地鐵牽引變壓器安裝基礎振動分析范文

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樹脂干式變壓器由于其維護方便，不會產生環境污染，目前已廣泛應用到軌道交通牽引系統中，但是變壓器本體由硅鋼片磁致伸縮以及電磁力影響導致的振動及相應產生的噪音不可避免，由于軌道交通牽引變壓器普遍安裝在設備層中，混凝土的建筑結構如未充分考慮到變壓器的振動激勵的影響，可能就會導致設備層（如圖地下底二層）混凝土建筑結構出現劇烈振動及由此產生的設備層噪音加強的問題。

干式變壓器及設備層樓板振動原理

相關研究表明，干式變壓器的本體振動主要是來自于變壓器工作時鐵芯硅鋼片的磁致伸縮和繞組導線或繞組間電磁力所產生的振動，以及冷卻系統風機的風扇運行振動。磁致伸縮是硅鋼片在變壓器勵磁時，沿磁力線方向的硅鋼片的尺寸增加，而垂直于磁力線方向的尺寸縮小的現象，磁致伸縮使得變壓器鐵芯隨著勵磁頻率的變化而周期性振動，由于其變化周期為勵磁電流變化的一半，其引起的鐵芯振動頻率會為兩倍的勵磁電流的頻率為基頻，而由于變壓器鐵芯磁致伸縮的非線性和磁通路徑長度不同，鐵芯振動還會含有一定量的高次諧頻，鐵芯振動還將引起周圍環境空氣的振動從而引起產生變壓器噪音，噪音聲波特性與鐵芯振動特性一致，即同樣是兩倍的勵磁電流的頻率并含有一定量的高次諧頻。變壓器本體的振動通過變壓器地腳傳遞到基礎及附近地面，再通過地面傳遞到室內的墻柱等，導致樓板、墻柱的微小振動，這些微小的振動，對強度的影響一般并不大，但是卻能引起樓板的結構噪音，產生二次噪音，其振動頻率主要為100Hz和200Hz，即變壓器的振動基頻和二次諧頻，樓板的結構剛度是影響樓板振動幅度的重要指標，樓板的結構剛度越大，樓板振動的振幅越小，在同等頻率下其通過空氣傳播的聲波振幅響應也減小，從而導致噪音相對也會較小。對于底層樓板（以最底層為例）和高層樓板而言，變壓器安裝的地基均不是絕對的剛體，都為柔性基礎，而其在同樣材料（鋼筋混凝土）和阻尼比下，其結構剛度也是不一致的（材料混凝土剛度是一致的）。

設備層振動測量及仿真計算

以某地鐵線為例，該地鐵線共設有30個站點，每個站點安裝了2臺1600kVA變壓器組成24脈整流變壓器，其中出現A站點設備層樓層過道隨距離變壓器距離出現噪音和樓板振動波動現象，最大噪音值超過70dB，而其他29個站點明顯噪音小于60dB。1）使用加速度測試儀測試現場的的樓板振動2）對類似變壓器本體振動激勵測試由以上類似變壓器本體測試我們可以得知到變壓器本體振動加速度。3）樓板的穩態響應仿真分析計算根據變壓器磁致伸縮原理和我們噪音分析的頻譜可以得出，激勵源輸出的振動加速度主要是100Hz，還有少量的200Hz和300Hz的諧頻振動激勵，這個數據通過變壓器本體的振動激勵的測試也可以得知。再根據我們對樓板的測試結果，可以發現，樓板的譜響應主要集中在100Hz，在距離變壓器安裝位置遠處的高次諧頻的含量就更少了，由此我們可以得出：樓板的響應激勵主要來源于變壓器的基頻震動，這為我們做穩態的響應分析提供了依據。為了測試方便，我們在此處設定有限元分析載荷：變壓器振動源施加到樓板的振動加速度為0.14m/s，頻率為100Hz。樓板及鋼筋混凝土柱子材料均為C30混凝土，墻為空氣墻，使用Ansys建立有限元模型。通過實際測量與仿真的計算從以上分析可得知，仿真值和實測的振動波動趨勢基本上是一致的，因此為我們使用有限元方法優化設計提供了依據，由分析可以看到，設備層的振動源是變壓器，但是由于樓層建筑設計結構的問題，在2號變壓器底部和過道的底部缺少支撐，導致過道出現分散性的波動振動和噪音，要解決該問題，最好的辦法是在2號變壓器振源附近去減少變壓器的振動。

降振方案的仿真計算對比

根據上述的分析，增加2號變壓器下樓板的支撐剛度，在2#變壓器正下方增加300*300mm的混凝土立柱，計算結果圖片如下：在變壓器室外走道增加兩根300*500的橫梁，用以連接四根大立柱；兩臺變壓器下各增加6個JZD－13阻尼減震器（彈性：800N/mm，阻尼系數：>0.065，固有頻率4.4～2.9Hz）兩臺變壓器地基處增加澆筑4堵立墻，尺寸分別為3300*1900*400；兩臺變壓器地基處后側澆筑2堵立墻，尺寸分別為3300*1900*400，，前側由于橋架位置干涉，改為立柱，尺寸為300mm*300mm，同時右側立柱讓位500mm。由以上計算值可以看到，這幾種的減震方法都對樓板振動有不同層度的降低，其中通過增加立墻的方案噪音降低情況明顯，但是成本高且實施困難，通過增加后側墻/前側立柱的方案效果相對也比較好，同時實施相對簡單，耐用性長，實際推薦使用該種方案改善設備安裝層的振動問題。

結語

通過本文，我們可以得出在地鐵牽引變壓器安裝環境中，振動和噪音偏大不一定是由于變壓器的噪音大導致的，也有可能是因為在設備建筑土建設計時，由于對變壓器的運行和結構原理的不熟悉，導致沒有針對性的改善變壓器安裝基礎的結構剛度，導致出現建筑結構受變壓器的激勵出現共振出現振動和噪音偏大的現象，而使用有限元設計方法，可以根據獲得的變壓器初始振動激勵數據仿真計算出變壓器安裝設備建筑的結構特性，在土建設計時通過有效改進安裝基礎的剛度避免出現振動和噪音偏大的問題。

作者：王耀強 黃超洋 雷涌 朱天佑 方利 蘇利梅 單位：海南金盤電氣研究院有限公司