CN112599323A - 一种变压器器身复合隔振支座及变压器器身隔振设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器器身复合隔振支座及变压器器身隔振设计方法，其中复合隔振支座包括安装在变压器油箱底部的环形下压盘、固定于环形下压盘上方的环形上压盘，环形上压盘设有向下插入环形下压盘内孔中的凸缘部，凸缘部与环形下压盘底部之间设置环形金属橡胶弹性元件，环形金属橡胶弹性元件上放置环形叠层橡胶隔振元件，环形叠层橡胶隔振元件支承于变压器器身支架的底梁，锁紧螺栓穿过环形金属橡胶弹性元件和环形叠层橡胶隔振元件内孔与底梁连接，环形金属橡胶弹性元件与环形上压盘以及环形叠层橡胶隔振元件之间的空隙填充密封填充材料。本发明能较好地适应变压器器身所处油箱内部油液环境，具有良好的隔振和耗能减振作用。

Description

一种变压器器身复合隔振支座及变压器器身隔振设计方法

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

随着我国城镇化进程的快速推进和电网建设的快速发展，各电压等级的变电站因变压器、电抗器等设备引发的振动与噪声成为电网建设与运行的突出问题。变压器类设备噪声是其内部铁心与绕组线圈在电压与电流作用下产生振动，经箱体结构传递至空气中向外传播产生的。其中，绕组线圈产生振动的原因为，设备施加负载之后，其中电流产生的电磁力在环型线圈的不同部位相互作用从而使线圈自身产生周期性伸缩；铁心产生振动的原因为其自身在电磁场中产生磁致伸缩振动以及电磁力对其施加的作用。由于电磁力与磁致伸缩效应均与电磁场的周期变化紧密联系，故变压器设备的振动与噪声特性与所施加的交流电频率有直接关系。

国外为降低变压器的振动和噪声，已经提出了许多可行的方法，例如通过改进铁心结构，减小硅钢片的磁致伸缩，降低铁心的额定工作磁密度等方式，取得了良好的减振降噪效果。此外，欧美各国还采用了隔声、吸声、消声等降噪措施，也取得了较显著的效果。我国在变电站噪声治理方面取得了一定成效，变压器制造厂家、电网公司及相关高校、科研单位开展了大量的变压器类设备的振动与噪声控制技术研究和应用，在振动与声学理论研究及相关标准制定方面与国外水平相差不大，尤其在变电站声源设备的声振分析、隔声、消声及平面布置优化及全站综合降噪技术方面取得了不少具有显著成效的科技成果、实用技术措施及方案。基于IEC等国际机构颁布输变电工程噪声控制标准，参考国外发达国家噪声水平控制指标，编制了GB/T22075-2008高压直流换流站可听噪声控制标准，形成了合理的设备制造标准及噪声试验检测方法。

目前，国内外在变电站降噪方面采取了降低变压器设备本体噪声、在传播途径中采取降噪措施、变电站平面布置优化、辅助降噪措施等方法。器身本体减振降噪是变压器振动与噪声控制最为捷径和有效的途径。要降低变压器的本体噪声，一是要开展器身和油箱等的结构、制造工艺优化及选用高导磁优质硅钢片；二是要从噪声和振动的传播途径入手，采取切断传播途径、消耗或阻隔振动与噪声的能量。但是仅从铁心和绕组材料选择及制造工艺、结构优化来控制变压器振动与噪声性价比不高，有必要从变压器声振传播路径出发，可采用器身隔振等辅助减振降噪措施，降低器身振动向油箱壁、基础、邻近结构物传递。

变压器器身往往通过夹件浮放在油箱底部的定位销上，或者在夹件底部设置橡胶垫片，变压器器身绕组和铁心的振动能量大部分会通过油箱底部的箱体传至箱壁，向外辐射噪声。金属橡胶作为一种新型弹性材料，不仅具有较好的弹性和阻尼特性，还具有加工成型方便、耐老化，适应性强等显著特点，近年来，金属橡胶元件在复杂运行环境下的隔振减振领域的应用越来越广泛。但工程上多采用金属橡胶的压缩变形刚度和阻尼进行减振，对于质量不大的设备，采用压缩变形难以发挥金属橡胶的高阻尼和高弹性等机械力学性能。

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变压器器身复合隔振支座，有效解决变压器器身振动特性复杂，主频较多的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种变压器器身复合隔振支座，安装在变压器器身下方，包括安装在变压器油箱底部的环形下压盘、固定于环形下压盘上方的环形上压盘，所述环形上压盘设有向下插入环形下压盘内孔中的凸缘部，所述凸缘部与环形下压盘底部之间设置环形金属橡胶弹性元件，所述环形金属橡胶弹性元件上放置环形叠层橡胶隔振元件，所述环形叠层橡胶隔振元件支承于变压器器身支架的底梁，锁紧螺栓穿过环形金属橡胶弹性元件和环形叠层橡胶隔振元件内孔与底梁连接，所述环形叠层橡胶隔振元件的外径小于环形上压盘内孔直径，所述环形金属橡胶弹性元件与环形上压盘以及环形叠层橡胶隔振元件之间的空隙填充密封填充材料。

优选的，所述环形上压盘和环形下压盘通过沿周向间隔分布的连接螺钉固定为一体。

优选的，所述环形上压盘和环形下压盘接触的环形断面之间设置橡胶密封圈。

优选的，所述锁紧螺栓与底梁相连的部位设置密封圈。

优选的，所述环形下压盘为台阶型结构，且底部直径小，上部直径大，底部安装在变压器油箱底部的定位孔中，环形下压盘内孔上部设有用于定位环形金属橡胶弹性元件的台阶面。

优选的，所述环形金属橡胶弹性元件的上侧或/和下侧设置薄钢片。

优选的，所述环形叠层橡胶隔振元件的上侧或/和下侧设置薄钢垫片。

本发明还提供了一种变压器器身隔振设计方法，

首先，根据变压器器身隔振力学模型，建立变压器器身隔振层参数方程：

对于变压器器身来说，外荷载激励F(t)写成如下形式：

根据达朗贝尔原理，得到变压器器身单自由度隔振系统的运动方程为：

式中:M为器身及夹件总质量，kg，K_eq、C_eq分别为隔振层的等效刚度和等效阻尼；

由几种不同型式的隔振元件组成的串联弹簧系统等效刚度K_eq和等效阻尼C_eq分别为：

传递到油箱底板上的力为F_d，通过对运动方程(1)的求解，得到F_d与F的关系：

式中：T为响应动力放大系数或传递率；R为相应的隔振效率；ω_i为激振力某特定频率；ω_eq为器身隔振层等效固有频率；λ为激励频率与器身隔振层频率比；ξ为隔振层等效阻尼比；

通过求解公式(4)，得到传递率T与阻尼比ξ和频率比λ之间的关系曲线；

然后，确定变压器器身隔振层参数：

在目标传递率T和阻尼比ξ都已知的前提下，通过公式(4)得到目标控制激励频率ω_i与隔振层的频率比λ，由器身质量M得到隔振层的竖向设计刚度k_i，即：

从公式(5)可知，当目标控制激励频率ω_i和λ已知的情况下，隔振层竖向刚度k_i与器身质量M成正比；隔振层刚度k_i与目标控制激励频率ω_i的平方成正比，所以变压器器身隔振设计时，以100Hz作为隔振层的控制频率；此外，隔振层竖向刚度k_i与频率比λ的平方成反比，因此理论上频率比λ越大，要求隔振层竖向设计刚度愈小，但考虑器身重量和长期运行安全，隔振层频率比λ取6-8；

器身隔振层竖向设计刚度得到后，根据器身质量和变压器器身夹件和下油箱底部的连接方式确定隔振支座的位置和数量。

本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：

环形金属橡胶弹性元件和环形叠层橡胶隔振元件可根据控制频率的设计调换；而且，环形金属橡胶弹性元件可以更换成不同厚度的元件，环形叠层橡胶隔振元件可以更换成不同直径和高度的元件，若更换后的环形叠层橡胶隔振元件高度减小的情况下，可以通过在环形叠层橡胶隔振元件上侧或下侧设置相同直径的环形薄钢垫片。

因此，可有效解决变压器器身振动特性复杂，主频较多的技术问题；可充分发挥金属橡胶弹性元件的抗弯刚度和高阻尼特性，适用于不同电压等级的变压器、电抗器器身隔振，能较好地适应变压器器身所处油箱内部油液环境，具有良好的隔振和耗能减振作用。

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变压器器身复合隔振支座结构示意图；

图2为一典型的110kV电力变压器器身隔振支座布置方案主视图；

图3为一典型的110kV电力变压器器身隔振支座布置方案俯视图；

图中：A-隔振支座；1-环形金属橡胶弹性元件；2-环形叠层橡胶隔振元件；3-空腔；4-环形下压盘；5-环形上压盘；6-锁紧螺栓；7-连接螺钉；8-底梁；9-变压器油箱底部；10-密封填充材料；11-变压器器身；

图4为变压器器身隔振力学模型简化为单质点模型的示意图；

图5为传递率T与阻尼比ξ和频率比λ之间的关系曲线。

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。

变压器器身是指油箱内部的通过夹件装配成一体的铁心和绕组，铁心由成千上万层超薄硅钢片叠放而成，绕组是缠绕在铁心上的线圈。

铁心和绕组在空载和负载状态下硅钢片和线圈产生电磁振动，从而引发噪声。一般情况下，变压器空载时，由绕组振动引起的噪声信号很小，变压器的噪声主要是由铁心的磁致伸缩引起的；负载时，由于铁心中磁通很小从而铁心的振动可以忽略，变压器的噪声主要由受到磁场力作用的绕组振动引起的。变压器正常运行状态下，器身的振动由硅钢片磁致伸缩导致的铁心振动和磁场力导致的绕组振动两部分叠加而成。硅钢片在交变磁场的作用下，发生磁致伸缩，使得铁心随励磁频率的变化做周期性振动。由于磁致伸缩的变化周期为工频电压的1/2，故磁致伸缩引起的铁心噪声是以2倍的工频电压为基频的。由于铁心磁致伸缩存在较强的非线性特性，且磁通沿着铁心内框和外框的磁通路径长度不同等原因，铁心振动与噪声除了基频外，还包含有工频电压频率的偶数倍和其他高次谐振频率。

变压器器身线圈中的电流和漏磁场相互作用，使得绕组导线上产生电磁力。漏磁场和绕组中的电流作用，使得绕组产生轴向和径向的电动力。研究表明，大容量电力变压器的绕组在漏磁场的作用下，可产生1kN～20kN的轴向电动力，振动引发变压器油振动、通过接触传递到铁心夹件，造成金属撞击，使铁心整体振动。由于漏磁通是交变的，根据电磁理论，在有气隙的导磁钢件之间会产生交变的电磁吸引力。如果这些部件的连接不可靠，会发生金属撞击，从而产生噪声。

由于变压器铁心和绕组受到的电磁力主要是通过绝缘纸板传递给约束铁心和绕组的夹件，器身及夹件振动通过绝缘油介质和底部或顶部固接装置传递到油箱引起箱壁振动。器身振动传递到箱壁主要有两条传播路径。第一条传播路径是器身振动通过固液耦合传播给变压器绝缘油，引起绝缘油介质的振动，当振动能量波传递到箱壁时，又通过液固耦合的方式传递给了箱壁，引发箱壁振动；第二条传播路径是器身振动通过夹件与箱底或箱顶的连接装置直接传递到油箱底板和顶部的盖板，再通过底板和盖板传递给壁板。

目前工程上多采用金属橡胶的压缩变形刚度和阻尼进行减振，对于质量不大的设备，采用压缩变形难以发挥金属橡胶的高阻尼和高弹性等机械力学性能。因此，针对变压器器身运行时，具有振源复杂，频带宽，主频多，且运行环境复杂等技术难题，本发明结合变压器器身的结构及振动特性，设计了一种弹性元件可调换，刚度及阻尼参数可设计的高阻尼叠层橡胶支座和金属橡胶复合隔振支座。

实施例一

参考图1至图3所示，一种变压器器身复合隔振支座A，安装在变压器器身11下方，包括安装在变压器油箱底部的环形下压盘4、固定于环形下压盘上方的环形上压盘5，所述环形上压盘4设有向下插入环形下压盘内孔中的凸缘部，所述凸缘部与环形下压盘底部之间设置环形金属橡胶弹性元件1，所述环形金属橡胶弹性元件1上放置环形叠层橡胶隔振元件2，所述环形叠层橡胶隔振元件2支承于变压器器身支架的底梁8，锁紧螺栓6穿过环形金属橡胶弹性元件1和环形叠层橡胶隔振元件2内孔与底梁8连接。

在本实施例中，所述环形下压盘为台阶型结构，且底部直径小，上部直径大，底部安装在变压器油箱底部9的定位孔中。不仅起到承受竖向荷载的作用，还具有限位的作用，防止隔振支座在振动等荷载下的移位。进一步的，环形下压盘内孔上部设有用于定位环形金属橡胶弹性元件的台阶面，环形下压盘内孔下部形成空腔3。

其中，所述环形叠层橡胶隔振元件2的外径小于环形上压盘内孔直径。所述环形金属橡胶弹性元件1与环形上压盘5以及环形叠层橡胶隔振元件2之间的空隙填充密封填充材料10。密封填充材料10起到密封作用，防止变压器油渗漏到空腔3中。

环形金属橡胶弹性元件1的厚度和直径由所控制的变压器器身主频决定，金属橡胶的力学模型可以等效为弯曲梁模型，金属橡胶元件弯曲刚度可根据测试结果拟合其计算方法。环形叠层橡胶弹性元件2的刚度和阻尼由所控制的振源频率确定。

其中，所述环形上压盘5和环形下压盘4通过沿周向间隔分布的连接螺钉7固定为一体，环形上压盘5和环形下压盘4沿环向对应设置相同数量的螺纹孔，与连接螺钉配合。

由于隔振支座长期处于变压器油箱环境中，为避免变压器油通过环形上压盘和环形下压盘之间连接部位渗透进环形下压盘内，所述环形上压盘和环形下压盘接触的环形断面之间设置橡胶密封圈。为避免变压器油通过锁紧螺栓渗透进空腔3中，所述锁紧螺栓与底梁相连的部位设置密封圈。

上述的环形金属橡胶弹性元件1和环形叠层橡胶隔振元件2可根据控制频率的设计调换，环形金属橡胶弹性元件1可以更换成不同厚度的元件，环形叠层橡胶隔振元件2可以更换成不同直径和高度的元件。可有效解决变压器器身振动特性复杂，主频较多的技术问题；可充分发挥金属橡胶弹性元件的抗弯刚度和高阻尼特性，适用于不同电压等级的变压器、电抗器器身隔振，能较好地适应变压器器身所处油箱内部油液环境，具有良好的隔振和耗能减振作用。

环形下压盘4、环形上压盘5之间放置的环形金属橡胶弹性元件1的空隙如选用的弹性元件填充不满，可以在环形金属橡胶弹性元件的上侧或/和下侧设置相同内外径的薄钢片填实。

若更换后的环形叠层橡胶隔振元件2高度减小的情况下，可以在所述环形叠层橡胶隔振元件的上侧或/和下侧设置相同内外径的环形开孔薄钢垫片。

图2和图3为一典型的110kV电力变压器器身隔振支座布置方案。变压器额定容量为315000kVA，器身重34000kg，在下油箱底部设置了6个隔振支座，隔振元件直径为10cm，面压P_A＝7.07MPa，双层隔振元件分别以器身100Hz和200Hz振动频率设计选取竖向压缩刚度，器身综合隔离效率超过96％以上。

实施例二

本发明还提供了一种采用上述的一种变压器器身复合隔振支座的变压器器身隔振设计方法。

首先，根据变压器器身隔振力学模型，建立变压器器身隔振层参数方程。

变压器器身隔振是在器身支架的底梁和油箱底板之间由不同型式的隔振装置组成隔振层，变压器器身隔振力学模型可以简化为如图4所示的单质点模型。假设变压器器身的综合激振力为F，由于器身与绕组的激振力是可以简化为一个由100Hz及其一系列谐振频率组成的简谐荷载叠加而成，即对于变压器器身来说，外荷载激励F(t)可写成如下形式：

根据达朗贝尔原理，可得图4所示的变压器器身单自由度隔振系统的运动方程为：

式中:M为器身及夹件总质量，kg，K_eq、C_eq分别为隔振层的等效刚度和等效阻尼。

由于变压器器身在运行状态下主要由100Hz、200Hz……等多个线谱特征明显的振动频谱曲线，隔振层设计可以考虑以2-3个低阶频率为目标设计隔振层和隔振装置，将不同刚度的弹性元件串联组成隔振装置。由几种不同型式的隔振元件组成的串联弹簧系统等效刚度K_eq和等效阻尼C_eq分别为：

传递到油箱底板上的力为F_d，通过对运动方程(1)的求解，可以得到F_d与F的关系：

式中：T为响应动力放大系数或传递率；R为相应的隔振效率；ω_i为激振力某特定频率；ω_eq为器身隔振层等效固有频率；λ为激励频率与器身隔振层频率比；ξ为隔振层等效阻尼比。通过求解公式(4)，可得传递率T与阻尼比ξ和频率比λ之间的关系曲线如图5所示。

最后，确定变压器器身隔振层参数。

从图5可知，实施变压器器身隔振欲得到较好的隔振效果，必须使频率比λ大于

在隔振区内，频率比λ越大，隔振效果越好，因此必须使隔振层具有较低的固有频率ω_eq，为了确保隔振效果，变压器器身隔振频率比应确保λ≥6。在共振频率附近，阻尼比具有显著的减震效果，阻尼比增加一倍，动力放大系数将近减小一倍；在远离共振频率处，结构体系的阻尼仍有一定的减震效果，但不如在共振频率附近的减震效果明显，因此隔振层的阻尼也不是越大越好，取10-20％较为合适。

根据图4所示的器身单质点隔振理论模型，在目标传递率T和阻尼比ξ都已知的前提下，通过公式(4)可得到目标控制激励频率ω_i与隔振层的频率比λ，由器身质量M可得到隔振层的竖向设计刚度k_i，即：

从公式(5)可知，当目标控制激励频率ω_i和λ已知的情况下，隔振层竖向刚度k_i与器身质量M成正比；隔振层刚度k_i与目标控制激励频率ω_i的平方成正比，所以变压器器身隔振设计时，可以100Hz作为隔振层的控制频率，设计得到的隔振层设计刚度对其他更高阶谐振频率有更好的隔振效率。此外，隔振层竖向刚度k_i与频率比λ的平方成反比，因此理论上频率比λ越大，要求隔振层竖向设计刚度愈小，但考虑器身重量和长期运行安全，隔振层频率比λ取6-8是合适的，设计隔振效率超过96％以上，隔振效果显著。

器身隔振层竖向设计刚度得到后，可根据器身质量和变压器器身夹件和下油箱底部的连接方式确定隔振支座的位置和数量。按照隔振装置的承载能力，隔振器数量设计原则可按隔振器有效承载面积A的面压P_A来控制，一般情况下P_A≤8MPa比较合适。

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 (8)

1.一种变压器器身复合隔振支座，安装在变压器器身下方，其特征在于：包括安装在变压器油箱底部的环形下压盘、固定于环形下压盘上方的环形上压盘，所述环形上压盘设有向下插入环形下压盘内孔中的凸缘部，所述凸缘部与环形下压盘底部之间设置环形金属橡胶弹性元件，所述环形金属橡胶弹性元件上放置环形叠层橡胶隔振元件，所述环形叠层橡胶隔振元件支承于变压器器身支架的底梁，锁紧螺栓穿过环形金属橡胶弹性元件和环形叠层橡胶隔振元件内孔与底梁连接，所述环形叠层橡胶隔振元件的外径小于环形上压盘内孔直径，所述环形金属橡胶弹性元件与环形上压盘以及环形叠层橡胶隔振元件之间的空隙填充密封填充材料。

2.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述环形上压盘和环形下压盘通过沿周向间隔分布的连接螺钉固定为一体。

3.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述环形上压盘和环形下压盘接触的环形断面之间设置橡胶密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述锁紧螺栓与底梁相连的部位设置密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述环形下压盘为台阶型结构，且底部直径小，上部直径大，底部安装在变压器油箱底部的定位孔中，环形下压盘内孔上部设有用于定位环形金属橡胶弹性元件的台阶面。

6.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述环形金属橡胶弹性元件的上侧或/和下侧设置薄钢片。

7.根据权利要求1所述的一种变压器器身复合隔振支座，其特征在于：所述环形叠层橡胶隔振元件的上侧或/和下侧设置薄钢垫片。

8.一种变压器器身隔振设计方法，其特征在于：

首先，根据变压器器身隔振力学模型，建立变压器器身隔振层参数方程：对于变压器器身来说，外荷载激励F(t)写成如下形式：

根据达朗贝尔原理，得到变压器器身单自由度隔振系统的运动方程为：

式中:M为器身及夹件总质量，kg，K_eq、C_eq分别为隔振层的等效刚度和等效阻尼；

由几种不同型式的隔振元件组成的串联弹簧系统等效刚度K_eq和等效阻尼C_eq分别为：

传递到油箱底板上的力为F_d，通过对运动方程(1)的求解，得到F_d与F的关系：

式中：T为响应动力放大系数或传递率；R为相应的隔振效率；ω_i为激振力某特定频率；ω_eq为器身隔振层等效固有频率；λ为激励频率与器身隔振层频率比；ξ为隔振层等效阻尼比；

通过求解公式(4)，得到传递率T与阻尼比ξ和频率比λ之间的关系曲线；

然后，确定变压器器身隔振层参数：

在目标传递率T和阻尼比ξ都已知的前提下，通过公式(4)得到目标控制激励频率ω_i与隔振层的频率比λ，由器身质量M得到隔振层的竖向设计刚度k_i，即：

从公式(5)可知，当目标控制激励频率ω_i和λ已知的情况下，隔振层竖向刚度k_i与器身质量M成正比；隔振层刚度k_i与目标控制激励频率ω_i的平方成正比，所以变压器器身隔振设计时，以100Hz作为隔振层的控制频率；此外，隔振层竖向刚度k_i与频率比λ的平方成反比，因此理论上频率比λ越大，要求隔振层竖向设计刚度愈小，但考虑器身重量和长期运行安全，隔振层频率比λ取6-8；

器身隔振层竖向设计刚度得到后，根据器身质量和变压器器身夹件和下油箱底部的连接方式确定隔振支座的位置和数量。

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