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地铁牵引变压器安装基础振动分析

2020/01/20 阅读:

树脂干式变压器由于其维护方便,不会产生环境污染,目前已广泛应用到轨道交通牵引系统中,但是变压器本体由硅钢片磁致伸缩以及电磁力影响导致的振动及相应产生的噪音不可避免,由于轨道交通牵引变压器普遍安装在设备层中,混凝土的建筑结构如未充分考虑到变压器的振动激励的影响,可能就会导致设备层(如图地下底二层)混凝土建筑结构出现剧烈振动及由此产生的设备层噪音加强的问题。

干式变压器及设备层楼板振动原理

相关研究表明,干式变压器的本体振动主要是来自于变压器工作时铁芯硅钢片的磁致伸缩和绕组导线或绕组间电磁力所产生的振动,以及冷却系统风机的风扇运行振动。磁致伸缩是硅钢片在变压器励磁时,沿磁力线方向的硅钢片的尺寸增加,而垂直于磁力线方向的尺寸缩小的现象,磁致伸缩使得变压器铁芯随着励磁频率的变化而周期性振动,由于其变化周期为励磁电流变化的一半,其引起的铁芯振动频率会为两倍的励磁电流的频率为基频,而由于变压器铁芯磁致伸缩的非线性和磁通路径长度不同,铁芯振动还会含有一定量的高次谐频,铁芯振动还将引起周围环境空气的振动从而引起产生变压器噪音,噪音声波特性与铁芯振动特性一致,即同样是两倍的励磁电流的频率并含有一定量的高次谐频。变压器本体的振动通过变压器地脚传递到基础及附近地面,再通过地面传递到室内的墙柱等,导致楼板、墙柱的微小振动,这些微小的振动,对强度的影响一般并不大,但是却能引起楼板的结构噪音,产生二次噪音,其振动频率主要为100Hz和200Hz,即变压器的振动基频和二次谐频,楼板的结构刚度是影响楼板振动幅度的重要指标,楼板的结构刚度越大,楼板振动的振幅越小,在同等频率下其通过空气传播的声波振幅响应也减小,从而导致噪音相对也会较小。对于底层楼板(以最底层为例)和高层楼板而言,变压器安装的地基均不是绝对的刚体,都为柔性基础,而其在同样材料(钢筋混凝土)和阻尼比下,其结构刚度也是不一致的(材料混凝土刚度是一致的)。

设备层振动测量及仿真计算

以某地铁线为例,该地铁线共设有30个站点,每个站点安装了2台1600kVA变压器组成24脉整流变压器,其中出现A站点设备层楼层过道随距离变压器距离出现噪音和楼板振动波动现象,最大噪音值超过70dB,而其他29个站点明显噪音小于60dB。1)使用加速度测试仪测试现场的的楼板振动2)对类似变压器本体振动激励测试由以上类似变压器本体测试我们可以得知到变压器本体振动加速度。3)楼板的稳态响应仿真分析计算根据变压器磁致伸缩原理和我们噪音分析的频谱可以得出,激励源输出的振动加速度主要是100Hz,还有少量的200Hz和300Hz的谐频振动激励,这个数据通过变压器本体的振动激励的测试也可以得知。再根据我们对楼板的测试结果,可以发现,楼板的谱响应主要集中在100Hz,在距离变压器安装位置远处的高次谐频的含量就更少了,由此我们可以得出:楼板的响应激励主要来源于变压器的基频震动,这为我们做稳态的响应分析提供了依据。为了测试方便,我们在此处设定有限元分析载荷:变压器振动源施加到楼板的振动加速度为0.14m/s,频率为100Hz。楼板及钢筋混凝土柱子材料均为C30混凝土,墙为空气墙,使用Ansys建立有限元模型。通过实际测量与仿真的计算从以上分析可得知,仿真值和实测的振动波动趋势基本上是一致的,因此为我们使用有限元方法优化设计提供了依据,由分析可以看到,设备层的振动源是变压器,但是由于楼层建筑设计结构的问题,在2号变压器底部和过道的底部缺少支撑,导致过道出现分散性的波动振动和噪音,要解决该问题,最好的办法是在2号变压器振源附近去减少变压器的振动。

降振方案的仿真计算对比

根据上述的分析,增加2号变压器下楼板的支撑刚度,在2#变压器正下方增加300*300mm的混凝土立柱,计算结果图片如下:在变压器室外走道增加两根300*500的横梁,用以连接四根大立柱;两台变压器下各增加6个JZD-13阻尼减震器(弹性:800N/mm,阻尼系数:>0.065,固有频率4.4~2.9Hz)两台变压器地基处增加浇筑4堵立墙,尺寸分别为3300*1900*400;两台变压器地基处后侧浇筑2堵立墙,尺寸分别为3300*1900*400,,前侧由于桥架位置干涉,改为立柱,尺寸为300mm*300mm,同时右侧立柱让位500mm。由以上计算值可以看到,这几种的减震方法都对楼板振动有不同层度的降低,其中通过增加立墙的方案噪音降低情况明显,但是成本高且实施困难,通过增加后侧墙/前侧立柱的方案效果相对也比较好,同时实施相对简单,耐用性长,实际推荐使用该种方案改善设备安装层的振动问题。

结语

通过本文,我们可以得出在地铁牵引变压器安装环境中,振动和噪音偏大不一定是由于变压器的噪音大导致的,也有可能是因为在设备建筑土建设计时,由于对变压器的运行和结构原理的不熟悉,导致没有针对性的改善变压器安装基础的结构刚度,导致出现建筑结构受变压器的激励出现共振出现振动和噪音偏大的现象,而使用有限元设计方法,可以根据获得的变压器初始振动激励数据仿真计算出变压器安装设备建筑的结构特性,在土建设计时通过有效改进安装基础的刚度避免出现振动和噪音偏大的问题。

作者:王耀强 黄超洋 雷涌 朱天佑 方利 苏利梅 单位:海南金盘电气研究院有限公司

地铁牵引变压器安装基础振动分析

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