Page 153 - 《应用声学》2020年第4期

第 39 卷 第 4 期 陆昕等： 干式变压器有限元仿真模型的电磁和振动分析 639

0 引言 1 干式变压器本体建模

干式变压器因具有损耗低、体积小、维护简单 现场安装的 SCB10-800KVA 10/0.4 干式变压
等优点而被广泛应用于室内供配电场所。由于电力 器如图 1 所示。本文针对这种常见的干式变压器进
需求的增长，干式变压器的数量也在不断增加。运 行分析，建立了有限元实体模型。因为干式变压器
行的干式变压器存在振动以及噪声的问题，给附近 中零部件多且连接方式多样，很难对其进行精确的
的居民和环境带来干扰。 有限元网格划分以及有限元计算。因此，整体建模
绕组铁芯振动是造成干式变压器噪声的重要 不是精确到所有零件的建模，而是从主要方面分析
原因 [1−6] 。其中铁芯振动和噪声的两个主要来源 建模，所以需要简化处理干式变压器。
为：(1) 交变磁场中硅钢片的非线性特性会引起磁
致伸缩 [7] ；(2) 铁芯并不是一个整体，在硅钢片叠
片之间存在缝隙，这种缝隙处的漏磁也能够在存在
电流激励的情况下对导体产生电磁力，从而引起振
动 [8−9] 。
当变压器绕组中通入交变电流时，绕组的周围
会产生磁场，除去沿着铁芯闭合的主磁通，还有漏磁
通，从而产生了漏磁场。在此漏磁场中的绕组之间
以及导线之间会受到电场力的作用而产生振动。绕

组振动是造成变压器带载运行振动的主要来源 [10] 。 图 1 SCB10-800KVA 10/0.4 干式配电变压器
由于上述问题的存在，众多研究人员围绕干式 Fig. 1 SCB10-800KVA 10/0.4 dry-type distribu-
变压器的电磁力和振动展开了大量研究。文献[2]进 tion transformer
行快速傅里叶变换 (Fast Fourier transform, FFT) 基于以上分析，本文在对变压器进行建模分析
分析和频域振动分析，得到变压器铁芯和绕组表 时进行了如下简化：
面各点的振动位移；文献 [11] 对变压器进行了声强 (1) 在建立模型时，不仅需要保持水平截面外
和振动测试，并对其频率特性进行了详细分析；文 缘轮廓形状，还要保证铁心中心柱、铁轭、中心柱的
献 [12]在耦合场理论的基础上完成了变压器在运行 长、宽、高、直径等各种尺寸与图纸完全一致，将旁柱
时由电动激励到绕组振动响应的整个过程的仿真 以及立柱简化，使其成为一个整体形式。
分析，建立了包括各向异性磁阻张量和磁阻质在内 (2) 由于夹具的结构比较复杂，在简化的仿真
的电力变压器铁芯磁-机械强耦合模型；文献 [13]建 模型中，将仅考虑铁芯叠硅钢片的结构。
立了基于电 -磁 -结构力学多物理场耦合的变压器 (3) 将绕组线圈视为一个整体处理。将变压器
铁芯和绕组综合振动的三维模型, 并通过仿真和试 绕组等效为圆筒形状，保持内外半径、圆筒的高度
验进行对比验证，得到了直流偏磁对变压器振动的 与实际测量的尺寸一致。
影响。但现有研究大都对干式变压器的铁芯和绕组
进行分析，因为变压器不同部位具有不同的振动特
性，而且不同部件的振动之间是互相影响的，因此在
振动特征频率下，对干式变压器整体进行分析对变
压器的减振降噪具有重要意义。
基于以上研究，本文构建了变压器本体振动的
有限元模型，进行了电磁分析，得到相应的磁场分
布。在此基础上，利用结构动力学对变压器模型进
行模态分析以及谐响应分析，并且进一步对其在特 图 2 变压器油箱简化模型视图
征频率下的振动云图进行比较分析。 Fig. 2 Simplified model view of transformer tank