CN110805647B - 一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置及设计方法，装置安装在变压器油箱内部器身和箱体连接处，包括位于下部的容器、安装于容器内的金属橡胶减振垫、位于容器上方的顶盖，所述容器的上端口部周缘连接有法兰盘，所述法兰盘与顶盖之间连接有波纹管，所述金属橡胶减振垫与顶盖之间设有阻尼弹簧隔振器。本发明通过金属橡胶减振垫与阻尼弹簧减振器串联复合的方式针对器身不同的谐振频率进行隔振，最大程度减弱振动的传递，增大了隔振带宽，从而更好实现变压器的降噪目的。

Description

一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置及设计方法

技术领域

本发明属于变压器技术领域，具体涉及变压器减振降噪技术。

背景技术

随着我国城镇化快速发展，变电站深入负荷中心，与居民距离越来越近。变电站的主要噪声源为变压器、电抗器等设备，变压器等设备的振动、噪声成为环境噪声的重要来源，越来越受到广泛关注。变压器的辐射噪声主要是油箱表面的振动造成的，而油箱表面的振动是由铁心和绕组，即变压器器身在工作时的振动引起，铁心和绕组的振动通过夹件和定位部件传递到油箱的顶部和底部，导致油箱表面的振动，向外辐射噪声。

目前，变压器器身减振降噪措施主要有以下几种：

1.选用优质铁心硅钢片，优质的铁芯硅钢片能够减少硅钢片的磁致伸缩率，减小铁心的振动。

2.提高铁心硅钢片机械加工工艺，硅钢片在生产、加工时经常会受到严重的冲击，破坏材料性能，增加硅钢片的磁致伸缩，从而引起铁心噪声的增加。在安装铁芯时，保证铁心叠片不挠曲，油道垫块不脱落，防止硅钢片悬空出现的噪声异常。

3.适当降低变压器铁心的工作磁通密度。增加铁心截面积等方式可有效降低铁心的工作磁通密度，从而减少铁心硅钢片磁致伸缩率，但成本较高。

4.合理的匝数平衡设计。合理的设计分布绕组的匝数，能够降低漏磁面积，即降低绕组所受电磁力的大小，从而降低绕组噪声。

5.铁心采用多级的接缝结构。搭接级数越多，铁心接缝处的局部磁密和磁通穿越片间次数下降越多，有利于降低铁心的噪声。

6.设计合适的磁屏蔽结构。油箱磁屏蔽的磁致伸缩会影响变压器噪声，因此合适的磁屏蔽结构也能降低变压器的噪声。

虽然上述措施能够不同程度地降低变压器器身的振动噪声，但都会引起铁芯和绕组材料用量地大幅增加，并需要品质更高的材料，也就引起变压器成本的大大增加，性价比并不高。

随着变压器技术发展越来越成熟，通过改进现有的铁芯、绕组本身材料、工艺、结构来降低噪声也已经非常困难、技术要求也非常高。所以在变压器振动传递途径上采取隔减振措施来进行降噪更加经济方便，降噪效果也比较好。

因此对变压器器身振动进行隔减振是一种方便有效而又直接的方式。就隔减振而言，现阶段所采取的隔振措施多是针对单一频率。而变压器的器身的谐振频率是以两倍电源频率即100Hz为基频，由于磁通中存在的髙次谐波分量，其谐振频率还包含200Hz、300Hz等整数倍的髙次谐波。单一频率的隔振措施并不能取得很好的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，可以用更经济有效的方式在根源上有效降低变压器的振动传递。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，安装在变压器油箱内部器身和箱体连接处，包括位于下部的容器、安装于容器内的金属橡胶减振垫、位于容器上方的顶盖，所述容器的上端口部周缘连接有法兰盘，所述法兰盘与顶盖之间连接有波纹管，所述金属橡胶减振垫与顶盖之间设有阻尼弹簧隔振器。

优选的，所述阻尼弹簧隔振器包括阻尼弹簧和用于调节阻尼大小的阻尼调节螺栓。

优选的，所述容器的底部周缘设有向外周向凸出的凸缘，所述凸缘连接有固定螺栓，所述顶盖的周缘连接有固定螺栓。

优选的，所述金属橡胶减振垫的外径与容器内壁具有1mm空隙，所述金属橡胶减振垫的底部用金属胶固定在容器内部底壁。

优选的，所述金属橡胶减振垫的上方放置有隔离金属橡胶减振垫和阻尼弹簧减振器的隔板。

优选的，所述金属橡胶减振垫采用丝径为0.3mm金属丝压制而成。

优选的，所述的隔振降噪装置整体高度在10cm-20cm之间。

优选的，所述阻尼弹簧减振器的自振频率在2.8Hz-4.8Hz之间,阻尼比范围在0.06-0.2之间。

本发明还提供了一种安装在变压器油箱内部的变压器器身隔振降噪装置设计方法，包括如下步骤：

步骤S1，明确隔振目标，即确定隔振类型与设计要达到的隔振效果；

步骤S2，确定被隔振物体的基本参数，包括变压器的重量、尺寸以及振动频率，同时明确变压器底部的安装尺寸即隔振装置使用空间的高度限制；

步骤S3，确定隔振装置的参数及布置方式，包括满足隔振要求的刚度、阻尼比和布置参数；

步骤S4，装置的材料选型，包括满足隔振要求的刚度、阻尼比和布置参数；

步骤S5，隔振效果的评估预测，当选定参数后，将装置各个参数代入隔振模型，即可绘制出相应的力传递率曲线，依此曲线便可对所选的装置的隔振效果进行预测，并用实验的方式对提出的装置的隔振效果进行验证，并针对预测结果提出修正意见；

步骤S6，装置设计，结合变压器的激励源基频和次频，采用双层的复合隔振装置分别针对100Hz和200Hz这两个主要的振动频率进行隔振。

本发明布置在变压器油箱内部器身和箱体连接处，具有如下有益效果：

首先，通过金属橡胶减振垫与阻尼弹簧减振器串联复合的方式针对器身不同的谐振频率进行隔振，其中上半部的阻尼弹簧隔振器主要针对器身振动基频即100Hz隔振，降低振动传递，下半部的金属橡胶减振垫针对200Hz隔振。最大程度减弱振动的传递，增大了隔振带宽，从而更好实现变压器的降噪目的。

其次，装置通过密封处理其构造不会受到环境的影响，同时也不会对变压器油造成污染。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置的结构示意图；

图2为安装有本发明一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置的变压器油箱结构示意图；

图3为一般的隔振模型结构示意图；

图4为振动传递率曲线图；

图5为采用复合隔振形式针对变压器多个谐振频率进行隔振的隔振模型示意图；

图6为本发明一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置的设计流程图；

图7为油箱底部加速度型号时程曲线与频谱图；

图8为隔振效果的评估预测实验布置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

变压器器身的振动主要是由变压器工作时铁芯的磁致伸缩和绕组受电场力而振动造成的，现有的变压器器身减振降噪途径均需要增加与优化铁芯和绕组的材料，造成变压器成本的增加，降低变压器的性价比。同时传统的针对单一频率的隔振举措对于含有多种谐振频率的变压器而言效果也并不明显。本发明针对现有技术的不足提出一种安装在变压器油箱内部的结构简单的变压器器身隔振降噪装置及其设计方法，可以用更经济有效的方式在根源上有效降低变压器的振动传递，该发明的应用将有效地降低变压器器身的振动传递。

实施例一

参考图1和图2所示，一种变压器器身的隔振降噪装置1，安装在变压器油箱2内部器身3和箱体连接处。其中器身3包括底座、绕组31、铁心32、夹件33等，具体结构可以参考现有技术。该隔振降噪装置1包括位于下部的容器14、安装于容器内的金属橡胶减振垫18、位于容器上方的顶盖11，所述容器的上端口部周缘连接有法兰盘13，所述法兰盘13与顶盖11之间连接有波纹管12，波纹管12的上端周缘连接有法兰盘，所述金属橡胶减振垫18与顶盖11之间设有阻尼弹簧隔振器。

当该隔振降噪装置置于变压器器身下时，上半部的阻尼弹簧隔振器主要针对器身振动基频即100Hz隔振，降低振动传递，下半部的金属橡胶减振垫针对200Hz隔振，最大程度的将器身与油箱之间的振动传递降到最低。为了保证装置的密封性和减振功能，在盖板和容器间采用波纹管密封，采用法兰盘分别和容器与盖板连接。波纹管的壁面为波纹状且刚度较小可以在一定范围内形变而不破损，在能够保证装置正常工作的同时还能保证装置工作时的密封性，避免变压器油受到污染。

其中，容器14、顶盖11以及法兰盘13均由不锈钢制成，法兰盘13与容器14、波纹管12采用焊接固定。所述阻尼弹簧隔振器包括阻尼弹簧16和用于调节阻尼大小的阻尼调节螺栓17。

为了实现该隔振降噪装置与器身和箱体的连接，所述容器的底部周缘设有向外周向凸出的凸缘，所述凸缘连接有固定螺栓15，用于与器身连接。所述顶盖的周缘连接有固定螺栓，用于与箱体连接。对应的，顶盖和凸缘上均有四个用于连接固定螺栓的安装孔。

为了安装金属橡胶减振垫，所述金属橡胶减振垫的外径与容器内壁具有1mm空隙，所述金属橡胶减振垫的底部用金属胶固定在容器内部底壁。

为了在金属橡胶减振垫的上方安装阻尼弹簧减振器，所述金属橡胶减振垫的上方放置有隔离金属橡胶减振垫和阻尼弹簧减振器的隔板。

实施例二

一种安装在变压器油箱内部的变压器器身隔振降噪装置设计方法。

技术原理

一般的积极隔振模型可以看作是质量为M、刚度为K、粘弹性阻尼系数为c的单自由度振动系统。如图3所示。其振动传递率为：

式中：f为振源频率，f₀为支承系统的固有频率，ξ隔振器的阻尼比。

支承系统固有频率为：

式中:K为隔振器的刚度，m为物体的质量。

图4是振动传递率曲线图，由图4可知：

当f/f₀＝1时，振动传递率最大，此时系统处于危险的共振状态。

当时，振动传递率T_a＝1,此时系统无隔振效果。

当时，振动传递率T_a<1,此时有隔振效果。因此要使隔振系统有效果就要满足此条件。一般的处理方法是取f/f₀为2.5-4.5之间，隔振效果较为满意。

而针对变压器的振动特性，针对变压器的多个谐振频率采用复合隔振形式针对变压器多个谐振频率进行隔振，其复合隔振模型如图5所示，采用多个隔振层串联复合的形式设置若干层变刚度装置，分别针对不同的变压器谐振频率依据上述隔振原理进行隔振设计，有效控制不同频率的能量传递，使隔振效果最大化。

参考图6所示，结合传统单层隔振系统的隔振设计步骤与多层复合隔振系统的特性，现提出可应用于复合隔振系统的一种隔振设计步骤。在掌握变压器器身结构与振动的基本资料后，即可参照此步骤，设计相应的复合隔振装置。

步骤S1，确定隔振目标

明确隔振目标，即确定隔振类型与设计要达到的隔振效果。就变电站常用的变压器而言，其为本身为振源的机器和设备一类，隔振的主要目标是降低传递到基础的作用力，达到隔振降噪的目的，故采取的应该为积极隔振。变压器谐振频率主要为100Hz及其倍频，属于中高频，针对中高频的隔振效果一般都可达到90％以上，因此针对变压器器身隔振的隔振效率可设为不低于95％，即隔振层的振动传递率最多为0.05。

步骤S2，确定被隔振物体的基本参数

明确被隔振物体的基本参数，就变压器而言确定其结构特点和振动特性，重点关注的参数为变压器的重量、尺寸以及主要的振动频率等。同时明确变压器底部的安装尺寸即隔振装置使用空间的高度限制。不同型号的变压器参数都不同，这需要根据具体的工程实践状况来确定。但是由于变压器器身振动频率与工作时的电源频率有关，其振动特性都大体相同。

下面以一台SSZ11型110kv为例，其油箱底部加速度型号时程曲线与频谱图如图7所示，其振动频率为100Hz及其倍频，主要集中在100Hz和200Hz。

步骤S3，确定隔振装置的参数及布置方式

隔振装置参数最主要分为技术参数即满足隔振要求的刚度、阻尼比等和布置参数即布置数量与尺寸大小。装置的刚度由上述技术原理和器身重量与静压形变量确定，阻尼比通过装置材料的选型来调节，由于本发明的装置是布置到变压器的油箱内部，其安装尺寸应该根据器身结构来确定，较为理想的位置是变压器油箱的定位销处。同时为避免对变压器内部的环境造成影响(主要是可能对变压器油的污染)，装置要采取密封措施。

步骤S4，装置的材料选型

在实际工程应用中，常见的隔振器种类主要为橡胶和弹簧隔振器两种。其中橡胶隔振器具有如下特点：

(1)由于橡胶材料的临界阻尼较大，故对共振区共振峰值有着较明显的抑制作用，橡胶隔振器即使达到共振频率也不会出现强烈的共振现象；

(2)由于橡胶隔振器的静态压缩量不宜过大，所以其一般不适用于重量较大的机器和设备；

(3)橡胶材料的性能容易受到环境温度的影响，在高温和低温条件下，其弹性系数就会发生改变；

(4)在长时间使用后，橡胶材料易发生老化而导致弹性系数变差，所以橡胶隔振器需要定期检查与维护。

弹簧隔振器的主要特点：

(1)工作性能稳定，能够耐油、耐高温，不易老化；

(2)静态压缩量较大，可承受较大的荷载；

(3)其自身阻尼比较小，一般认为钢弹簧的阻尼比仅有0.05，所以当达到共振频率附近时会产生较为明显的共振现象，同样由于自身阻尼过小，在面对高频域振动时，会产生较为明显的驻波效应。

不过，这里需要说明一点的是，当弹簧隔振器和橡胶共同使用时，例如在弹簧两端设有橡胶垫，可以很好的弥补弹簧隔振器的上述缺点。

相比较于传统的隔振材料，新型的金属橡胶材料由于其自身的特性和优异的性能越来越受到广泛关注，在隔减振领域具有广泛的应用前景，金属橡胶的主要特点有：

(1)具有阻尼大、重量轻、柔韧性好、不惧高低温作用以及不易老化等特点，其尺寸和刚度设计都较为灵活：

(2)具有大荷载，小位移的特性，在相同的荷载下，金属橡胶制品的体积要比更小。

因此，综上所述针对变压器的隔振设计建议采用阻尼弹簧隔振器和金属橡胶隔振垫，主要是基于以下几点考虑：

(1)单个隔振装置的荷载范围较大。变压器的器身比较重，即使采用多点支撑的方式，上层和下层每个隔振装置的荷载都比较大，在此荷载范围内弹簧隔振器和金属橡胶的体积一般也小于相应的橡胶隔振器；

(2)弹簧和金属橡胶的静刚度更易控制。弹黄和金属橡胶的静刚度可通过选用钢丝的材料、钢丝的直径、弹黄的中径、节距和有效圈数以及钢丝的压制次数等各个因素调节，达到精确控制的目的；

(3)弹黄隔振器工作性能稳定，不需要过多的后期维护；

(4)而弹黄虽然本身阻尼系数较小，但是采用阻尼弹簧隔振器以及在弹黄两端设有金属橡胶垫的方式适当增加其自身阻尼，达到抑制共振峰值而又不过多影响隔振效果的作用。

步骤S5，隔振效果的评估预测

当选定参数后，将隔振系统各个参数代入式(2-1)，即可绘制出相应的力传递率曲线，依此曲线便可对所选的双层隔振系统的隔振效果进行预测。但是由于实除应用中往往存在一些不确定因素，而且理想的振动模型常与实际情况存在差异。因此，有必要用实验的方式对提出的多层隔振系统的隔振效果进行验证，并对预测结果提出合理的修正意见。

在模型实验中，用弹簧模拟上、下层隔振器。弹簧刚度使用拉压试验机测出；用激振器正弦力对上层质量块进行竖向激振模拟变压器振动。在激振器的激振杆下端布置力传感器，在双层隔振模型装置上布置加速度传感器，实验布置如图8所示。实验模型包括激振器1、力传感器2、加速度传感器3、4、5、6。实验时，在l-200Hz之间，激振器定的频率间隔对装置进行定频激励，将实测的得到的各传感器的数据处理后得到力传递率曲线，而后将多个频率下的力传递率平滑的联结起来即可得到此多层隔振系统的力传递率曲线。

步骤S6，装置设计

电力变压器这种大型电力设备其激励源基频(器身主要振动频率)为100Hz，还有100Hz倍频的次频，其频率主要集中在100Hz和200Hz。对于这种特性，传统的单层隔振装置作用并不明显。因此结合变压器的结构和工作环境，本发明设计一个双层的复合隔振装置分别针对100Hz和200Hz这两个主要的振动频率进行隔振，能够更充分降低变压器的器身的振动传递。具体结构参见实施例一。根据电力变压器的重量和规格，阻尼弹簧减振器的自振频率在2.8Hz-4.8Hz之间,阻尼比范围在0.06-0.2之间。其垂直竖向刚度可在500N/mm-7000N/mm之间，其尺寸可依据实际情况自由设计。针对电力变压器的金属橡胶减振垫采用丝径为0.3mm金属丝压制的，额定承装变形量不超过2.5mm。装置整体根据变压器器身安装空间装置整体高度在10cm-20cm之间，荷载在1-10t之间。

金属像胶材料是一种在结构体内部分布着大量孔洞的多孔材料，因此多孔材料理论适用于金属橡胶材料。根据材料力学知识可得到以下关系式

式中：σ是压缩应力，ε是压缩应变，E_S是孔壁材料的弹性模量，ρ^*是多孔材料密度，ρ_S是孔壁材料密度。

由材料力学可知：

式中：S为多孔材料受压面积，X是压缩高度，H为原高度。

将上式代入(1-1)得金属橡胶厚度与半径的关系：

当装置置于变压器器身下时，容器上半部的弹簧减振器主要针对器身振动基频即100Hz隔振，降低振动传递，下半部的金属橡胶减振垫针对200Hz隔振，最大程度的将器身与油箱之间的振动传递降到最低。波纹管的壁面为波纹状且刚度较小可以在一定范围内形变而不破损，在能够保证装置正常工作的同时还能保证装置工作时的密封性，避免变压器油受到污染。

以一台110kv，容量为50000kvA的油浸式变压器为例，本发明的装置布置如图2所示，根据变压器器身结构在变压器箱底的定位销处布置隔振装置总共十个，安装在定位销之间的垫板下面，考虑变压器器身底部安装空间隔振装置高度为15cm,其中弹簧减振器高度为10cm,金属橡胶减振垫的高度为5cm,器身质量为40t,弹簧减振器的静压变形约为1cm。阻尼比为0.1.而金属橡胶的额定承载变形不超过2mm，阻尼比为1.1。由弹性力学弹簧减振器的最低竖向刚度可由下面公式求得：

F＝kx

式中F为弹簧的受力，k为刚度，x为弹簧变形量

可得单个弹簧减振器满足静压变形的最小竖向刚度为3920N/mm。金属橡胶最小竖向刚度应为20000N/mm。

为达到隔振目的，装置的上下层的振动传递率最大为0.05，满足隔振需求的刚度由,式(2-1)与(2-2)求得：

式中：f为振源频率，f₀为支承系统的固有频率，ξ隔振器的阻尼比。

式中：f₀为频率，m为质量，k为刚度。

求得阻尼弹簧隔振器的自振频率f₀约为22Hz,金属橡胶隔振垫的自振频率f₀约为15Hz。阻尼弹簧隔振器的刚度为35kN/mm,金属橡胶隔振垫的刚度为24KN/mm。且均满足最低竖向刚度要求。因此阻尼弹簧隔振器的刚度可在3920N/mm-35kN/mm之间，金属橡胶隔振器的刚度可在20000N/mm-24KN/mm之间。系统的隔振效率可达到95％以上。

金属橡胶的半径可由上述式(2-5)确定：

式中：E_S是孔壁材料的弹性模量，ρ^*是多孔材料密度，ρ_S是孔壁材料密度，H为高度，K为刚度

可得金属橡胶减振垫外径约为11cm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (7)

1.一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，安装在变压器油箱内部器身和箱体连接处，其特征在于：包括位于下部的容器、安装于容器内的金属橡胶减振垫、位于容器上方的顶盖，所述容器的上端口部周缘连接有法兰盘，所述法兰盘与顶盖之间连接有波纹管，所述金属橡胶减振垫与顶盖之间设有阻尼弹簧隔振器，所述阻尼弹簧隔振器包括阻尼弹簧和用于调节阻尼大小的阻尼调节螺栓，所述容器的底部周缘设有向外周向凸出的凸缘，所述凸缘连接有固定螺栓，所述顶盖的周缘连接有固定螺栓。

2.根据权利要求1所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，其特征在于：所述金属橡胶减振垫的外径与容器内壁具有1mm空隙，所述金属橡胶减振垫的底部用金属胶固定在容器内部底壁。

3.根据权利要求2所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，其特征在于：所述金属橡胶减振垫的上方放置有隔离金属橡胶减振垫和阻尼弹簧减振器的隔板。

4.根据权利要求2所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，其特征在于：所述金属橡胶减振垫采用丝径为0.3mm金属丝压制而成。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，其特征在于：所述的复合隔振装置整体高度在10cm-20cm之间。

6.根据权利要求3所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置，其特征在于：所述阻尼弹簧减振器的自振频率在2.8Hz-4.8Hz之间,阻尼比范围在0.06-0.2之间。

7.一种安装在变压器油箱内部的变压器器身隔振降噪装置设计方法，其特征在于，对权利要求1至6中任意一项所述的一种安装在变压器油箱内部的复合隔振装置进行设计，包括如下步骤：

步骤S1，明确隔振目标，即确定隔振类型与设计要达到的隔振效果；

步骤S2，确定被隔振物体的基本参数，包括变压器的重量、尺寸以及振动频率，同时明确变压器底部的安装尺寸即隔振装置使用空间的高度限制；

步骤S3，确定隔振装置的参数及布置方式，包括满足隔振要求的刚度、阻尼比和布置参数；

步骤S4，装置的材料选型，包括满足隔振要求的刚度、阻尼比和布置参数；

步骤S5，隔振效果的评估预测，当选定参数后，将装置各个参数代入隔振模型，即可绘制出相应的力传递率曲线，依此曲线便可对所选的装置的隔振效果进行预测，并用实验的方式对提出的装置的隔振效果进行验证，并针对预测结果提出修正意见；

步骤S6，装置设计，结合变压器的激励源基频和次频，采用双层的复合隔振装置分别针对100Hz和200Hz这两个主要的振动频率进行隔振。