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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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  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。

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

  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。

  2.1.3实验样机

  2020年12月,上海置信电气非晶有限公司对产品编号为FY7B202010S0020001的400kVA实验样机进行搭接面多状态条件下的噪音试验,试验变压器的额定电压为10/0.4kV,设计磁密1.35T。

  2.1.4实验流程

  噪音实验流程如图3所示,将实验样机器身中非晶铁心的下铁轭状态定义为松散、平实及紧实三种状态,分别对应下铁轭托板在未上升、上升10mm及上升15mm三种位置条件,使铁心下铁轭分别呈自然垂坠、自然水平及压紧密实形态,并检测样机在不同状态条件下的噪音数据。

  2.1.5实验结果


  2.2实验结果分析

  根据GB/T 1094.10《电力变压器第10部分:声级测定》[3]中平均声压级计算公式

  式中:N为测点总数。

  表2数据显示,在磁密为1.35T时,非晶配变样机在下铁轭搭接处于平实状态,即下铁轭搭接面抬升10mm,搭接处于水平状态下,噪音数据最佳。平实状态数据与松散及紧实状态数据差值近4dB,降噪幅度明显。

  表1和表3数据显示,同比紧实状态及松散状态噪音数据,样机在平实状态下,各铁心端面侧各点噪音测试值,均有不同幅度降低。铁心塔头在平实状态下各点测试值相较松散状态的下降均值为4.8dB;相较紧实状态的下降均值为3.4dB。

  3结论

  (1)非晶铁心磁饱和状态的磁通分布随基准磁密的增加而变化,分布状态由四角至四边。并随着磁密的持续提升,最终达成整体铁心的饱和。

  (2)非晶合金平面卷铁心配变的铁心搭接状态,是影响其噪音性能的核心因素之一。铁心搭接面处于贴合不完整、扭曲、压紧受力等状态时,铁心搭接面的通磁质量下降,且由于非晶铁心受力敏感的物理特质,噪音性能畸变的负面效应将大幅度增加。

  (3)非晶合金平面卷铁心配变在1.35T设计磁密及试验磁密条件下,其器身铁轭搭接面状态处于平实状态时,其噪音性能符合且优于国际标准常规设备噪音要求。

  参考文献

  [1]全国变压器标准化技术委员会.油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求:GB/T 25446—2010[S].北京:中国标准出版社,2011:5.

  [2]国家电网有限公司科技部.10kV变压器采购标准第4部分:10kV三相油浸式非晶合金变压器专用技术规范:Q/GDW 13002.4—2018[S].国家电网有限公司,2019:6.

  [3]中国电器工业协会.电力变压器第10部分:声级测定:GB/T 1094.10—2022[S].北京:中国标准出版社,2023:5.

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