配电变压器的噪声与振动分析

变压器噪声是造成有害环境噪声的一个重要因素，特别是在电力传输设施附近。因此，了解配电变压器的噪声产生机理是非常重要的。本文提出了一种基于有限元的多物理模型，为模拟变压器噪声发射机理提供了一个方便、有效的工具链。最后，以200kVA配电变压器仿真为例，给出了模型链的运行过程。

I.  简介

 配电变压器是电能输送和分配的关键部件之一,这些电气调设备的振动和噪声越来越引起设计者和制造商的兴趣。因此，制造商能够在生产开始前准确地识别变压器的声学特性是至关重要的。然而，各种物理现象在变压器中是密切相关的，如图1所示，因此只有多物理或耦合的数值模拟才能充分了解这些影响。此外，安全法规要求噪声水平保持在一定范围内。

 变压器噪声和振动的研究始于20世纪30年代，主要由变压器制造商进行。这些工作主要集中在变压器噪声的测量上。近年来，由于计算机能力和软件的发展，这些不良影响的数值模拟越来越受到人们的重视。然而，这些工作大多是分离噪声和振动的强耦合源或效应。噪声主要来源于电工钢带的磁致伸缩效应以及铁心的形状。绕组中产生的电磁力也是重要的电磁噪声源。夹紧应力和油箱固有频率对振动也有一定影响。这些影响导致了油箱的变形，从而引起了令人不安的声音。当使用耦合或多物理模拟时，忽略了重要的影响或只分析了特殊的负载情况。大多数情况下，变压器铁芯的磁导率是各向同性的或分析变压器的短路状态。但是，目前还没有对系统正常运行时噪声产生过程的耦合仿真工作流程进行研究

图1 变压器噪声的产生

 本文利用有限元方法对配电变压器进行了耦合仿真。本文的目的是建立一种能准确预测配电变压器正常运行状态下振动和声学特性的数值方法。建模过程基于三种分析方法的链接，电磁、力学和声学模拟，如图1所示。连接采用弱耦合或串联耦合，因为在这种情况下不需要完全相同的几何形状，有限元网格和求解器的选择对于每次分析都是独立的。利用ANSYS Workbench环境建立了变压器仿真工作流程，没有考虑到附加噪声源。

II.   变压器的耦合仿真

 带油箱剖面的200kVA配电变压器的几何形状如图2a所示。变压器铁芯由取向硅钢片组成，应考虑硅钢片的各向异性。钢板轧制方向和垂直方向的B-H曲线和磁滞伸缩曲线如图3所示。变压器的关键参数汇总如表1所示。

   

（a）

（b）

图2  配电变压器CAD模型(a)和叠片铁芯内磁通量密度矢量(b)

 

（a）

 

（b）

图3 钢板轧制方向和垂直方向磁化曲线(a)和磁滞伸缩曲线(b)

表I  要分析的油浸式变压器主要技术参数

 仿真链从时变非线性电磁仿真开始。励磁和负载的外部电路直接耦合到有限元模型中。该问题的几何(变压器的器身部分)离散为273823个四面体单元。

 其中[σ]和[μ]为导电性和磁导率张量，T0为外加电流矢量势，T为电流矢量势，Hp为因铁芯损耗而增加的磁场分量。

  

（a）

（b）

图4 固有频率的仿真结果。器身部分104.4 Hz (a)的振动和油箱固有频率98.8 Hz(b)的振动

 这一步的主要任务是计算铁芯和绕组中的麦克斯韦力和洛伦兹力。此外，还可以在此步骤中确定铁芯和绕组中不同的功率损耗(电阻、涡流、磁滞)。铁心内磁通密度可视化矢量如图2b所示

 下一步是频域的力学模拟。但是，当激励频率倍数足够接近固有频率时，变压器可能会产生谐振，因此需要进行模态分析。振动的主要来源是磁致伸缩应变，因此最临界频率为100Hz。模态分析结果如图4所示，可以看出两者都有一个频率无法避开100Hz。

 利用电磁仿真的结果(磁致伸缩、洛伦兹力)和模态分析的固有频率，通过谐波分析计算了机械位移。求解的广义运动方程为

 其中M_u为结构质量矩阵，C_u为粘滞阻尼矩阵，K_u为刚度矩阵，ü， ù， u分别为节点加速度、节点速度和节点位移矢量。F_e是电磁仿真中作为负载力的力谱。

 将电磁计算结果从时域传递到频域力学模拟的基本步骤是对结果进行傅里叶变换。铁芯因磁致伸缩而产生的振动包含100Hz的分量(电源频率的两倍)和谐波，如果绕组中电流本身不含谐波，则绕组振动主要是纯100hz的谐波。

  

（a）

（b）

图5  器身部分的变形。

铁芯和夹件变形(a)和绕组变形(b)

 图5显示了在100Hz时变压器器身部分的变形。图5a为铁芯和夹件的变形情况，图5b为一、二次绕组的变形情况。铁心变形最大的位置在上轭处，位移大于3.5μm。绕组的最大位移为正1 (C相)，最大变形为3.1μm。

 最后，利用谐波位移，我们确定了声波通过绝缘油、油箱和周围空气传播所产生的压力水平。将谐波分析得到的器身部分的节点速度插值并映射到油的声学网格中。图6显示了油内表面的速度矢量。声辐射的数值预报需要变压器油箱的振荡。因此，有必要将(3)与流体动量的Navier-Stokes方程和流动连续性方程耦合，

 式中ρ₀为流体平均密度，M_q为流体质量矩阵，C_q为流体阻尼矩阵，K_q为流体刚度矩阵，f_q和f_u为载荷力，C_fs为流固耦合项。压强是p= q=jωq。

III.  结果与讨论

 电磁源是振动的主要来源，因此电磁模型的准确性至关重要。该损耗已用于验证模型。计算总损耗为2076 W,对应数据表中指定的值(见表1)。这种差异的主要原因是没有用于测量的负载信息,和平均分布网络负载使用的有限元模拟。

图6  映射到变压器油箱周围边界的声音节点速度矢量

图7 铁芯中柱表面加速度的x、y和z分量。

图8  变压器油箱顶部加速度的x、y和z分量

 图7和图8显示了变压器上两个特定点的机械谐波分析结果。这些图显示了加速度的x、y和z分量的频谱。模态分析表明，器身部分和油箱的一个共振频率接近激励频率的两倍。这也得到了图7和图8的支持，因为加速度谱的一个峰值是在100 Hz。油箱顶部在150Hz处有另一个峰值。基于这一信息，在100Hz时对声压级进行了分析。图9和图10总结了声场仿真结果。这些数字显示了离箱壁2米处的声压级。0度和-180度表示变压器较短一侧的中心。参考线显示53分贝，这是该变压器的噪声水平基于数据表。这些结果也证明了数值模拟结果的精度是可以接受的。如图所示，在680mm的箱体内声压达到60dB。当使用a加权时，声压级增大，如图10所示。结果表明，所分析的变压器满足要求，但通过适当的设计可以降低其噪声水平。

图9  距油箱2m、340mm和680mm高度处变压器周围的声压级水平[dB]

图10 距油箱壁2m、680mm高度处变压器周围的声压级水平[dB] 及A级加权

IV.   结论

考虑硅钢片的各向异性和磁致伸缩影响，分析了配电变压器的噪声和振动性能。利用ANSYS软件建立了基于三维有限元法的电磁-机械-声场多物理工作流程。以某200kVA配电变压器为例，分析了三维有限元工作流程。仿真结果与变压器数据表数值吻合较好，验证了耦合仿真的有效性。所提出的仿真工作流程适合于变压器噪声和振动的仿真，或有助于开发新的变压器诊断方法。

文章来源：牛眼看变压器