CN110059397A - 一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法、系统及介质 - Google Patents
一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法、系统及介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低噪声配电变压器油箱设计方法、系统及介质，本发明通过初始参数建立配电变压器的油箱三维模型后，依次通过采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能、利用有限元方法评估油箱的固有特征频率，建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，在评估过程中进行不断迭代改进设计，最终确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。本发明通过仿真建模结合参数迭代优化的方法进行低噪声配电变压器设计，能够按照预期降噪目标指导设计，无需制作配电变压器油箱实物、设计成本低、研发周期短，由于从源头上进行降噪，因此降噪效果更为显著。
Description
技术领域
本发明涉及变压器设计制造领域，具体涉及一种低噪声配电变压器油箱设计方法、系统及介质。
背景技术
配电变压器数量众多，与居民区距离较近，因其噪声引起的居民纠纷与投诉多有发生，造成了严重的社会影响。配电变压器噪声主要来源于铁心磁致伸缩振动与绕组电磁力振动。铁心与绕组振动相互耦合，一部分振动通过铁心底部垫脚传递至变压器油箱，另一部分振动通过绝缘油传递至变压器油箱，进而引起油箱振动辐射噪声。目前，主要从噪声源、传播途径两个方面对配电变压器噪声进行控制，以采用高磁导率硅钢片加工变压器铁心、安装减振垫、加装隔声罩等方法为主，存在新型材料价格昂贵、施工前需要变压器退出运行、施工过程较为繁琐，以及额外的工程施工与降噪减振装置费用造成配电变压器运行成本大幅增加等问题，而且未考虑配电变压器油箱固有频率对其噪声的影响，导致部分配电变压器在某些频率点上出现铁心、绕组与油箱结构共振现象，使得配电变压器噪声水平大幅增加，增大了配电变压器噪声投诉与纠纷发生率，影响社会和谐。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种低噪声配电变压器油箱设计方法、系统及介质，本发明通过仿真建模结合参数迭代优化的方法进行低噪声配电变压器设计，能够按照预期降噪目标指导设计，无需制作配电变压器油箱实物、设计成本低、研发周期短，由于从源头上进行降噪，因此降噪效果更为显著。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于实施步骤包括：
1）生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
2）基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
3）采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤4）；
4）利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤5）；
5）建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）；
6）确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
优选地，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱材料选用钢板。
优选地，所述油箱材料选用钢板的厚度为4mm。
优选地，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱的外部设计有加强筋。
优选地，所述加强筋采用6mm厚角钢制作。
优选地，步骤5）的详细步骤包括：
5.1）基于油箱三维模型建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，在油箱中设置声功率一定的点声源，计算声场分布后获取油箱内表面与外表面附近的声压级差△L Aeq；
5.2）判断声压级差△L Aeq小于给定预期降噪期望值L Aeq是否成立，如果成立则判定不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）。
本发明还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行发明低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的步骤。
本发明还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行发明低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
本发明还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括：
初始设计生成程序单元，用于生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
油箱三维模型建模程序单元，用于基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
绝缘性能与耐压性能评估程序单元，用于采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行固有特征频率评估程序单元；
固有特征频率评估程序单元，用于利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行内外声压级差评估程序单元；
内外声压级差评估程序单元，用于建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行最终设计输出程序单元；
最终设计输出程序单元，用于确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行发明低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明通过初始生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型后，依次通过采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能、利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析评估油箱的固有特征频率，建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，且不断迭代改进设计，最终确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计，本发明通过仿真建模结合参数迭代优化的方法进行低噪声配电变压器设计，能够按照预期降噪目标指导设计，无需制作配电变压器油箱实物、设计成本低、研发周期短，由于从源头上进行降噪，因此降噪效果更为显著。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中某配电变压器油箱的模态分析结果图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的实施步骤包括：
1）生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
2）基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
3）采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤4）；
4）利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤5）；
5）建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）；
6）确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
本实施例中，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱材料选用钢板，能够保证油箱的耐压性能。
本实施例中，油箱材料选用钢板的厚度为4mm，能够保证油箱的耐压性能。
本实施例中，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱的外部设计有加强筋，能够保证油箱的耐压性能。
本实施例中，加强筋采用6mm厚角钢制作，能够保证油箱的耐压性能。
本实施例中，步骤2）中基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型时，具体是指基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数，利用三维建模软件Solidworks建立配电变压器油箱三维物理模型。
由于噪声仅仅只是配电变压器关注的关键问题之一，绝缘与压力耐受性能同样需要引起重视。因此，在确定配电变压器油箱结构与尺寸参数后，需要在步骤3）中评估配电变压器油箱的绝缘性能与耐压性能；若绝缘性能与耐压性能不满足工程应用需求，则返回步骤2）继续改进配电变压器油箱设计；否则，进入步骤4）。在变压器油箱设计时，绝缘性能与耐压性能往往根据国家标准设计，例如：“要求绕组与油箱的距离不能低于一定尺寸”，设计成功与否主要依赖设计人员主观经验，存在无法全面了解油箱周围的电场分布特性的问题，通过数值计算方法进行油箱绝缘性能评价的技术较少。本实施例中采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能为数值计算方法（该数值计算方法为有限元分析的基本方法，故本实施例中不再展开说明），采用数值计算方法评价变压器油箱绝缘性能，可模拟油箱各种复杂结构、获取油箱与绕组、铁心不同位置的三维立体电场分布特性，能够直观反映变压器油箱的设计缺陷，相对于传统经验设计方法更加直观、准确。
对于工频50Hz交流系统，配电变压器的噪声频谱主要集中在2kHz范围内的50Hz及其整数倍频率上。因此，步骤4）中主要对配电变压器油箱物理模型进行2kHz频率范围内的模态分析。一般而言，若避免了配电变压器油箱固有特征频率中与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分，则可有效避免配电变压器油箱与其绕组、铁心的结构共振现象。针对不同共性频率可考虑的配电变压器油箱结构改进方法存在差异。因此，步骤4）中需要判断配电变压器油箱固有特征频率中与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分，以便根据共性频率成分选择配电变压器油箱结构改进方法。若存在共性频率成分，则返回步骤2）中改进油箱散热片结构与尺寸、加强筋位置与尺寸或改变油箱金属材质。如图2所示，某配电变压器油箱固有特征频率中存在99.4Hz频率成分，该频率与50Hz整数倍频率100Hz数值接近，可能导致配电变压器结构共振现象。由图中可以看出，由于振幅较大的位置主要出现在散热片处。因此，可采取在配电变压器散热片处增加加强筋的技术措施。
本实施例中，步骤5）的详细步骤包括：
5.1）基于油箱三维模型建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，在油箱中设置声功率一定的点声源，计算声场分布后获取油箱内表面与外表面附近的声压级差△L Aeq；
5.2）判断声压级差△L Aeq小于给定预期降噪期望值L Aeq是否成立，如果成立则判定不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）。
为了判断低噪声配电变压器油箱的降噪效果，步骤5）中建立配电变压器油箱声场有限元衰减分析模型，在配电变压器油箱中设置声功率一定的点声源，计算声场分布后获取油箱内表面与外表面附近的声压级差△L Aeq，同时给定预期降噪期望值L Aeq。若△L Aeq<L Aeq，则返回步骤2）中改进油箱结构参数，直至完成低噪声配电变压器油箱设计。油箱内外声压级差绝非是设计油箱的常用技术手段，目前厂家在变压器油箱设计时基本不考虑降噪效果，也不会测量油箱内外声压级差。主要存在测量难度高、成本高或者不关心降噪性能的问题。本发明通过建立配电变压器油箱声场有限元衰减分析模型，在配电变压器油箱中设置声功率一定的点声源，计算声场分布后获取油箱内表面与外表面附近的声压级差△L Aeq，仿真计算不需要花费测试设备成本，具有投资少、难度低、准确性高的优点。
此外，本实施例还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本实施例前述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的步骤。此外，本实施例还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行本实施例前述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
此外，本实施例还提供一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括：
初始设计生成程序单元，用于生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
油箱三维模型建模程序单元，用于基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
绝缘性能与耐压性能评估程序单元，用于采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行固有特征频率评估程序单元；
固有特征频率评估程序单元，用于利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行内外声压级差评估程序单元；
内外声压级差评估程序单元，用于建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行最终设计输出程序单元；
最终设计输出程序单元，用于确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行本实施例前述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于实施步骤包括：
1）生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
2）基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
3）采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤4）；
4）利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤5）；
5）建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）；
6）确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
2.根据权利要求1所述的低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱材料选用钢板。
3.根据权利要求2所述的低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于，所述油箱材料选用钢板的厚度为4mm。
4.根据权利要求1所述的低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于，步骤1）中生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数时，油箱的外部设计有加强筋。
5.根据权利要求4所述的低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于，所述加强筋采用6mm厚角钢制作。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法，其特征在于，步骤5）的详细步骤包括：
5.1）基于油箱三维模型建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，在油箱中设置声功率一定的点声源，计算声场分布后获取油箱内表面与外表面附近的声压级差△L Aeq；
5.2）判断声压级差△L Aeq小于给定预期降噪期望值L Aeq是否成立，如果成立则判定不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤6）。
7.一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程以执行权利要求1～6中任意一项所述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的步骤。
8.一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备的存储介质上存储有被编程以执行权利要求1～6中任意一项所述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
9.一种低噪声油浸式配电变压器油箱设计系统，其特征在于包括：
初始设计生成程序单元，用于生成配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数；
油箱三维模型建模程序单元，用于基于配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数建立配电变压器的油箱三维模型；
绝缘性能与耐压性能评估程序单元，用于采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能，判断油箱的绝缘性能与耐压性能是否能够满足工程应用需求，如果不能满足工程应用需求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加绝缘性能和/或耐压性能，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行固有特征频率评估程序单元；
固有特征频率评估程序单元，用于利用有限元方法对油箱三维模型进行2kHz频率范围内的模态分析，获得油箱的固有特征频率，判断固有特征频率中是否存在与50Hz整数倍频率相近的共性频率成分；如果存在则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以改变油箱的固有特征频率，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行内外声压级差评估程序单元；
内外声压级差评估程序单元，用于建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型，评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，如果不能满足技术指标要求则修改配电变压器的油箱材料、外形结构与尺寸参数中的至少一项信息以增加油箱内外声压级差，跳转执行绝缘性能与耐压性能评估程序单元；否则跳转执行最终设计输出程序单元；
最终设计输出程序单元，用于确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有被编程以执行权利要求1～6中任意一项所述低噪声油浸式配电变压器油箱设计方法的计算机程序。
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