变压器噪声消除技术研究

李长林，赵 威，宋卓夫，张 凯

(1.国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨150090；2.国网黑龙江省电力有限公司信息通信公司，哈尔滨150090)

0 引 言

近年来，城市的用电量在急剧上升，同时城市中的用电密度也变得越来越大，城市用电主要体现在两个方面，一方面是市政电力网络需求的构建，另一方面是城市整体规模的扩大。基于上述原因，越来越多的变电所建于城市的商业区和居民区内。变压器在工作的过程中会产生噪声，这些噪声会对设备的正常工作产生影响，对设备的性能有一定损伤；同时，当噪声达到一定程度时，会对周围居民的生活产生影响，严重危害居民身体健康。

随着人们环保意识的提高和国家环保部门对各类噪声的限制，国家颁布的《社会生活环境噪声排放标准》规定了噪声标准，超过国家规定的居住区环境噪声标准、给居民正常生活造成损害的应排除妨碍并承担相应的赔偿责任。当前，关于变压器噪声的投诉和诉讼越来越多，由此产生了巨大的社会和经济损失。因此，从切实保护公民健康权、维护公民合法权益出发，为保证变电站周围居民不受变压器运行噪声的影响，探索一种对变压器噪声进行合理控制的有效手段是至关重要的[1-3]。

1 变压器噪声消除技术的发展

1.1 国外技术发展现状

早在1920年，国外的许多公司(例如西门子、ABB公司等)已经开始对变压器的振动以及噪声问题进行研究，并且很多国家都对这个领域进行了相关标准的制定。在变压器发展的过程中，噪声成为了非常重要的一项衡量指标，并且这个指标特性和其他性能一样重要，比如机械性能，温度指标以及电性能等[4]。

从1970年起，国外许多变压器制造商投入大量人力、财力对变压器噪声进行研究。从早期的研究来看，其主要的研究内容都集中在实验探索上，研究人员对这些实验探索进行归纳总结，逐步建立数学模型以进行理论分析[5]。随着其他领域及学科的发展，很多新技术被引入，扩展了变压器在有限元模拟方面的深入分析，典型软件包括Ansys，INFOLYTICA，ACTRAN等[4]。许多欧美国家的研究人员使用这些软件来构建相应的物理模型，通过这些模型可以更好地分析变压器的具体工作原理，计算交叉电磁场、结构力场和变压器声场，并在适当的临界条件下测试变压器的振动和噪声。当前，基于二维或三维模型的仿真研究已经取得一定的成就，如SoundPlan和Cadna/A，其主要功能是对噪声进行分析，通过分析可以了解噪声的范围、大小以及后续的发展情况，绘制变电站周围噪声分布图，并根据声强法、分析声压法等开展对声波的抑制工作[6]。

1.2 国内技术发展现状

中国对振动和变压器噪声的研究起步较晚。在20世纪80年代，许多高校以及研究机构开始重视这个领域的研究，并在这个领域中设置了对应的研究课题。当前，研究主要集中在噪声产生的原因上，研究人员通过研究提出了降低变压器振动和噪声的实际措施，如在变压器内部使用高质量的硅片、设计新型铁芯、降低铁芯位置的磁通密度，这些都使磁致伸缩效应得到了一定的缓解；对变压器外部进行改变的主要的目的是抑制变压器的振动幅度、避免发生共振、降低噪声辐射[7]。从整体来看，中国对变压器噪声机理的研究主要集中在轴向力和径向力对变压器短路时振动和绕组弯曲变形的影响、直流极化情况下变压器磁致伸缩与振动关系的特点，尚无对变压器在空(轻)载和负(超)载条件下绕组和铁芯振动的横向比较和各自纵向比较的研究[8]。同时，许多研究结果表明，磁致伸缩效应在铁芯的振动中起主要作用，但并未表明磁致伸缩在变压器的振动中起主导作用。中国的变压器噪声水平与环保要求之间仍然存在差异，尽管做了很多工作，但仍有许多问题需要解决。

2 变压器噪声原理分析

对变电站的整体结构进行分析可以发现，产生噪声的部分是变压器，对变压器开展研究方可实现对设备噪声进行控制和调节的目标。从研究结果来看，变压器的噪声主要来自于2个冷却系统和变压器本体，并与变压器效率、硅片材料、铁芯结构、磁通密度和冷却装置振动特性有关。变压器本体的噪声主要来源于硅钢片的磁致伸缩效应，主要是低频噪声，变压器噪声传输示意图如图1所示。

图1 变压器噪声传输示意图

变压器主体振动产生的噪声源包括：

1) 硅钢片的磁致伸缩导致的铁芯振动；

2) 由磁通量的泄漏、硅钢板的接缝和层压板之间存在的电磁吸引力导致的铁芯振动；

3) 如果负载电流流经绕组，振动主要在线圈和罐壁发生。

冷却装置的噪音也是由于它们的振动而产生的，其振动的根源在于：

1) 变压器工作时冷却风扇和机油泵会振动；

2) 变压器本体的振动通过绝缘油、管道连接件及其安装部件传递到冷却装置，这加剧了冷却装置的振动。另外，当磁芯受热时，由于共振频率发生改变，与之对应的机械应力随之变化，所以磁芯也随着温度的改变而改变，振动的整体趋势是增大的。

影响变压器噪声的因素有很多方面，主要包括变压器负载值、硅片材料状态、铁芯结构类型、磁通密度值等。变压器的噪声主要是由硅钢片磁化引起的铁芯振动产生的，与硅钢片的磁性(材料)、内部张力、绝缘膜厚度、压延方向之间的角度、磁通密度和铁芯温度有关。研究表明，变压器本体的噪声以低频为主，主要集中在500 Hz以下的100 Hz的整数倍。

磁致伸缩系数是指在交变磁场的影响下硅钢板长度的变化，通常表示为ε。它等于励磁过程中硅钢板长度的增加量Δl与硅钢板长度之比，即ε=Δl/l。由于硅钢片晶粒的结晶格子是立体的，在磁化过程中，沿网络各个方向的磁化特性是不同的。

根据磁畴理论，磁化过程与畴壁180°、畴壁90°和磁化旋转的3个机理有关，当畴壁180°移动时，其磁致伸缩不变；当畴壁90°移动时，根据磁化过程会产生正磁致伸缩或负磁致伸缩；磁化旋转通常会产生负磁致伸缩。为了减小变压器噪声，必须减小正或负磁致伸缩变化的幅度。

由于磁致伸缩变化的频率是电源频率的2倍，因此变压器的基本噪声频率是电源频率(50 Hz或60 Hz)的2倍(100 Hz或120 Hz)。由于铁芯的非线性磁性和铁芯的结构，磁通量中存在许多高次谐波，因此铁芯的振动噪声除基波外还包含高频噪声，该噪声是基波的倍数。通常，大容量变压器的基波含量比较高，而中小型变压器的二次谐波与三次谐波含量比较高。通过检测与磁致伸缩有关的各种因素可知，采取有效的技术措施控制和降低磁致伸缩是降低变压器噪声的最有效途径，有源噪声控制技术提供了更好的低频噪声控制效果。

3 有源噪声控制技术

有源降噪技术是一种新型的噪声控制技术，其基本原理是通过收集变压器附近噪声产生的信号，并将其转换为电信号，在调制和放大电信号后对多个噪声发生器进行控制，使各噪声发生器发射出噪声的幅值与变压器噪声基频及各高频分量的幅值相等，由于变压器的相位是对立的、相互抵消的，所以变压器的噪声是可以被抑制的。

有源噪声控制系统一般由自适应调节部分和电声设备部分组成。自适应控制器组件的CPU设备是整个系统的硬件核心，自适应控制算法是整个系统的软件核心。电声设备部分主要指的是辅助声源、参考传声器和不匹配的传声器。

有源噪声控制系统包含两方面的内容，一个是控制方法，另一个是结构。结合传声器的特点，控制系统分为前馈控制系统和反馈控制系统，2种控制系统都有各自的应用条件、应用环境和优缺点。在参考传声器的数量比较多并且能够有效工作的情况下，对于大多数应用，前馈控制方法通常比反馈控制方法更好，图2为前馈控制系统框图。

图2 前馈控制系统框图

x(n)表示放置在初级噪声源P(n)附近的参考传声器测量的信号；y(n)表示从前馈控制器W(z)发送到辅助音频源的扬声器的信号；e(n)表示由放置在附加声源扬声器附近的不正确的麦克风测得的信号，它既接收x(n)经过初级通道传递函数H3(z)所传来的信号，又接收y(n)经过次级通道传递函数H2(z)传来的信号。前馈控制器W(z)对参考信号x(n)经过次级通道传递函数H1(z)之后的信号和误差信号e(n)进行滤波和移相等软件处理，使得y(n)成为具有一定特点的、带有任务和目的性的输出信号，y(n)最终作为激励信号驱动次级声源扬声器。这样，前馈控制器W(z)通过误差信号e(n)传输的数据校正和调整控制参数，从而使整个系统的降噪效果根据设定的误差阈值达到最佳状态。

前馈控制是在有源降噪领域内相对比较成熟和被普遍使用的一种控制方法，前馈噪声控制是研究有源降噪控制的重要依据，其他控制结构和控制方式都是基于它的结构进行设计的。

有源噪声控制系统的工作原理是：控制器(通常选择的控制器是单片机和不同类型的DSP)在每个间隔对输入信号x(n)和e(n)进行1次采样，然后根据相应的控制算法对采集的这2种输入信号进行处理，其输出y(n)作为次级声源扬声器的控制信号，控制扬声器发声；此时，通过控制器的第2次采样对在错误的麦克风上收集的叠加噪声信号进行重新采样，以此类推，控制器通过修改其控制算法中的权重来自动调整实时输出值，以实现自适应噪声控制。

从有源噪声控制的原理可以看出，控制算法是整个控制系统的核心，有源噪声控制中最常用的算法是滤波-X最小均方(Filtered-X Least Mean Square，FXLMS)算法。FXLMS 算法框图如图3所示，初始振动源信号d(n)为参考信号x(n)经过初级通道产生的信号，反振动信号s(n)为激励信号y(n)经过次级通道产生的信号，误差信号e(n)为初始振动源信号d(n)与反振动信号s(n)之和，控制器W(z)根据输入的参考传声器信号x(n)和误差信号e(n)计算次级传声器的激励信号y(n)。同时，通过次级通道传递函数模型对参考信号x(n)进行滤波得到滤波信号r(n)，把滤波信号r(n)与误差信号e(n)的乘积作为误差梯度的估计值，并通过最陡下降算法来更新自适应控制器内部滤波器的权系数，不断循环上述过程直至误差信号到达所设置的目标值。

图3 FXLMS算法框图

4 结 语

从变压器噪声产生机理和采用有源噪声控制技术消除变压器噪声两个角度研究变压器噪声问题。通过对变压器降噪进行研究，发现冷却系统的结构性噪声和变压器的本体噪声是噪声产生的主要原因。有源降噪技术基于声波干涉原理，通过调节次级声源的幅值和相位在目标区域内与初级声源干涉相消从而实现降噪， 具有系统小、成本低、低频效果好等优点，尤其适用于电力变压器的噪声控制。研究该技术对于变压器降噪领域未来的发展具有非常重要的意义。