110 kV户内变压器振动噪声特性及其相干性分析

张灏，梅华，潘庆庆，肖清明，耿明昕，赵亚林

(1．国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 银川 750011;2.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001;3.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710054)

随着城区用电负荷的增长和用电质量要求的提高，户内变电站越来越多，变电站运行产生的噪声问题得到了社会的广泛关注[1-3]。特别是110 kV户内变电站[4-5]一般位于居民区，周围声环境要求高[6]，处理不当极易出现噪声扰民，是电网建设亟待解决的问题。

学者们对110 kV户内变电站噪声问题开展了研究[7-9]。实践证明，主变压器是110 kV户内变电站最主要的噪声源[10]。运行中的主变压器铁心受磁致伸缩影响产生周期性振动[11]，振动传递至壳体后向外辐射噪声[12]。降低主变压器本体噪声是户内变电站噪声控制最有效的手段，然而受壳体振动与噪声的耦合关系及负荷变化影响，低噪声主变压器设计成本高，建造困难。110 kV户内变压器振动可通过地基和槽钢引起构筑物内二次噪声[13]，加剧噪声污染。有限元仿真分析[14-15]可应用于户内变压器振动噪声的预测，但目前电磁力不具备实测条件，只能通过计算值代替，导致仿真精度有限，因此通过进行在运110 kV户内变电站振动噪声实测，分析其分布特性及传递规律，对于实现110 kV户内变电站噪声防治具有重要意义。

本文以西北某110 kV户内变电站为例，通过变压器振动噪声实测，研究了变压器表面振动噪声的频谱特性，总结了变压器表面振动、地基和槽钢振动、噪声的空间变化规律，在此基础上研究了振动噪声的相干性，可为110 kV户内变电站噪声防治提供一定的技术指导。

1 户内变压器振动噪声测量

1.1 测试环境与设备

选择西北某110 kV户内变电站进行变压器振动及噪声实测，变压器型号SFZ10-50000/110，产品代号ZT1710A00091，额定容量50 MVA，额定电压110/38.5/10.5 kV，三相，如图1所示。

图1 测试变压器

所用的主要仪器设备如表1所示。

表1 主要仪器设备

1.2 户内变压器振动信号测量

对变压器4个侧面和底面地基的振动分别进行测试，每个面选取具有代表性的测点来布置振动传感器，测点位置如图2所示，蓝色区域为加强筋。每个测点处进行3次振动数据采集，每次采样时间为20 s。

(a)变压器各侧面位置

1.3 户内变压器噪声信号测量

根据GB/T 1094.10—2003电力变压器第10部分[16]声级测定的要求，待测变压器油箱高度为2.75 m(大于2.5 m)，因此在变压器1/3高度处和2/3高度处的水平面上分别进行测量。本次测试测点距离变压器基准发射面0.3 m，噪声测试测点布置如图3所示。

图3 噪声测试测点布置

在对噪声数据进行处理时，根据GB/T 1094.10—2003的要求，本文计算了环境修正值K以评估环境的影响。环境修正值K考虑了不希望出现的试验室边界或者邻近试品的发射物体所产生的声反射的影响，其大小取决于试验室吸声面积A对测量表面积S的比值：

(1)

对于本文所测变电站，经计算得知，K=5.26，满足K≤7[16]的要求，证明声反射影响较小，试验室满足测试要求，可进行相关噪声分析。

2 户内变压器振动特性分析

2.1 振动特性分析

2.1.1 侧面振动结果分析

变压器各侧面上的振动频谱如图4所示。对变压器各侧面振动测量结果分析可知：

(a)正面振动

(1)振动频率主要分布在100 Hz及其倍频处，集中在600 Hz以内，呈现典型的低频线谱特征。

(2)变压器长边(正面和背面)各频率处振动响应在0.02 ms-2～0.29 ms-2之间，短边(左侧面和右侧面)各频率处振动响应在0.01 ms-2～0.37 ms-2之间，整体上短边振动略强于长边，且短边测点中100 Hz和200 Hz处响应占比更高。

2.1.2 底面及地基振动结果分析

在变压器底面槽钢和地基上测得的测点的振动频域信号如图5所示。

(a)底面槽钢振动

可以看出：

(1)变压器底面槽钢和地基振动主要集中在低频段。

(2)随着测点远离变压器，底面槽钢和地基振动加速度总体呈现下降的趋势，这是由于振动在空间的衰减所致，在变压器安装底座上的振动加速度传递到变压器室靠墙根处衰减了90%以上。少数点处振动出现了增加趋势，这是由于地基底面加强梁以及通风井的影响所致。

(3)底面槽钢上振动衰减的趋势与地基上的振动衰减趋势基本一致，但槽钢上测点的振动衰减更为明显。

为分析槽钢振动和地基振动的关联性，将100 Hz处底面槽钢和地基各测点振动加速度值绘制在一张图上，得到图6。

图6 100 Hz处底面槽钢和地基各点加速度值

可见地基和槽钢处振动具有较好的一致性，可以认为地基振动是由变压器传递而来。

2.2 噪声特性分析

噪声测量结果如表2所示。

表2 各测点噪声声压级(A声级)

部分测点的噪声频域信号如图7所示。

(a)测点4(1/3高度)

对变压器噪声测量结果进行分析之后可以看出：

(1)变压器噪声分量主要集中在100 Hz及其倍频处，与振动频谱分布基本一致，

(2)该变压器距变压器油箱表面30 cm处的噪声在A声级的65～70 dB的范围内。

3 振动噪声相干性分析

为分析户内站主变压器噪声振动的相关性，将距离基准发射面0.3 m处近场处噪声与相应测点振动进行相干处理，处理方法如下：

计算声压P1(t)和表面振动加速度a2(t)的互相关函数，如式(2)所示：

(2)

互相关函数的傅里叶变换即为互功率密度谱，如式(3)所示：

(3)

利用上式计算结果开展部分测点振动噪声相干分析，结果如图8所示。

(a)测点1相干系数

分析可知:

(1)近场处噪声与相应测点振动相关性系数随频率增加总体呈降低趋势，说明随着频率的增加，噪声和振动的相关性逐渐减弱。

(2)在1000 Hz以内，近场处噪声与相应测点振动具有高度相关性，特别是在100、200、300、600、800 Hz等频率处，相干系数接近于1，这说明在这些频率处近场噪声与表面测点振动相干性很强，近场噪声可以近似地认为是由对应的表面测点的振动所引起的。

(3)在1000 Hz以上，近场处噪声与相应测点振动的相关系数迅速降低。这是因为变压器振动主要集中在1000 Hz以内，近场噪声中1000 Hz以上分量受环境噪声影响，与变压器振动相关性较弱。

4 结 论

(1)变压器侧面振动频率主要分布在100 Hz及其倍频处，集中在600 Hz以内，呈现典型的低频线谱特征，整体上变压器短边振动略强于长边，且短边测点中100 Hz和200 Hz处响应占比更高。

(2)变压器底面槽钢和地基振动加速度总体呈献衰减趋势，在变压器安装底座上的振动传递到变压器室靠墙根处已衰减90%以上。地基和槽钢处振动具有较好的一致性，而且可以认为地基振动是由变压器传递而来。

(3)变压器噪声分量主要集中在100 Hz及其倍频频率处，与振动频谱分布基本一致，距变压器油箱表面30 cm处的噪声声压级在65～70 dB的范围内。

(4)在1000 Hz以内，近场处噪声与相应测点振动相干性很强，近场噪声可以近似地认为是由对应的表面测点的振动引起辐射噪声所致。