非晶合金变压器的噪声特性及降噪措施研究

崔鹤松

（机械工业北京电工技术经济研究所）

0 引言

众所周知，变压器的噪声水平是衡量变压器技术先进性和质量可靠性以及性能优越性的重要指标。非晶合金变压器作为一类节能型产品，凭借良好的空载特性越来越受到市场和用户的认可，尤其作为配电变压器使用，其市场占有率稳步提升。然而，由于非晶合金材料的特有属性，加之其加工难度大等特点，导致相同参数的非晶合金变压器比硅钢变压器的噪声高。因此，深入研究非晶合金变压器的噪声特性十分必要。

1 非晶合金变压器的噪声产生原因分析

1.1 非晶合金变压器铁心产生振动噪声的原因分析

非晶合金变压器的噪声主要来源于非晶合金变压器铁心、绕组及其他装置（油箱、冷却装置）等，其中非晶合金变压器铁心对噪声的贡献最大[1]。变压器在运行过程中，非晶合金带材的磁致伸缩现象是引起铁心振动和噪声的主要原因[2]。磁致伸缩主要是指磁性材料在外磁场作用下的尺寸变化现象。磁致伸缩通常用磁致伸缩系数来表征，即材料尺寸的变化量与原尺寸的比值。当非晶合金接近饱和时，磁通的波形会发生畸变而含有较多高次谐波分量，此时非晶合金变压器由磁致伸缩所引起的噪声也将包含基波频率整数倍的高次谐波分量，铁心的振动噪声也会随之增大[3]。由于非晶合金比硅钢的磁致伸缩系数大，故非晶合金变压器比硅钢变压器噪声略高，但通过合理的退火工艺及结构创新可以大幅降低非晶合金变压器的噪声，甚至使其噪声水平优于硅钢变压器。

1.2 非晶合金变压器绕组产生振动噪声的原因分析

非晶合金变压器在运行时，绕组在负载电流及其产生的漏磁场的共同作用下会产生电磁力，进而使绕组产生振动噪声。绕组上的电磁力与负载电流及其所在磁场中的位置有关，绕组的振动幅度及速度与电磁力的大小有关，电磁力与负载电流的平方成正比，绕组振动噪声的功率与振动速度的平方成正比，所以绕组振动噪声的功率与负载电流的四次方成正比，负载电流越大，绕组振动而引发的噪声越显著。当非晶合金变压器空载时，负载电流为零，由绕组振动而引起的噪声极小甚至可以忽略不计，此时非晶合金变压器铁心的振动噪声是非晶合金变压器噪声的主要来源[4-5]。

1.3 非晶合金变压器其他装置产生噪声的原因分析

油浸式非晶合金变压器的漏磁场会引起油箱壁振动。容量较大的非晶合金变压器通常会在油箱内增加磁屏蔽，磁屏蔽材料在变压器运行时，也会产生磁致伸缩而引起噪声。漏磁场还会引起冷却装置的振动噪声。虽然非晶合金变压器除铁心和绕组外的其他装置对噪声的贡献度相对较小，但在运行环境条件要求较高时，这部分噪声是不能忽视的。

2 非晶合金变压器的噪声特性研究

2.1 非晶合金变压器铁心的振动特性分析

非晶合金变压器铁心振动的本质是非晶合金材料的磁致伸缩现象，表现形式是非晶合金变压器运行时，非晶合金变压器铁心受到由交变电流产生的交变磁场的作用，导致非晶合金材料发生力学形变与位移。分析非晶合金变压器铁心振动特性需要引入电磁力体积密度来表征磁致伸缩现象引起的磁场力。即

当非晶合金变压器在额定电压为正弦波的磁通作用下，一个周期内非晶合金的长度将变化两次，所以非晶合金变压器铁心的振动频率为基波频率的两倍，故非晶合金变压器铁心磁致伸缩的频率也是基波频率的两倍。即

式中，Fc为非晶合金磁致伸缩现象的磁场力；Fcmax为非晶合金磁致伸缩现象的磁场力幅值；ω为非晶合金变压器基波周期。

在实际分析磁场力时，可以对式（2）进行傅里叶变换，得到基波频率和高次谐波频率下的磁场力。即

从材料力学上分析，非晶合金材料在发生弹性形变时还存在应变能。即

式中，u(ε)为非晶合金的应变能；E为非晶合金的弹性模量；ε为非晶合金的磁致伸缩系数。

当非晶合金变压器铁心受到最大磁场力（即Fcmax）作用时，非晶合金材料会产生最大应变能。在只考虑基波频率时，非晶合金单位体积内的磁场力为

式中，△l为非晶合金沿磁场方向长度的变化量。

非晶合金变压器铁心振动强度与磁致伸缩引起的磁场力大小直接相关，而非晶合金由磁致伸缩现象导致的长度变化又与磁感应强度直接相关，所以使非晶合金变压器铁心振动的强度随着非晶合金磁感应强度和磁场力的变化而变化。此外，非晶合金变压器在特殊情况下会受到直流偏磁（由太阳磁暴或励磁电流中的直流分量引起）的影响，导致非晶合金变压器铁心的磁致伸缩现象更加严重，励磁电流畸变也会产生谐波分量，最终引起非晶合金变压器的噪声急剧增大[6-7]。

2.2 非晶合金变压器的绕组振动特性分析

在非晶合金变压器的轴向上，绕组受自身重力、电磁力、上下夹件（垫块）所施加力的共同作用而发生振动。绕组所受电磁力的辐向力使内外层绕组变形，对绕组振动的贡献较小，只有在短路情况下才会变得很大，所以这里暂不予考虑。绕组每单位长度所受的电磁力 f = B·i，力的方向可以由左手定则判断。非晶合金变压器的绕组可以看成由多个弹性元件组成的整体，上下夹件（垫块）可以看成处于压缩状态的弹簧[8-9]。当绕组振动时，可以认为绕组发生轴向位移，其运动方程可以表示为

式中，M为非晶合金变压器绕组的质量；C为非晶合金变压器绕组的阻尼系数。K为非晶合金变压器绕组的弹性系数；S为非晶合金变压器绕组的轴向位移；F为非晶合金变压器绕组的电磁力；g为重力加速度。

上式的通解等于左侧齐次方程的通解与常微分方程特解之和。左侧齐次方程为

其特征方程可以表示为

无论油浸式非晶合金变压器还是干式非晶合金变压器，绕组在油和空气中的阻尼都是很小的，即所以式（8）的解是复数，即

式中，A和θ为积分常数，由起始条件确定；ω0为绕组固有振动频率。

绕组振固有振动频率可以表达为

式中，ω0为非晶合金变压器绕组的固有振动频率。

上式中，弹性系数K与非晶合金变压器绕组的压紧程度相关，绕组压的越紧，弹性系数越大，固有振动频率就越高。非晶合金变压器在设计和装配过程中，铁心、油箱、夹件等器件应回避绕组的固有振动频率及其整数倍关系的频率，以避免共振现象引起绕组的振动噪声增大[10]。

3 降低非晶合金变压器噪声的措施

3.1 优化非晶合金变压器铁心结构与设计

1）传统变压器都是以铁心作为支撑骨架悬挂绕组，非晶合金变压器铁心受力过大会增大噪声。增加绕组的机械强度，在绕组上下端面用结构件支撑，实现以绕组为支撑骨架悬挂铁心，这样可以使非晶合金变压器铁心仅承受自身重力的作用，减小非晶合金变压器铁心因受力过大而引起的噪声。

2）非晶合金变压器铁心由于非晶合金带材的搭接会存在很多接缝，这些接缝会增大铁心的振动幅度。采用非晶合金带材的连续卷制工艺，制成无接缝结构非晶合金变压器铁心可以大幅缓解由接缝引发的振动噪声。这种无接缝结构对生产工艺要求较高，需要保证非晶合金带材卷制整齐，又不能使非晶合金带材受力过大。

3）非晶合金带材存在固有振动频率，当非晶合金变压器其他材料的振动频率与非晶合金带材或铁心的固有振动频率相近或成整数倍关系，会引起共振，使变压器的噪声急剧增大。所以，在特殊情况下设计非晶合金变压器时，可以采用软件计算出各主要结构件的振动模态和频率，合理选择非晶合金带材的宽度，避免共振现象的出现。

3.2 提高非晶合金变压器铁心制造工艺水平

1）非晶合金变压器铁心的搭接接缝一般有两种形式，直接缝（即铁心接缝从端面观察是矩形结构）和扇形接缝（即铁心接缝从端面观察是扇形结构），扇形接缝工艺相对复杂，外层接缝比内层接缝多、搭接层数少，接缝处的厚度也相对薄，由铁心接缝产生的噪声也相对减小，因此采用扇形接缝可以有效缓解噪声。

2）非晶合金变压器铁心对应力极为敏感，故硅钢变压器所用的铁心夹件不能直接作用在非晶合金变压器铁心上，非晶合金变压器铁心通常采用表面涂覆环氧树脂或胶水、配合使用绑扎带及拉板等方式固定铁心，这些方式配合使用可以约束铁心的张力，减小磁致伸缩量，最终实现抑制非晶合金变压器铁心振动传递的作用。

3）退火可以改变非晶合金晶粒的取向状态，降低材料的磁致伸缩程度。采用先进的退火工艺，结合生产经验和试验验证，可以得到适合不同种类非晶合金带材的退火温度、升温时间、保温时间等，在合理范围内能够明显降低非晶合金变压器铁心由磁致伸缩而引起的噪声。

3.3 增加隔音降噪材料

在非晶合金变压器器身与油箱之间增加减震材料（如橡胶），可以缓解铁心振动。在油箱内壁增加隔音壁（如瓦楞纸板等）、在油箱后壁增加钢板或在非晶合金变压器表面及周围增加吸音材料，也可以降低噪声[11]。

非晶合金变压器的噪声是一个复杂的系统性问题，不仅与每一个结构件和制造工艺有关，还与产品运行状态密切相关。当高压套管运行异常、内部放电、过载等情况出现时，都会直接或间接导致变压器噪声增大。因此，根据非晶合金材料的磁致伸缩特性，结合非晶合金变压器的噪声本质，采用合理的结构设计、合适的制造工艺、先进的降噪材料，并保持良好的运行状态，非晶合金变压器的噪声问题应该不会成为制约其大范围应用和推广的瓶颈。