侯 東 段 煉 曹春誠 邴 龍 馬超群 陳 鶴

(1 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 北京 102209)

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0 引言

配電變壓器處于電力輸電系統(tǒng)末端，具有距居民區(qū)近、數(shù)量多、分布范圍廣等特點(diǎn)。依據(jù)GB 12348-2008 聲環(huán)境功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，配電變壓器屬于I 類聲環(huán)境區(qū)[1]。隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展以及居民環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，配電變壓器的振動(dòng)與噪聲問題日益凸顯，研究配電變壓器振動(dòng)與噪聲特性對其振動(dòng)與噪聲控制具有重要意義[2?6]。

目前，針對變壓器振動(dòng)與噪聲特性，主要研究集中在110 kV 以上電壓等級等大型電力變壓器以及噪聲控制技術(shù)等方向，關(guān)于配電變壓器的研究相對較少[7?9]。配電變壓器普遍存在三相負(fù)荷不平衡、過載以及諧波等現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)行工況更為復(fù)雜[10?11]，導(dǎo)致配電變壓器振動(dòng)噪聲加劇。然而在配電變壓器實(shí)際運(yùn)行過程中受測試條件限制，上述因素下配變噪聲振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，尤其是變壓器內(nèi)部鐵心的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[12]測試分析了在正常運(yùn)行狀態(tài)下配電變壓器在隔聲罩與地面上的振動(dòng)特性，但未進(jìn)行接觸式測量且無法控制配變的運(yùn)行工況；文獻(xiàn)[13]研究了負(fù)載因素對油浸式配電變壓器噪聲特性的影響規(guī)律，文獻(xiàn)[14]研究了10 kV油浸式變壓器表面振動(dòng)特性，均未涉及配電變壓器內(nèi)部鐵心的振動(dòng)特性研究。

本文以一臺35 kV/800 kVA三相油浸式變壓器為對象，將其置于半消聲室內(nèi)，研究分析不同激勵(lì)電壓條件下配變鐵心及油箱的振動(dòng)與噪聲特性，為配電變壓器振動(dòng)與噪聲控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 配電變壓器振動(dòng)原理

配電變壓器振動(dòng)主要是來源于變壓器內(nèi)部鐵心及繞組的振動(dòng)，該振動(dòng)通過變壓器油及支撐結(jié)構(gòu)傳遞給油箱外殼，從而對外產(chǎn)生輻射噪聲。其中振動(dòng)最主要貢獻(xiàn)來源于鐵心勵(lì)磁時(shí)硅鋼片產(chǎn)生的磁致伸縮。磁致伸縮量率以ε表示，等于勵(lì)磁時(shí)硅鋼片片長的增量?L與片長L之比，即：

研究表明，變壓器空載時(shí)，硅鋼片磁致伸縮引起的鐵心硅鋼片振動(dòng)加速度可表示為[9,15]

式(2)中：S為鐵心橫截面積，N為匝數(shù)，Bs為鐵心飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，εs為鐵心硅鋼片飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

從式(2)可以看出，變壓器鐵心振動(dòng)加速度與空載電壓平方成正比，實(shí)際鐵心磁通密度并非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，因此對于工頻50 Hz 的配電變壓器系統(tǒng)，其鐵心振動(dòng)在基頻100 Hz 及其諧頻上較為明顯。

2 噪聲與振動(dòng)測試方法及測點(diǎn)布置

本次實(shí)驗(yàn)以一臺35 kV/800 kVA 三相油浸式變壓器為實(shí)驗(yàn)對象，噪聲測試主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1094.10-2003電力變壓器聲級測定》[16]。采用對稱布置的方式，測點(diǎn)位置如圖2(a)所示，距離變壓器0.3 m，傳聲器布置在變壓器高度1/2處的水平面上，指向設(shè)備方向。變壓器鐵心振動(dòng)測點(diǎn)如圖2(b)所示，振動(dòng)傳感器在注油前布置，注油后靜置24 h 后開始測試。油箱振動(dòng)測點(diǎn)如圖2(c)所示，噪聲與振動(dòng)測試分別采用B&K 公司4187 型1/4 傳聲器、4534B001 型加速度傳感器測量，采用B&K 公司3560C 型多通道采集系統(tǒng)進(jìn)行信號采集，B&K Pulse 系統(tǒng)相關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

圖1 變壓器噪聲與振動(dòng)測點(diǎn)布置Fig.1 Noise and vibration measurement-point distribution of the transformer

3 變壓器噪聲與振動(dòng)測試結(jié)果分析

3.1 變壓器器身振動(dòng)特性分析

配電變壓器在空載條件下，繞組電流較小，配電變壓器振動(dòng)主要由鐵心振動(dòng)引起。采用振動(dòng)傳感器在配變鐵心3 個(gè)方向布置振動(dòng)傳感器，空載額定工況下鐵心振動(dòng)頻譜如圖2所示，各方向鐵心振動(dòng)顯示出相似特征，鐵心振動(dòng)以100 Hz、200 Hz、300 Hz為主頻，同時(shí)伴隨有一定50 Hz 偶數(shù)倍頻率的高次諧波成分。從數(shù)值上可以看到，鐵心側(cè)面振動(dòng)水平相對較高，即測點(diǎn)3 振動(dòng)峰值為0.014 m/s2，這種特征與鐵心側(cè)面受到鐵心疊片接縫位置漏磁的影響有關(guān)，從而導(dǎo)致振動(dòng)幅值增大的情況。通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)變壓器電壓，分別測試了50%、60%、70%、80%、90%、100%額定工況下配電變壓器鐵心振動(dòng)情況，以測點(diǎn)3為例，如圖3所示，隨著激勵(lì)電壓增大，鐵心振動(dòng)加速度逐漸增加，高頻諧波分量增加更加明顯。

圖2 額定電壓下鐵心各測點(diǎn)振動(dòng)頻譜Fig.2 Frequency spectrum of core vibration at rated voltage

圖3 不同激勵(lì)電壓下鐵心振動(dòng)頻譜Fig.3 Frequency spectrum of core vibration under different excitation voltages

鐵心振動(dòng)測點(diǎn)3 在100 Hz、200 Hz、300 Hz頻率振動(dòng)加速度隨電壓比值平方(U/UN)2的變化關(guān)系如圖4所示。可以看出，當(dāng)激勵(lì)電壓低于90%額定電壓時(shí)，振動(dòng)加速度基本與(U/UN)2呈線性關(guān)系，這與理論一致，當(dāng)激勵(lì)電壓接近額定電壓時(shí)，由于磁通密度趨于飽和，振動(dòng)信號中存在大量高次諧波成分，振動(dòng)情況變得復(fù)雜。

圖4 空載變壓器鐵心各頻率振動(dòng)幅值與電壓平方關(guān)系曲線Fig.4 Vibration amplitude versus (U/UN)2 of no-load transformer

3.2 變壓器油箱振動(dòng)與噪聲特性分析

在空載額定工況下，油箱外壁的各測點(diǎn)振動(dòng)狀況如表1所示，其中，油箱側(cè)面振動(dòng)水平較高，油箱正面和頂面振動(dòng)水平略低。

表1 空載額定工況下油箱外壁的振動(dòng)狀況Table 1 Tank vibration under no-load rated condition

變壓器油箱壁空載額定工況下振動(dòng)頻譜特征如圖5所示，從圖中可見，油箱外壁各測點(diǎn)顯示出以100 Hz、200 Hz、300 Hz為主要峰值的頻譜特征。如前所述，變壓器振動(dòng)主要源于鐵心以及繞組振動(dòng)，經(jīng)過緊固件、墊腳等固體及液體絕緣油兩種方式傳播至油箱表面，傳播過程十分復(fù)雜，且變壓器油箱為薄壁類結(jié)構(gòu)，剛度較低，從而導(dǎo)致油箱振動(dòng)值大于鐵心振動(dòng)。

圖5 額定電壓下油箱振動(dòng)頻譜Fig.5 Frequency spectrum of tank vibration at rated voltage

額定電壓下噪聲頻譜如圖6(a)所示，變壓器各測點(diǎn)均顯示出以100 Hz、200 Hz 為主要峰值的噪聲頻譜特征，噪聲頻譜復(fù)雜度相對較低，主要是由于500 Hz 以上噪聲在傳播過程中衰減較快，表現(xiàn)出以500 Hz 以下低頻為主的頻譜特征；測點(diǎn)1不同電壓下變壓器噪聲頻譜如圖6(b)所示，隨著激勵(lì)電壓增大，變壓器噪聲呈現(xiàn)上升趨勢，且高次諧波成分逐漸增加，與油箱表面振動(dòng)保持一致特征。

4 結(jié)論

本文研究了一臺35 kV/800 kVA油浸式配電變壓器在不同電壓激勵(lì)作用下變壓器鐵心振動(dòng)、油箱振動(dòng)以及噪聲特性，為配電變壓器噪聲控制提供數(shù)據(jù)參考，主要得出如下結(jié)論：

(1)在空載額定電壓實(shí)驗(yàn)條件下，變壓器鐵心振動(dòng)主要以100 Hz、200 Hz 為主頻，同時(shí)伴隨有一定50 Hz 偶數(shù)倍頻率的高次諧波成分。變壓器鐵心振動(dòng)隨激勵(lì)電壓升高而增大，在低于額定電壓下，100 Hz、200 Hz、300 Hz 等頻段鐵心振動(dòng)與電壓平方成正比。

(2)變壓器油箱振動(dòng)顯示出以100 Hz、200 Hz、300 Hz 為主要峰值的頻譜特征，與鐵心表現(xiàn)出相似特征，油箱振動(dòng)值大于鐵心振動(dòng)，側(cè)面振動(dòng)水平較高，油箱正面和頂面振動(dòng)水平略低。

(3)變壓器噪聲頻譜以100 Hz、200 Hz 為主要峰值，噪聲頻譜復(fù)雜度相對較低，表現(xiàn)出以500 Hz以下低頻為主的頻譜特征，隨著激勵(lì)電壓增大，變壓器噪聲呈現(xiàn)上升趨勢，與油箱表面振動(dòng)保持一致特征。

圖6 變壓器噪聲頻譜Fig.6 Frequency spectrum of transformer noise