一种非晶合金卷铁心配电变压器降噪路径的可行性研究论文

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2024-05-20 11:15:25 来源：作者：zhoudanni

摘要：文章主要研究了影响非晶合金卷铁心配电变压器噪音性能的各项外在因素，通过对非晶合金卷铁心的结构、装配及建模仿真研究，锚定噪音主要影响因素为磁密及外施应力，表象主要体现于下铁轭搭接质量。通过对非晶合金卷铁心配电变压器样机在不同表象因素变化状态下的验证实验，对其噪音相关各项参数进行分析研究，总结各因素影响条件下非晶合金卷铁心配电变压器的噪音变化规律，梳理噪音性能正向导向的变化因素，明确有效降噪实施路径。

　　摘要：文章主要研究了影响非晶合金卷铁心配电变压器噪音性能的各项外在因素，通过对非晶合金卷铁心的结构、装配及建模仿真研究，锚定噪音主要影响因素为磁密及外施应力，表象主要体现于下铁轭搭接质量。通过对非晶合金卷铁心配电变压器样机在不同表象因素变化状态下的验证实验，对其噪音相关各项参数进行分析研究，总结各因素影响条件下非晶合金卷铁心配电变压器的噪音变化规律，梳理噪音性能正向导向的变化因素，明确有效降噪实施路径。

　　关键词：非晶合金卷铁心,噪音,搭接面

　　非晶合金卷铁心配电变压器（以下简称非晶配变）是目前输变电系统中应用非常广泛的一种节能型配变产品，以损耗低、节能效果好等性能优势著称。但随着该产品在电网中使用量的日益增长，该产品的噪音性能控制不稳定问题日益凸显。

　　近几年，各企业在噪音控制方面做了大量的资金及技术投入，措施多集中于变压器电磁设计及噪音传播路径的改进。主要表现为：产品设计磁密降低、铁心及器身的减震优化、油箱本体隔音结构设计等。除降磁密设计可在多数状态下对产品噪音性能普遍有所改善外，其他措施皆仅可解决非晶配变产品部分状态下的噪音问题。且上述所有实施措施，均在不同程度上对产品成本有所增加，变相提升了产品推广及应用成本。

　　文章针对产品噪音性能的提升途径，提出一种新的改进思路。通过对噪音本体发生源—非晶合金卷铁心（以下简称非晶铁心）的本体状态进行研究，提炼与噪音性能相关因素，并利用实验方式，摸索不同状态下的非晶配变产品噪音性能变化。通过对有利条件的提炼及固化，提升改善非晶配变噪音性能。

　　1非晶铁心噪音性能影响因素分析

　　变压器的噪声主要产生于变压器铁心的磁致伸缩，其磁致伸缩所引起的片间摩擦及伸缩，是噪音产生的主要因素。且由于非晶合金带材的受力敏感特性所致，外部应力也是影响非晶配变噪声的重要因素之一。这两大因素的波动，将对非晶铁心的噪音状态产生巨大的影响［1-2］。

　　1.1非晶铁心模型磁场分布仿真分析

　　根据关于非晶铁心模型的磁场仿真研究所得，使用三维瞬态场求解器求解不同电压激励下的电磁场分布，非晶铁心模型在不同激励下磁通分布如图1所示：

　　从图1可知，随着电压激励的增加，单相试验用非晶铁心的磁通密度逐渐增加，且在B=1.3T时趋近饱和，在B=1.5T达到深度饱和。从（a）～（f）中非晶铁心的饱和位置分布转化状态分析，不同磁密下，单个非晶铁心各位置的磁通分布是有差异的。随着磁密的提高，磁通分布饱和状态基本由四角起始，逐渐向四边轭扩展。

　　由以上分析可知，非晶铁心磁饱和状态的磁通分布是随着基准磁密的增加而变化的，先四角，再四边，最终达成整体铁心的饱和。

　　1.2非晶铁心在安装环境下受应力状态分析

　　非晶合金平面卷铁心主要为矩形框状结构，下部为铁心关合搭头。出于产品制造工艺及结构考虑，铁心在器身中处于依靠线圈支撑的悬垂状态，且搭头侧位于器身下部。

　　非晶合金平面卷铁心下铁轭为分布式搭头结构，以搭接作为磁路导通方式。搭接面越大，贴合面越多，则磁阻越小，磁路导通越加通畅。由于铁心排布方式关系，非晶合金平面卷铁心的排布通常由两大两小四个单框组成。除内框宽度及下铁轭厚度尺寸外，两大两小铁心的其余尺寸应为一致。且由于窗口宽度不同，造成铁心在加工过程中，下铁轭搭接厚度增幅系数存在一定偏差。通常90mm及以上宽框铁心，搭接厚度系数为1.08~1.12；90mm以下窗窄框铁心，搭接厚度在1.13~1.2。以极限系数考虑，最大厚度差可在12%左右。如果以理论叠厚100mm为计，同一设计方案下的宽窄框铁心，其下铁轭厚度差值的理论最大值可在12mm左右。

　　方案设计时，为了不让铁心下铁轭受力挤压，通常会以下铁轭最大叠厚系数为参考，设计夹件与下铁轭的间隙裕度。当铁心运行于悬垂状态下时，中间宽框铁心的搭头变形必定较窄框铁心更为严重，垂坠、扭曲、片间间隙增大，乃至搭片失效等极端现象亦有可能发生。铁心搭片的变形，将造成铁心搭接面的通磁质量下降，再加上非晶带材受力敏感的物理特质，噪音性能畸变的负面效应将大幅度提升。

　　2非晶配变在铁心多状态条件下降噪路径实验研究

　　基于上述文内分析内容，判断影响非晶铁心噪音性能的主要因素包括以下2点：①磁密及磁通分布因素；②应力及搭头质量引起的应力变形因素。2.1非晶铁心多状态条件下配变噪音实验

　　2.1.1实验设计

　　非晶铁心在不同磁密状态下，磁通分布有所区别。随着铁心磁密的增大，基本呈现四角向四轭逐步扩散的态势。且实验磁密变化范围过大，将不利于后期实验及分析，故有必要将磁密定义为固定量。且基于非晶铁心四角率先磁通饱和现象考虑，实验方案应尽量还原铁心安装后，四内角部位的多场景工况运行状态，如：垂坠、平铺及挤压。同时，考虑到窄框铁心与宽框铁心在搭接面叠厚尺寸的不同，相应的搭接数量、内角受力情况与宽框铁心存在一定的差异性，故实验方案设计应考虑分状态验证。

　　2.1.2实验方案

　　准备1台设计磁密为1.35T的400kVA非晶合金平面卷配变专用样机，设计为下铁轭搭接面可承托及松紧可调制结构。在托板处于最低位置时，搭接应于最松散垂坠状态；托板上升至10mm时，搭接处于内角圆弧自然，且搭接面贴合平直的自然平实状态；托板上升至15mm时，搭接处于内角圆弧受挤变形，且搭接面紧实、扭曲变形状态。以400V实验电压，测量样机在下铁轭搭接面分别处于松散、平实及紧实状态下的噪音性能（测量点位见图2），获取搭接面状态与铁心噪音变化间的关联及趋势。