220 kV电力变压器辐射噪声特性仿真分析

陈传敏，冯洪达，郭兆枫，王哲伦

(华北电力大学 环境科学与工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

电力变压器是变电站的重要设备,随着电力传输的电压等级连续增加，其噪声值也持续增大。为了确保居民生活不受噪声的干扰，需要对电力变压器的降噪进行更多的研究。

首先变压器主要包含铁心、绕组及变压器组件等[1]。铁心硅钢片因磁致伸缩而引起的振动，接缝部位因交变电磁吸力产生的摩擦和碰撞,以及绕组中电场与磁场相互作用产生的电动力使绕组振动是电力变压器主要的噪声来源[2-4]。莫娟等[5]使用LMS大型声学软件建立了变压器油箱的声场计算模型,并基于间接边界元理论对大型电力变压器油箱的辐射噪声进行预估研究,最后通过数值仿真结果与实测结果进行对比分析,得出的噪声预估方法对预估变压器油箱辐射噪声声场是有效可行的,但是该方法只是针对低频噪声进行了预测研究，并未对高频噪声展开分析。龚宜祥等[6]应用有限元分析软件ANSYS Workbench和声学软件Virtual.Lab Acoustics对220 kV变压器辐射噪声进行了仿真分析，计算出了变压器的辐射噪声，而且通过试验验证了其仿真结果，然而该研究只是针对距变压器表面1 m处的噪声进行的仿真试验验证，没有对距离更远处的噪声辐射情况进行仿真验证。由于对距离变压器较远处的辐射噪声的研究鲜见，读者不能准确地了解其特性，因此本文针对该问题对220 kV电力变压器进行仿真计算。

本文分析了电力变压器振动和噪声传播的机理，运用ANSYS Workbench和声学软件LMS Virtual.Lab对变压器辐射噪声进行仿真分析并进行预测，该仿真计算可为变压器振动以及噪声控制提供相应的理论依据。

1 变压器振动特性

1.1 变压器振动

变压器的容量、硅钢片的质量和磁通密度是影响变压器本体噪声的主要因素。此外，谐波、绕组中的直流偏磁以及变压器的制造工艺等原因也会对变压器本体噪声产生一定的影响。目前已知的变压器噪声源主要有3种，分别为：(1)铁心的振动，主要是由硅钢片的磁致伸缩，以及其连接处和叠片之间的电磁力引起的。在硅钢片连接处和叠片之间的振动比硅钢片的振动要小得多，因而可以认为铁心的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩；(2)绕组的振动,当有负载电流流经绕组时，负载电流产生的电磁力引发的绕组振动；(3)油箱壁的振动,因磁通的泄露引起油箱壁的振动[7]。

磁致伸缩的变化周期一般是电源频率的半个周期，因此，变压器本体产生的振动噪声是电源频率的整数倍[5-6]。由于磁致伸缩，铁心振动的原因有一定随机性，比如铁轭和多级铁心柱的相应级截面尺寸不一致,以及铁心内外框磁力路径的长短差异等。因此，此处除了有基于工频整数倍的振动噪声之外，还有以工频整数倍为基础的高频附加振动。由此可知变压器的磁致伸缩产生的不仅仅是低频的振动噪声，还有以工频为基频的高频噪声[8]。

1.2 变压器噪声的传播

变压器的本体噪声主要是由磁致伸缩产生的铁心的振动，通电绕组的振动，以及磁通的泄漏引起的油箱壁的振动产生的。变压器的本体噪声会通过两种方式向外传播，一方面是通过固体传播，由铁心振动依次传递到垫脚、紧固件、油箱、变压器组件并向外传播；另一方面是通过液体传播，由绕组振动依次传递到绝缘油、油箱并向外传播，这两条途径最终都会使油箱壁振动，产生噪声[9]。本文将针对变压器振动的特性展开噪声辐射特性分析。

2 电力变压器的噪声仿真辐射预测方法

2.1 仿真分析方法

在声学领域中，仿真分析方法已成为理论和实践研究之外的第三种方法，这种方法是研究变压器噪声的重要手段[10-12]。声学仿真计算方法包括声学有限元法(Harmonic Acoustic FEM)[13-15]、声学边界元法(Harmonic Acoustic BEM)[16]、声线法[17-18]等，每种方法有其各自的特点。

本文计算变压器的辐射噪声属于变压器的外声场，因此选用直接边界元法，使用ANSYS软件对辐射噪声进行仿真计算, 其中声学模块的设置如图1、图2所示(Edit the Modal Type Definition)。

图1 ANSYS中声学模块设置界面Fig.1 Setting interface of acoustic module in ANSYS图2 ANSYS中声学模块属性设置界面Fig.2 Attribute setting interface of acoustic module in ANSYS

2.2 直接边界元法仿真原理

在已知仿真处理的结构振动的位移或速度的情况下，直接边界元法是对声辐射分析的有效方法之一[19-21]，而且直接边界元法已广泛应用于复杂结构的声辐射分析领域[22-23]。在简谐激励下，密封振动结构在流体介质中产生的稳态辐射声压p满足Helmholtz微分方程、流固界面条件及Sommerfeld辐射条件：

2p+k2p=0 .

(1)

(2)

(3)

式中，k=ω/c为波数，c为流体介质中的声速；n为结构表面S的外法向单位矢量；ω为角频率；ρ为流体介质密度；Vn为结构表面S的外法向振速；|r|=X-Y，X为结构表面S上任意点，Y为空间中任意点。

方程(1)的基本解自由场格林函数为：

G(X,Y)=e-kr/4πr.

(4)

考虑边界条件，对式(1)使用加权残值法并利用格林函数，可得到利用声压p(Y)与法向振速Vn表示的Helmholtz直接边界积分方程[24]:

(5)

式中，α为表面角系数，若Y在结构表面上，α=1/2；若Y为场点(Y∉S)，α=1。

将结构表面S划分成M个边界单元，节点数为K。依次将每个节点作为源点，对式(7)在结构表面(Y∈S)进行离散，即可得直接法边界元求解方程：

[A]{p}=[B]{Vn} .

(6)

式中， [A]和[B]为影响系数矩阵,{p}为结构表面节点声压向量，{Vn}为结构表面节点法向速度向量。[A]、[B]为K×K阶复系数方阵，与结构表面形状、尺寸及插值型函数有关，并且它是激励频率ω的函数。

一般情况下，式(6)中{Vn}已知，即边界条件为由式(2)中的小振幅运动边界条件，一般用有限元法求得，[A]、[B] 取决于结构形状和尺寸，由式(5)确定，则结构表面节点声压向量{p}可求。在已知{p}、{Vn}的情况下，声场中任意一点Y(Y∉S)的声压为：

pY={a}T{p}+{b}T{Vn} .

(7)

式中，{a}和{b}为插值系数向量，与密封结构的几何形状和设计域点的位置有关，可由式(5)确定。

2.3 220 kV电力变压器的模型建立

首先建立变压器仿真模型，如图3所示，因为本文目前只针对变压器振动产生的辐射噪声传播进行仿真分析，所以对实际220 kV电力变压器结构进行简化，忽略其中散热片、套管和油枕等外部设备，将变压器简化为一个立方体模型。由于立方体上方的结构比较复杂，且其上方通常不站人，因此忽略立方体上方噪声辐射的影响，最后简化完成后的模型应与原变压器的模型尺寸一致。然后利用ANSYS workbench建立变压器的简化模型，并赋予相应的材料属性，如图4所示，然后将建立好的仿真模型导入到声学边界元软件LMS Virtual.Lab中，进行有限元的网格划分和辐射声场仿真计算。

将变压器简化模型的五个表面(除底面)作为辐射噪声的发声源，然后将处理后的振动噪声数据导入LMS Virtual.Lab中，把这些数据作为变压器辐射声场的边界条件，最后仿真计算出变压器辐射声场的分布情况，进而计算出辐射声功率。并且将声传播介质设为空气，特征阻抗为418.2 kg/(m2·s)，变压器简化模型的底面中心在球心位置。计算辐射声功率的场点网格如图5所示。

2.4 变压器简化模型的噪声辐射仿真分析计算

对导入LMS Virtual.Lab的变压器简化模型进行仿真计算，电力变压器的主要噪声频率集中在100～1 000 Hz之间，选取中间100 Hz，400 Hz，700 Hz，1 000 Hz四个频率为主要计算点，最后得出不同频率下的噪声辐射声压云图，如图6所示。

计算完成后，从辐射声压分布云图中可以看出变压器振动产生的噪声辐射分布不均匀，并且声压级分布也相差较大。由图6显示，随着声源频率的不断增加，噪声辐射的声压分布云图越来越不规律，噪声值也依次增大。当频率为100 Hz时，噪声辐射声压分布云图的噪声分布相对较均匀，不同的声压级均有大面积的声压区域出现，变压器中部出现的极小部位的噪声为15 dB，在噪声辐射场的底部噪声最大值为70.7 dB。当频率为400 Hz，700 Hz和1 000 Hz时不同的声压级相互交错，噪声最大值分别达到了83.1 dB，82.1 dB和93.5 dB，最小值分别为35.5 dB，25.1 dB和22.1 dB，噪声值的跨度较大。并且随着声源频率的增大，变压器室室外的辐射声压云图中声压级的分布没有明显规律，声压云图的不规律现象表明变压器的声衍射现象非常强烈，从四张图的变化中可以看出，在400 Hz至700 Hz时，噪声平均值略高于另外两张图。

2.5 噪声辐射分析仿真结果

经过声学仿真计算后，得到变电站声辐射声压云图。为了更好地反映辐射面上的声压值，按照国家振动和噪声标准的要求选择测点，计算出距变压器表面3 m，5 m，10 m处，4个侧面1/3高度上的4个测点位置，测点分布如图7所示。计算出各点处的噪声值，提取出各测点变压器噪声仿真值如图8所示。

从图8中可以看出，相同高度、不同距离的变压器产生的噪声频谱主要集中在中低频，并且100 Hz，200 Hz，400 Hz和800 Hz四个频段是变压器噪声主要集中区。当到达1 000 Hz之后，噪声声压级明显下降。该结果与当前学者的研究成果相吻合，低频噪声与高频噪声的声压级不同，而且同样具有绕射性和穿透性。通过对变压器的噪声频谱分析，可以在变电站内设置一些声屏障或建设一些建筑物，这些建筑对高频噪声有较好的降噪效果，但是这类措施对于低频噪声没有明显的效果。由分析可知，变电站内主要噪声污染是低频噪声。

3 结论

本文通过建立变压器的仿真模型来计算变压器的噪声辐射特性，运用LMS Virtual. Lab声学仿真软件与ANSYS Workbench相结合的方法进行声学仿真分析。本次研究分析了电力变压器的整体结构特性，并模拟了变压器的噪声辐射。

研究结果表明，在同一高度下，随着测点与变压器距离的增加，在声源激振频率下，各观测点的声压值都有一定程度的下降。当传播距离不断增大时，中高频的声压级衰减较多；且当每个测点的激振频率增加时，其声压值也有明显的增加。在个别频率上出现了声压值下降的情况，说明在这些频率上，所研究的测点处声源产生的辐射声场因为声波叠加而产生了一定的抵消作用。最后通过不同频率下的辐射声压云图得知每个频率下的声衍射强烈程度及声压值大小，随着频率的增加，噪声越来越浑浊，用单一的降噪方法无法实现，可采用隔声、吸声和消声的方法综合进行治理，制定相应的降噪方案，以达到噪声的排放标准。本研究可为电力变压器减振降噪提供理论参考。