110 kV戶內變壓器振動噪聲特性及其相干性分析

張灝，梅華，潘慶慶，肖清明，耿明昕，趙亞林

(1．國網寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011;2.國網寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;3.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710054)

隨著城區用電負荷的增長和用電質量要求的提高，戶內變電站越來越多，變電站運行產生的噪聲問題得到了社會的廣泛關注[1-3]。特別是110 kV戶內變電站[4-5]一般位于居民區，周圍聲環境要求高[6]，處理不當極易出現噪聲擾民，是電網建設亟待解決的問題。

學者們對110 kV戶內變電站噪聲問題開展了研究[7-9]。實踐證明，主變壓器是110 kV戶內變電站最主要的噪聲源[10]。運行中的主變壓器鐵心受磁致伸縮影響產生周期性振動[11]，振動傳遞至殼體后向外輻射噪聲[12]。降低主變壓器本體噪聲是戶內變電站噪聲控制最有效的手段，然而受殼體振動與噪聲的耦合關系及負荷變化影響，低噪聲主變壓器設計成本高，建造困難。110 kV戶內變壓器振動可通過地基和槽鋼引起構筑物內二次噪聲[13]，加劇噪聲污染。有限元仿真分析[14-15]可應用于戶內變壓器振動噪聲的預測，但目前電磁力不具備實測條件，只能通過計算值代替，導致仿真精度有限，因此通過進行在運110 kV戶內變電站振動噪聲實測，分析其分布特性及傳遞規律，對于實現110 kV戶內變電站噪聲防治具有重要意義。

本文以西北某110 kV戶內變電站為例，通過變壓器振動噪聲實測，研究了變壓器表面振動噪聲的頻譜特性，總結了變壓器表面振動、地基和槽鋼振動、噪聲的空間變化規律，在此基礎上研究了振動噪聲的相干性，可為110 kV戶內變電站噪聲防治提供一定的技術指導。

1 戶內變壓器振動噪聲測量

1.1 測試環境與設備

選擇西北某110 kV戶內變電站進行變壓器振動及噪聲實測，變壓器型號SFZ10-50000/110，產品代號ZT1710A00091，額定容量50 MVA，額定電壓110/38.5/10.5 kV，三相，如圖1所示。

圖1 測試變壓器

所用的主要儀器設備如表1所示。

表1 主要儀器設備

1.2 戶內變壓器振動信號測量

對變壓器4個側面和底面地基的振動分別進行測試，每個面選取具有代表性的測點來布置振動傳感器，測點位置如圖2所示，藍色區域為加強筋。每個測點處進行3次振動數據采集，每次采樣時間為20 s。

(a)變壓器各側面位置

1.3 戶內變壓器噪聲信號測量

根據GB/T 1094.10—2003電力變壓器第10部分[16]聲級測定的要求，待測變壓器油箱高度為2.75 m(大于2.5 m)，因此在變壓器1/3高度處和2/3高度處的水平面上分別進行測量。本次測試測點距離變壓器基準發射面0.3 m，噪聲測試測點布置如圖3所示。

圖3 噪聲測試測點布置

在對噪聲數據進行處理時，根據GB/T 1094.10—2003的要求，本文計算了環境修正值K以評估環境的影響。環境修正值K考慮了不希望出現的試驗室邊界或者鄰近試品的發射物體所產生的聲反射的影響，其大小取決于試驗室吸聲面積A對測量表面積S的比值：

(1)

對于本文所測變電站，經計算得知，K=5.26，滿足K≤7[16]的要求，證明聲反射影響較小，試驗室滿足測試要求，可進行相關噪聲分析。

2 戶內變壓器振動特性分析

2.1 振動特性分析

2.1.1 側面振動結果分析

變壓器各側面上的振動頻譜如圖4所示。對變壓器各側面振動測量結果分析可知：

(a)正面振動

(1)振動頻率主要分布在100 Hz及其倍頻處，集中在600 Hz以內，呈現典型的低頻線譜特征。

(2)變壓器長邊(正面和背面)各頻率處振動響應在0.02 ms-2～0.29 ms-2之間，短邊(左側面和右側面)各頻率處振動響應在0.01 ms-2～0.37 ms-2之間，整體上短邊振動略強于長邊，且短邊測點中100 Hz和200 Hz處響應占比更高。

2.1.2 底面及地基振動結果分析

在變壓器底面槽鋼和地基上測得的測點的振動頻域信號如圖5所示。

(a)底面槽鋼振動

可以看出：

(1)變壓器底面槽鋼和地基振動主要集中在低頻段。

(2)隨著測點遠離變壓器，底面槽鋼和地基振動加速度總體呈現下降的趨勢，這是由于振動在空間的衰減所致，在變壓器安裝底座上的振動加速度傳遞到變壓器室靠墻根處衰減了90%以上。少數點處振動出現了增加趨勢，這是由于地基底面加強梁以及通風井的影響所致。

(3)底面槽鋼上振動衰減的趨勢與地基上的振動衰減趨勢基本一致，但槽鋼上測點的振動衰減更為明顯。

為分析槽鋼振動和地基振動的關聯性，將100 Hz處底面槽鋼和地基各測點振動加速度值繪制在一張圖上，得到圖6。

圖6 100 Hz處底面槽鋼和地基各點加速度值

可見地基和槽鋼處振動具有較好的一致性，可以認為地基振動是由變壓器傳遞而來。

2.2 噪聲特性分析

噪聲測量結果如表2所示。

表2 各測點噪聲聲壓級(A聲級)

部分測點的噪聲頻域信號如圖7所示。

(a)測點4(1/3高度)

對變壓器噪聲測量結果進行分析之后可以看出：

(1)變壓器噪聲分量主要集中在100 Hz及其倍頻處，與振動頻譜分布基本一致，

(2)該變壓器距變壓器油箱表面30 cm處的噪聲在A聲級的65～70 dB的范圍內。

3 振動噪聲相干性分析

為分析戶內站主變壓器噪聲振動的相關性，將距離基準發射面0.3 m處近場處噪聲與相應測點振動進行相干處理，處理方法如下：

計算聲壓P1(t)和表面振動加速度a2(t)的互相關函數，如式(2)所示：

(2)

互相關函數的傅里葉變換即為互功率密度譜，如式(3)所示：

(3)

利用上式計算結果開展部分測點振動噪聲相干分析，結果如圖8所示。

(a)測點1相干系數

分析可知:

(1)近場處噪聲與相應測點振動相關性系數隨頻率增加總體呈降低趨勢，說明隨著頻率的增加，噪聲和振動的相關性逐漸減弱。

(2)在1000 Hz以內，近場處噪聲與相應測點振動具有高度相關性，特別是在100、200、300、600、800 Hz等頻率處，相干系數接近于1，這說明在這些頻率處近場噪聲與表面測點振動相干性很強，近場噪聲可以近似地認為是由對應的表面測點的振動所引起的。

(3)在1000 Hz以上，近場處噪聲與相應測點振動的相關系數迅速降低。這是因為變壓器振動主要集中在1000 Hz以內，近場噪聲中1000 Hz以上分量受環境噪聲影響，與變壓器振動相關性較弱。

4 結 論

(1)變壓器側面振動頻率主要分布在100 Hz及其倍頻處，集中在600 Hz以內，呈現典型的低頻線譜特征，整體上變壓器短邊振動略強于長邊，且短邊測點中100 Hz和200 Hz處響應占比更高。

(2)變壓器底面槽鋼和地基振動加速度總體呈獻衰減趨勢，在變壓器安裝底座上的振動傳遞到變壓器室靠墻根處已衰減90%以上。地基和槽鋼處振動具有較好的一致性，而且可以認為地基振動是由變壓器傳遞而來。

(3)變壓器噪聲分量主要集中在100 Hz及其倍頻頻率處，與振動頻譜分布基本一致，距變壓器油箱表面30 cm處的噪聲聲壓級在65～70 dB的范圍內。

(4)在1000 Hz以內，近場處噪聲與相應測點振動相干性很強，近場噪聲可以近似地認為是由對應的表面測點的振動引起輻射噪聲所致。