Page 192 - 《应用声学》2023年第4期

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并研究了由铁芯接缝类型引起的噪声差异，结果表
0 引言
明接缝级数增多会降低噪声，但该研究结论同样是
大型电力变压器的噪声主要是由铁芯振动产 通过测试获得的，未能实现接缝对噪声影响的量化
生的 [1−2] ，而铁芯的振动则是由交变磁场中硅钢片 计算。
尺寸的变化，即磁致伸缩导致的。随着硅钢片生产 综上，已有的研究主要集中于接缝结构对铁芯
工艺的改进，硅钢片的磁致伸缩大幅降低，减小了变 磁特性及空载损耗的影响，铁芯接缝处对振动噪声
压器铁芯的辐射噪声。由于进一步改善材料性能相 的影响研究主要是通过模型测试结果的定性比较，
对困难，因此通过改进铁芯的叠片工艺以降低噪声 量化的计算研究很少。为准确计算接缝结构对变压
成为了变压器研发制造的重点研究方向。 器空载噪声的影响，本文提出了采用一种等效材料
工程经验表明，不同的铁芯接缝结构对于变压 模拟接缝结构磁致伸缩特性的方法，基于二维磁场
器铁芯的噪声具有明显的影响。接缝级数的增多有 仿真对接缝结构的磁特性及机械特性进行等效，利
助于降低噪声，但由于加工难度大，会导致制造成本 用等效的磁化特性曲线及磁致伸缩曲线定义一种
大幅上升。对于铁芯的磁场及振动计算，若考虑接 新的材料，实现对不同接缝结构磁致伸缩特性的计
缝结构，需对接缝气隙处进行精细化离散，使单元与 算。通过对采用不同接缝结构变压器样机模型的数
节点数量大大增加，对于计算机硬件要求极高，计算 值仿真及测试，分析了接缝结构对铁芯噪声的影响，
规模巨大，并且由于硅钢片材料与空气材料磁导率 验证了计算方法的有效性。
相差巨大，在不同材料交界面的解存在难以收敛的
问题，几乎无法获得计算结果。但是如果不考虑接 1 变压器空载噪声的产生机理
缝的影响，仿真计算往往与实际测试结果有较大的
1.1 铁芯磁致伸缩计算
差异。随着振动分析、噪声分析等在变压器故障诊
铁芯磁致伸缩的计算可采用磁场 -机械场耦合
断中的深入研究 [3] ，电力变压器空载噪声的准确计
算愈加重要，因此考虑接缝结构对铁芯振动及变压 的方法进行。铁芯励磁时，定义磁矢势A，则磁通密
器空载噪声的影响十分关键。 度B 可表示为
文献 [4–9] 通过仿真及测试分别对取向硅钢片
B = ∇ × A = µ 0 µ r H, (1)
及非取向硅钢片叠积而成的铁芯接缝处磁密分布
其中，µ 0 为真空磁导率，µ r 为铁磁材料相对磁导率，
进行了对比研究，定性地分析了铁芯接缝对磁通分
对于硅钢片材料，式 (1) 通常以磁化曲线 (即 BH 曲
布的影响；文献[10–14]通过测试硅钢片的磁化特性
及损耗特性曲线，借助铁芯模型研究了不同接缝结 线)进行描述。
结合微分形式的麦克斯韦方程组和欧姆定律
构对铁芯空载损耗的影响，采用叠片铁芯模型对变
压器铁芯的工作状态进行了研究，获得了铁芯接缝 矢量方程，以 σ J 表示电导率，J e 表示绕组的电流密
区的励磁伏安特性等数据，但未研究接缝对铁芯振 度，可得变压器瞬态磁场满足式(2)微分方程：
( )
动及空载噪声的影响，且主要工作是通过模型实验 ∂A ∇ × A
σ J + ∇ × = J e . (2)
测试完成的；文献 [15–16]分析了接缝结构对电力变 ∂t µ 0 µ r
压器铁芯模型的影响，表明接缝级数的增多有助于 以硅钢片的磁化特性及磁致伸缩特性作为耦
改善铁芯磁通密度的不均匀性，同时还评估了模型 合媒介，磁场与机械场的耦合关系可表述为
中包含的叠片数量与构建模型所需的计算资源之      
B µ 0 µ r d H H
间的关系；文献 [17] 提出了一种考虑等效磁化曲线   =     , (3)
ε d σ E −1 σ
的解析算法，用于考虑三相变压器铁芯接缝结构对
H
磁化特性及励磁电流和铁芯损耗的影响，但是未进 式(3) 中：σ 为应力，d 为应力状态变化对材料磁化
σ
一步分析不同接缝结构的影响；文献[18–20]通过模 特性的耦合因子，d 为磁场状态变化对材料磁致伸
型试验研究了铁芯接缝类型及叠片数量对噪声水 缩应变的耦合因子。结合式(2)及式(3)可对磁矢势
平的影响，用应变计测量了铁芯的局部磁致伸缩， A及应力σ 进行求解。