變壓器彈簧減振降噪裝置的設計研究

國網蘇州供電公司 楊啟明 趙子寧 薛偉峰

1 引言

變壓器作為變電站關鍵設備，在整個變電站電力輸送方面發揮著非常重要的作用。但在變壓器實際運行過程中，自身以及冷卻系統會發出頻次較高的噪音。這種噪音不僅會影響變壓器本身的運行狀態，同時還會對周邊居民日常生活帶來嚴重的影響，甚至還會危及居民身體健康。隨著社會對變電站建設提出的要求越來越高，僅僅采用傳統的橡膠減振墊片，已經難以滿足實際變電站減振降噪的需求，因此有必要加強對一種變壓器彈簧減振降噪裝置的設計研究，從而有效解決上述問題，防止變電站中的變壓器產生過大的噪音。這不僅有利于周邊居民身體健康，同時對改善變壓器本身的運行狀態也有著較為積極的影響意義。

2 研究背景

變壓器在實際工作運行時，自身會產生一定的噪聲。從變壓器噪音形成源頭來看，主要包括以下幾點原因：一是變壓器運行引起箱體振動。變壓器在實際運行過程中，無論是機殼、風機、還是母線橋等，都容易發生振動現象。其中，機殼和風機的噪聲主要是由機械振動引起的。對于母線來說，當內部電流較大時，就會產生漏磁場，從而引起母線振動。這種振動也會帶動母線橋振動，造成變壓器噪聲。與此同時，在變壓器相鄰疊片及硅鋼片的接縫部位，也會出現漏磁現象，由此引起共振問題。

二是變壓器安裝不當。部分安裝人員在進行變壓器安裝時，沒有做好變壓器設備的平衡工作，整體安裝不穩固，在運行期間產生振動，引發噪聲。

三是變壓器線圈振動。當變壓器線圈流過負載電流時，就會發生漏磁現象，導致線圈振動而產生噪聲。

變壓器的噪音頻次如果高達50Hz，對周圍居民日常生活將會帶來嚴重的干擾。同時，長期生活在這種噪聲環境下，還會對居民的身心健康帶來嚴重的威脅。因此，在實際進行變電站建設時，除了需要注重做好隔音處理以外，還需要從噪音來源入手，加強對變壓器振動噪聲控制。從當前變壓器市場環境情況來看，絕大多數變壓器本身能夠滿足電力運行標準要求。但往往忽略了對運行環境的關注，難以有效降低變壓器噪音。因此，需要采用一些輔助噪音控制設備，有效降低噪聲。通過從聲音傳播學角度入手，來對變壓器結構聲音傳播進行分析，并針對發聲來源——變壓器機組，來進行隔振處理，在此基礎上，還可以鋪設一些吸聲設備，有效削弱變壓器運行噪音的影響。

實踐表明，減輕變壓器振動，能夠有效改善變壓器噪音污染問題[1]。而對金屬彈簧來說，其具有較好的緩沖減振、抗腐蝕性強的特點，并且彈簧的使用壽命也相對較長。在這一背景下，可以嘗試設計一種變壓器金屬減振降噪裝置，來替代傳統橡膠減振墊片，有效彌補了其使用壽命較短、易老化的缺陷。為了達到這一目的，解決變壓器噪聲污染問題，本文針對型號為S11-M-630/10變壓器,設計了一種新型金屬彈簧減振降噪裝置。在此基礎上，利用ANSYS 軟件，建立有限元模型對裝置結構進行動力學分析，從中獲得該彈簧裝置固有頻率，并通過計算，從理論層面出發，得出裝置振動傳遞率與減振效率數值。

3 變壓器彈簧減振降噪裝置的設計分析

3.1 結構設計

對減振裝置來說，一般分為兩種減振類型，一是主動減振類型，另一種是被動減振類型。針對變壓器減振設計，為了降低變壓器運行振動幅度，削弱噪聲向外擴散的影響力。針對變壓器金屬彈簧減振裝置設計，可采用第一種減振類型，即主動減振，主要目的是主動削弱變壓器振動的頻率，并加強噪音控制擴散范圍的控制，有效降低噪音帶來的影響。在實際設計過程中，可采用組合彈簧設計形式。這種設計形式能夠有效保障壓簧穩定性，同時還能夠正確彈簧建筑裝置的抗疲勞強度，延長其使用壽命。在設計時，可采用埃爾米特矩陣，并聯設置12根彈簧，如此一來，可以對振動時間進行有效的延遲，還能有效削弱振動幅值。這對整個彈簧裝置的減振效率提升也有著積極的影響意義。

變壓器金屬彈簧減振降噪裝置如圖1所示。在圖1中，1代表“泡沫鋁”；2代表“裝置上頂板”；3代表“金屬彈簧”；4代表“裝置下底板”；5代表“導套”；6代表“矩形盒”。通過圖1可知，在上、下頂板之上，分別焊接了固定導套；與此同時在不同導套之中，則分別固定了對應的金屬彈簧，從而確保了彈簧在導套與頂板的約束下，只會進行上、下位移，不會左、右、前、后進行位移。在上、下底板中，還焊接有矩形盒，在矩形盒內，放置了泡沫鋁。這種泡沫鋁材質具有較好的吸振降噪作用。同時，在上、下頂板四周，還焊接了鋼板。在彈簧運動過程中，如果自身承受的壓力過高，已經超過了自身能夠承受的最大壓力，此時上、下會直接貼合在一起，避免彈簧進一步變形。該設計可以對彈簧導向與過載起到非常好的保護作用。

圖1 變壓器金屬彈簧減振降噪裝置結構示意圖

3.2 彈簧裝置技術指標

變壓器在實際運行時，發出的噪音分為多種類型，一種是變壓器本身發出的噪音，還有一種是變壓器冷卻系統發出的噪音。前者發出噪音聲時，主要受鐵芯和繞組振動的影響。這種振動將通過鐵芯墊和變壓器油傳遞到變壓器的箱體。由此會發出本體噪音。后者則是變壓器的風扇油泵在實際運行時，產生的振動所引起。對鐵芯而言，在振動發聲時，是因為硅鋼片受磁致伸縮的影響，從而進行發聲振動[2]，并且這種振動頻率比較高。繞組在進行振動發聲時，則是受電流在繞組中產生的電磁力所影響。在變壓器中，鐵芯與繞組還會受諧波電磁力分布頻率的影響，一般頻率范圍在100～500Hz。

對彈簧減振降噪裝置而言，相較于傳統降噪裝置，這種裝置工作運行更加穩定可靠，且整體的裝置結構也比較簡單。不僅如此，該裝置在實際運行時，對負載有著非常嚴格的要求。一般情況下，要求承載物重要不得超出變壓器金屬彈簧減振降噪裝置的負載。對型號為S11-M-630/10的變壓器而言，在含油的情況下，這種變壓器質量為2341kg，長為1.57m，寬為0.92m。通過在該變壓器底座下配置兩個金屬彈簧減振降噪裝置，便能夠起到良好的降噪隔振效果。設計的金屬彈簧減振降噪裝置主要技術參數如下：負載質量為1200kg；垂直剛度為1mm/49kg；阻尼比為0.09；具體規格為90cm×30cm×15cm。

3.3 金屬彈簧參數設計

對變壓器而言，在實際工作運行時，自身產生的動載荷并不高,與變壓器自重相比，這種荷載可以忽略不計。在裝置內部，彈簧采用了并聯布置形式。并且針對不同的彈簧，排列形式一致，實際受力也基本相同。同時，在設計時也要考慮頂板的重量，為了保證裝置的安全，每個彈簧的外力值可設定為1.05kN。從材質角度來看，這種金屬彈簧可采用60Si2Mn 金屬材料，彈簧類型為圓柱螺旋壓縮彈簧，材料的許用切應力[τ]=480MPa，切變模量G=80000MPa。在計算曲度系數K 時，可采用以下公式：

在公式（1）中，C 代表彈簧旋繞比，取值為8。

在計算彈簧絲直徑d 時，可采用以下公式：

在公式（2）中，Fmax代表的是彈簧承受最大壓力，取值為1.05kN。其他字母代表意思同上。

通過將上述數值代入公式（1）和公式（2）之中?？捎嬎愠鯧=1.18，d ≥7.3mm。結合計算結果，根據GB/T1358-2009規定，彈簧尺寸取整數值8mm。

這種圓柱螺旋彈簧的中徑D 計算公式如下：

將上述數值代入公式（3），可得出D=64mm。結合計算結果，根據CB/T1358-2009規定，圓柱螺旋彈簧D 取值65mm，內徑D1取值57mm，D2取值73mm。

在計算圓柱螺旋彈簧有效圈數n 時，可采用以下公式：

在公式（4）中，KF代表的是彈簧剛度，取值為470.4mm。

在計算圓柱螺旋彈簧節距P 時，可采用以下公式：

在公式（5）中，α 代表的彈簧螺旋角，取值為6°。

在計算圓柱螺旋彈簧自由高度HO時，可采用以下公式：

通過將數值代入上式，可計算得出圓柱螺旋彈簧有效圈數n 為3.35圈。圓柱螺旋彈簧節距P 為24.68mm，圓柱螺旋彈簧自由高度HO為110.12mm。根據CB/T1358-2009規定圓柱螺旋彈簧有效圈數n 為4圈，同時在有效圈上還應加2至2.5圈，因此最終圓柱螺旋彈簧有效圈數n，可取值為6圈。圓柱螺旋彈簧自由高度HO，取值為115mm。

4 變壓器彈簧減振降噪裝置有限元分析

在上述設計的基礎上，通過采用ANSYS 軟件，來對圓柱螺旋彈簧進行有限元分析。在此過程中，需要建立有限元模型，完成材料參數設置，并進行網格劃分。最后對彈簧結構進行了動力模態分析，并根據分析結構確定了彈簧的固有頻率。通過在ANSYS 軟件前處理器中，完成彈簧裝置三維模型的建立，并在不對最終結果造成影響的前提下，對模型做進一步簡化處理。然后在該模型的基礎上，再加入彈簧材料屬性信息。

其中，彈簧的上下頂板采用了45鋼，單元類型采用了Solid8，彈簧材料采用了60Si2Mn 金屬材料。其中，45鋼的彈性模量為2.16×105MPa，泊松比為0.269，密度為7865kg/m3。60Si2Mn 金屬材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.290，密度為7850kg/m3。在完成網格劃分后，還需要進行模態分析。在這一過程中，需要對彈簧自由邊界條件進行設置，具體范圍在0～500Hz。從最終分析結果來看，這種變壓器彈簧減振降噪裝置固有頻率為24.405Hz。

5 變壓器彈簧減振降噪裝置隔震效果分析

對變壓器彈簧減振降噪裝置而言，可以采用振動傳遞率的大小來評價自身的隔振效果。而針對振動傳遞率TR，可采用以下公式進行計算：

在公式（7）中，ω 代表的是激振器固有的頻率，單位：Hz。ζ 代表的是阻尼比。ωn代表的是減振裝置固有的頻率，單位：Hz。其中，減振效率Js可采用以下公式計算：

從中可知，減振效率與減振效果成正比。通過在MATLAB 軟件的幫助計算公式（7），可得到如下結果：即當減振頻率遠大于時，能夠獲得非常好的減振效果，此時振動傳遞率無限接近于0。通過進行有限元分析，可知變壓器彈簧減振降噪裝置的固有頻率為24.405Hz。而變壓器的最低振動頻率為100Hz，最小的頻率之比為3.8，與相比，數值遠遠更大。因此能夠獲得非常好的減振效果[3]。最后，再通過將最小的頻率之比代入公式（7）、公式（8），可得出變壓器彈簧減振降噪裝置的振動傳遞率為0.087，減振效率為92.51%。當變壓器的振動頻率上升至100Hz 時，通過計算可得頻率之比為7.6，此時變壓器彈簧減振降噪裝置的振動傳遞率為0.027，減振效率為98.28%。通過這一計算可知，變壓器彈簧減振降噪裝置有著非常好的減振效果。

6 總結

總而言之，變壓器彈簧減振降噪裝置設計是一項較為專業且復雜的過程，在實際設計過程中，應認識到變壓器噪聲本身帶來的危害，了解傳統變壓器減振降噪裝置存在的弊端，并以此為依據，針對性地提出一種變壓器彈簧減振降噪裝置設計方式。在實際設計過程中，需要結合相關規范標準，明確相應的設計參數信息與技術指標，并做好相應的參數計算。同時，利用有限元分析方法對變壓器彈簧減振降噪裝置的結構進行動態模態分析，最終得到該裝置的固有頻率和振型。最后，還應通過計算振動傳遞率的大小，來對變壓器彈簧減振降噪裝置的減振效果進行計算分析，從而有效保障變壓器彈簧減振降噪裝置的設計質量。