其基础和箱底传播出去的，所以应在油箱底脚与基础（基础应水平）、箱底与器身垫脚之间，加设缓冲材料，如安装防振胶垫等。这种措施可以有效控制噪声传播，并可降低1～2dB等级的噪声；油箱内的连接标准件应采用防松螺母，金属零部件等所有附件不得出现松动；由于电流在通过绕组时，将产生电磁力，其振幅值与电流平方成正比，声功率则与振动的幅值平方成正比，所以变压器绕组所发射的声功率与通过的负载电流有着明显的关系，而漏磁场也是造成结构件振动的重要原因；由于空载噪声频率以两倍电源频率为基频，而铁心除了基频磁通，还包含高频磁通，所以变压器的空载噪声频率也存有二次以上的高频频波。当油箱和铁心的固有频率接近于噪声频率时，将会出现噪声共振的情况，从而增加噪声等级。因此油箱和铁心的固有频率应与高频频波避开；为了降低导线振动量，在满足要求的情况下，要尽可能地缩小绕组的长轴尺寸。而在装配器身时，高压绕组与旁轭间及相间要撑紧，以此避免由于绕组长轴导线振动而导致的噪声。此外，在设计非晶合金变压器的箱体结构时，器身的顶部要设计成气囊式结构，一方面可以有效降低振动及噪音的产生和传播途径；另一方面可以减少变压器的渗漏点。

4 结语

非晶合金变压器的运行成本及空载损耗较低，是当前最为理想的一种节能型变压器，在配电网大批量应用后，可以有效降低电网系统的线损量，既能节省大量的能源消耗，又可以获取明显的经济和环境效益。虽然非晶合金变压器在运行过程中，其噪声污染相对较大，但是通过一系列结构优化和控制，完全可以避免噪声所带来的不利影响。随着我国经济“科学发展，节能减排”基本国策的陆续贯彻并执行，在输配电行业，非晶合金变压器的应用必将具有更加广阔的前景。

参考文献

[1] 电力变压器（第10部分）：声级测定（GB/T1094.10-2003）[S].

[2] 马大猷.噪声控制学[M].北京：科学出版社，1987.

作者简介：徐辉（1977-），男，国网河北新河县供电有限责任公司工程师，研究方向：配电网建设；崔建军

（1965-），男，国网河北新河县供电有限责任公司工程师，研究方向：配电网建设；林向荣（1982-），男，河北电力工程监理有限公司工程师，研究方向：电力工程监理。

（责任编辑：黄银芳）