磁致伸缩引起的电力变压器振动噪声基础及拓展研究

Power transformers are important devices in power transmission systems. But their cores and windings could produce vibration and acoustic noise by magnetostrictive effect, Maxwell electromagnetic stress and Lorentz force, of which the iron cores magnetostriction is considered as the dominant vibration source of noise emission. Acoustic noise has become a bad environmental pollution source in some situations, and its vibration and noise reduction has become an urgent problem need to be solved..The magnetostriction, joints forms and winding structures of iron cores, the limitations of test, modelling, and experimental measurement of vibration and noise characteristic, are all the difficult reasons to analyze the vibration and acoustic noise of transformers. Comprehensive study for the basic theory and experiment of magnetostriction and their expansion, the simulation verification and novel ways to reduce vibration and acoustic noise of power transformers is focused in this project. The researches include: I. Magnetostrictive model involved in the coupling of magnetism-force-deformation and its test verification; II. Basic experiment and verification of iron cores magnetostriction and their expansion; III. Research on vibration and noise reduction of power transformers. The research results can provide powerful design reference and technical support for the development of large capacity, high performance and low noise power transformers.

电力变压器是输变电系统的重要装备，其铁心和绕组受磁致伸缩效应、麦克斯韦力和洛伦兹力的共同作用，会产生振动噪声，其中铁心的磁致伸缩被认为是辐射噪声的主导振动源。在一些场合这些噪声已是关键的环境污染源，其减振降噪已成为亟待解决的难题。.铁心磁致伸缩、接缝型式、绕组结构等，以及振动噪声特性测试、建模和试验测量的局限性，都给其振动噪声分析带来困难。本项目拟研究电力变压器铁心磁致伸缩的基础理论、基本试验及拓展、模拟验证以及减振降噪的新途径，研究过程主要从以下方面展开：1、磁致伸缩引起振动的磁-力-变形建模；2、铁心磁致伸缩的基本试验验证及拓展研究；3、电力变压器减振降噪的研究。研究成果可为开发大容量、高性能、低噪声的电力变压器提供强有力的设计参考依据和技术支撑。

随着人们环保意识的增强，降低变电站、换流站等电力设施中电力变压器、电抗器所产生的噪声污染成为亟待解决的难题。基于电力变压器铁芯振动和噪声的主要来源，以电工钢片为基本对象，研究磁致伸缩引起的变形与叠置钢片结构受力之间的相互作用，并拓展到包括接缝的麦克斯韦力及绕组的洛伦兹力，探寻整体结构的主动减振降噪新方法且加以试验验证。主要成果包括：将电磁力的频率和空间分布与结构的固有频率和模态振型相一致，探究结构形变的共振现象，并以此为基础建立磁致伸缩引起的磁-力-变形模型，逐步延伸考虑麦克斯韦应力及绕组受力振动影响。采用结构有限元法计算铁芯的振动与噪声，通过单片级和多片级方型与环型钢片循序渐进的试验测试进行验证，提出了铁芯与绕组位置互换的新型铁芯结构设计，有效地降低了电力变压器的振动和噪声，试制了全新的电工钢片磁致伸缩测量装置。基于有限元与边界元相结合的方法，建立了三维全尺寸电力变压器多物理场电磁-力-结构-声耦合模型，旨在提高计算精度和效率。通过数值计算与试验对比，在扩展平面和三维区域分别进行了近场和远场剖面分析，以表征外部声场，结果表明电力变压器空间声压级水平在频域中的多个层面，可用于有效的外部声场测量和周围的声域规划，以及指导变电站和换流站内吸声结构的差异化设计。在谐响应分析的基础上，利用结构网络对干式空心电抗器进行电磁力映射，描述正弦波电流激励下的结构振动谱，结果表明，电抗器的整体结构振动以轴向为主，径向振动较小，并提出了基于线圈与上下撑条结构优化与改进的主动减振降噪方法。最后，延展性研究了高频旋转激磁条件下电工钢片的涡流集肤效应，提出了改进的涡流损耗近似表达式。上述基础理论与综合试验相结合的方法与研析可为开发大容量、高性能、低噪声电力变压器和电抗器提供强有力的设计参考依据和技术支撑。