电力变压器噪声及其传播特性研究

胡 非,高红亮,唐 勇

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院,湖北 黄石 435002)

变压器噪声主要为低频噪声,低频噪声会对人们的日常生活产生更严重的影响,低频噪声不易消减,可以直接到达人耳,使人产生烦躁的情绪,长期受到低频噪声的影响会使人产生精神疾病,对人们的身体健康和精神健康都有危害。随着城乡建设发展,越来越多变压器建在接近居民区的位置,由于其产生的噪声,对人们的生活学习产生了很大影响。变压器引起的噪声问题引起了社会的广泛关注,从技术问题逐步演变为社会问题,变压器设计和生产厂家需要通过各种措施降低变压器噪声,以达到当今社会对于环境噪声的标准。经过对变压器噪声的衰减特性和传播特点的探究,得到降低变压器噪声的技术和方法,改善环境噪声[1]。我国变压器目前的噪声控制水平还没有达到国际水准,需要探究变压器噪声的特点,为降低变压器噪声提供理论依据,降低变压器的噪声以达到当代社会对噪声水平的要求[2,3]。

硅钢片的材质、铁芯的结构和冷却装置的振动都会对变压器噪声的大小产生影响。经过研究发现,变压器本体装置的噪声最主要的原因还是硅钢片的磁致伸缩,因为变压器噪声以低频噪声为主,低频噪声的治理相比起高频噪声的治理更加困难,由于低频噪声不容易衰减,故传播距离较远。

目前对于噪声的治理主要有两种方式:无源控制技术和有源控制技术。主体分为有源降噪和无源降噪。实际的变压器噪声治理中,将有源降噪和无源降噪结合起来,从而使电力变压器降噪效果更好。本文主要研究电力变压器噪声的传播特性,为变压器降噪提供理论支撑,研究更直接有效的措施来控制变压器噪声,具有现实意义。

1 电力变压器本体噪声产生机理及主要影响因素

1.1 电力变压器本体噪声

1.1.1 铁芯噪声 变压器的铁芯是由铁芯柱、铁轭、夹紧件、绝缘件、接地片等部件组成的,构成一个坚实的实体,是变压器的磁力线通路,起到集中和传导磁通的作用,同时也是变压器内部的骨架。铁芯是由硅钢片叠装而成的,由物质热胀冷缩的现象可知,物质遇热会膨胀,否则冷缩。除此之外,由铁磁性物质在磁场和电场中的磁化状态可知,硅钢片在磁场和电场中尺寸也会有伸长或缩短的变化。将硅钢片在磁场和电场中尺寸的变化叫做磁致伸缩现象,铁芯的硅钢片在磁场的作用下,发生磁致伸缩而引起的振动是变压器铁芯产生噪声的原因。

变压器的本体噪声完全由铁芯的磁致伸缩决定,铁芯的磁致伸缩振动通过固体和液体两种途径传至油箱,铁芯振动通过以下两种方式传递给油箱后,油箱产生振动,从而产生本体噪声。

1)固体传播:由垫脚传至油箱;

2)液体传播:由绝缘油传至油箱。

1.1.2 绕组噪声 绕组是变压器的电路部分,变压器在运行时,绕组有电流流过,产生铜损耗,并引起发热,因此,绕组需要使用电导率高的金属材料制造,这样才能减小电流损耗和发热,制造绕组最常用的材料是铜和铝,在其表面包上绝缘材料。变压器经过长时间运行或预紧力不足时,绕组会存在松动或变形的情况,从而使变压器本体内部的机械性能降低,这是造成变压器内部故障的原因之一,也是产生噪声的原因之一。当变压器工作时,负载电流通过绕组,变压器铁芯和绕组之间会产生漏磁,使变压器结构件产生振动,结构件振动产生噪声。

1.1.3 电力变压器冷却装置噪声 在冷却装置中,最关键的两个构件是冷却风扇和油箱,它们产生噪声的主要原因如下:

1)冷却风扇与油泵在工作时,风机运行和油箱电机转动会产生噪音;

2)扇叶运行不平衡会振动从而辐射噪声;

3)电力变压器运行时各元件振动,通过固体和液体两种传播路径传递至冷却系统,冷却系统的振动增强,从而增加辐射噪声[4]。

1.2 影响变压器噪声的主要因素

1.2.1 硅钢片磁致伸缩ε对噪声的影响 铁芯励磁时硅钢片的磁致伸缩系数ε(ε=ΔL/L,ΔL为磁致伸缩的增量,L为硅钢片长)是造成变压器噪声的主要因素,磁致伸缩ε与噪声大小成正比,即磁致伸缩ε越小,变压器噪声越小。

影响硅钢片磁致伸缩的因素有如下几种:

1)硅钢片的选材。现阶段制造厂多数采用23RK085～30RK105等高牌号硅钢片,这类硅钢片经激光照排提高结晶方位的完整度,使铁芯振动减小;

2)绝缘涂层的厚度。从理论上分析,硅钢片越薄、涂层越厚,涂层表面的张力就越大,则硅钢片在电场或磁场中的变化就小,即磁致伸缩ε就越小,则噪声越小;

3)磁通密度的大小。磁通密度越大,则噪声越大;

4)硅钢片的退火工艺和硅钢片的温度等也会影响硅钢片磁致伸缩。

1.2.2 铁芯结构对噪声的影响 铁芯励磁噪声是变压器工作时产生的主要噪声之一,其产生与铁芯的磁通密度分布、接缝方式和叠积方式等因素有关。此外,铁芯的装配工艺也对变压器噪声产生影响,变压器噪声和铁芯的夹紧力也有着密切的关系。因此在设计和制造变压器的过程中,需要综合考虑多种因素,制定合理的铁芯结构和装配工艺方案,以降低铁芯励磁噪声,提高变压器的性能和可靠性。

1)铁芯中磁通密度分布是不均匀的,硅钢片在电场和声场中伸缩也是无规律的,所以铁芯区域内的磁致伸缩也是不均匀的;

2)铁芯接缝方式对噪声的影响也比较大,使用斜接缝比直接缝噪声能降3 dB～5 dB;

3)铁芯的叠积方式也会对变压器噪声产生一定的影响。研究表明,相比于单片叠,双片叠的变压器噪声要高出2 dB左右;

4)铁芯的夹紧力处在最佳值时,噪声最低,优化铁芯夹紧力能使噪声降低0～5 dB.

2 电力变压器降噪措施

变压器的噪声主要以声波形式在空气中扩散。为了降低变压器的噪声,可以从两个方面入手:一方面是控制铁芯和绕组的振动,降低本体噪声;另一方面是控制冷却系统的噪声水平,降低冷却装置噪声。

针对变压器的本体噪声问题,我们可以通过减少铁芯磁致伸缩和降低绕组振动等手段来降低噪声。其中,对于铁芯的磁致伸缩问题,可以通过优化铁芯结构和合理选择硅钢片等材料来控制。针对冷却系统的噪声问题,我们需要尽可能地控制和降低冷却装置的噪声水平,同时还需考虑防止冷却装置与变压器一起形成共振现象。为此,可以采用隔声、消声等技术,同时结合降噪材料和减振装置等技术手段。

综上所述,为了降低变压器的噪声,需要从多个方面进行考虑和改进,结合具体情况选取合适的措施方案以达到较好的降噪效果。

2.1 变压器内部降噪措施

从变压器内部采取方法进行降噪,可以从铁芯和绕组两部分采取手段进行噪声控制。

2.1.1 铁芯降噪的方法 1)减少磁致伸缩。要有效地降低变压器的噪声,最关键的措施之一是减少硅钢片的磁致伸缩。磁致伸缩是变压器噪声的主要来源。为此,可以通过合理优化铁芯的设计结构、选择质量更好的硅钢片以及采用现代材料制造变压器等措施来减少磁致伸缩。2)降低铁芯磁通密度。磁致伸缩率与磁通密度有关系,磁通密度越小,磁致伸缩也越小,铁芯噪声也越小。

2.1.2 绕组降噪的方法 对于绕组降噪,最好的方式为施加预紧力,在变压器工作过程中加强监测预紧力,当绕组预紧力达到最佳状态,绕组噪声也能减小至最佳状态。

2.1.3 油箱降噪的方法 对油箱进行适度的技术改造也可以在一定程度上减少变压器噪声,对油箱的技术改造包括以下两个方面:

1)增加油箱厚度或提高油箱箱体刚性,降低油箱的振动幅度和频率;

2)在油箱底部设置减振器。增设减振器避免油箱底部与基底直接接触可以降低变压器本体振动引发的噪声,可以很好地降低由于直接接触带来的传递振动,通过削减振动来降低噪声。

2.2 变压器外部降噪措施

2.2.1 冷却装置降噪

1)冷却方式的选择

在选择变压器冷却装置时,不仅要满足散热功能,还应尽量减小噪声到规定范围。为了平衡散热和噪声两种要求,变压器冷却装置在选择冷却装置时可以采用自冷片式散热器,这种冷却方式比风冷散热器或强油循环风冷却器的噪声低很多,可以降噪15 dB(A)以上[5]。

2)轴流风机的选择

如果选择环保的低噪声风机可以起到明显的降噪作用。一台变压器如果高负荷时启动4台低噪声风机,将会降低近20 dB(A)的噪声。

2.2.2 变压器户外改户内

对于原本暴露在空气中的变压器来说,最简单、最快捷且成效比较好的措施是加装隔音设备。这种措施并不是把变压器从室外移入室内,而是在变压器原有的基础上,从外部修建一座隔音室,将整台变压器置于隔音室中。此外,可以将隔音室的门设置为防火隔音门,增强门的隔音量的同时保证防火安全。为了减少噪声,将不需要开口的窗户全部封闭,并采取吸声处理措施,如使用吸音材料装备隔音室的墙壁、吊顶等,从而减小噪声。这种方法相对简单易行,能够有效降低变压器的噪声,对于一些对噪声环境要求较高的地区,特别是人口密集区域,加装隔音设备是一种较为实用的噪声控制方法。

3 构建电力变压器噪声模型及结果分析

功率谱估计(PSD)是一种功率谱,其估计信号的方式是分析数据,它涉及很多基础学科,例如概率统计、信号分析和信号系统。功率谱估计包括经典谱估计和现代谱估计两种。本节用来对变压器采样信号进行观察的是经典功率谱估计中的周期图法和在周期图法上进行改进的Welch算法,以及现代功率谱中AR模型参数估计的Burg算法。

1)周期图法。周期图法是一种直接法,也称为周期图直接法。该方法利用傅里叶变换直接计算随机信号的功率谱密度估计。周期图法将随机信号分割为多个周期信号,然后对各个周期信号进行快速傅里叶变换(FFT),累加得到能量谱密度函数。计算得到的谱密度再取绝对值的平方,并除以信号长度N,即得到信号功率谱密度的估计值[6]。

(1)

2)Welch算法。目前频谱估计中经典的算法包括Barlett法、Nattall法以及Welch法等。其中,Welch法是由Welch提出的一种修正周期图法,是一种应用广泛的频谱估计算法。

Welch算法的核心思想是采用数据分段加窗处理再求平均的方法。具体来说,先将原始信号数据分为若干段,然后对每一段数据进行加窗处理,最后对每一段数据进行FFT变换等处理,得到每一段数据的谱估计。然后,对所有谱估计进行平均处理得到总的谱估计结果。根据概率统计理论,若将原长度为N的数据分为L段,每段长度取M=N/L,且各段数据互为独立,则估计的方差将只有原来不分段的1/L,从而达到一致估计的目的。但是,在选择分段的参数L和M时需要兼顾分辨率与方差的要求,适当调整参数以使结果尽量满足实际情况的需求。

为了减小分段数增加对分辨率的影响,在实际应用中通常会采用各段数据有一定重叠的方法进行分段。Welch算法基于周期图法进行改善,所得的图像在观察信号方面更加平滑。除了Welch算法,还有其他的频谱估计算法可以进行降重,包括基于自相关函数计算自谱、平均倒谱法、Yule-Walker方法、最小二乘法谱估计等。此外,还可以采用物理上的降噪设备、数字信号处理技术或人工智能等技术进行降重处理。针对不同的噪声类型和信号特征,可以选择不同的方法和技术进行处理,以提高信号质量[7]。

3)Burg算法。Burg算法是一种经典的谱估计算法,其基本思想是利用线性预测器对观测数据进行前、后向预测,通过最小化总的均方误差来直接估计反射系数。然后,通过Lenvinson-Durbin算法的递推公式求解自回归模型参数。相比于其他谱估计算法,Burg算法的优点在于不需要对未知数据做任何假设,因此具有较高的估计精度[8,9]。

3.1 利用周期图法分析噪声传播特性

利用MATLAB中的periodogram函数实现对变压器采样噪声周期图法的功率谱估计。采样频率为2 500,采样点数为1 250,FFT点数为1 024,窗函数采用海明窗。

由仿真得出的变压器采样噪声的时域信号图如图1所示:

图1 采样噪声的时域信号图

由图1可以看出,随着噪声的传播,噪声幅值有所增大。

在周期图法下观察噪声的功率频谱图如图2所示,选取0～1 Hz下变压器噪声传播的功率频谱图如图3所示。

图2 周期图法下的噪声功率谱图

图3 0～1Hz下的功率谱图

由上图可知,随着噪声的传播,波携带的功率会逐渐降低,我们需要采用适合技术手段来消除谐波和噪声,减少对电能的质量的影响。

3.2 利用Welch算法分析噪声传播特性

利用MATLAB软件中提供的pwelch函数进行功率谱估计,实现对变压器采样噪声的Welch算法处理。FFT点数为1 024,采样频率为2 500,采样点数为1 250,窗函数采用rectangular窗。

在Welch算法下观察噪声的功率谱图如图4所示,同理选取0～1 Hz下并采取Welch法的变压器噪声传播的功率频谱如图5所示。

图4 Welch算法下的噪声功率谱图

图5 0～1 Hz下的功率谱图

由上图可知,变压器噪声呈低频特性,低频噪声的特点是波长较长,能轻而易举穿越声屏障,不易受阻挡,在空气中随着距离增大,其衰减也比较慢,低频噪声可以传播很远,影响范围也因此比较广。在高频噪声能够比较容易地被阻挡消减的条件下,对于噪声的治理研究应以低频噪声为主。总的来说,相较于高频噪声,低频噪声的衰减速度较慢,不太容易衰减,频率集中于100 Hz左右,在传播过程中,100 Hz的噪声衰减得最慢。

3.3 利用Burg算法分析噪声传播特性

利用MATLAB软件中的Pburg函数,可以对变压器采样噪声进行Burg算法的功率谱估计,并绘制出相应的功率谱密度曲线。AR模型阶数p=14,FFT点数为1 024,确定采样频率2 500,采样点数1 250.

在Burg算法下观察噪声的功率谱图如图6所示,由图6可知,变压器采样噪声功率在可听声的频率范围内波动很小,表明噪声在可听声频率范围下持续时间长且不易衰减。

图6 Burg算法下的噪声功率谱图

在Burg算法下选取0～1 Hz进行观察如图7所示。

由图7可知噪声在声源处衰减最多,说明变压器降噪最好的方法是在声源处减小噪音的传播。在减少噪声的三个途径中:控制噪声源、阻挡噪声传播、在接收处防止噪声入耳。其中,最根本有效的方法是消除或减弱噪声源。

3.4 结果分析

利用MATLAB软件对变压器采样噪声进行研究,由程序得出变压器采样噪声的时域信号图,在MATLAB中调用函数,用周期图法、Welch算法和Burg算法对噪声的功率谱密度图进行分析,分析得出:

1)电力变压器噪声主要在110 Hz左右,噪声波长较长,属于低频噪声,低频噪声相较于高频噪音来说不容易衰减,由于其的绕射和透射现象,低频噪声不易阻断,更能到达人耳,对人们的日常生活产生影响,对于电力变压器噪声的治理应该以减少低频噪音为主;

2)分析功率谱图可得,随着变压器噪声的传播,每单位频率波携带的功率逐渐降低,会对电能的质量产生影响,变电站需要采取合适手段降低谐波和噪声,减少其对电能质量的危害;

3)用Welch算法进行分析,噪声在传播过程中总体趋势呈衰减特性,主要衰减原因是被空气吸收,被地面吸收,在传播过程中遇到声屏障,随着传播距离扩大,能量减少;

4)由Burg算法可知,变压器噪声在可听噪声范围内不易衰减,且持续时间长,在噪声刚开始传播时其衰减最多。在实际的变压器噪声控制过程中,主要治理110 Hz的低频噪声。

4 结论

本文将电力变压器噪声影响因素以及变压器噪声产生机理作为已知条件,采用MATLAB软件进行仿真,得出变压器采样噪声的时域信号图,分析噪声模型衰减程度和噪声在传播过程中的衰减趋势,通过观察变压器采样噪声在周期图法、Welch算法及Burg算法下的功率频谱图,更清晰地观察到变压器噪声的衰减规律及传播特性,为变压器降噪措施的提出进行理论指导。