35kV油浸式配电变压器噪声与振动测试∗

2020-03-03曹春诚马超群

应用声学 2020年6期

侯东段炼曹春诚邴龙马超群陈鹤

(1 全球能源互联网研究院有限公司北京 102209)

(2 国网呼伦贝尔供电公司呼伦贝尔 021100)

0 引言

配电变压器处于电力输电系统末端，具有距居民区近、数量多、分布范围广等特点。依据GB 12348-2008 声环境功能区划分标准，配电变压器属于I 类声环境区[1]。随着城市建设规模的不断发展以及居民环保意识的逐渐增强，配电变压器的振动与噪声问题日益凸显，研究配电变压器振动与噪声特性对其振动与噪声控制具有重要意义[2−6]。

目前，针对变压器振动与噪声特性，主要研究集中在110 kV 以上电压等级等大型电力变压器以及噪声控制技术等方向，关于配电变压器的研究相对较少[7−9]。配电变压器普遍存在三相负荷不平衡、过载以及谐波等现象，实际运行工况更为复杂[10−11]，导致配电变压器振动噪声加剧。然而在配电变压器实际运行过程中受测试条件限制，上述因素下配变噪声振动特性实验难以实现，尤其是变压器内部铁心的振动特性。文献[12]测试分析了在正常运行状态下配电变压器在隔声罩与地面上的振动特性，但未进行接触式测量且无法控制配变的运行工况；文献[13]研究了负载因素对油浸式配电变压器噪声特性的影响规律，文献[14]研究了10 kV油浸式变压器表面振动特性，均未涉及配电变压器内部铁心的振动特性研究。

本文以一台35 kV/800 kVA三相油浸式变压器为对象，将其置于半消声室内，研究分析不同激励电压条件下配变铁心及油箱的振动与噪声特性，为配电变压器振动与噪声控制提供数据支撑。

1 配电变压器振动原理

配电变压器振动主要是来源于变压器内部铁心及绕组的振动，该振动通过变压器油及支撑结构传递给油箱外壳，从而对外产生辐射噪声。其中振动最主要贡献来源于铁心励磁时硅钢片产生的磁致伸缩。磁致伸缩量率以ε表示，等于励磁时硅钢片片长的增量∆L与片长L之比，即：

研究表明，变压器空载时，硅钢片磁致伸缩引起的铁心硅钢片振动加速度可表示为[9,15]

式(2)中：S为铁心横截面积，N为匝数，Bs为铁心饱和磁感应强度，εs为铁心硅钢片饱和磁感应强度。

从式(2)可以看出，变压器铁心振动加速度与空载电压平方成正比，实际铁心磁通密度并非标准正弦波，因此对于工频50 Hz 的配电变压器系统，其铁心振动在基频100 Hz 及其谐频上较为明显。

2 噪声与振动测试方法及测点布置

本次实验以一台35 kV/800 kVA 三相油浸式变压器为实验对象，噪声测试主要参照国家标准《GB/T 1094.10-2003电力变压器声级测定》[16]。采用对称布置的方式，测点位置如图2(a)所示，距离变压器0.3 m，传声器布置在变压器高度1/2处的水平面上，指向设备方向。变压器铁心振动测点如图2(b)所示，振动传感器在注油前布置，注油后静置24 h 后开始测试。油箱振动测点如图2(c)所示，噪声与振动测试分别采用B&K 公司4187 型1/4 传声器、4534B001 型加速度传感器测量，采用B&K 公司3560C 型多通道采集系统进行信号采集，B&K Pulse 系统相关模块进行数据记录。

图1 变压器噪声与振动测点布置Fig.1 Noise and vibration measurement-point distribution of the transformer

3 变压器噪声与振动测试结果分析

3.1 变压器器身振动特性分析

配电变压器在空载条件下，绕组电流较小，配电变压器振动主要由铁心振动引起。采用振动传感器在配变铁心3 个方向布置振动传感器，空载额定工况下铁心振动频谱如图2所示，各方向铁心振动显示出相似特征，铁心振动以100 Hz、200 Hz、300 Hz为主频，同时伴随有一定50 Hz 偶数倍频率的高次谐波成分。从数值上可以看到，铁心侧面振动水平相对较高，即测点3 振动峰值为0.014 m/s2，这种特征与铁心侧面受到铁心叠片接缝位置漏磁的影响有关，从而导致振动幅值增大的情况。通过调整实验变压器电压，分别测试了50%、60%、70%、80%、90%、100%额定工况下配电变压器铁心振动情况，以测点3为例，如图3所示，随着激励电压增大，铁心振动加速度逐渐增加，高频谐波分量增加更加明显。

图2 额定电压下铁心各测点振动频谱Fig.2 Frequency spectrum of core vibration at rated voltage

图3 不同激励电压下铁心振动频谱Fig.3 Frequency spectrum of core vibration under different excitation voltages

铁心振动测点3 在100 Hz、200 Hz、300 Hz频率振动加速度随电压比值平方(U/UN)2的变化关系如图4所示。可以看出，当激励电压低于90%额定电压时，振动加速度基本与(U/UN)2呈线性关系，这与理论一致，当激励电压接近额定电压时，由于磁通密度趋于饱和，振动信号中存在大量高次谐波成分，振动情况变得复杂。

图4 空载变压器铁心各频率振动幅值与电压平方关系曲线Fig.4 Vibration amplitude versus (U/UN)2 of no-load transformer

3.2 变压器油箱振动与噪声特性分析

在空载额定工况下，油箱外壁的各测点振动状况如表1所示，其中，油箱侧面振动水平较高，油箱正面和顶面振动水平略低。

表1 空载额定工况下油箱外壁的振动状况Table 1 Tank vibration under no-load rated condition

变压器油箱壁空载额定工况下振动频谱特征如图5所示，从图中可见，油箱外壁各测点显示出以100 Hz、200 Hz、300 Hz为主要峰值的频谱特征。如前所述，变压器振动主要源于铁心以及绕组振动，经过紧固件、垫脚等固体及液体绝缘油两种方式传播至油箱表面，传播过程十分复杂，且变压器油箱为薄壁类结构，刚度较低，从而导致油箱振动值大于铁心振动。

图5 额定电压下油箱振动频谱Fig.5 Frequency spectrum of tank vibration at rated voltage

额定电压下噪声频谱如图6(a)所示，变压器各测点均显示出以100 Hz、200 Hz 为主要峰值的噪声频谱特征，噪声频谱复杂度相对较低，主要是由于500 Hz 以上噪声在传播过程中衰减较快，表现出以500 Hz 以下低频为主的频谱特征；测点1不同电压下变压器噪声频谱如图6(b)所示，随着激励电压增大，变压器噪声呈现上升趋势，且高次谐波成分逐渐增加，与油箱表面振动保持一致特征。