非晶合金變壓器的噪聲特性及降噪措施研究

崔鶴松

（機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

眾所周知，變壓器的噪聲水平是衡量變壓器技術(shù)先進(jìn)性和質(zhì)量可靠性以及性能優(yōu)越性的重要指標(biāo)。非晶合金變壓器作為一類節(jié)能型產(chǎn)品，憑借良好的空載特性越來越受到市場和用戶的認(rèn)可，尤其作為配電變壓器使用，其市場占有率穩(wěn)步提升。然而，由于非晶合金材料的特有屬性，加之其加工難度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致相同參數(shù)的非晶合金變壓器比硅鋼變壓器的噪聲高。因此，深入研究非晶合金變壓器的噪聲特性十分必要。

1 非晶合金變壓器的噪聲產(chǎn)生原因分析

1.1 非晶合金變壓器鐵心產(chǎn)生振動噪聲的原因分析

非晶合金變壓器的噪聲主要來源于非晶合金變壓器鐵心、繞組及其他裝置（油箱、冷卻裝置）等，其中非晶合金變壓器鐵心對噪聲的貢獻(xiàn)最大[1]。變壓器在運(yùn)行過程中，非晶合金帶材的磁致伸縮現(xiàn)象是引起鐵心振動和噪聲的主要原因[2]。磁致伸縮主要是指磁性材料在外磁場作用下的尺寸變化現(xiàn)象。磁致伸縮通常用磁致伸縮系數(shù)來表征，即材料尺寸的變化量與原尺寸的比值。當(dāng)非晶合金接近飽和時，磁通的波形會發(fā)生畸變而含有較多高次諧波分量，此時非晶合金變壓器由磁致伸縮所引起的噪聲也將包含基波頻率整數(shù)倍的高次諧波分量，鐵心的振動噪聲也會隨之增大[3]。由于非晶合金比硅鋼的磁致伸縮系數(shù)大，故非晶合金變壓器比硅鋼變壓器噪聲略高，但通過合理的退火工藝及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新可以大幅降低非晶合金變壓器的噪聲，甚至使其噪聲水平優(yōu)于硅鋼變壓器。

1.2 非晶合金變壓器繞組產(chǎn)生振動噪聲的原因分析

非晶合金變壓器在運(yùn)行時，繞組在負(fù)載電流及其產(chǎn)生的漏磁場的共同作用下會產(chǎn)生電磁力，進(jìn)而使繞組產(chǎn)生振動噪聲。繞組上的電磁力與負(fù)載電流及其所在磁場中的位置有關(guān)，繞組的振動幅度及速度與電磁力的大小有關(guān)，電磁力與負(fù)載電流的平方成正比，繞組振動噪聲的功率與振動速度的平方成正比，所以繞組振動噪聲的功率與負(fù)載電流的四次方成正比，負(fù)載電流越大，繞組振動而引發(fā)的噪聲越顯著。當(dāng)非晶合金變壓器空載時，負(fù)載電流為零，由繞組振動而引起的噪聲極小甚至可以忽略不計，此時非晶合金變壓器鐵心的振動噪聲是非晶合金變壓器噪聲的主要來源[4-5]。

1.3 非晶合金變壓器其他裝置產(chǎn)生噪聲的原因分析

油浸式非晶合金變壓器的漏磁場會引起油箱壁振動。容量較大的非晶合金變壓器通常會在油箱內(nèi)增加磁屏蔽，磁屏蔽材料在變壓器運(yùn)行時，也會產(chǎn)生磁致伸縮而引起噪聲。漏磁場還會引起冷卻裝置的振動噪聲。雖然非晶合金變壓器除鐵心和繞組外的其他裝置對噪聲的貢獻(xiàn)度相對較小，但在運(yùn)行環(huán)境條件要求較高時，這部分噪聲是不能忽視的。

2 非晶合金變壓器的噪聲特性研究

2.1 非晶合金變壓器鐵心的振動特性分析

非晶合金變壓器鐵心振動的本質(zhì)是非晶合金材料的磁致伸縮現(xiàn)象，表現(xiàn)形式是非晶合金變壓器運(yùn)行時，非晶合金變壓器鐵心受到由交變電流產(chǎn)生的交變磁場的作用，導(dǎo)致非晶合金材料發(fā)生力學(xué)形變與位移。分析非晶合金變壓器鐵心振動特性需要引入電磁力體積密度來表征磁致伸縮現(xiàn)象引起的磁場力。即

當(dāng)非晶合金變壓器在額定電壓為正弦波的磁通作用下，一個周期內(nèi)非晶合金的長度將變化兩次，所以非晶合金變壓器鐵心的振動頻率為基波頻率的兩倍，故非晶合金變壓器鐵心磁致伸縮的頻率也是基波頻率的兩倍。即

式中，F(xiàn)c為非晶合金磁致伸縮現(xiàn)象的磁場力；Fcmax為非晶合金磁致伸縮現(xiàn)象的磁場力幅值；ω為非晶合金變壓器基波周期。

在實(shí)際分析磁場力時，可以對式（2）進(jìn)行傅里葉變換，得到基波頻率和高次諧波頻率下的磁場力。即

從材料力學(xué)上分析，非晶合金材料在發(fā)生彈性形變時還存在應(yīng)變能。即

式中，u(ε)為非晶合金的應(yīng)變能；E為非晶合金的彈性模量；ε為非晶合金的磁致伸縮系數(shù)。

當(dāng)非晶合金變壓器鐵心受到最大磁場力（即Fcmax）作用時，非晶合金材料會產(chǎn)生最大應(yīng)變能。在只考慮基波頻率時，非晶合金單位體積內(nèi)的磁場力為

式中，△l為非晶合金沿磁場方向長度的變化量。

非晶合金變壓器鐵心振動強(qiáng)度與磁致伸縮引起的磁場力大小直接相關(guān)，而非晶合金由磁致伸縮現(xiàn)象導(dǎo)致的長度變化又與磁感應(yīng)強(qiáng)度直接相關(guān)，所以使非晶合金變壓器鐵心振動的強(qiáng)度隨著非晶合金磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場力的變化而變化。此外，非晶合金變壓器在特殊情況下會受到直流偏磁（由太陽磁暴或勵磁電流中的直流分量引起）的影響，導(dǎo)致非晶合金變壓器鐵心的磁致伸縮現(xiàn)象更加嚴(yán)重，勵磁電流畸變也會產(chǎn)生諧波分量，最終引起非晶合金變壓器的噪聲急劇增大[6-7]。

2.2 非晶合金變壓器的繞組振動特性分析

在非晶合金變壓器的軸向上，繞組受自身重力、電磁力、上下夾件（墊塊）所施加力的共同作用而發(fā)生振動。繞組所受電磁力的輻向力使內(nèi)外層繞組變形，對繞組振動的貢獻(xiàn)較小，只有在短路情況下才會變得很大，所以這里暫不予考慮。繞組每單位長度所受的電磁力 f = B·i，力的方向可以由左手定則判斷。非晶合金變壓器的繞組可以看成由多個彈性元件組成的整體，上下夾件（墊塊）可以看成處于壓縮狀態(tài)的彈簧[8-9]。當(dāng)繞組振動時，可以認(rèn)為繞組發(fā)生軸向位移，其運(yùn)動方程可以表示為

式中，M為非晶合金變壓器繞組的質(zhì)量；C為非晶合金變壓器繞組的阻尼系數(shù)。K為非晶合金變壓器繞組的彈性系數(shù)；S為非晶合金變壓器繞組的軸向位移；F為非晶合金變壓器繞組的電磁力；g為重力加速度。

上式的通解等于左側(cè)齊次方程的通解與常微分方程特解之和。左側(cè)齊次方程為

其特征方程可以表示為

無論油浸式非晶合金變壓器還是干式非晶合金變壓器，繞組在油和空氣中的阻尼都是很小的，即所以式（8）的解是復(fù)數(shù)，即

式中，A和θ為積分常數(shù)，由起始條件確定；ω0為繞組固有振動頻率。

繞組振固有振動頻率可以表達(dá)為

式中，ω0為非晶合金變壓器繞組的固有振動頻率。

上式中，彈性系數(shù)K與非晶合金變壓器繞組的壓緊程度相關(guān)，繞組壓的越緊，彈性系數(shù)越大，固有振動頻率就越高。非晶合金變壓器在設(shè)計和裝配過程中，鐵心、油箱、夾件等器件應(yīng)回避繞組的固有振動頻率及其整數(shù)倍關(guān)系的頻率，以避免共振現(xiàn)象引起繞組的振動噪聲增大[10]。

3 降低非晶合金變壓器噪聲的措施

3.1 優(yōu)化非晶合金變壓器鐵心結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1）傳統(tǒng)變壓器都是以鐵心作為支撐骨架懸掛繞組，非晶合金變壓器鐵心受力過大會增大噪聲。增加繞組的機(jī)械強(qiáng)度，在繞組上下端面用結(jié)構(gòu)件支撐，實(shí)現(xiàn)以繞組為支撐骨架懸掛鐵心，這樣可以使非晶合金變壓器鐵心僅承受自身重力的作用，減小非晶合金變壓器鐵心因受力過大而引起的噪聲。

2）非晶合金變壓器鐵心由于非晶合金帶材的搭接會存在很多接縫，這些接縫會增大鐵心的振動幅度。采用非晶合金帶材的連續(xù)卷制工藝，制成無接縫結(jié)構(gòu)非晶合金變壓器鐵心可以大幅緩解由接縫引發(fā)的振動噪聲。這種無接縫結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)工藝要求較高，需要保證非晶合金帶材卷制整齊，又不能使非晶合金帶材受力過大。

3）非晶合金帶材存在固有振動頻率，當(dāng)非晶合金變壓器其他材料的振動頻率與非晶合金帶材或鐵心的固有振動頻率相近或成整數(shù)倍關(guān)系，會引起共振，使變壓器的噪聲急劇增大。所以，在特殊情況下設(shè)計非晶合金變壓器時，可以采用軟件計算出各主要結(jié)構(gòu)件的振動模態(tài)和頻率，合理選擇非晶合金帶材的寬度，避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 提高非晶合金變壓器鐵心制造工藝水平

1）非晶合金變壓器鐵心的搭接接縫一般有兩種形式，直接縫（即鐵心接縫從端面觀察是矩形結(jié)構(gòu)）和扇形接縫（即鐵心接縫從端面觀察是扇形結(jié)構(gòu)），扇形接縫工藝相對復(fù)雜，外層接縫比內(nèi)層接縫多、搭接層數(shù)少，接縫處的厚度也相對薄，由鐵心接縫產(chǎn)生的噪聲也相對減小，因此采用扇形接縫可以有效緩解噪聲。

2）非晶合金變壓器鐵心對應(yīng)力極為敏感，故硅鋼變壓器所用的鐵心夾件不能直接作用在非晶合金變壓器鐵心上，非晶合金變壓器鐵心通常采用表面涂覆環(huán)氧樹脂或膠水、配合使用綁扎帶及拉板等方式固定鐵心，這些方式配合使用可以約束鐵心的張力，減小磁致伸縮量，最終實(shí)現(xiàn)抑制非晶合金變壓器鐵心振動傳遞的作用。

3）退火可以改變非晶合金晶粒的取向狀態(tài)，降低材料的磁致伸縮程度。采用先進(jìn)的退火工藝，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得到適合不同種類非晶合金帶材的退火溫度、升溫時間、保溫時間等，在合理范圍內(nèi)能夠明顯降低非晶合金變壓器鐵心由磁致伸縮而引起的噪聲。

3.3 增加隔音降噪材料

在非晶合金變壓器器身與油箱之間增加減震材料（如橡膠），可以緩解鐵心振動。在油箱內(nèi)壁增加隔音壁（如瓦楞紙板等）、在油箱后壁增加鋼板或在非晶合金變壓器表面及周圍增加吸音材料，也可以降低噪聲[11]。

非晶合金變壓器的噪聲是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，不僅與每一個結(jié)構(gòu)件和制造工藝有關(guān)，還與產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。當(dāng)高壓套管運(yùn)行異常、內(nèi)部放電、過載等情況出現(xiàn)時，都會直接或間接導(dǎo)致變壓器噪聲增大。因此，根據(jù)非晶合金材料的磁致伸縮特性，結(jié)合非晶合金變壓器的噪聲本質(zhì)，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、合適的制造工藝、先進(jìn)的降噪材料，并保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，非晶合金變壓器的噪聲問題應(yīng)該不會成為制約其大范圍應(yīng)用和推廣的瓶頸。