技术领域
[0001] 本
发明涉及属于电
力设施噪声振动控制技术，具体涉及一种基于准零刚度隔振的油浸式变压器及其隔振方法，用于实现油浸式变压器的隔振降噪。
背景技术
[0002] 随着城市人口
密度与用电规模逐渐增大，为给居民提供必需的电力，一些电力设备比如变压器等安装
位置一般距离居民住宅较近，设备运行时因电磁效应会产生设备振动，最终表现为设备的低频噪声，影响居民的生活与休息，近年来，由此引发的居民投诉与纠纷也日益严重，所以从减振隔振的
角度对变压器进行噪声控制是目前常采用的手段之一。
[0003] 研究表明，人体对于低频振动感觉较为敏感，所以要求变压器的隔振系统应具有很好的低频隔振性能。目前常采用的油浸式变压器内部隔振元件是以
橡胶为主要刚度器件，橡胶的刚度特性基本呈线性，线性隔振方法仅当激振力
频率大于隔振系统固有频率的√2倍时才有效果，变压器内部
铁心和绕组重量较大，在保证隔振系统具有较大承载能力的条件下无法获得较小的动刚度，将导致隔振系统在低频段的隔振性能较差，如果降低
支撑刚度虽然能使隔振系统隔绝低频振动的能力加强，但较低的支撑刚度同样会使隔振系统静态
变形增大，造成变压器内部铁心绕组部件位置
稳定性变差，易引起变压器的机械或电气故障，这一矛盾也制约了线性刚度元件在油浸式变压器内部隔振领域的应用。因此，如何实现油浸式变压器的隔振降噪，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题：针对
现有技术的上述问题，提供一种基于准零刚度隔振的油浸式变压器及其隔振方法，本发明能有效隔绝油浸式变压器内部铁心绕组低频振动向外传输，能够有效减小油浸式变压器内部铁心和绕组振动通过底部
基座传递到
建筑物结构，最终减小油浸式变压器的振动噪声对周边环境的不利影响，能有效隔绝地基低频振动(如
地震波)对变压器内部铁心绕组的影响，提高变压器本体的安全稳定性。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0006] 本发明提供一种基于准零刚度隔振的油浸式变压器，包括油箱和设于油箱中的铁心绕组部件，所述油箱内设有准零刚度隔振组件，所述准零刚度隔振组件包括多组垂直弹性元件和多组
水平弹性元件，所述铁心绕组部件通过多组垂直弹性元件支承布置在油箱的底部，所述多组水平弹性元件分别安装在铁心绕组部件的四周和油箱的垂直
侧壁之间。
[0007] 可选地，所述多组水平弹性元件相对铁心绕组部件呈中心对称或者轴对称布置。
[0008] 可选地，所述多组水平弹性元件均沿水平方向布置。
[0009] 可选地，所述铁心绕组部件的上部套设有铁心夹件，所述多组水平弹性元件分别安装在铁心夹件的四周和油箱的垂直侧壁之间。
[0010] 可选地，所述铁心绕组部件的底部四角各安装有一组垂直弹性元件。
[0011] 可选地，所述垂直弹性元件为
钢弹簧、或者橡胶
垫块、或者橡胶气囊、或者或
磁铁块对。
[0012] 可选地，所述水平弹性元件为钢弹簧、或者橡胶垫块、或者橡胶气囊、或者或磁铁块对。
[0013] 可选地，所述多组水平弹性元件处于压缩状态，且压缩后的长度λ满足式(1)所示函数表达式；
[0014]
[0015] 式(1)中，n为水平弹性元件的个数且n为偶数)K1为垂直弹性元件的刚度，K2为水平弹性元件的刚度，L为水平弹性元件和铁心绕组部件之间连接部分的长度。
[0016] 此外，本发明还提供一种所述基于准零刚度隔振的油浸式变压器的隔振方法，实施步骤包括：
[0017] 1)装配准零刚度隔振组件，使得所述准零刚度隔振组件的各个水平弹性元件在装配后处于被压缩状态以预先储存弹性
势能，所述铁心绕组部件处于平衡位置时，各水平弹性元件产生的弹性力方向沿水平方向布置；
[0018] 2)当所述铁心绕组部件在工作平衡位置受到外界的扰动时，所述准零刚度隔振组件的各个水平弹性元件内储存的弹性势能得到释放，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消垂直弹性元件产生变形所需的部分
能量，最终起到隔绝所述铁心绕组部件的振动往所述油箱传递的作用。
[0019] 可选地，步骤1)中装配准零刚度隔振组件之前还包括在对垂直弹性元件和水平弹性元件进行选型的步骤，详细实施步骤包括：根据铁心绕组部件的重量确定垂直弹性元件的刚度K1，然后根据式(2)确定水平弹性元件的刚度K2以及压缩量λ之间的关系；
[0020]
[0021] 式(2)中，n为水平弹性元件的个数且n为偶数，K1为垂直弹性元件的刚度，K2为水平弹性元件的刚度，L为水平弹性元件和铁心绕组部件之间连接部分的长度，λ为水平弹性元件的压缩量，x为垂直弹性元件承载铁心绕组部件后的位移。
[0022] 和现有技术相比，本发明具有下述优点：
[0023] 1、本发明在油浸式变压器内部支撑系统上引入准零刚度隔振组件，与传统线性隔振系统相比具有高静刚度、低动刚度的特性，能够有效隔除变压器铁心绕组的振动往油箱表面通过底部基座传递到建筑物结构，最终减小油浸式变压器的振动噪声对周边环境的不利影响，能有效隔绝地基低频振动(如
地震波)对变压器内部铁心绕组的影响，提高变压器本体的安全稳定性，同时又能保证隔振系统具有较高的承载力，足够支撑变压器的铁心绕组部件等关键部件。
[0024] 2、本发明在油浸式变压器内部支撑系统上引入准零刚度隔振组件，准零刚度隔振组件至少一组垂直弹性元件和多组水平弹性元件，水平弹性元件预先储备一定的能量或预变形，在工作平衡位置受到外界的扰动时可释放所储备的部分能量，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消正刚度元件产生变形所需的部分能量，减小隔振系统的动态刚度。
[0025] 3、本发明在油浸式变压器内部支撑系统上引入准零刚度隔振组件，其在平衡位置处于临界失稳状态，但总刚度依然为正值，满足并联结构的稳定性判断准则。
[0026] 4、本发明在油浸式变压器内部支撑系统上引入准零刚度隔振组件，其结构刚度具有明显的非线性特性，系统在平衡位置附近其刚度将随位移的增大而增大，这保证了准零刚度结构不仅具有良好的微幅、低频隔振效果，同时有着较强的位移稳定性。
附图说明
[0027] 图1为本发明
实施例的立体结构示意图。
[0028] 图2为本发明实施例油箱内部结构的立体结构示意图。
[0029] 图3为本发明实施例油箱内部结构的仰视结构示意图。
[0030] 图4为本发明实施例准零刚度隔振组件的等效模型示意图。
[0031] 图5为本发明实施例准零刚度隔振组件的正负刚度并联结构刚度特性示意图。
[0032] 图例说明：1、油箱；2、铁心绕组部件；21、铁心夹件；3、垂直弹性元件；4、水平弹性元件。
具体实施方式
[0033] 如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种基于准零刚度隔振的油浸式变压器，包括油箱1和设于油箱1中的铁心绕组部件2，油箱1内设有准零刚度隔振组件，准零刚度隔振组件包括多组垂直弹性元件3和多组水平弹性元件4，铁心绕组部件2通过多组垂直弹性元件3支承布置在油箱1的底部，多组水平弹性元件4分别安装在铁心绕组部件2的四周和油箱1的垂直侧壁之间。本实施例基于准零刚度隔振的油浸式变压器通过上述的准零刚度隔振组件起到隔绝工作时铁心绕组部件振动往油箱传递的作用，将具有负刚度的水平弹性元件
4与垂直弹性元件3进行并联布置，以此降低准零刚度隔振组件在平衡位置附近的动刚度，同时又能保证隔振系统具有较高的承载力。水平弹性元件4在装配后处于被压缩状态预先储存弹性势能，在变压器装配后的铁心绕组部件2处于平衡位置时，各负水平弹性元件4产生的弹性力方向与铁心绕组部件2的表面垂直；在变压器装配后铁心绕组部件2在工作平衡位置受到外界的扰动时，水平弹性元件4内储存的弹性势能得到释放，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消垂直弹性元件3产生变形所需的部分能量，最终起到隔绝所述铁心绕组部件2的振动往油箱1传递的作用，这种油浸式变压器隔振方法结构简单，加工方便，成本低廉，适合大面积推广。
[0034] 本实施例中，多组水平弹性元件4相对铁心绕组部件2呈轴对称布置，此外也可以根据需要设置为呈中心对称布置，通过上述对称布置结构，能过使得多组水平弹性元件4之间对铁心绕组部件2的水平作用力更加均衡，不会产生力矩，从而隔振效果更佳。多组水平弹性元件4的组数可根据具体的变压器来确定。
[0035] 本实施例中，多组水平弹性元件4均沿水平方向布置，确保实现准零刚度。
[0036] 本实施例中，铁心绕组部件2的上部套设有铁心夹件21，多组水平弹性元件4分别安装在铁心夹件21的四周和油箱1的垂直侧壁之间，通过铁心夹件21能过简化多组水平弹性元件4的安装，而且还能过防止多组水平弹性元件4直接对铁心绕组部件2产生
应力。
[0037] 本实施例中，铁心绕组部件2的底部四角各安装有一组垂直弹性元件3，垂直弹性元件3均布在铁心绕组部件2的底部四角起主要支撑作用，支撑稳定可靠，隔振效果更佳。
[0038] 本实施例中，垂直弹性元件3为橡胶垫块，此外也可以根据需要采用钢弹簧、或者橡胶气囊、或者或磁铁块对。垂直弹性元件3的刚度系数K1根据具体变压器所述铁心绕组部件重量来确定。
[0039] 本实施例中，水平弹性元件4为橡胶垫块，此外也可以根据需要采用钢弹簧、或者橡胶气囊、或者或磁铁块对。水平弹性元件4的刚度系数K2可根据垂直弹性元件3的刚度K1和铁心绕组部件2的重量并依据等效刚度Keff的计算公式进行确定。
[0040] 本实施例中，多组水平弹性元件4处于压缩状态，且压缩后的长度λ满足式(1)所示函数表达式；
[0041]
[0042] 式(1)中，n为水平弹性元件4的个数且n为偶数)，K1为垂直弹性元件3的刚度，K2为水平弹性元件4的刚度，L为水平弹性元件4和铁心绕组部件2之间连接部分的长度。式(1)中，L、K1、K2在准零刚度隔振组件确定后皆为常量，等效刚度为零时，两侧水平弹性元件4压缩后的长度λ也为一个固定的值。这意味着在静平衡状态下，只要保证两侧水平弹性元件4压缩后的长度等于λ，系统的等效刚度接近零，实现了对油浸式变压器内部铁心绕组组件2的准零刚度隔振。
[0043] 本实施例提供一种前述基于准零刚度隔振的油浸式变压器的隔振方法，实施步骤包括：
[0044] 1)装配准零刚度隔振组件，使得所述准零刚度隔振组件的各个水平弹性元件4在装配后处于被压缩状态以预先储存弹性势能，铁心绕组部件2处于平衡位置时，各水平弹性元件4产生的弹性力方向沿水平方向布置；
[0045] 2)当所述铁心绕组部件2在工作平衡位置受到外界的扰动时，所述准零刚度隔振组件的各个水平弹性元件4内储存的弹性势能得到释放，产生与外界扰动力方向相同的作用力，从而抵消垂直弹性元件3产生变形所需的部分能量，最终起到隔绝所述铁心绕组部件2的振动往所述油箱1传递的作用。
[0046] 本实施例步骤1)中装配准零刚度隔振组件之前包括在对垂直弹性元件3和水平弹性元件4进行选型的步骤，详细实施步骤包括：根据铁心绕组部件2的重量确定垂直弹性元件3的刚度K1，然后根据式(2)确定水平弹性元件4的刚度K2以及压缩量λ之间的关系；
[0047]
[0048] 式(2)中，n为水平弹性元件4的个数且n为偶数，K1为垂直弹性元件3的刚度，K2为水平弹性元件4的刚度，L为水平弹性元件4和铁心绕组部件2之间连接部分的长度，λ为水平弹性元件4的压缩量，x为垂直弹性元件3承载铁心绕组部件2后的位移。
[0049] 本发明实施例准零刚度隔振组件，其正刚度实现机构由安置于油浸式变压器铁心与油箱内底面之间的一组垂直弹性元件3构成，其负刚度实现机构由几组对称安置于油浸式变压器铁心侧面与油箱垂直内壁的水平弹性元件4构成，正负刚度机构并联组合成准零刚度实现组件。图4为本发明实施例准零刚度隔振组件的等效模型。准零刚度隔振组件承载后系统处于静平衡状态，理想情况下，当准零刚度隔振组件承载
质量与设计质量相等时，水平弹性元件4应当处于水平位置，水平弹性元件4处于压缩状态。假设垂直弹性元件3和水平弹性元件4的刚度分别为K1与K2；当系统处于静平衡位置时，水平弹性元件4的压缩量为λ；
连接杆长度为L；x为垂直弹性元件3承载质量m从静平衡位置开始的位移；外界的激励力为F。则准零刚度实现机构力-位移可以表示为式(3)：
[0050]
[0051] 式(3)中，K1为垂直弹性元件3的刚度，K2为水平弹性元件4的刚度，n为水平弹性元件4的个数且n为偶数，L为水平弹性元件4和铁心绕组部件2之间连接部分的长度，λ为水平弹性元件4的压缩量，x为垂直弹性元件3承载铁心绕组部件2后的位移，F为外界的激励力。
[0052] 因此，可以推导出该准零刚度实现机构的等效刚度Keff为式(4)：
[0053]
[0054] 式(4)中各符号定义参见式(2)。理想情况下，需要使得承载的准零刚度实现机构处于静平衡位置时等效刚度Keff为零，从而可得出式(2)，并可推导出式(1)。
[0055] 图5为准零刚度隔振组件的正负刚度并联结构刚度特性示意图，其中垂直弹性元件3的刚度Kp与水平弹性元件4的刚度Kn之和为准零刚度隔振组件的总刚度Ks，水平弹性元件4的刚度Kn的绝对值略小于垂直弹性元件3的刚度Kp时，整个准零刚度隔振组件的动刚度略大于零，此时准零刚度隔振组件处于不失稳的工作状态，将其称之为准零刚度结构，x0为准零刚度隔振组件到达准零刚度所需要施加的外界位移。
[0056] 综上所述，本实施例基于准零刚度隔振的油浸式变压器通过上述的准零刚度隔振组件引入负刚度机构/结构，构成内部准零刚度隔振支撑系统，不仅能承受配变铁心、绕组及结构件的自重而不产生较大变形，而且可以使得油浸式变压器铁心绕组部件在静平衡位置附近动刚度极低，形成一种理想的被动式隔振器。本实施例基于准零刚度隔振的油浸式变压器通过上述的准零刚度隔振组件可以有效减小油浸式变压器内部铁心和绕组振动通过底部基座传递到建筑物结构，最终减小油浸式变压器的振动噪声对周边环境的不利影响。
[0057] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
