電力變壓器噪聲及其傳播特性研究

胡 非,高紅亮,唐 勇

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院,湖北 黃石 435002)

變壓器噪聲主要為低頻噪聲,低頻噪聲會對人們的日常生活產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響,低頻噪聲不易消減,可以直接到達(dá)人耳,使人產(chǎn)生煩躁的情緒,長期受到低頻噪聲的影響會使人產(chǎn)生精神疾病,對人們的身體健康和精神健康都有危害。隨著城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展,越來越多變壓器建在接近居民區(qū)的位置,由于其產(chǎn)生的噪聲,對人們的生活學(xué)習(xí)產(chǎn)生了很大影響。變壓器引起的噪聲問題引起了社會的廣泛關(guān)注,從技術(shù)問題逐步演變?yōu)樯鐣栴},變壓器設(shè)計和生產(chǎn)廠家需要通過各種措施降低變壓器噪聲,以達(dá)到當(dāng)今社會對于環(huán)境噪聲的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對變壓器噪聲的衰減特性和傳播特點的探究,得到降低變壓器噪聲的技術(shù)和方法,改善環(huán)境噪聲[1]。我國變壓器目前的噪聲控制水平還沒有達(dá)到國際水準(zhǔn),需要探究變壓器噪聲的特點,為降低變壓器噪聲提供理論依據(jù),降低變壓器的噪聲以達(dá)到當(dāng)代社會對噪聲水平的要求[2,3]。

硅鋼片的材質(zhì)、鐵芯的結(jié)構(gòu)和冷卻裝置的振動都會對變壓器噪聲的大小產(chǎn)生影響。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),變壓器本體裝置的噪聲最主要的原因還是硅鋼片的磁致伸縮,因為變壓器噪聲以低頻噪聲為主,低頻噪聲的治理相比起高頻噪聲的治理更加困難,由于低頻噪聲不容易衰減,故傳播距離較遠(yuǎn)。

目前對于噪聲的治理主要有兩種方式:無源控制技術(shù)和有源控制技術(shù)。主體分為有源降噪和無源降噪。實際的變壓器噪聲治理中,將有源降噪和無源降噪結(jié)合起來,從而使電力變壓器降噪效果更好。本文主要研究電力變壓器噪聲的傳播特性,為變壓器降噪提供理論支撐,研究更直接有效的措施來控制變壓器噪聲,具有現(xiàn)實意義。

1 電力變壓器本體噪聲產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素

1.1 電力變壓器本體噪聲

1.1.1 鐵芯噪聲 變壓器的鐵芯是由鐵芯柱、鐵軛、夾緊件、絕緣件、接地片等部件組成的,構(gòu)成一個堅實的實體,是變壓器的磁力線通路,起到集中和傳導(dǎo)磁通的作用,同時也是變壓器內(nèi)部的骨架。鐵芯是由硅鋼片疊裝而成的,由物質(zhì)熱脹冷縮的現(xiàn)象可知,物質(zhì)遇熱會膨脹,否則冷縮。除此之外,由鐵磁性物質(zhì)在磁場和電場中的磁化狀態(tài)可知,硅鋼片在磁場和電場中尺寸也會有伸長或縮短的變化。將硅鋼片在磁場和電場中尺寸的變化叫做磁致伸縮現(xiàn)象,鐵芯的硅鋼片在磁場的作用下,發(fā)生磁致伸縮而引起的振動是變壓器鐵芯產(chǎn)生噪聲的原因。

變壓器的本體噪聲完全由鐵芯的磁致伸縮決定,鐵芯的磁致伸縮振動通過固體和液體兩種途徑傳至油箱,鐵芯振動通過以下兩種方式傳遞給油箱后,油箱產(chǎn)生振動,從而產(chǎn)生本體噪聲。

1)固體傳播:由墊腳傳至油箱;

2)液體傳播:由絕緣油傳至油箱。

1.1.2 繞組噪聲 繞組是變壓器的電路部分,變壓器在運行時,繞組有電流流過,產(chǎn)生銅損耗,并引起發(fā)熱,因此,繞組需要使用電導(dǎo)率高的金屬材料制造,這樣才能減小電流損耗和發(fā)熱,制造繞組最常用的材料是銅和鋁,在其表面包上絕緣材料。變壓器經(jīng)過長時間運行或預(yù)緊力不足時,繞組會存在松動或變形的情況,從而使變壓器本體內(nèi)部的機(jī)械性能降低,這是造成變壓器內(nèi)部故障的原因之一,也是產(chǎn)生噪聲的原因之一。當(dāng)變壓器工作時,負(fù)載電流通過繞組,變壓器鐵芯和繞組之間會產(chǎn)生漏磁,使變壓器結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生振動,結(jié)構(gòu)件振動產(chǎn)生噪聲。

1.1.3 電力變壓器冷卻裝置噪聲 在冷卻裝置中,最關(guān)鍵的兩個構(gòu)件是冷卻風(fēng)扇和油箱,它們產(chǎn)生噪聲的主要原因如下:

1)冷卻風(fēng)扇與油泵在工作時,風(fēng)機(jī)運行和油箱電機(jī)轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生噪音;

2)扇葉運行不平衡會振動從而輻射噪聲;

3)電力變壓器運行時各元件振動,通過固體和液體兩種傳播路徑傳遞至冷卻系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)的振動增強(qiáng),從而增加輻射噪聲[4]。

1.2 影響變壓器噪聲的主要因素

1.2.1 硅鋼片磁致伸縮ε對噪聲的影響 鐵芯勵磁時硅鋼片的磁致伸縮系數(shù)ε(ε=ΔL/L,ΔL為磁致伸縮的增量,L為硅鋼片長)是造成變壓器噪聲的主要因素,磁致伸縮ε與噪聲大小成正比,即磁致伸縮ε越小,變壓器噪聲越小。

影響硅鋼片磁致伸縮的因素有如下幾種:

1)硅鋼片的選材。現(xiàn)階段制造廠多數(shù)采用23RK085～30RK105等高牌號硅鋼片,這類硅鋼片經(jīng)激光照排提高結(jié)晶方位的完整度,使鐵芯振動減小;

2)絕緣涂層的厚度。從理論上分析,硅鋼片越薄、涂層越厚,涂層表面的張力就越大,則硅鋼片在電場或磁場中的變化就小,即磁致伸縮ε就越小,則噪聲越小;

3)磁通密度的大小。磁通密度越大,則噪聲越大;

4)硅鋼片的退火工藝和硅鋼片的溫度等也會影響硅鋼片磁致伸縮。

1.2.2 鐵芯結(jié)構(gòu)對噪聲的影響 鐵芯勵磁噪聲是變壓器工作時產(chǎn)生的主要噪聲之一,其產(chǎn)生與鐵芯的磁通密度分布、接縫方式和疊積方式等因素有關(guān)。此外,鐵芯的裝配工藝也對變壓器噪聲產(chǎn)生影響,變壓器噪聲和鐵芯的夾緊力也有著密切的關(guān)系。因此在設(shè)計和制造變壓器的過程中,需要綜合考慮多種因素,制定合理的鐵芯結(jié)構(gòu)和裝配工藝方案,以降低鐵芯勵磁噪聲,提高變壓器的性能和可靠性。

1)鐵芯中磁通密度分布是不均勻的,硅鋼片在電場和聲場中伸縮也是無規(guī)律的,所以鐵芯區(qū)域內(nèi)的磁致伸縮也是不均勻的;

2)鐵芯接縫方式對噪聲的影響也比較大,使用斜接縫比直接縫噪聲能降3 dB～5 dB;

3)鐵芯的疊積方式也會對變壓器噪聲產(chǎn)生一定的影響。研究表明,相比于單片疊,雙片疊的變壓器噪聲要高出2 dB左右;

4)鐵芯的夾緊力處在最佳值時,噪聲最低,優(yōu)化鐵芯夾緊力能使噪聲降低0～5 dB.

2 電力變壓器降噪措施

變壓器的噪聲主要以聲波形式在空氣中擴(kuò)散。為了降低變壓器的噪聲,可以從兩個方面入手:一方面是控制鐵芯和繞組的振動,降低本體噪聲;另一方面是控制冷卻系統(tǒng)的噪聲水平,降低冷卻裝置噪聲。

針對變壓器的本體噪聲問題,我們可以通過減少鐵芯磁致伸縮和降低繞組振動等手段來降低噪聲。其中,對于鐵芯的磁致伸縮問題,可以通過優(yōu)化鐵芯結(jié)構(gòu)和合理選擇硅鋼片等材料來控制。針對冷卻系統(tǒng)的噪聲問題,我們需要盡可能地控制和降低冷卻裝置的噪聲水平,同時還需考慮防止冷卻裝置與變壓器一起形成共振現(xiàn)象。為此,可以采用隔聲、消聲等技術(shù),同時結(jié)合降噪材料和減振裝置等技術(shù)手段。

綜上所述,為了降低變壓器的噪聲,需要從多個方面進(jìn)行考慮和改進(jìn),結(jié)合具體情況選取合適的措施方案以達(dá)到較好的降噪效果。

2.1 變壓器內(nèi)部降噪措施

從變壓器內(nèi)部采取方法進(jìn)行降噪,可以從鐵芯和繞組兩部分采取手段進(jìn)行噪聲控制。

2.1.1 鐵芯降噪的方法 1)減少磁致伸縮。要有效地降低變壓器的噪聲,最關(guān)鍵的措施之一是減少硅鋼片的磁致伸縮。磁致伸縮是變壓器噪聲的主要來源。為此,可以通過合理優(yōu)化鐵芯的設(shè)計結(jié)構(gòu)、選擇質(zhì)量更好的硅鋼片以及采用現(xiàn)代材料制造變壓器等措施來減少磁致伸縮。2)降低鐵芯磁通密度。磁致伸縮率與磁通密度有關(guān)系,磁通密度越小,磁致伸縮也越小,鐵芯噪聲也越小。

2.1.2 繞組降噪的方法 對于繞組降噪,最好的方式為施加預(yù)緊力,在變壓器工作過程中加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)緊力,當(dāng)繞組預(yù)緊力達(dá)到最佳狀態(tài),繞組噪聲也能減小至最佳狀態(tài)。

2.1.3 油箱降噪的方法 對油箱進(jìn)行適度的技術(shù)改造也可以在一定程度上減少變壓器噪聲,對油箱的技術(shù)改造包括以下兩個方面:

1)增加油箱厚度或提高油箱箱體剛性,降低油箱的振動幅度和頻率;

2)在油箱底部設(shè)置減振器。增設(shè)減振器避免油箱底部與基底直接接觸可以降低變壓器本體振動引發(fā)的噪聲,可以很好地降低由于直接接觸帶來的傳遞振動,通過削減振動來降低噪聲。

2.2 變壓器外部降噪措施

2.2.1 冷卻裝置降噪

1)冷卻方式的選擇

在選擇變壓器冷卻裝置時,不僅要滿足散熱功能,還應(yīng)盡量減小噪聲到規(guī)定范圍。為了平衡散熱和噪聲兩種要求,變壓器冷卻裝置在選擇冷卻裝置時可以采用自冷片式散熱器,這種冷卻方式比風(fēng)冷散熱器或強(qiáng)油循環(huán)風(fēng)冷卻器的噪聲低很多,可以降噪15 dB(A)以上[5]。

2)軸流風(fēng)機(jī)的選擇

如果選擇環(huán)保的低噪聲風(fēng)機(jī)可以起到明顯的降噪作用。一臺變壓器如果高負(fù)荷時啟動4臺低噪聲風(fēng)機(jī),將會降低近20 dB(A)的噪聲。

2.2.2 變壓器戶外改戶內(nèi)

對于原本暴露在空氣中的變壓器來說,最簡單、最快捷且成效比較好的措施是加裝隔音設(shè)備。這種措施并不是把變壓器從室外移入室內(nèi),而是在變壓器原有的基礎(chǔ)上,從外部修建一座隔音室,將整臺變壓器置于隔音室中。此外,可以將隔音室的門設(shè)置為防火隔音門,增強(qiáng)門的隔音量的同時保證防火安全。為了減少噪聲,將不需要開口的窗戶全部封閉,并采取吸聲處理措施,如使用吸音材料裝備隔音室的墻壁、吊頂?shù)?從而減小噪聲。這種方法相對簡單易行,能夠有效降低變壓器的噪聲,對于一些對噪聲環(huán)境要求較高的地區(qū),特別是人口密集區(qū)域,加裝隔音設(shè)備是一種較為實用的噪聲控制方法。

3 構(gòu)建電力變壓器噪聲模型及結(jié)果分析

功率譜估計(PSD)是一種功率譜,其估計信號的方式是分析數(shù)據(jù),它涉及很多基礎(chǔ)學(xué)科,例如概率統(tǒng)計、信號分析和信號系統(tǒng)。功率譜估計包括經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代譜估計兩種。本節(jié)用來對變壓器采樣信號進(jìn)行觀察的是經(jīng)典功率譜估計中的周期圖法和在周期圖法上進(jìn)行改進(jìn)的Welch算法,以及現(xiàn)代功率譜中AR模型參數(shù)估計的Burg算法。

1)周期圖法。周期圖法是一種直接法,也稱為周期圖直接法。該方法利用傅里葉變換直接計算隨機(jī)信號的功率譜密度估計。周期圖法將隨機(jī)信號分割為多個周期信號,然后對各個周期信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),累加得到能量譜密度函數(shù)。計算得到的譜密度再取絕對值的平方,并除以信號長度N,即得到信號功率譜密度的估計值[6]。

(1)

2)Welch算法。目前頻譜估計中經(jīng)典的算法包括Barlett法、Nattall法以及Welch法等。其中,Welch法是由Welch提出的一種修正周期圖法,是一種應(yīng)用廣泛的頻譜估計算法。

Welch算法的核心思想是采用數(shù)據(jù)分段加窗處理再求平均的方法。具體來說,先將原始信號數(shù)據(jù)分為若干段,然后對每一段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理,最后對每一段數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換等處理,得到每一段數(shù)據(jù)的譜估計。然后,對所有譜估計進(jìn)行平均處理得到總的譜估計結(jié)果。根據(jù)概率統(tǒng)計理論,若將原長度為N的數(shù)據(jù)分為L段,每段長度取M=N/L,且各段數(shù)據(jù)互為獨立,則估計的方差將只有原來不分段的1/L,從而達(dá)到一致估計的目的。但是,在選擇分段的參數(shù)L和M時需要兼顧分辨率與方差的要求,適當(dāng)調(diào)整參數(shù)以使結(jié)果盡量滿足實際情況的需求。

為了減小分段數(shù)增加對分辨率的影響,在實際應(yīng)用中通常會采用各段數(shù)據(jù)有一定重疊的方法進(jìn)行分段。Welch算法基于周期圖法進(jìn)行改善,所得的圖像在觀察信號方面更加平滑。除了Welch算法,還有其他的頻譜估計算法可以進(jìn)行降重,包括基于自相關(guān)函數(shù)計算自譜、平均倒譜法、Yule-Walker方法、最小二乘法譜估計等。此外,還可以采用物理上的降噪設(shè)備、數(shù)字信號處理技術(shù)或人工智能等技術(shù)進(jìn)行降重處理。針對不同的噪聲類型和信號特征,可以選擇不同的方法和技術(shù)進(jìn)行處理,以提高信號質(zhì)量[7]。

3)Burg算法。Burg算法是一種經(jīng)典的譜估計算法,其基本思想是利用線性預(yù)測器對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行前、后向預(yù)測,通過最小化總的均方誤差來直接估計反射系數(shù)。然后,通過Lenvinson-Durbin算法的遞推公式求解自回歸模型參數(shù)。相比于其他譜估計算法,Burg算法的優(yōu)點在于不需要對未知數(shù)據(jù)做任何假設(shè),因此具有較高的估計精度[8,9]。

3.1 利用周期圖法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB中的periodogram函數(shù)實現(xiàn)對變壓器采樣噪聲周期圖法的功率譜估計。采樣頻率為2 500,采樣點數(shù)為1 250,FFT點數(shù)為1 024,窗函數(shù)采用海明窗。

由仿真得出的變壓器采樣噪聲的時域信號圖如圖1所示:

圖1 采樣噪聲的時域信號圖

由圖1可以看出,隨著噪聲的傳播,噪聲幅值有所增大。

在周期圖法下觀察噪聲的功率頻譜圖如圖2所示,選取0～1 Hz下變壓器噪聲傳播的功率頻譜圖如圖3所示。

圖2 周期圖法下的噪聲功率譜圖

圖3 0～1Hz下的功率譜圖

由上圖可知,隨著噪聲的傳播,波攜帶的功率會逐漸降低,我們需要采用適合技術(shù)手段來消除諧波和噪聲,減少對電能的質(zhì)量的影響。

3.2 利用Welch算法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB軟件中提供的pwelch函數(shù)進(jìn)行功率譜估計,實現(xiàn)對變壓器采樣噪聲的Welch算法處理。FFT點數(shù)為1 024,采樣頻率為2 500,采樣點數(shù)為1 250,窗函數(shù)采用rectangular窗。

在Welch算法下觀察噪聲的功率譜圖如圖4所示,同理選取0～1 Hz下并采取Welch法的變壓器噪聲傳播的功率頻譜如圖5所示。

圖4 Welch算法下的噪聲功率譜圖

圖5 0～1 Hz下的功率譜圖

由上圖可知,變壓器噪聲呈低頻特性,低頻噪聲的特點是波長較長,能輕而易舉穿越聲屏障,不易受阻擋,在空氣中隨著距離增大,其衰減也比較慢,低頻噪聲可以傳播很遠(yuǎn),影響范圍也因此比較廣。在高頻噪聲能夠比較容易地被阻擋消減的條件下,對于噪聲的治理研究應(yīng)以低頻噪聲為主。總的來說,相較于高頻噪聲,低頻噪聲的衰減速度較慢,不太容易衰減,頻率集中于100 Hz左右,在傳播過程中,100 Hz的噪聲衰減得最慢。

3.3 利用Burg算法分析噪聲傳播特性

利用MATLAB軟件中的Pburg函數(shù),可以對變壓器采樣噪聲進(jìn)行Burg算法的功率譜估計,并繪制出相應(yīng)的功率譜密度曲線。AR模型階數(shù)p=14,FFT點數(shù)為1 024,確定采樣頻率2 500,采樣點數(shù)1 250.

在Burg算法下觀察噪聲的功率譜圖如圖6所示,由圖6可知,變壓器采樣噪聲功率在可聽聲的頻率范圍內(nèi)波動很小,表明噪聲在可聽聲頻率范圍下持續(xù)時間長且不易衰減。

圖6 Burg算法下的噪聲功率譜圖

在Burg算法下選取0～1 Hz進(jìn)行觀察如圖7所示。

由圖7可知噪聲在聲源處衰減最多,說明變壓器降噪最好的方法是在聲源處減小噪音的傳播。在減少噪聲的三個途徑中:控制噪聲源、阻擋噪聲傳播、在接收處防止噪聲入耳。其中,最根本有效的方法是消除或減弱噪聲源。

3.4 結(jié)果分析

利用MATLAB軟件對變壓器采樣噪聲進(jìn)行研究,由程序得出變壓器采樣噪聲的時域信號圖,在MATLAB中調(diào)用函數(shù),用周期圖法、Welch算法和Burg算法對噪聲的功率譜密度圖進(jìn)行分析,分析得出:

1)電力變壓器噪聲主要在110 Hz左右,噪聲波長較長,屬于低頻噪聲,低頻噪聲相較于高頻噪音來說不容易衰減,由于其的繞射和透射現(xiàn)象,低頻噪聲不易阻斷,更能到達(dá)人耳,對人們的日常生活產(chǎn)生影響,對于電力變壓器噪聲的治理應(yīng)該以減少低頻噪音為主;

2)分析功率譜圖可得,隨著變壓器噪聲的傳播,每單位頻率波攜帶的功率逐漸降低,會對電能的質(zhì)量產(chǎn)生影響,變電站需要采取合適手段降低諧波和噪聲,減少其對電能質(zhì)量的危害;

3)用Welch算法進(jìn)行分析,噪聲在傳播過程中總體趨勢呈衰減特性,主要衰減原因是被空氣吸收,被地面吸收,在傳播過程中遇到聲屏障,隨著傳播距離擴(kuò)大,能量減少;

4)由Burg算法可知,變壓器噪聲在可聽噪聲范圍內(nèi)不易衰減,且持續(xù)時間長,在噪聲剛開始傳播時其衰減最多。在實際的變壓器噪聲控制過程中,主要治理110 Hz的低頻噪聲。

4 結(jié)論

本文將電力變壓器噪聲影響因素以及變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理作為已知條件,采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真,得出變壓器采樣噪聲的時域信號圖,分析噪聲模型衰減程度和噪聲在傳播過程中的衰減趨勢,通過觀察變壓器采樣噪聲在周期圖法、Welch算法及Burg算法下的功率頻譜圖,更清晰地觀察到變壓器噪聲的衰減規(guī)律及傳播特性,為變壓器降噪措施的提出進(jìn)行理論指導(dǎo)。