配电变压器的噪声与振动分析

基于有限元的配电变压器振动与声学性能多物理仿真研究


文章摘要

电力传输设备中，特别是电气设备如配电变压器这类关键部件，其振动与噪声的发生对环境和用户都产生了严重影响。研究表明，就变噪声所触发的环境噪声而言，配电变压器在电力传输设施附近尤为显著。因此，了解并模拟配电变压器的振动和声学特性变得尤为重要，这既能帮助设计人员预先预测并评估设备工作模式下的声学性能，又能通过研究其频率响应和振动模式，提高噪声控制和振动抑制的技术水平。本文提出了一种基于有限元分析的多物理模型，为深入理解和编制作 FCC 标准下变压器设计和优化提供了核心工具。

引言


变压器角色与挑战

配电变压器作为电能输送与分配的关键环节，其性能直接影响到整个电力网络的效率与安全性。现代需求促使设计者和制造商寻求一种能够准确预测变压器在常规运行状态下的振动和声学特性的仿真方法。传统的仿真工作往往只关注噪声和振动的分立研究，而忽视了它们之间的动态耦合，导致模拟过程中的不完整和潜在误报。

多物理模拟的必要性




多物理模拟，尤其是多物理/耦合模拟技术，对于全面理解变压器内的复杂物理现象至关重要。这些现象包括但不限于磁致伸缩效应、绕组电磁力、夹紧应力与油箱固有频率的相互作用，以及这些动态因素对油箱变形和噪声生成的影响。

安全法规与性能要求

近年来，法规标准对环境噪声范围进行了严苛管控，进一步提升了研发优化变压器噪声控制与振动抑制的需求。

分析框架与方法


A) 仿真流程建模

本文采用ANSYS Workbench环境，以三维有限元法构建了涵盖电磁、力学与声学的耦合仿真工作流程。流程以带油箱剖面的200kVA配电变压器为例，融合了磁致伸缩效应及铁心各向异性因素进行深入研究。

B) 机电声耦合仿真

电磁仿真：分析由激励与负载引发的电磁力与应力，计算轴线与非轴线磁通密度的动态变化，并确定不同损耗模式。

机械振动仿真：围绕特定频率进行详细专项分析，评估模式响应和结构共振问题。

声辐射模拟：依据机电态分析数据，推算不同条件下油箱内外压力分布，实现全环境声场仿真。

C) 结果分析与讨论

电磁模型验证：通过对损耗计算与预先设定表中数值的比对，评估仿真模型的准确性与可靠性。

振动与声学特性 siès：结合仿真结果，分析铁芯与油箱的振动情况，并在声学环境下量化声压级，为顶层设计效率提供依据。