牽引變壓器噪聲探索分析

何澤海　鐘珩　韓波

摘 要：文章對牽引變壓器的噪聲來源進行了介紹，分析了變壓器本體與冷卻系統對變壓器噪聲的影響，并提出了相應的降噪措施。

關鍵詞：牽引變壓器；冷卻系統；噪聲

1 概述

牽引變壓器是動車組與機車的關鍵核心系統，它是列車牽引供電系統中不可或缺的電氣設備，將電網的電壓轉換成列車牽引變流器的整流輸入電壓，利用它可以把不同的電氣設備連接在一起，組成復雜的列車牽引系統。近些年來，隨著高速、重載鐵路運輸事業的大力發展，鐵路逐漸改變人們的生活，人們對列車由最基本的安全性要求轉移至舒適性要求上，對列車的乘坐舒適性要求也越來越高，如圖1所示，作為重要部件的變壓器的噪聲也受到了高度的重視。

2 牽引變壓器的噪聲來源及影響

2.1 噪聲來源

牽引變壓器組成部件包括器身（鐵心、繞組、絕緣、引線）、變壓器油、油箱和冷卻系統、保護裝置（繼電器、儲油柜及溫度傳感裝置等）和出線裝置。牽引變壓器的噪聲包含變壓器本體噪聲與冷卻系統裝置噪聲，如圖2所示。

（1）變壓器本體鐵心磁致伸縮與磁通不均產生；包含兩個因素：一是由硅鋼片磁致伸縮效應而引起的噪聲；二是鐵心接縫處磁力線發生畸變和鐵心中磁通分布不均在硅鋼片間產生噪聲。（2）變壓器冷卻系統的冷卻風機與油泵葉輪切割周圍的介質（油和空氣）而強迫冷卻介質流動產生；冷卻風機噪聲包括空氣動力性噪聲和機械噪聲，其中空氣動力性噪聲為風機的主要噪聲，它分為旋轉噪聲和渦流噪聲，旋轉噪聲是由旋轉的葉片周期性地打擊空氣質點引起空氣的壓力脈動所產生；渦流噪聲是風機葉片轉動時，其周圍高速氣流中將引起渦流，這些渦流由于粘滯力的作用，又會分裂成一系列小渦流，渦流在葉片界面或葉頂間隙處的移動和分裂使氣流發生擾動，使氣體產生壓縮和稀疏，以聲波的形式傳播所形成。機械噪聲主要由機殼輻射噪聲和驅動電機電磁噪聲。

2.2 變壓器本體與冷卻系統裝置的噪聲對變壓器噪聲的影響

冷卻風機運行時變壓器本體的噪聲將被冷卻風機噪聲覆蓋，冷卻風機關與開兩種情況下變壓器A計權噪聲如表1所示，可知變壓器噪聲主要受冷卻系統冷卻風機的噪聲影響。

3 變壓器噪音改善措施

3.1 改善本體噪聲

采用優質硅鋼片材質。在相同的磁通密度條件下，采用高導磁取向硅鋼片代替普通晶粒取向硅鋼片可降低噪聲[1]，綜合考慮經濟成本條件下選擇優質材料的鐵心硅鋼片。改善疊片結構。冷軋取向硅鋼片磁通性能的具有各向異性，由于鐵心中磁通密度分布的不均勻性，鐵心不同區域段的磁致伸縮是不均勻的。采用斜接縫代替直接接縫結構，可降低鐵心的磁致伸縮效應產生的噪聲。優化油箱結構。適當提高油箱強度，合理設計油箱加強筋、內部器身的安裝位置與變壓器整體安裝座相對位置。同時通過焊接工藝控制，減少與油箱連接不平的連接件，使安裝部件及郵箱受力均勻化；通過采取以上措施，可有效地降低箱壁的噪聲向外傳遞。

3.2 優化冷卻系統冷卻裝置

對于采用強迫油循環風冷方式的牽引變壓器，冷卻系統產生的噪聲是變壓器噪聲來源。可通過控制冷卻設備噪聲得以實現。

（1）優化設計冷卻風機。在保證冷卻風機要求的風量和風壓前提下，優化葉片形式使葉輪形狀適應空氣動力學特性，減少冷卻風機的切割空氣流產生的強迫振動，優化葉輪外緣與風筒外殼之間的間隙，優化軸流風機靜動葉片數量，對于離心風機可優化蝸舌及其與葉輪之間的距離[2]，降低風機旋轉噪聲和渦流噪聲。（2）進出風口或風道降噪設計。對噪聲的控制主要有隔聲、吸聲和阻尼消聲。吸聲——風道或風機內部設置吸聲材料。吸聲材料，對入射聲能有吸收作用的材料。吸聲材料主要用于控制和調整混響時間，消除回聲，廣泛用于降低通風空調等管道的噪聲。吸聲材料按其物理性能和吸聲方式可分為多孔性吸聲材料和共振吸聲結構兩大類。后者包括單個共振器、穿孔板共振吸聲結構、薄板吸聲結構和柔順材料等。阻尼消聲——阻尼材料涂于結構材料表面，形成阻尼隔離層。當聲波振動傳來時，阻尼消音層也隨之振動，其內部的分子不斷產生相對位移，由于其內摩擦阻力很大，導致振動量大大消耗，不斷轉化為熱能，從而達到降噪的目的。隔聲——通過設置隔聲結構或隔聲構件，吸收或反射部分聲能，由于反射與吸收的結果，從而降低噪聲的傳播。（3）風機采用變級控制。因為列車在低速運轉下或進站時本身的噪聲相對較小，對于牽引變壓器可通過將冷卻風機設計為變級控制，實現列車在低速條件下或進站情況下低轉速檔位運行實現低噪聲。（4）風機吊掛采用阻尼減振器。風機吊掛采用彈性懸掛，減少冷卻風機的噪聲向外傳播。（5）采用油循環自冷式冷卻裝置。對于與變壓器本體一體化的油浸自冷式變壓器，采用自然風冷卻，可減少因冷卻風機產生的噪聲[3]，因此可在滿足冷卻功率及安裝空間條件下采用油浸自冷式變壓器。

4 結束語

變壓器的噪聲主要為冷卻系統的噪聲，因此降低變壓器噪聲可通過優化冷卻系統冷卻裝置的噪聲以實現牽引變壓器的降噪。

參考文獻

[1]周賢士.中小型變壓器噪聲（上）[Z].上海變壓器廠，2006（11）：1-9.

[2]蔡兆林.風機噪聲及控制[D].華中理工大學，1993（12）：23-26.

[3]顧曉安，沈榮瀛，徐基泰.國外變壓器噪聲研究的動向[J].變壓器，2002，39（6）：33-38.

作者簡介：何澤海（1984-），南車株洲電機有限公司，從事牽引變壓器設計與研發工作。