[发明专利]一种变压器铁芯振动噪声外场分布的有限元仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于COMSOL的油浸式变压器铁芯振动噪声外场分布的有限元仿真方法，采用建立的变压器三维物理模型对变压器瞬态电磁场仿真，计算出空载运行下变压器铁芯的瞬态电磁力，结果作为结构场的激励源，计算得到铁芯振动的瞬态位移，再计算求出瞬态铁芯表面振动加速度，将瞬态数据导出进行FFT变换后，结果作为声场分析的初始值，对变压器外部声场仿真。比较不同频率下的外部声场中某点的声压级，分析得到变压器辐射噪声中主要谐波分量。对一台220kV油浸式变压器作空载实验，在模型中对应位置放置声传感器采集声压数据，将实测时域内的声压数据FFT变换后与仿真值接近，验证了该仿真模型在声压外场计算的优越性。

技术领域

本发明涉及电力系统运行控制的仿真计算技术领域，尤其涉及一种基于COMSOL油浸式变压器铁芯振动噪声外场分布的有限元仿真方法。

背景技术

变压器的振动噪声不仅对人民的生活环境造成污染，同时还会影响叠片铁芯产品的使用寿命，有效仿真变压器铁芯在不同谐波、不同压紧程度因素影响下的振动和噪声产生机理，获得振动矢量在变压器内外部空间的传播特性及各组件的振动分布规律，这为设备减振降噪提供合理的理论依据，有利于设计高性能叠片铁芯产品，对变压器保护运行具有非常重要的意义。变压器铁芯的磁致伸缩特性是导致变压器产生噪声的主要原因，对于磁致伸缩的问题已有很多种数值计算的方法，分别是基于不同的方法测量出铁芯的应变，在这个基础上计算出铁芯的磁致伸缩力和振动位移，通过数值计算的方法能有效的从机理上解释变压器噪声信号中的谐波成分。另外有学者采取考虑磁致伸缩的磁-机械弱耦合问题进行有限元分析方法，能够仿真出由于铁芯磁致伸缩引起的振动噪声，但分析中忽略了硅钢片的磁各向异性以及机械振动对磁场分布的影响，没有建立可推广应用的磁-机械强耦合模型的。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于COMSOL的油浸式变压器铁芯振动噪声外场分布的有限元仿真方法，通过电磁场-结构力场-声场的耦合，准确的仿真出铁芯磁致伸缩的振动分布，并考虑到声压在传播过程中的削弱，计算出声压在外场的分布。

为实现本发明的目的，提供一种基于COMSOL的油浸式变压器铁芯振动噪声外场分布的有限元仿真方法，包括如下步骤：

步骤一，建立变压器三维仿真模型，对变压器三维仿真模型的瞬态电磁场仿真，计算出空载运行下变压器铁芯的瞬态电磁力；

步骤二，将瞬态电磁力作为结构场的激励源，计算得到变压器铁芯振动的瞬态位移，再计算求出瞬态铁芯表面振动加速度并将数据导出进行快速傅里叶FFT变换，得到频域内的铁芯表面加速度；

步骤三，将频域内的铁芯表面加速度作为声场分析的初始值，对变压器外部声场仿真，比较不同频率下的外部声场中典型位置点的声压级，分析得到变压器辐射噪声中主要谐波分量；

步骤四，对一台220kV油浸式变压器作空载实验，在模型中对应位置放置声传感器采集声信号，将实测时域内的声压数据进行快速傅里叶FFT变换；

步骤五，将处理后的实测数据与仿真值比较，验证仿真模型在声压外场计算性能。

其中步骤一包括，

根据变压器技术参数、出厂试验参数的误差调整设置变压器三维物理模型的材料、电磁参数，建立油浸式变压器简化三维模型。

进一步地，步骤一包括：

(1)在有限元仿真软件COMSOL中建立变压器三维物理模型；

(2)在COMSOL中设置铁芯、绕组、变压器油的材料类型及属性；

(3)在COMSOL中对变压器三维物理模型进行网格划分；

(4)对变压器模型施加空载条件下的激励；

(5)设置瞬态求解器的研究时间和时间步，计算出空载运行下变压器铁芯的瞬态电磁力。