志高小区变压器结构噪声分析与控制

苏伟，王昌田，鲍怀谦



志高小区变压器结构噪声分析与控制

苏伟，王昌田，鲍怀谦

(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590)

为解决志高小区变压器噪声扰民问题，通过对该小区地下室干式变压器分布的研究，并结合对变压器噪声传播机理的分析，得出由变压器振动引起的结构噪声是扰民的主要原因。采取安装隔振装置等隔振措施，有效地降低了变压器噪声对居民的影响，并通过对居民室及变压器隔振前后的振动加速度进行测量，同一测点振动级降低均在10 dB以上，同一测点的加速度值降低60%以上，基本解决了由变压器结构噪声引起的噪声扰民问题。

结构噪声；隔振装置；振动测量

0 引言

为满足居民日益增长的用电需求，同时也为了更好地利用土地资源，多数开发商会选择在居民小区地下室内设置配电站。尽管给居民的日常生活带来了很大方便，但由此引发的变压器噪声扰民问题却不容忽视。目前，降低变压器噪声主要从振源考虑，即尽量减少硅钢片的磁致伸缩，降低铁芯产生的横向振动，进而减弱噪声产生[1]。

志高小区是泰安市一个大型居民住宅小区，为保证居民的日常用电，开发商在居民楼的地下室内安装有多组10 kV的干式变压器。由于变压器与居民楼处于同一建筑物内，其运行中产生的噪声对楼上住户的日常生活产生了一定影响，特别是在夜间休息时，影响尤为严重。为了消除变压器运行噪声对入住居民的干扰，志高小区开发商决定对变压器运行噪声进行治理，作者有幸参与了该项噪声治理工程。经过现场勘察、测试与分析，确定治理重点为变压器振动引起的结构噪声，通过安装隔振装置等措施，控制其传播途径，从而消除了噪声干扰。至今为止，变压器降噪措施总体良好，达到了预期效果，开发商与入住居民均未再反应变压器噪声干扰问题。

1 变压器噪声来源

众所周知，噪声由振动产生[2]。志高小区干式变压器的运行噪声主要来源于硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动；其次，负载电流通过绕组时，漏磁通在绕组导体间产生电磁力而引起的绕组振动在一定情况下也不可被忽视[3]。

2 现场勘察与分析

2.1 变压器布置

志高小区地下室配电房内配备多组干式变压器，型号为SCB10-1000/10，各组变压器均处于独立的密闭铁壳内。整组变压器安装于型钢基座上，输入输出电路通过轿架从变压器上方引入。配电房封闭性很好，与上层居民住宅相隔一层楼板，两者间没有直接相连通道。

2.2 室内噪声成因分析

通常，噪声传播方式有两种：一种是在空气中传播，称为空气声，其在传播扩散中不断衰减；另一种是声源激发固体构件振动，这种振动以弹性波的形式通过基座、地板、墙柱、屋架等向外辐射噪声，称为固体声(结构噪声)。固体声能传播到很远的地方，即随着距离的增加衰减很小[4]。通过对志高小区配电房以及受干扰居民住宅的现场勘察与分析，确定楼上居民反映的噪声是变压器的振动通过地板、墙柱、屋架等传播的固体声。考虑到变压器安装在地下室，距离居民住户较远，且配电房封闭性很好，在住户室内也没有感觉到明显的噪声，所以排除了空气声的传播。图1为变压器运行产生的振动沿建筑物传播的示意图。

3 变压器结构噪声控制

要降低变压器的噪声，最理想的方法就是控制噪声源，即选用磁致伸缩性较小的铁磁材料做铁芯。但实际上，既要具有小的磁致伸缩性，又要具有足够高的磁导率、低损耗的电磁性能以及良好延展性的铁磁材料，目前还处在实验阶段[5]。所以要控制变压器引起的结构噪声，就只能通过控制其传播途径。

3.1 隔振原理

传统隔振方式依据振源的不同分为两种形式：一种振源是设备或结构，为减少它对周围环境的影响，采用隔振装置将它与地基(支承体)隔离，称为主动隔振；另一种振源是支座或地基的振动，在它和设备之间安装隔振装置，以减少它对设备的影响，称为被动隔振[6]。显然本次治理工程需要采取主动隔振形式，其力学模型如图2所示。图中为振源质量，为振源激振力，为弹簧刚度，为阻尼系数，为振源稳态响应。

振源的稳态响应为

(2)

则传递力的幅值为

其中，为位移响应振幅，其表达式为：

(4)

定义无量纲比值：

隔振效率定义为：

(6)

式(1)~(6)中，为激振力频率；为阻尼系数；为弹簧刚度；为激振力幅值；为位移响应与激振力之间的相位差；为阻尼比；为频率比；表示传递到基础上的合力幅值与振源激振力幅值之比，称为隔振系数或力传递率。图3为隔振系数关于频率比的特性曲线[7]。

3.2 隔振措施

基于以上分析，本次噪声治理工程主要采取两项控制变压器振动传递的措施：

(1) 根据变压器的自身重量及固有频率，并结合隔振理论计算，确定在变压器基座与地面之间安装左右两排共六组型号为ZTF-600的隔振装置，每组由四个钢弹簧加一块橡胶垫构成，如图4所示。钢弹簧能够吸收和储存振动能量，橡胶垫作为阻尼器也能够吸收和消耗振动能量，从而能够吸收变压器振动产生的大部分能量，减少振动能量向地面的传递。

(2) 由于变压器上部进出高低压电缆的振动会通过电线轿架向屋架结构传递，故改变进出电缆及母线的连接方式为辫子式软连接，从而减少振动能量向屋架结构的传递。同时为了操作安全及检修方便，连接好的线缆分别用三种不同颜色的绝缘材料包裹(见图4)。

4 振动测量与分析

4.1 测量过程及结果对比

基于工程需要，振动测量过程分为治理前、后两部分。采用型号为SC310-UTP的LMS振动试验和分析仪，先后对受干扰居民住宅卧室及客厅的同一测点进行振动测量，测量结果如表1所示。此外，出于安全考虑，变压器现场不能直接测量轿架上的振动，故选择先后对每组变压器基座与地面接触处和隔振装置与地面接触处的同一测点进行振动加速度测量，测量结果如图5所示。其中几个主要频率分量的振动加速度对比如表2所示，隔振效率如图6所示。每次测量时间持续60 s，采样时间间隔为0.5 s。

表1 居民室内铅垂向Z振级对比

表2 主要频率分量的加速度对比

4.2 结果分析

(1) 由图5及表2可以看出，安装隔振装置后变压器传到地面上的振动明显减小了；同时由表1可知，受干扰的居民室内铅垂向振级均降至67 dB以下，达到了国家规定的城市区域环境振动标准[9]。

(2) 分析图5可进一步得出，变压器的振动加速度峰值主要集中在100、200、300、400、500 Hz几个点上，且在200、300、500 Hz三个点的振动尤为严重。原因是变压器运行噪声主要是由铁芯的磁致伸缩引起的振动噪声，而磁致伸缩的变化周期是电源频率的半个周期，所以磁致伸缩引起的振动噪声是以两倍的电源频率为基频的(100 Hz)，并含有高次谐波分量存在[5]。

(3)由图6可以看出，当振动频率为300 Hz时的隔振效率超过了90%，振动达到最大点；当频率为200、500 Hz时隔振效率均超过了80%；当频率为100、400 Hz时隔振效率也达到了60%以上，隔振效果比较明显。

5 结 语

(1) 变压器是小区内必备的公辅设备，若将其安装在居民楼下方的地下室内，其运行所引起的结构噪声很可能会影响上层居民的正常生活与休息。

(2) 为控制变压器运行所引起的结构噪声，本工程依据主动隔振的理论，采取对变压器底座加设弹簧-橡胶垫复合型隔振装置，同时改变高、低压电缆及母线采用辫子式软连接等隔振措施，有效地消除了上层居民室内的结构噪声，达到理想效果。

(3) 变压器振动噪声的基频为100 Hz，峰值频率在100～500 Hz之间，属中低频噪声。因此，控制变压器噪声的重点应为设法降低变压器的中低频噪声。

[1] 牛春芳, 耿荣林. 降低变压器噪声方法的探讨[J]. 变压器, 2010, 47(12): 20-23. NIU Chunfang, GENG Ronglin. Discussion on Method to reduce transformer noise[J]. Transfor-mer, 2010, 47(12): 20-23.

[2] 杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础[M]. 3版. 南京: 南京大学出版社, 2012: 1-9. DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Fundamentals of acoustics[M]. 3rdedition. Nanjing: Nanjing University Press, 2012: 1-9.

[3] 余磊. 变压器噪声的产生与影响因素探讨[J]. 装备制造技术, 2010(10): 184-185. YU Lei. Discussion on the generation of transformer noise and its influence factors[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2010(10):184-185.

[4] 周新祥. 噪声控制及其应用实例[M]. 北京: 海洋出版社, 1999: 240-242. ZHOU Xinxiang. Noise Control and its application examples[M]. Beijing: Ocean Press, 1999: 240-242.

[5] 马大猷. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002: 81-83. MA Dayou. Noise and vibration control engineering manual[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2002: 81-83.

[6] 王孚懋, 任勇生, 韩宝坤. 机械振动与噪声分析基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 28-29. WANG Fumao, REN Yongsheng, HAN Baokun. Foundation of mechanical vibration and noise analysis[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2006: 28-29.

[7] 唐友刚. 高等结构动力学[M]. 天津: 天津大学出版社, 2002: 18-21. TANG Yougang. Advanced structural dynamics[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2002: 18-21；

[8] 成大先. 机械设计手册[M]. 5版. 北京: 化学工业出版社, 2008, 18-69. CHENG Daxian. Hand book of mechanical design[M]. 5thedition Beijing: Chemical Industry Press, 2008: 18-69.

[9] 中国国家标准化管理委员会. GB10070-88, 城市区域环境振动标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 1988.Standardization Administration of the People's Republic of China. GB10070-88, Urban Regional environmental vibration standard[S]. Beijing: Standards Press of China, 1988.

Analysis and control of the transformer structure noise in Zhigao residential area

SU Wei, WANG Chang-tian, BAO Huai-qian

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao266590, Shandong, China)

In order to solve the nuisance problem due to transformer noise in Zhigao residential area, the dry-type transformers’ distribution in an underground chamber of Zhigao residential area is investigated and the propagation mechanism of transformer noise is analyzed. As a result, it is concluded that the structural noise caused by transformer vibration is the main reason affecting the residents. By installing vibration isolation device, the effect of transformer noise on the residents is effectively reduced. Through the measurements of vibration accelerations in the residential room before and after the transformer vibration being isolated, the vibration level at the same measurement point is reduced by more than 10dB and the decrease in acceleration value is more than 60%. The nuisance problem caused by transformer structure noise has been solved basically.

structural noise; vibration isolation device; vibration measure

TB533

A

1000-3630(2016)-04-0369-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.016

2015-12-29;

2016-03-28

苏伟(1991－), 山东新泰人, 硕士研究生, 研究方向为噪声振动与控制。

苏伟, E-mail: su_hwei@163.com。