CN105788815B - 一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法 - Google Patents

一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，包括以下步骤：根据未抗震加固的变压器箱体(1)的形状尺寸以及所想要的变压器振动和噪声的频率和幅值，设计作为变压器箱体(1)的受力骨架的空间框架(3)，然后将变压器箱体(1)固定在空间框架(3)上，再在变压器箱体(1)内部以及在空间框架(3)或变压器箱体(1)上安装变压器的其它部件，最后得到抗震加固和减振降噪的大型变压器。与现有技术相比，本发明能有效提高变压器抗震能力，结构简单、受力明确、能减轻变压器自身振动和降低变压器噪声等。

Description

一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法
技术领域
本发明涉及一种大型变压器的加固改造设计方法，尤其是涉及一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法。
背景技术
随着我国输变电工程向高压、超高压和特高压方向发展，交流变电站和直流换流站中装备了大量的关键变电设备——大型(即高压、超高压和特高压)电力变压器和换流变压器。这些大型变压器体积和质量大，造价高，而且变压器上安装了大量的套管。以往地震中，由于变压器箱体的动力放大作用，变压器套管出现了严重的损毁，致使变电站停运和电网大面积停电。此外，大型变压器在正常工作状态下，内部的铁心和线圈在高压电作用下产生磁滞伸缩和绕组间的电动力，致使变压器箱体存在50-1000Hz的振动和噪声。变压器的振动和噪声若处理不好，有可能产生环境污染，影响居民和工作人员的生产生活。
通常的大型变压器包括变压器箱体1，该变压器箱体1为由大件的壁板组成一个空心立方体箱体，散热器4，套管组件等安装在变压器箱体1上，套管组件由安装在变压器箱体1上的升高座5和安装在升高座5上的套管6组成，有些大型变压器的变压器箱体1的顶盖和侧壁上还设置了加劲肋2，如图1所示，用于加固变压器箱体1。箱体内部安放变压器铁芯和线圈，以及充满变压器箱体1内部的矿物油(变压器油)等。
因此，变压器箱体有两个主要作用：(1)变压器本体的受力骨架，支撑变压器箱体上的部件；(2)盛装箱体内部的矿物油。变压器箱体，尤其是大型变压器，是由钢板焊接而成的，往往刚度很小，在地震和变压器运输中，造成固定在箱体上的部件变形很大或动力放大过大而破坏，甚至箱体出现破裂而漏油。为了改善变压器抗震性能，现在常通过加大变压器箱体钢板厚度和设置大量加劲肋来加固变压器。这样的加固方式，不仅消耗了大量钢材、而且增大了变压器质量，这对变压器的运输和抗震也是不利的。此外，现有的变压器的变压器箱体通常都是由六块大的壁板密封连接而成的立方体箱体，这样在变压器内部磁滞伸缩和绕组间的电动力作用下，振幅比较大，容易产生较大的噪音。
针对变压器在地震中抗震能力不足的问题，一些研究者对大型变压器提出了抗震加固和基础隔震措施。曹枚根等(大型电力变压器及套管隔震体系的设计与应用，电网技术，第35卷第12期)通过组合橡胶隔震支座对变压器进行了基础隔震。中国专利ZL201020632046.2提出在变压器本体底部设置隔震元件和消能元件对变压器实施抗震保护。中国专利ZL201220558229.3通过L型固定板将底部带小车结构的变压器固定在基础及轨道上，防止小车在地震中滑动，从而提高变压器的抗震能力。美国Koliou和Filiatrault等(Seismic Response of High-Voltage Transformer-Bushing Systems IncorporatingFlexural Stiffeners I:Numerical Study，Earthquake Spectra,Volume 29,No.4,2013,Pages 1335-1352)通过L型钢或钢条对变压器箱体顶盖进行了抗震加固和在变压器箱体与套管升高座之间设置斜撑抗震加固。上述抗震改造和基础隔震中，橡胶隔震支座会改变变压器正常工作的基本动力特性，放大了变压器自身振动和结构噪声，进而影响变压器正常工作性能，而且在地震中变压器有可能出现很大的位移，造成设备耦连牵扯破坏。型钢和钢板加固变压器箱体，增加变压器箱体的刚度有限，而且变压器箱体与加固件加劲肋间焊接连接部位容易成为箱体抗震的薄弱部位。
针对变压器振动噪声污染问题，已引起了行业的重视，并采取了相关措施。中国专利CN 203882786 U通过对坐落在一层楼板上的室内变压器设置托盘式座式变压器减震支架使变压器直接坐落在地下室的基础上来减轻变压器振动和噪声在建筑内传播，达到减振降噪的目的。中国专利CN 203706784 U通过由两端设置U型凹槽的减振钢板、减振钢板和枕木组成的基座安装在变压器基础，达到变压器减振降噪的目的。中国专利CN 204695911 U通过在小区变压器固定板设置弹性保护台，达到变压器减振降噪的目的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的变压器抗震能力不足而导致变压器振动和噪声大而提供一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，包括以下步骤：
(a)根据未抗震加固的变压器箱体的形状尺寸以及所想要得到的变压器的振动和噪声的频率和幅值特征，设计作为大型变压器的受力骨架的空间框架；
(b)将变压器箱体固定设置在空间框架上，得到抗震加固和减振降噪的大型变压器受力体系；
(c)在受力体系上安装变压器的其它部件，即得到抗震加固和减振降噪的大型变压器。
所述的变压器箱体设置在空间框架的内侧，变压器箱体的外侧面固定在空间框架的内侧上。
变压器散热器和套管组件设置在变压器箱体上。
所述的变压器箱体设置在空间框架的外侧，变压器箱体的内侧面与空间框架的外侧面固定连接。
变压器散热器和套管组件设置在变压器箱体上。
所述的变压器箱体与空间框架焊接连接。
所述的变压器箱体为由设置在上下两端的顶盖板、底板，以及设置在四侧的侧板组成的空心立方体箱体，所述的顶盖板、底板与侧板均由板件密封拼接而成，所述的板件与空间框架焊接连接。
所述的空间框架为与变压器箱体匹配的侧面呈栅格状的立方体箱体框架，其由多榀横向框架部件、纵向框架部部件和竖向框架部件连接成空间整体。
所述的横向框架部件、纵向框架部部件和竖向框架部件均由矩形钢管制成。
空间框架与最后得到的大型变压器中的变压器箱体的振动关系满足：空间框架的栅格之间的距离越小，变压器箱体的箱壁振动频率越大；
纵向框架部件、横向框架部件和竖向框架部件越大，变压器箱体的箱壁振动的幅度越小。
本发明通过设置栅格状的空间框架，其为具有很大刚度的空间受力体系，并使空间框架成为变压器箱体的主要承力骨架，由箱体板件拼接成的变压器箱体则主要承担盛载变压器油的作用，这样便将常规变压器中的变压器箱体的承力和盛油的作用分离开来。此外，由于设置了空间受力框架，受力框架对变压器箱体壁板起支撑作用，较大的壁板被分割为一个个较小的板件，通过设计空间框架中各个部件的大小和部件之间的距离，可以改变箱体壁板的振动的边界条件和振动频率。在变压器正常工作状态下，由于较大的箱体的壁板被分割为一个个较小的四周固定的板件，这些板件在变压器内部磁滞伸缩和绕组间的电动力作用下的振动频率提高，振幅减小，从而减小或抑制现有变压器侧振动激起空气产生噪声污染问题。
本发明在设计时，假设空间框架把变压器箱体的箱壁划分为长和宽分别为a、b的四边固定的矩形薄板，矩形薄板的厚度为t，弹性模量为E，泊松比为v，密度为ρ，则箱壁振动频率fmn可以近似表示为：
上式中，m，n分别表示矩形薄板长、宽为a、b方向的波数。由上式可知，通过改变组成空间框架的横向框架部件、纵向框架部件和竖向框架部件之间的距离，就可以改变矩形薄板振动的长a和宽b，从而达到控制箱壁振动频率的目的。总的来说，当空间框架的栅格之间的距离越小，即矩形薄板的a和b值越小，箱壁振动频率越大。
而大型变压器内部振动激励下，变压器箱体箱壁的振动可以简化为箱壁在内部振动激励下的受迫振动，箱壁的振动可以简化为：
x，y，w(x,y)分别指变压器箱璧板件在其面内的两个方向坐标和振动的幅度。其中，Amn(fi,fmm,t,ρ,ζ)表示箱壁在内部频率为fi的简谐振动激励下的振动幅值，它表示其与内部频率fi、箱壁的振动频率fmn、箱壁厚度t、箱壁密度ρ和阻尼比ζ有关。可以通过调节空间框架的纵向框架部件、横向框架部件、竖向框架部件的大小、距离和箱壁厚度来控制箱体壁板的振动幅度。总体来说，纵向框架部件、横向框架部件和竖向框架部件越大，对变压器箱壁的约束越强，振动的幅度就越小。
当在地震时，空间框架对变压器箱体和变压器散热器、套管组件等起着支撑锚固的作用，从而使变压器箱体的振动得到明显控制，动力放大作用减小，进而有效的避免了对变压器箱体内部元件以及套管组件等的破坏，提高了变压器的抗震性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)结构简单、受力明确：通过设置单独的空间框架，使其成为变压器的承力骨架，而变压器箱体仅主要承担装载变压器油的作用，这样可以使得变压器的设计分析简单明确，便于变压器的设计、加工制造和加固改造。
(2)减轻变压器振动与噪声：通过设置空间受力框架，改变变压器箱体板件的边界条件和振动频率，减小了箱体壁的振动幅度，从而减小箱体壁振动和噪声产生。
(3)节约材料，外形美观：由于变压器箱体只承担装载变压器油的作用，从而可以大大减少变压器箱体的厚度，同时可剔除常规变压器设计中需要在变压器箱体上大量设置无规则形状的各种加劲肋的情况，不仅大大减少了材料用量和变压器的质量，而且变压器箱体更加规则，美观大方。
(4)刚度大，抗震能力好：单独的空间框架相比于原来的由箱体板件焊接而成的变压器箱体的受力更加合理，刚度更大，能够用较少的材料实现较好的抗震加固效果。
(5)本发明将空间框架设置在变压器箱体外部时，可以直接对现有的大型变压器的变压器箱体进行加固，这种方式可以很方便对现有的抗震加固效果以及减振降噪性能不好的大型变压器直接进行改造，省工省力。
附图说明
图1为现有大型变压器的结构示意图；
图2为本发明的空间框架的结构示意图；
图3为本发明的实施例1的大型变压器的结构示意图；
图4为本发明的实施例2的大型变压器的结构示意图；
图中，1-变压器箱体，2-加劲肋，3-空间框架，4-变压器散热器，5-升高座，6-套管，31-横向框架部件，32-纵向框架部件，33-竖向框架部件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，包括以下步骤：根据未抗震加固的变压器箱体1外部的形状尺寸以及所想要得到的变压器的振动与噪声特点，变压器箱体1为由设置在上下两端的顶盖板和底板，以及设置在四侧的侧板组成的立方体箱体，顶盖板、底板和侧板均由板件密封拼接而成，板件与空间框架3焊接连接，变压器箱体1上设有变压器散热器4、套管6等部件，设计作为大型变压器的受力骨架的空间框架3，其侧壁呈栅格状，空间框架3由呈横向框架部件31、纵向框架部件32和竖向框架部件33连接成空间整体，横向框架部件31、纵向框架部件32和竖向框架部件33均为由矩形钢管制成的矩形框架结构，然后将变压器箱体1固定设置在空间框架3内侧上，其中，变压器箱体1的外侧面与空间框架3的内侧面焊接固定连接，再将变压器散热管4和套管6等部件固定设置在空间框架3上，变压器箱体1内部安装铁芯和线圈等，即得到抗震加固和减振降噪的大型变压器，其结构参加图2和图3所示。
上述设计中，空间框架3与最后得到的大型变压器中的变压器箱体1的振动关系可简化为：空间框架3的栅格之间的距离越小，变压器箱体1的箱壁振动频率越大；
纵向框架部件32、横向框架部件31和竖向框架部件33越大，变压器箱体1的箱壁振动的幅度越小。
实施例2
一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，包括以下步骤：根据未抗震加固的变压器箱体1内部的形状尺寸和所想要的变压器振动与噪声特点，变压器箱体1为由设置在上下两端的顶盖板和底板，以及设置在四侧的侧板组成的立方体箱体，顶盖板、底板与侧板均由板件密封拼接而成，板件与空间框架3焊接连接，设计作为大型变压器的受力骨架的空间框架3，其侧壁呈栅格状，空间框架3由横向框架部件31、纵向框架部件32和竖向框架部件33连接成空间整体，横向框架部件31、纵向框架部件32和竖向框架部件33均为由矩形钢管制成的矩形框架结构，然后将变压器箱体1固定设置在空间框架3外侧上，其中，变压器箱体1的内侧面与空间框架3的外侧面焊接固定连接，变压器箱体1外部固定设有变压器散热器4和套管6等组件，变压器箱体1内部安装铁芯和线圈等，即得到抗震加固和减振降噪的大型变压器，结构如图4所示。
上述设计中，空间框架3与最后得到的大型变压器中的变压器箱体1的振动关系可简化为：空间框架3的栅格之间的距离越小，变压器箱体1的箱壁振动频率越大；
纵向框架部件32、横向框架部件31和竖向框架部件33越大，变压器箱体1的箱壁振动的幅度越小。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）根据未抗震加固的变压器箱体（1）的形状尺寸以及所想要得到的变压器的振动和噪声的频率和幅值特征，设计作为大型变压器的受力骨架的空间框架（3）；
（b）将变压器箱体（1）固定设置在空间框架（3）上，得到抗震加固和减振降噪的大型变压器受力体系；
（c）在受力体系上安装变压器的其它部件，即得到抗震加固和减振降噪的大型变压器；
所述的变压器箱体（1）设置在空间框架（3）的内侧，此时，变压器箱体（1）的外侧面固定在空间框架（3）的内侧上，或所述的变压器箱体（1）设置在空间框架（3）的外侧，此时，变压器箱体（1）的内侧面与空间框架（3）的外侧面固定连接；
变压器散热器（4）和套管组件设置在变压器箱体（1）上；
所述的空间框架（3）为与变压器箱体（1）匹配的侧面呈栅格状的立方体箱体框架，其由多榀横向框架部件（31）、纵向框架部部件（32）和竖向框架部件（33）连接成空间整体；所述的横向框架部件（31）、纵向框架部部件（32）和竖向框架部件（33）均由矩形钢管制成；
空间框架（3）与最后得到的大型变压器中的变压器箱体（1）的振动关系满足：空间框架（3）的栅格之间的距离越小，变压器箱体（1）的箱壁振动频率越大；横向框架部件（31）、纵向框架部件（32）和竖向框架部件（33）越大，变压器箱体（1）的箱壁振动的幅度越小。
2.根据权利要求1所述的一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，其特征在于，所述的变压器箱体（1）与空间框架（3）焊接连接。
3.根据权利要求2所述的一种大型变压器抗震加固和减振降噪设计方法，其特征在于，所述的变压器箱体（1）为由设置在上下两端的顶盖板、底板，以及设置在四侧的侧板组成的空心立方体箱体，所述的顶盖板、底板与侧板均由板件密封拼接而成，所述的板件与空间框架（3）焊接连接。
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