CN115064363A - 一种油浸式变电设备油箱的降噪装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电设备降噪技术领域，具体涉及一种油浸式变电设备油箱的降噪装置及其设计方法。油浸式变电设备油箱的降噪装置，包括：上层板，所述上层板的板面上开设有C形带状孔以使所述C形带状孔包围部分形成悬臂部；共振板，其一个板面贴合在所述悬臂部的上方且固定连接；下层板，通过连接件与所述上层板固定连接，且所述下层板在上下方向上与所述下层板相隔。此结构的油浸式变电设备油箱的降噪装置，通过在上层板的开设C形带状孔，形成悬臂部，并在悬臂部上设置共振板，从而通过共振板与悬臂部振动从而降低或消除噪音，进一步的在降低对污染环境的同时，减少对人类的健康的影响。

Description

一种油浸式变电设备油箱的降噪装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及变电设备降噪技术领域，具体涉及一种油浸式变电设备油箱的降噪装置及其设计方法。

背景技术

随着经济社会的发展及人们环保意识的增强，各级变电站深入负荷中心，变电站振动与噪声指标已成为变电站设计的重要技术经济指标，越来越成为影响变电站选址、正常运行的关键指标之一。油浸变压器是一种结构更合理、性能更优良的新型高性能变压器，其性能进一步提高，损耗降低，三相平衡，减少三次谐波分量，该产品更适用于城乡、工矿企业电网改造，更适用于组合式变压器和预装式变电站用变压器，变压器油箱是油浸变压器的组成部分之一，也是噪音的来源之一，但是在现有技术中，很难解决变压器油箱的噪音问题，变压器油箱的噪音不但污染环境，对人类的健康容易造成不利影响。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的变压器油箱的噪音污染环境的缺陷，提供一种油浸式变电设备油箱的降噪装置及其设计方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种油浸式变电设备油箱的降噪装置，包括：

上层板，所述上层板的板面上开设有C形带状孔，以使所述C形带状孔包围部分形成悬臂部；

共振板，其一个板面与所述悬臂部贴合固定；

下层板，通过连接件与所述上层板固定连接，且所述下层板在上下方向上与所述上层板相隔。

进一步的，所述C形带状孔的宽度与所述上层板的厚度一致。

进一步的，所述C形带状孔的两端向外折弯延伸形成折弯延伸部，所述折弯延伸部的长度与所述上层板的厚度一致。

进一步的，所述共振板为附加质量片。

进一步的，所述附加质量片的尺寸与所述悬臂部适配，以使所述附加质量片完全贴合在所述悬臂部上。

进一步的，所述连接件为多个连接柱，多个所述连接柱沿上层板周向间隔设置。

进一步的，所述下层板为正方形，所述连接柱设有四个且分别位于所述正方形的四个角部，所述连接柱的横截面为扇环形，所述扇环形的圆心位于正方形对应的端点处且其两个直边分别与正方形对应角部的两边缘对齐，所述上层板的角部覆盖所述连接柱的扇环形截面，且剩余部分在上下方向上与所述正方形的边缘对齐。

进一步的，所述附加质量片为钢，上层板、下层板和连接柱为ABSPMMA材料。

本发明还提供一种油浸式变电设备油箱的降噪装置的设计方法，包括以下步骤

S1：测量油浸式变电设备的油箱表面尺寸、油箱壁面厚度、油箱内部结构参数；

S2：根据S1获取的油箱表面尺寸、油箱壁面厚度、油箱内部结构参数，利用有限元软件计算变电设备模态固有频率和通电状态下的油箱辐射噪声频谱特征，确定需要降噪的主要频段和需要避开的固有频率，在此基础上将降噪装置与变电设备油箱视为一个系统，根据系统隔声频率和隔声量需求、固有频率优化需求，结合悬臂梁理论已有构型，通过分析确定降噪装置初始结构的基本构型、尺寸以及材料参数；

S3：根据单个降噪装置初始结构的基本构型、尺寸和材料参数计算降噪效果，并计算第一完全带隙的位置；

S4：在降噪装置初始结构上设置悬臂梁结构，并在悬臂梁结构上设置附加质量片，并通过修改附加质量片的尺寸，使能带结构保持在第一完全带隙附近；

S5：根据所要解决的能带结构带隙，调整连接柱件的高度、上层板的边长、下层板的边长、悬臂梁结构的边长、附加质量片的厚度。

进一步的，还包括：

根据S5确定的结构尺寸，调整附加质量片与初始结构的组分材料，通过计算不同材料组合下的能带结构，观察低频带隙的特点，并确定可以解决低频带隙的附加质量片与初始结构的组分材料。

本发明具有以下优点：

1.本发明公开了一种油浸式变电设备油箱的降噪装置，包括上层板、共振板和下层板。所述上层板的板面上开设有C形带状孔以使所述C形带状孔包围部分形成悬臂部；共振板其一个板面贴合在所述悬臂部的上方且固定连接；下层板通过连接件与所述上层板固定连接，且所述下层板在上下方向上与所述下层板相隔。

此结构的油浸式变电设备油箱的降噪装置，通过在上层板开设C形带状孔，形成悬臂部，并在悬臂部上设置共振板，从而通过共振板与悬臂部振动达到降低或消除噪音的目的，降低对环境的污染，同时减少对人类的健康的影响。

2.此结构的油浸式变电设备油箱的降噪装置，下层板为正方形，四个连接柱分别位于正方形的四个角部，连接柱的横截面为扇环形，从而可通过连接柱将多个降噪装置互相固定连接，多个连接柱连接后形成一个底部密封的圆筒结构，该圆筒结构可以形成亥姆赫兹共振效应，有利于吸收低频频段声波，同时该结构对维持低频段模态固有频率具有重要作用，可保证低频段带隙的存在，并且可根据所需要解决的噪音频率适应性的选配降噪装置进行组装，进一步的提高降噪效果，消除噪音对外部环境的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中油浸式变电设备油箱的降噪装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中油浸式变电设备油箱的降噪装置的俯视图；

图3为本发明实施例1中油浸式变电设备油箱的降噪装置的示意图；

附图标记说明：

1、上层板；2、下层板；3、悬臂部；4、连接柱；5、共振板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1至图3所示，本发明公开了一种油浸式变电设备油箱的降噪装置，包括上层板1、共振板5和下层板2。上层板1的板面上开设有C形带状孔以使C形带状孔包围部分形成悬臂部3。共振板5的一个板面贴合在悬臂部3的上方且与悬臂部3固定连接，共振板5可与悬臂部3配合进行上下摆动以抵消油箱产生的噪音。下层板2通过连接件与上层板1固定连接，上层板1在上下方向上与下层板2相隔，在图1中，上层板1位于下层板2的上端，上层板1与下层板2之间形成空腔。

进一步的，C形带状孔的宽度与上层板1的厚度一致，有利于降低整体结构的一阶固有频率，从而打开结构的低频带隙。C形带状孔的两端向外折弯延伸形成折弯延伸部，折弯延伸部的长度与上层板1的厚度一致，有利于降低整体结构的一阶固有频率，从而打开结构的低频带隙。

进一步的，共振板5为附加质量片。附加质量片的尺寸与悬臂部3适配以使附加质量片完全贴合在悬臂部3上，增加悬臂部3的质量，从而降低悬臂部3的共振频率，有利于促进悬臂部3消耗低频声波，从而打开结构的低频带隙。

进一步的，连接件为多个连接柱4，多个所述连接柱4沿上层板1周向间隔设置。优选的，连接件为四个连接柱4。在其他实施方式中，连接件可为三个或五个等其他数量的连接柱4。

在本实施例中，如图2所示，连接柱4的两端分别与上层板1和下层板2固定连接，下层板2为正方形，四个连接柱4分别位于正方形的四个角部，连接柱4的横截面为扇环形，扇环形的圆心位于正方形对应的端点处，且连接柱4的两个直边分别与正方形对应角部的两边缘对齐。

进一步的，如图3所示，多个降噪装置可通过连接柱4拼接以提高降噪效果，其中，多个连接柱4拼接后形成一个底部密封的圆筒结构。优选的，四个连接柱4拼接后可形成一个底部密封的圆筒结构，该圆筒结构可以形成亥姆赫兹共振效应，有利于吸收低频频段声波，同时该结构对维持低频段模态固有频率具有重要作用，可保证低频段带隙的存在。需要说明的是，本实施例只给出了由九个降噪装置拼接后的结果，根据所要解决的噪音而拼接更多的降噪装置是本领域技术人员可以想到的，在此不多叙述。

进一步的，附加质量片为钢，上层板1、下层板2和连接柱4为ABSPMMA材料。

具体的，降噪装置固定设置在油浸式变电设备油箱的顶部。油浸式变电设备油箱的噪音大多是来自油箱在工作过程中振动所产生的噪音，油箱工作时振动所产生的力传输至降噪装置，随后降噪装置上的附加质量片和悬臂部3通过油箱振动所产生的力从而进行上下摆动，通过附加质量片和悬臂部3上下摆动将箱振动所产生的力消耗，同时消除了油箱因振动而产生的噪音。

实施例2

本实施例公开了一种油浸式变电设备油箱的降噪装置的设计方法，步骤如下：

S1：先测量所要降噪的油浸式变电设备的油箱表面尺寸、油箱壁面厚度、油箱内部结构参数。

进一步的，测量的参数包括油箱长宽高、油箱壁面的壁厚、油箱质量、油箱内部器身质量和长宽高尺寸、绝缘油质量。

S2：根据油浸式变电设备油箱的尺寸与参数，利用有限元软件计算变电设备模态固有频率和通电状态下的油箱辐射噪声频谱特征，确定需要降噪的主要频段和需要避开的固有频率，在此基础上将降噪装置与变电设备油箱视为一个系统，根据系统隔声频率和隔声量需求、固有频率优化需求，结合悬臂梁理论已有构型，通过分析确定降噪装置初始结构的基本构型、尺寸以及材料参数。

进一步的，根据从S1得到的参数，建立数字模型，导入有限元软件，计算变电设备模态固有频率和通电状态下的加载电磁边界条件油箱辐射噪声频谱特征，确定噪声主要频率和共振固有频率，结合悬臂梁理论，分析悬臂梁在不同理论构型下的共振频率，确定对应共振固有频率的悬臂梁理论结构，结合降噪设计经验、油箱参数进行声学、力学性能和结构适型修改，设计获得降噪装置初始结构的基本构型、尺寸以及材料参数。

S3：通过降噪装置初始结构的尺寸和材料计算降噪效果，并计算第一完全带隙的位置，计算第一完全带隙的公式为：[K(k)-ω²M]u＝0，其中k为波矢，ω为频率，u为位移矢量，K和M分别为刚度矩阵和质量矩阵。

需要说明的是，第一完全带隙为降噪装置初始结构所能解决的最低带隙，通过公式进行计算第一完全带隙是本领域的公知常识，在此不具体叙述。

S4：根据油箱的结构尺寸，在降噪装置初始结构上设置具有悬臂梁结构的附加质量片，通过有限元计算，确定悬臂梁结构参数与不同尺寸的附加质量片配合下的能带结构，通过实验修改附加质量片的尺寸，将能带结构保持在第一完全带隙附近。

需要说明的是，在声学超材料领域，能带结构带隙是指弹性波传播被抑制的频带，第一完全带隙是指从低频到高频频带范围内在弹性波不同传播方向上第一个弹性波在各个方向传播均被抑制的频带。通过有限元计算能带结构为本领域的公知常识，在此不具体叙述。通过计算以及实验后，调整不同材料的附加质量片，并将具有附加质量片的初始结构的能带结构保持在第一完全带隙附近，有利于保持针对油箱降噪频段的带隙。

S5：根据所要解决的能带结构带隙，依次调整连接柱4的高度、上下层板2的边长以及附加质量片的厚度，使得初始结构的降噪效果可以解决所需解决的能带结构带隙。

需要说明的是，能带结构带隙是由不同频率组成频率带的带隙。在本实施例中，所需解决的能带结构带隙是油箱的最低振动频率带，例如油箱的最低频率带为50HZ-60HZ，通过初始结构的尺寸以及附加质量片的厚度，使初始结构及附加质量片所能解决的最低带隙范围保持在50HZ-60HZ附近即可。最低带隙范围是指弹性波传播被抑制的最低频带，最低频率是指声源或振源所能发出的最低弹性波的频率。

通过等效质量法分析与STL计算验证，确定初始结构的动态等效质量

和隔声量，动态等效质量

的计算公式为：

式中，谐振部分的阻尼比

可调谐振固有频率

j为虚数单位，ω为角频率。

另外，求解m₁与m₂需要初始结构与等效二自由度系统保持质量守恒，其公式为：m₁+m₂＝m_Hs+m_Res，将上述公式带入动态等效质量

的计算公式可得到等效动态质量，公式为：

式中，m_Hs、m_Res分别为基体板和谐振结构的质量；m₁、m₂、k₂与c₂分别为等效弹簧质量系统中两个振动单元的质量、弹簧刚度系数与粘性阻尼系数；ω_L、ω_H分别为带隙下边界和上边界频率。上述公式最终确定了隔声系统的等效质量，从而为计算隔声量提供必要条件。

需要说明的是，基体板是指上层板1、下层板2和连接柱4构成的整体结构，谐振结构是指悬臂部3和附加质量片整体结构，通过等效质量法分析得到能量守恒为本领域的公知常识，因此不具体叙述。

进一步的，根据S5确定的结构尺寸，调整附加质量片与其余结构的组分材料，通过计算不同材料组合下的能带结构，观察低频带隙的特点，并确定可以解决低频带隙的附加质量片与其余结构的组分材料。

下表中列出了几种不同组分材料情况下的所能解决最低带隙范围：

需要说明的是，本实施例所要解决的是油浸式变电设备油箱的最低带隙，而油浸式变电设备油箱的最低带隙通常为50HZ-60HZ附近，此为本领域所公知的，因此选用附加质量片为钢、其余部分为ABSPMMA材料组成方式可以解决油浸式变电设备油箱的最低带隙。

其中，本实施例涉及材料的材料参数为：

材料	弹性模量	泊松比	密度	阻尼比
					ABSPMMA	1600MPa	0.4	971.35kg/m3	1.7％
钢	2e5MPa	0.29	7850kg/m3	0.008％

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于，包括：

上层板(1)，所述上层板(1)的板面上开设有C形带状孔，以使所述C形带状孔包围部分形成悬臂部(3)；

共振板(5)，其一个板面与所述悬臂部(3)贴合固定；

下层板(2)，通过连接件与所述上层板(1)固定连接，且所述下层板(2)在上下方向上与所述上层板(1)相隔。

2.根据权利要求1所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述C形带状孔的宽度与所述上层板(1)的厚度一致。

3.根据权利要求2所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述C形带状孔的两端向外折弯延伸形成折弯延伸部，所述折弯延伸部的长度与所述上层板(1)的厚度一致。

4.根据权利要求1所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述共振板(5)为附加质量片。

5.根据权利要求4所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述附加质量片的尺寸与所述悬臂部(3)适配，以使所述附加质量片完全贴合在所述悬臂部(3)上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：

所述连接件为多个连接柱(4)，多个所述连接柱(4)沿上层板(1)周向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述下层板为正方形，所述连接柱(4)设有四个且分别位于所述正方形的四个角部，所述连接柱(4)的横截面为扇环形，所述扇环形的圆心位于正方形对应的端点处且其两个直边分别与正方形对应角部的两边缘对齐，所述上层板的角部覆盖所述连接柱(4)的扇环形截面，且剩余部分在上下方向上与所述正方形的边缘对齐。

8.根据权利要求7所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置，其特征在于：所述附加质量片为钢，上层板(1)、下层板(2)和连接柱(4)为ABSPMMA材料。

9.一种油浸式变电设备油箱的降噪装置的设计方法，其特征在于：

S1：测量油浸式变电设备的油箱表面尺寸、油箱壁面厚度、油箱内部结构参数；

S2：根据S1获取的油箱表面尺寸、油箱壁面厚度、油箱内部结构参数，利用有限元软件计算变电设备模态固有频率和通电状态下的油箱辐射噪声频谱特征，确定需要降噪的主要频段和需要避开的固有频率，在此基础上将降噪装置与变电设备油箱视为一个系统，根据系统隔声频率和隔声量需求、固有频率优化需求，结合悬臂梁理论已有构型，通过分析确定降噪装置初始结构的基本构型、尺寸以及材料参数；

S3：根据单个降噪装置初始结构的基本构型、尺寸和材料参数计算降噪效果，并计算第一完全带隙的位置；

S4：在降噪装置初始结构上设置悬臂梁结构，并在悬臂梁结构上设置附加质量片，并通过修改附加质量片的尺寸，使能带结构保持在第一完全带隙附近；

S5：根据所要解决的能带结构带隙，调整连接柱件的高度、上层板(1)的边长、下层板(2)的边长、悬臂梁结构的边长、附加质量片的厚度。

10.根据权利要求9所述的油浸式变电设备油箱的降噪装置的设计方法，其特征在于，还包括：

根据S5确定的结构尺寸，调整附加质量片与初始结构的组分材料，通过计算不同材料组合下的能带结构，观察低频带隙的特点，并确定可以解决低频带隙的附加质量片与初始结构的组分材料。

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