基于分步有限元法的110kV变压器振动与噪声研究.pdf
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1、基于分步有限元法的110 kV变压器振动与噪声研究谢璐佳1,张凡2,刘灿东1,郑纪虎1,罗虎3,席儒3,汲胜昌2,赵儆1(1.特变电工科技投资有限公司,天津301700;2.西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室,西安710049;3.特变电工衡阳变压器有限公司,湖南 衡阳421200)摘要:为解决现有的变压器振动噪声仿真方法存在计算量过大、难以求解、对工程实际的参考价值较小的问题,文中提出一种基于Comsol Multiphysics有限元仿真软件的变压器振动噪声分步有限元仿真方法。首先,考虑硅钢片各向异性修正铁心材料参数,计算铁心在磁致伸缩效应影响下的形变仿真结果;其次,根据实际形态
2、及彼此配合关系,考虑辐向油道,构建绕组、油箱、铁心和垫块的二维模型,获得绕组的振动仿真结果;最后,构建变压器整体三维模型,将铁心在磁致伸缩效应影响下的形变仿真结果以及绕组振动的形变结果引入声场仿真中,并将铁心、绕组的振动仿真结果作为边界条件,计算变压器本体振动噪声。该方法实现绕组微观结构与宏观结构之间的协同仿真,并在空、负载工况下均能同时考虑铁心及绕组振动的影响,仿真结果与试验结果对比,空载噪声A计权声压级误差小于5%,满足工程实际要求,负载噪声仿真结果与理论计算结果对比,误差小于8%,验证仿真方法的正确性。关键词:变压器;振动噪声;分步有限元法;声压级Research on Vibratio
3、n and Noise of 110 kV Transformer Based on Staged FiniteElement MethodXIE Lujia1,ZHANG Fan2,LIU Candong1,ZHENG Jihu1,LUO Hu3,XI Ru3,JI Shengchang2,ZHAO Jing1(1.TBEA Science&Technology Investment Co.,Ltd.,Tianjin 301700,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation andPower Equipment,Xi an Ji
4、aotong University,Xi an 710049,China;3.TBEA Hengyang Transformer Co.,Ltd.,Hunan Hengyang 421200,China)Abstract:For solving such problems as excessive calculation,difficult solution and little reference value for engineering practice of the vibration and noise simulation method of existing of transfo
5、rmer,a kind of staged finite element method of vibration and noise of transformer based on Comsol Multiphysics is proposed.Firstly,the material parameters of the core are modified with consideration of the anisotropy of the silicon steel sheet,and the deformationsimulation results of the core under
6、the influence of magnetostrictive effect are calculated.Secondly,according to theactual configuration and mutual cooperation relationship,the twodimensional model including winding,oil tank,core and pressboard is constructed with consideration of the radial oil channel,and the vibration simulation r
7、esultsof winding are obtained.Finally,the overall threedimensional model of the transformer is constructed and simulationresult of deformation and the deformation result of the winding vibration under the influence of magnetostrictive effect of the core are introduced into the sound field simulation
8、.The vibration simulation result of the core and windingare taken as the boundary condition to calculate the vibration noise of the transformer proper.This method realizesthe cosimulation between the micro structure and macro structure of the winding,and can consider the influence ofthe core and win
9、ding vibration simultaneously under both noload and load conditions.The simulation results are第59卷第8期:002200342023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59,No.8:00220034Aug.16,2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.003_收稿日期:20230311;修回日期:20230520基金项目:国家自然科学基金资助项目(52007145);新疆自治区揭榜挂帅科技项目。Project Supported
10、 by National Natural Science Foundation of China(52007145),Technological Project Supported by XinjiangAutonomous Region.0引言电网系统的快速发展对变压器提出了更高的要求。其中,变压器的振动噪声作为设计过程中重点考虑的技术指标之一,受到了国内外学者的广泛关注。变压器振动噪声的大小,也成为评判一个科研单位或生产单位设计与生产能力的重要评判标准1-3。变压器振动噪声的来源主要包括绕组、铁心及冷却系统的振动,见图1。按照振动的产生,传递及油箱的响应可将上述过程分为3个子过程,即:油箱
11、内部铁心和绕组产生振动;内部振动通过变压器油和本体紧固件传递至油箱;油箱接受传递来的振动而振动。这3个过程紧密联系,各个过程之间具有非常强的耦合作用。图1变压器振动噪声的产生与传递Fig.1Generation and transmission of vibration and noisein transformer在 铁 心 的 固 有 振 动 特 性 研 究 方 面,R.D.Henshell等提出了多连杆等效模型,将铁心柱与铁轭视为直杆,降低了模型计算的复杂度4;R.S.Girgis则提出了铁心固有振动频率的计算经验公式5,很多国内外学者还采用有限元仿真的方式,对铁心整体进行了仿真分析,计
12、算了铁心的振动模态6-7。然而铁心的多层叠片结构使铁心的力学特性呈现出显著的各向异性,使用铁心整体模型进行分析会使铁心在弯曲方向上的固有振动频率远大于实际频率,不能很好的反映铁心的实际振动特性。杜杰伟对不同叠片数量下的硅钢叠片振动特性进行了研究,认为硅钢片面外弯曲振动的振动固有频率基本不随硅钢片层叠数量发生改变8。R.S.Masti则分别建立了铁心整体、多铁心级堆叠和硅钢片层叠模型,与试验结果比较后认为硅钢片的层叠模型能够反映铁心层叠结构下的固有振动特性9。王玉兴等则将一定数量硅钢叠片视为悬臂梁并进行模态试验,提出了使用等效杨氏模量进行铁心建模的方法10。在绕组的振动特性研究方面,自20世纪6
13、0年代,描述绕组轴向振动主要采用了质量弹簧阻尼模型,将绕组线饼视为质量刚体,垫块视为弹簧和阻尼11-12,在后续研究中,也有学者搭建了有限元仿真模型,对垫块的非线性力学特性造成的影响进行分析13-14,但由于大型电力变压器的绕组结构尺寸与整体尺寸差异较大,结构过于复杂,研究人员多使用圆筒模型对绕组进行等效15-16,但绕组圆筒模型中未考虑绕组的轴向振动,且改变了绕组的整体刚度,不能很好的体现绕组整体的振动特性。在变压器整体振动噪声外特性研究方面,由于绕组与铁心之间存在机械连接,在装配后铁心和绕组的振动特性会发生一定改变。郑婧等使用激光测振仪获得了空载条件下施加不同压紧力的绕组振动频率及空间分布
14、17。谢坡岸等则对空载时不同绕组压紧力下油箱表面的空载振动信号特征进行了分析18。M.Jin等对油箱表面在冲击力锤和电激励下,油箱充油和无油情况时的振动响应进行了分析,认为在无油状态下,振动在由内而外的传递过程中出现了显著的能量损失,而在充油状态下的流固耦合不但增强了低频振动传递效率,还使振动分布更加均匀,加强了油箱中的振动传递19。振动的传递驱动了油箱的振动,并使油箱向外辐射声压,M.Ertl的研究表明,当油箱的固有振动频率接近内部振源振动频率时,变压器的噪声会提高810 dB,并以自由空间平板声辐射模型为基础,提出了变压器整体声功率的估算方法,对声辐射效率随频率的改变进行了研究,发现600
15、 Hz以下的声辐射效率与频率呈对数正比,每倍频提升了6 dB15。此外,在交变磁场作用下,变压器的油箱和套管法兰中会产生感应电流和洛伦兹力进而引起包括油箱在内的金属部件振动,并向外辐射噪声20-22。张学斌则建立了变压器壳体、绕组与铁心的流固耦合模型,并对变压器油对变压器固有振动特性的影响进行了分析23。目前,对于变压器振动噪声的产生机理及特性的研究主要针对整体外特性及绕组、铁心等不同部件独立展开,未考虑铁心和绕组振动的耦合,且在空载噪声计算中大多根据B-曲线计算变形,未考虑固有频率的影响,在负载计算时绕组建模一般忽compared with the test results,the erro
16、r of the Aweight sound pressure level of the noload noise is less than 5%,whichmeets the actual engineering requirements.Moreover,the simulation result of load noise is compared with the theoreticalcalculationresult,theerrorislessthan8%,whichverifiesthecorrectnessoftheproposedsimulationmethod.Key wo
17、rds:transformer;vibration and noise;staged finite element method;sound pressure level变压器技术谢璐佳,张 凡,刘灿东,等.基于分步有限元法的110 kV变压器振动与噪声研究232023年8月第59卷第8期略了幅向油道,将饼数绕组等效为圆筒。因此,文中提出一种变压器振动噪声分步有限元仿真方法,考虑磁致伸缩的各向异性的影响,并从磁致伸缩能量的观点计算铁心振动,实现绕组微观结构(线饼、油道等)与宏观结构之间的协同仿真,解决圆筒等效方法的失真问题。1变压器振动噪声分步有限元仿真方法为解决现有技术中计算量过大、难以求解
18、及简化过度、仿真结果与实际差异较大、对工程实际的参考价值较小的技术问题,文中提出一种分步等效的变压器振动噪声仿真方法。该方法首先进行变压器铁心与夹件应力分析,考虑硅钢片各向异性修正铁心材料参数,建立铁心磁致伸缩效应三维仿真模型,对磁场分布和受磁场影响下的铁心的磁致伸缩情况进行计算,得到铁心在磁致伸缩效应影响下的形变仿真结果;其次,根据实际形态及彼此配合关系,构建绕组、油箱、铁心和垫块的二维模型,并对绕组的振动情况进行仿真,获得绕组的振动仿真结果,将绕组振动产生的声压视为一个圆柱面声源,并与三维模型进行耦合,绕组二维轴对称模型的位移边界也与三维模型耦合,实现二维轴对称和三维模型中所有变量共享,即
19、可以相互影响;最后,按照实际尺寸与结构,沿用所建立的铁心三维模型并添加实际油箱、夹件三维模型,进行整体变压器振动和声场的仿真,将铁心在磁致伸缩效应影响下的形变仿真结果以及绕组振动的形变结果引入声场仿真中,并将铁心、绕组的振动仿真结果作为边界条件,计算三维情况下整体变压器的振动噪声。该分步等效变压器振动噪声仿真方法流程图见图2。图 2 中:轧制方向(rolling direction,RD);垂直方向(transverse direction,TD)。2变压器空载振动噪声仿真2.1磁致伸缩模型磁化过程实质上是磁畴壁的移动以及磁畴磁矩的旋转,磁化过程是产生磁致伸缩的主要原因。电工钢片为立方晶体结构
20、,由若干晶粒组成,易轴方向为1 0 024。每一个晶粒的内部皆由6个沿着晶体易轴方向的磁畴构成,结构示意图见图3。对于立方对称的单晶,磁致伸缩应变张量可以写成以下二次型25me=32100mm-13I+()111-100ijmimj()eiej(1)式(1)中:mm=mimj,mi和mj是迪卡尔坐标系中|M|/MS的单位方向向量,M表示磁化强度,|M|=Ms;ei、ej是磁化强度矢量与易磁化轴之间的定向余弦;100和111分别为沿着1 0 0和1 1 1方向的饱和磁致伸缩常数,并与材料所受应力有关。典型硅钢图2分步有限元变压器振动噪声仿真方法流程图Fig.2Flow chart of stag
21、ed finite element simulationmethod of vibration and noise in transformer图3多晶结构与磁畴单位磁化矢量示意图Fig.3Schematic diagram of polycrystalline structureand magnetic domain unit magnetization24片在不同应力下的磁致伸缩峰峰值曲线见图426。以特变电工衡阳变压器有限公司生产的SFZ13-50000/110型号变压器为例,根据对称性,建立铁心的1/4模型,见图5。图5铁心受力模型Fig.5Core model为控制噪声且满足空载损耗
22、及机械强度要求,变压器铁心夹紧力P一般选择在0.10.15 MPa范围内,其值由调节夹紧螺杆的拧紧力矩大小T(单位:Nm)来实现,其与夹紧力F(单位:N)的换算公式为F=Tktd10-3(2)式(2)中:kt为扭矩系数,范围取0.110.15;d为螺杆公称直径(外径),mm。根据铁心所采用的紧固螺丝的尺寸及采用的螺栓拧紧力矩(180200 Nm)计算获得铁轭夹件螺丝的压紧力见表1。表1铁心压紧力Table 1Compression force of core位置铁轭夹件螺丝铁轭拉带螺丝螺杆直径/mm2824压紧力/kN43655075螺杆应力/MPa69.8105.0110.0166.0分别取
23、夹件和拉带的平均压紧力54kN和62.5kN施加于模型中螺丝的截面上。根据绕组垫块和压板的面积比计算获得上下压板的载荷分别为0.2 MPa,施加于上下压板表面,重力沿-z方向。计算获得第一级铁心表面的压力分布见图6。由计算结果可知,第一级铁心上的z、x方向正应力均小于0,说明在硅钢片的RD和TD方向上呈现压缩作用。图6第一级铁心的正应力Fig.6The normal stress of the first stage core计算获得铁心不同级的平均正应力见图7。第一 级 铁 心 的 z、x 方 向 正 应 力 约 为 0.02 MPa和-0.19 MPa。随着级数增加,正应力均减小,其图40
24、.3 mm CGO硅钢片在面内轧制方向和垂直方向的磁致伸缩系数Fig.4Magnetostriction coefficients of 0.3 mm CGOSilicon steel sheets in rolling direction andtransverse direction变压器技术谢璐佳,张 凡,刘灿东,等.基于分步有限元法的110 kV变压器振动与噪声研究252023年8月第59卷第8期中第 17 级铁心的 z、x 方向的平均正应力减小为-0.06 MPa和-0.31 MPa。图7每一级铁心的平均正应力Fig.7Average normal stress of each st
25、age core根 据 铁 心 的 平 均 应 力,参 考 图 4,选 择100=-0.5 L/L,111=15 L/L。将相关参数设置添加到铁心振动固体力学分析模块中,考虑磁致伸缩的各向异性的影响。2.2铁心振动模型由于铁心具有非线性励磁特性,建立的三维模型复杂,网格数量多,采用场路耦合非线性计算的规模和时间较大,求解十分困难,因此需要采取合适的等效和叠加方法。构建完成的铁心及简化绕组实体见图8,并建立略大于该尺寸的空气域,场路耦合的外电路见图9。电压施加后,铁心中产生一定的励磁涌流,涌流产生后,外电阻电阻熵的电压增大,线圈上承受的电压减小,电压波形畸变。在20 ms以后,励磁涌流逐渐减小,
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