許衛(wèi)東，王林富，汪進(jìn)，壯定軍，張敬敏，章聰，楊慧敏，黎燦兵

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001；2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司益陽(yáng)供電分公司，湖南 益陽(yáng) 413002)

隨著城市化規(guī)模的不斷加快以及城區(qū)電力建設(shè)的發(fā)展，社區(qū)聚集的電力負(fù)荷越來(lái)越多，城市中心區(qū)用電負(fù)荷密度不斷增加，電力設(shè)備大幅增多。以變電設(shè)施為代表的電力設(shè)備所產(chǎn)生的環(huán)境噪聲影響周邊居民的工作和生活，導(dǎo)致噪聲擾民問(wèn)題的投訴和糾紛時(shí)有發(fā)生，是供電企業(yè)迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題[1-2]。

電力變壓器的噪聲與其電氣性能和機(jī)械性能一樣，都是衡量變壓器性能的重要技術(shù)指標(biāo)。各變壓器制造廠商一直對(duì)變壓器的噪聲問(wèn)題進(jìn)行深入研究，而其中振動(dòng)噪聲及其控制措施在近年來(lái)依然是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，且有從配電變壓器向高壓、超高壓變壓器發(fā)展的趨勢(shì)[3]。

世界上一些大型電力變壓器制造企業(yè)，早在20世紀(jì)20年代就開始對(duì)變壓器的噪聲問(wèn)題開展了一系列研究，涉及到噪聲振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)傳遞、噪聲輻射特性和降噪措施等諸多方面。許多國(guó)家政府還頒布了最大允許噪聲水平的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條例，規(guī)定了噪聲管理措施以及排放限值。20世紀(jì)70年代以后，相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)也被引入到研究中，如利用聲強(qiáng)法和聲壓法進(jìn)行變壓器聲級(jí)測(cè)定和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲分析，并逐步從試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向構(gòu)筑理論分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)新建變電站進(jìn)行變壓器輻射噪聲預(yù)估。目前，電力變壓器噪聲方面的研究主要集中在變壓器噪聲特性分析和變壓器噪聲控制方面。同時(shí)，還出現(xiàn)了一批模擬計(jì)算軟件，如Flystryd、SoundPLAN、Sysnoise等軟件用于變壓器噪聲場(chǎng)的分析計(jì)算[4-6]。

本文列舉了幾項(xiàng)變壓器噪聲評(píng)估和控制技術(shù)，并歸納分析了每種特定情況噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，從聲源、傳播途徑等方面尋找降噪控制方法，為每種特定情況尋求最優(yōu)的解決方案。此外，主動(dòng)降噪等新技術(shù)能有效改善在線變壓器的低頻噪聲，具有體積小、重量輕、控制易等優(yōu)勢(shì)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益，并為研發(fā)和創(chuàng)新電力變壓器的噪聲控制技術(shù)提供更好的研究方向。

1 電力變壓器噪聲的產(chǎn)生與傳播

變壓器噪聲源主要包括本體噪聲和冷卻系統(tǒng)噪聲。本體噪聲主要是由于硅鋼片磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)以及硅鋼片接縫處和疊片之間存在因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力[7]。冷卻裝置的噪聲主要來(lái)源于冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，以及本體的振動(dòng)會(huì)通過(guò)變壓器油、管接頭等零件傳遞給冷卻裝置，使冷卻裝置的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致輻射噪聲加大[8]。圖1為變壓器噪聲產(chǎn)生和傳播的示意圖。

1.1 鐵心

磁致伸縮是變壓器本體噪聲的主要來(lái)源。當(dāng)電力變壓器的硅鋼片在激磁時(shí)，沿磁力線方向硅鋼片尺寸增大，而垂直于磁力線方向的尺寸則縮小，這種尺寸變化稱為磁致伸縮[9]。磁致伸縮使得變壓器鐵心隨著勵(lì)磁電流頻率的變化而發(fā)生周期性振動(dòng)[10]。變壓器的主體噪聲由低頻噪聲組成，主要集中在100 Hz基頻及其整數(shù)倍頻處?？拷儔浩麒F心的位置處噪聲聲壓較高，且明顯呈現(xiàn)出具有波峰波谷的波紋分布[11]，電力變壓器鐵心噪聲的頻譜范圍為100～500 Hz[12]。

由于磁致伸縮而造成硅鋼片伸長(zhǎng)，如果磁通密度為正弦曲線，那么振動(dòng)僅包含1種諧波，其頻率為電網(wǎng)頻率的2倍[13]。實(shí)際上硅鋼片產(chǎn)生的橫向振動(dòng)導(dǎo)致磁致伸縮曲線是非線性的，因此變壓器噪聲包含有高次諧波。除此之外，鐵心搭接處磁力線發(fā)生畸變產(chǎn)生的縱牽力和鐵心中磁通分布不均會(huì)在鐵心片間產(chǎn)生側(cè)推力，造成鐵心振動(dòng)。變壓器鐵心的尺寸、制作材料和施工工藝也會(huì)對(duì)變壓器的噪聲水平產(chǎn)生影響。變壓器箱體和變壓器鐵心的共振同樣會(huì)增加變壓器的噪聲水平[14-16]。

圖1 變壓器噪聲的產(chǎn)生與傳播Fig.1 Generation and transmission of transformer noise

1.2 繞組

負(fù)載電流在繞組中流通時(shí)，繞組所占空間及周圍空間會(huì)有漏磁產(chǎn)生，變壓器漏磁對(duì)各個(gè)繞組和變壓器油箱產(chǎn)生電磁力，使變壓器繞組振動(dòng)而產(chǎn)生負(fù)載噪聲，其中繞組匝數(shù)和漏磁路徑?jīng)Q定了漏磁通的大小[17-18]。在繞組末端，磁力線的彎曲導(dǎo)致產(chǎn)生徑向漏磁分量與軸向漏磁分量，引起變壓器繞組在豎直方向與水平方向的振動(dòng)，其向量和即為繞組的合振動(dòng)。繞組振動(dòng)的頻率是負(fù)載電流頻率的2倍[19]。

變壓器繞組在電磁力的作用下持續(xù)振動(dòng)，電磁力的特性決定了變壓器繞組的振動(dòng)特性。20世紀(jì)70年代起，研究人員就開始對(duì)變壓器的振動(dòng)特性開始了建模分析。文獻(xiàn)[20]提出了基于彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的變壓器軸向振動(dòng)集中參數(shù)模型和有限元分析模型，并指出絕緣墊塊的非線性動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變特性是準(zhǔn)確計(jì)算突發(fā)短路時(shí)變壓器繞組電動(dòng)力和位移的重要前提。隨著有限元計(jì)算方法的深入和發(fā)展，文獻(xiàn)[21-23]基于變壓器有限元模型計(jì)算得到了變壓器繞組在不同預(yù)緊力作用下的固有頻率和振型、換流變壓器繞組受電磁力激勵(lì)下的振動(dòng)波形、各個(gè)繞組的5階固有頻率和在漏磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)力分布特性等一系列變壓器繞組振動(dòng)特性。以上2種分析建模方法是目前最主要的2類研究方法。繞組振動(dòng)和鐵心振動(dòng)共同構(gòu)成了電力變壓器的本體噪聲。

1.3 冷卻系統(tǒng)

變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻方式包括：以空氣為介質(zhì)的自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷；以變壓器油為介質(zhì)的油浸自冷、油浸風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷、強(qiáng)迫油循環(huán)水冷；以SF6為介質(zhì)的風(fēng)冷；以碳氟化合物為介質(zhì)的相變冷卻。冷卻系統(tǒng)的噪聲主要由風(fēng)扇和油泵的振動(dòng)引起。

自然冷卻最早應(yīng)用于干式變壓器冷卻系統(tǒng)[24]，這種冷卻方式不會(huì)產(chǎn)生噪聲且成本低廉。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在自然冷卻的原理基礎(chǔ)上，利用風(fēng)扇使空氣側(cè)形成強(qiáng)制對(duì)流使變壓器冷卻，形成了強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式。但風(fēng)扇的運(yùn)行帶來(lái)了極大的噪聲，因此風(fēng)扇的葉片設(shè)計(jì)、使用數(shù)量以及散熱器的布置成為了變壓器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的主要因素。通常，功率為0.55 kW、轉(zhuǎn)速為720 r/min的旋轉(zhuǎn)機(jī)械會(huì)產(chǎn)生60 dB(A計(jì)權(quán)，下同)的噪聲。油自然對(duì)流的散熱能力有限，于是設(shè)計(jì)人員在散熱器和油箱連接處加一油泵，利用油泵將油打入油冷卻器后再回流入油箱，但是油箱本身的振動(dòng)產(chǎn)生了噪聲。隨著變壓器冷卻系統(tǒng)的不斷發(fā)展，陸續(xù)又出現(xiàn)了SF6冷卻、相變冷卻等冷卻方式，但由于風(fēng)機(jī)和油泵的使用，都使得變壓器的振動(dòng)變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致變壓器的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的噪聲。

2 變壓器噪聲水平的測(cè)定

文獻(xiàn)[25-26]闡述了運(yùn)用聲壓法和聲強(qiáng)法測(cè)定聲功率的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。聲壓法和聲強(qiáng)法是基于幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行聲音功率和聲音強(qiáng)度的測(cè)量，例如長(zhǎng)度為6.0 m、寬度為3.0 m、高度為5.0 m的變壓器的測(cè)量點(diǎn)數(shù)約為25個(gè)，并且這些測(cè)量點(diǎn)沿著測(cè)量線等距分布，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的平均聲壓或聲強(qiáng)測(cè)量值進(jìn)行聲功率的計(jì)算。

文獻(xiàn)[27]對(duì)聲壓法和聲強(qiáng)法進(jìn)行對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了聲強(qiáng)法與聲壓法測(cè)得的隔聲量在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)的一致性。但是，當(dāng)變壓器體積較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量太少，會(huì)嚴(yán)重影響噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[28]將基于聲壓的方法、基于離散點(diǎn)聲強(qiáng)的方法以及基于掃描聲強(qiáng)的方法用于測(cè)量電力變壓器場(chǎng)的聲音，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在外部噪聲干擾和防火墻反射聲環(huán)境下，后2種基于聲強(qiáng)的測(cè)量方法比基于聲壓的測(cè)量方法具有更高的精度；基于掃描聲強(qiáng)的方法消耗的測(cè)量時(shí)間最短。

變壓器的噪聲測(cè)量主要包括噪聲源的識(shí)別和聲功率的確定。噪聲源識(shí)別對(duì)于抑制變壓器運(yùn)行過(guò)程中噪聲的治理尤為重要。聲功率及其頻譜是表征變壓器噪聲特性的整體參數(shù)，在評(píng)估變壓器噪聲污染的影響方面至關(guān)重要。文獻(xiàn)[29]介紹了一種基于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中的聲強(qiáng)映射的噪聲測(cè)量方法：將測(cè)量點(diǎn)在測(cè)量表面上以規(guī)則網(wǎng)格分布，利用相關(guān)參數(shù)創(chuàng)建聲強(qiáng)和聲功率的彩色圖，從而直接有效地識(shí)別變壓器的噪聲源；不同方法測(cè)得的聲功率頻率范圍數(shù)據(jù)表明，所提方法能有效將變壓器噪聲的測(cè)量和評(píng)估頻率降低到100 Hz～2 kHz范圍，對(duì)計(jì)算的總功率卻沒有負(fù)面影響，有效簡(jiǎn)化了測(cè)量和評(píng)估數(shù)據(jù)。

3 變壓器噪聲控制方法

變壓器噪聲的控制方式一般分為2種：一種是通過(guò)對(duì)變壓器本體進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)噪聲源頭的降噪處理，這是噪聲控制中最根本、最有效的控制方法；另一種方式是傳播途徑降噪，根據(jù)噪聲在空氣或固體結(jié)構(gòu)中的傳播特性，采取相應(yīng)措施降低傳播強(qiáng)度，從而減弱噪聲對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3.1 變壓器鐵心設(shè)計(jì)和制造工藝方面的降噪策略

3.1.1 降低變壓器鐵心磁通密度

實(shí)踐證明，在1.5～1.7 T范圍內(nèi)，磁通密度每降低0.1 T，可降低噪聲2～3 dB[30-31]。但降低磁通密度也會(huì)使變壓器鐵心體積增大、成本增加，因此需同時(shí)考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)效益。

a)優(yōu)化變壓器鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。變壓器鐵心結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，能顯著降低變壓器磁軛的磁通密度。文獻(xiàn)[32]對(duì)三相三柱結(jié)構(gòu)和三相五柱結(jié)構(gòu)2種不同類型的變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明三相三柱非晶合金變壓器軛部的磁通密度較三相五柱非晶合金變壓器小得多。

b)增大鐵軛截面積。變壓器鐵軛的振動(dòng)是變壓器噪聲的主要來(lái)源。增大鐵軛截面積，不僅降低了鐵軛的磁通密度，而且在增大末級(jí)鐵心片寬的同時(shí)，增加了夾件與鐵軛的接觸面積，使鐵軛受力均勻，能有效地降低噪聲2～4 dB[33]。

3.1.2 降低變壓器硅鋼片的磁致伸縮

a)選用優(yōu)質(zhì)晶粒取向的冷軋硅鋼片。磁致伸縮主要取決于激磁時(shí)出現(xiàn)的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，優(yōu)質(zhì)硅鋼片能提高晶體取向的完整度，有效降低變壓器由于磁致伸縮引起的噪聲。文獻(xiàn)[34]論述了優(yōu)質(zhì)晶粒取向硅鋼的磁致伸縮性能更為優(yōu)良，在變壓器鐵心制造中得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[35]通過(guò)研究采用不同晶粒取向硅鋼片的3種變壓器的噪聲特性，證明了更加優(yōu)質(zhì)的硅鋼片在相同的磁通密度下表現(xiàn)出更低的噪聲水平。

b) 采用斜接縫疊式的鐵心結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的交錯(cuò)接縫結(jié)構(gòu)中，接縫斷面的氣隙比較集中，較大的交變電磁力作用在鐵心中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)噪聲。采用全斜交錯(cuò)接縫的設(shè)計(jì)方式可減低鐵心損耗[36]，減少鐵心和心柱之間的空氣隙，減小作用在軛片上的電磁力，降低磁致伸縮ε。

c) 保持適當(dāng)?shù)蔫F心壓緊力。如果鐵心未完全壓緊而留有較大空隙，硅鋼片本身會(huì)作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，在交變電場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生和交變電場(chǎng)同頻率振動(dòng)，造成噪聲超標(biāo)[34]。文獻(xiàn)[37]闡述了變壓器及電抗器制造過(guò)程中鐵心壓緊力精確控制的工藝方法，并證明了在實(shí)踐中該工藝方法切實(shí)可行，可穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品性能，降低噪聲水平。

d) 保持鐵心片的平整度。鐵心片的平整度直接影響著硅鋼片內(nèi)應(yīng)力的大小，而內(nèi)應(yīng)力會(huì)對(duì)磁致伸縮ε產(chǎn)生很大的影響，因此鐵心生產(chǎn)中嚴(yán)格控制鐵心片的剪切毛刺，規(guī)范鐵心片堆放、搬運(yùn)、疊裝、翻轉(zhuǎn)、夾緊及綁扎固定等操作，能夠有效地控制由于制造過(guò)程造成的噪聲[33]。

e) 鐵心表面涂膠。硅鋼片剪切過(guò)程中，剪切力使切口處部分晶粒偏離最佳取向，同時(shí)使硅鋼片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，致使磁致伸縮ε增大，鐵心振動(dòng)增強(qiáng)。鐵心疊裝、綁扎后，在其剪切端面涂刷樹脂類涂層，能抵消邊緣處的部分內(nèi)應(yīng)力，減少內(nèi)應(yīng)力所造成的ε值升高。涂層厚度一般以50～100 μm為宜，太薄降噪效果不明顯，太厚則影響鐵心散熱[33]。

3.1.3 避免鐵心共振

當(dāng)鐵心固有頻率與磁致伸縮振動(dòng)的頻率接近時(shí)，會(huì)因鐵心共振導(dǎo)致本體噪聲驟增，文獻(xiàn)[32]表明激發(fā)核心共振可以將最接近的核心噪聲頻率分量增加多達(dá)10 dB。為避免鐵心共振，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理調(diào)整窗口尺寸，避開75～125 Hz、175～225 Hz、245～325 Hz、375～425 Hz范圍的頻帶[12]。在變壓器安裝過(guò)程中，注意緊固箱沿螺栓，使箱體與器身上梁緊密接觸，這樣可以改變鐵心的固有頻率，避免由此而引起的噪聲急增[33]。

3.1.4 控制油箱的振動(dòng)噪聲

a)增強(qiáng)油箱強(qiáng)度，減小箱壁振幅。增加油箱的整體剛性，合理布置加強(qiáng)筋并控制其間距，保證油箱中部加強(qiáng)筋適當(dāng)密布。文獻(xiàn)[12]介紹了工程中變壓器油箱壁采用的一種扣槽式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，通過(guò)在加強(qiáng)筋之間焊接3～4 mm的鋼板，構(gòu)成不完全雙層壁，能夠有效減弱噪聲。

b) 增加油箱阻尼?？稍谟拖鋬?nèi)壁設(shè)置橡膠板，或者在油箱外部涂刷阻尼材料，都能夠增加油箱阻尼，從而減小油箱壁的振動(dòng)。

3.1.5 控制冷卻系統(tǒng)的噪聲

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式往往盡量采用自然自冷方式。在大容量變壓器中使用冷卻器時(shí)，盡可能選擇低噪聲冷卻器和低轉(zhuǎn)速風(fēng)扇[38]，或者采用風(fēng)扇消聲裝置，如網(wǎng)狀、片式、折板式消音器等，文獻(xiàn)[2]論述了用自冷式散熱器代替吹風(fēng)冷卻散熱器或強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器，可以消除冷卻系統(tǒng)引起的噪聲。近些年，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者提出了一些新的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[39]設(shè)計(jì)了一種新型蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，它可以視為2步冷卻系統(tǒng)，能夠有效地將熱量從地下熱源傳輸?shù)浇M裝在變壓器油箱中的平行翅片管，而平行翅片管中的蒸發(fā)冷卻劑吸收熱量并從液體變成蒸汽，然后蒸汽在地面上的散熱器中冷凝成液體。此外，冷卻系統(tǒng)是自行循環(huán)的，不需要額外的泵或風(fēng)扇，能夠有效控制變壓器冷卻系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，智能控制變壓器噪聲的設(shè)備成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[40]提出一種使用包括強(qiáng)制油泵和風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)來(lái)控制電力變壓器溫度的機(jī)制，通過(guò)對(duì)變壓器溫度的精準(zhǔn)監(jiān)控，準(zhǔn)確控制強(qiáng)制油泵和風(fēng)扇，從而減少不必要的噪聲。文獻(xiàn)[41]提出一種基于可編程邏輯控制器的智能冷卻系統(tǒng)，通過(guò)冷卻庫(kù)間的自動(dòng)切換來(lái)消除手動(dòng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)的問(wèn)題，減少變壓器冷卻系統(tǒng)造成的電能浪費(fèi)，同樣能夠有效降低變壓器噪聲。

3.2 變壓器噪聲在傳播過(guò)程中的降噪措施

控制變壓器噪聲的傳播過(guò)程是變壓器在運(yùn)行過(guò)程中最主要的控制方式，使得噪聲在傳播過(guò)程中得到進(jìn)一步衰減。下面介紹幾種目前運(yùn)用最為有效和廣泛的控制方法。

3.2.1 采用半封閉或全封閉隔聲、吸聲技術(shù)

采用隔聲板和吸聲材料，將箱壁(半封閉結(jié)構(gòu))或整個(gè)油箱(全封閉結(jié)構(gòu))封閉起來(lái)，在其內(nèi)壁鋪設(shè)各種松軟多孔的吸隔聲材料，如多孔板、玻纖布、吸聲棉、金屬鋼板和玻璃棉等，能大幅度降低變壓器噪聲。文獻(xiàn)[42]在變壓器防火墻外設(shè)置整體隔聲罩(BOX-IN)，選用可拆卸式吸聲隔聲復(fù)合模塊板[43]，可滿足不同高度降噪需求。文獻(xiàn)[8]通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了使用混凝土墻壁和屋頂降噪水平為25～30 dB，在完全密封的房間內(nèi)用吸聲涂料處理內(nèi)部墻壁還可以大大提升降噪效果。表1總結(jié)了幾種隔聲和吸聲方法的實(shí)際降噪效果。

表1 使用不同隔聲、吸聲材料的降噪措施和降噪效果Tab.1 Noise reduction measures and effects using different sound insulation and absorption materials

3.2.2 油箱底部與地面間設(shè)置減振器

在油箱底部與地面間設(shè)置減振器，避免箱底與地面間的剛性連接，使振動(dòng)通過(guò)減振器發(fā)生衰減，以達(dá)到降噪的目的[33]，使用空氣彈簧減震器效果更好。

3.2.3 使用彈性支撐

在變壓器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，使用彈性支撐，減緩變壓器振動(dòng)通過(guò)連接結(jié)構(gòu)處傳播。

3.2.4 填充減振、吸聲材料

文獻(xiàn)[44]介紹了一種添加緩沖器和隔音層以降低噪聲的方法。此外，以下方法均有明顯效果[12]：①在鐵心墊腳與箱底間放置減振橡膠；②在下鐵軛與木墊塊間空隙填充支撐材料；③在箱壁外兩加強(qiáng)筋間焊接2～3 mm鋼板，其間填充吸聲材料。

傳統(tǒng)的降噪方法在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，多采用削弱變壓器振動(dòng)和傳播過(guò)程降噪控制的方式，可以有效抑制高頻噪聲，但對(duì)低頻噪聲的除噪效果不甚理想。以下介紹幾種新型降噪方法，可適用于各類變壓器的實(shí)際應(yīng)用。

3.3 有源噪聲控制方法

相比無(wú)源降噪設(shè)備受成本、環(huán)境等條件的限制，有源降噪系統(tǒng)以控制靈活、成本低廉、安裝簡(jiǎn)單且降噪效果明顯的優(yōu)勢(shì)受到了研究者的青睞。噪聲主動(dòng)控制(active noise control，ANC)也被稱為有源消聲或有源噪聲控制，屬于在噪聲傳播路徑上進(jìn)行降噪的方法，最早于1933年由德國(guó)物理學(xué)家Paul Lueg提出這個(gè)概念。1980年，美國(guó)Angevine公司率先研究了變壓器有源降噪的方法，其主要思路是：將若干噪聲發(fā)生器安放在距變壓器1 m處，這些噪聲發(fā)生器將發(fā)出與變壓器本體噪聲相同振幅、相反相位的噪聲，通過(guò)這些噪聲去抵消變壓器噪聲，實(shí)現(xiàn)抑制和衰減變壓器噪聲的目的[45]。

控制算法作為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的核心，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，逐漸由當(dāng)初主要靠手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器來(lái)改變次級(jí)聲源信號(hào)幅值和相位的模式，發(fā)展成為具有自適應(yīng)能力的高效智能控制降噪系統(tǒng)[46]。近些年來(lái)，主要基于數(shù)字信號(hào)處理器研發(fā)了有源降噪系統(tǒng)。自適應(yīng)算法的逐漸成熟衍生出了一系列控制策略，這些策略被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電等研究領(lǐng)域，例如在文獻(xiàn)[47]中，提出了一種用于統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)的自適應(yīng)分?jǐn)?shù)階積分終端滑模功率控制(adaptive fractional integral terminal sliding mode power controller，AFITSMPC)策略，用于補(bǔ)償多機(jī)電力系統(tǒng)(multimachine power system，MPN)，也為有源降噪技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。最小均方(least mean square，LMS)算法及其改進(jìn)算法是常用的自適應(yīng)控制算法。Hoff和Widrow于1960年提出LMS算法，該算法是應(yīng)用最廣泛的自適應(yīng)控制算法之一，屬于線性自適應(yīng)算法。該算法中沒有積分、平均和平方運(yùn)算，具有簡(jiǎn)單和高效的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)有源降噪實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其降噪有效性[48]。但在時(shí)變系統(tǒng)中使用時(shí)，LMS算法不穩(wěn)定，收斂慢甚至發(fā)散，算法中收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差的矛盾制約了其在實(shí)際中的應(yīng)用[49]。為了克服LMS算法存在的缺陷，研究者對(duì)LMS算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了歸一化最小均方(normalized least mean square，NLMS)、塊最小均方(block least mean square，BLMS)和濾波-x最小均方(filter-x least mean square，F(xiàn)XLMS)算法。

NLMS與LMS的區(qū)別主要在于[50]：計(jì)算量有一定的增加，但算法性能卻有很大的改善，不管濾波器輸入是否相關(guān)，NLMS算法都比LMS算法的收斂速度快很多。在輸入信號(hào)變化較大時(shí)，NLMS算法也能夠保持穩(wěn)定性并提高收斂速度，然而就小信噪比信號(hào)而言又存在新問(wèn)題。估計(jì)梯度受到很大的噪聲干擾時(shí)，該算法很可能表現(xiàn)出發(fā)散的現(xiàn)象，此為算法在實(shí)際工程應(yīng)用中面對(duì)的難題。針對(duì)該問(wèn)題，GregoryA. Clark等人提出BLMS算法。BLMS算法具有與LMS算法類似的性能，二者的基本區(qū)別是各自實(shí)現(xiàn)時(shí)梯度向量估計(jì)的方法存在差異，BLMS算法的梯度向量估計(jì)更為精確。BLMS算法同樣存在低穩(wěn)態(tài)誤差與高收斂速度的矛盾[51]。

FXLMS算法來(lái)源于LMS算法，但考慮了實(shí)際系統(tǒng)中次級(jí)通道對(duì)控制系統(tǒng)的影響。為了彌補(bǔ)次級(jí)通道的影響，必須對(duì)參考信號(hào)經(jīng)過(guò)次級(jí)通道辨識(shí)濾波，且次級(jí)通道辨識(shí)直接影響消聲效果及系統(tǒng)的穩(wěn)定性[52-55]。

在文獻(xiàn)[56]中，針對(duì)變壓器噪聲的頻率主要為100 Hz及其整數(shù)倍的低頻，且背景噪聲相對(duì)較小這一特點(diǎn)，提出采用多頻陷波濾波技術(shù)，在無(wú)需采用參考傳聲器的情況下，達(dá)到與傳統(tǒng)前饋型系統(tǒng)相同的降噪量，降低了系統(tǒng)硬件成本，減少了占地面積。另外，其算法以變結(jié)構(gòu)FXLMS算法為核心，在迭代輸出濾波器權(quán)系數(shù)時(shí)采用LMS算法，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)FXLMS算法相比，加快了降噪收斂速度。

3.4 基于濾波技術(shù)的換流變壓器降噪方法

新型電氣化設(shè)備(如電子設(shè)備、開關(guān)電源、轉(zhuǎn)換器和調(diào)速器)的迅速發(fā)展使得大量非線性負(fù)載連接到電網(wǎng)上，導(dǎo)致在變壓器和電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，繞組勵(lì)磁電壓不是完整的正弦波，而是包含諧波。諧波的存在增加了電動(dòng)機(jī)及變壓器的額外鐵損和銅損，從而改變了硅鋼片的磁致伸縮性能[57]。從配電網(wǎng)角度出發(fā)，它們可能導(dǎo)致變壓器的損耗顯著增加[58]。

研究人員對(duì)硅鋼片的磁致伸縮特性測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了深入研究，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)電動(dòng)機(jī)和變壓器的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行分析。在文獻(xiàn)[59]中，建立了一個(gè)測(cè)量應(yīng)力下硅鋼磁致伸縮的系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，磁致伸縮和總損耗的組成不僅取決于3次諧波的占比，而且還取決于3次諧波相對(duì)于磁通密度中基波的相位延遲。日本Oita大學(xué)的Enokizono教授和英國(guó)卡迪夫大學(xué)的Philip I.Anderson基于三軸應(yīng)變儀[60-61]，測(cè)量和研究了工頻正弦激勵(lì)信號(hào)下硅鋼板的交變和旋轉(zhuǎn)磁致伸縮特性。部分專家指出，各向異性的磁致伸縮特性可以提高電動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲的計(jì)算精度[62]。芬蘭學(xué)者Anouar Belahcen指出，大功率電機(jī)的磁致伸縮效應(yīng)會(huì)使得電機(jī)定子鐵心的振動(dòng)幅度增加17%以上[63]。

換流變壓器是高壓直流輸電站的重要設(shè)備，與傳統(tǒng)的電力變壓器一樣，其噪聲也主要來(lái)源于磁致伸縮效應(yīng)。文獻(xiàn)[64]分析了在有3次諧波磁場(chǎng)激勵(lì)下無(wú)晶粒取向硅鋼板的磁致伸縮特性，計(jì)算了相應(yīng)的噪聲分貝值，并將其應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真分析。仿真結(jié)果表明，在諧波磁場(chǎng)中，單硅鋼片磁致伸縮引起的噪聲明顯增大，一臺(tái)2 MW永磁同步電動(dòng)機(jī)鐵心的磁致伸縮量增加了18%，鐵心引起的振動(dòng)噪聲提高了12.5%。文獻(xiàn)[65]分析了諧波與磁致伸縮之間的相關(guān)性，結(jié)果表明電感濾波技術(shù)可以抑制變壓器鐵心中的諧波磁通和電網(wǎng)側(cè)繞組中的諧波電流，從而使諧波磁通引起的磁心振動(dòng)受到控制，減弱噪聲源處的分貝值。在分析了運(yùn)用感應(yīng)濾波降噪的思路理論上可行之后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用感應(yīng)濾波技術(shù)抑制諧波磁通能夠顯著降低換流變壓器的振動(dòng)噪聲。通過(guò)增加常規(guī)的濾波支路，使鐵心諧波磁通略有降低，并且還可以略微減小變壓器的振動(dòng)噪聲。感應(yīng)濾波器分支根據(jù)變壓器內(nèi)部諧波電位抵消的原理實(shí)現(xiàn)濾波功能，使鐵心中的諧波通量顯著下降，變壓器的振動(dòng)噪聲大大降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)、用電量的逐年增多以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，變壓器的環(huán)境噪聲污染問(wèn)題逐漸突顯。本文詳細(xì)介紹了變壓器噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)了變壓器噪聲測(cè)量、控制和降低的常用方法，闡述了不同安裝方式的變壓器所采用的降噪方法。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體情況采取切實(shí)可行的降噪措施，多方案優(yōu)化比選，從而達(dá)到噪聲治理目的。

現(xiàn)有的變壓器降噪思路主要為在噪聲源發(fā)生處減振和在噪聲傳播過(guò)程中削弱聲能量。降噪方法大多基于減弱振動(dòng)和阻斷傳播途徑，對(duì)低頻噪聲的抑制效果有限，不僅難以進(jìn)行定量分析，也不能廣泛運(yùn)用在各種變壓器的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中。同時(shí)由于從變壓器本體入手，在實(shí)施安裝以及后期的檢修維護(hù)中都極不方便，難以大規(guī)模投入應(yīng)用。新型的有源降噪技術(shù)以控制佳、易安裝和低頻抑制效果好等優(yōu)勢(shì)成為變壓器降噪領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也恰好彌補(bǔ)了被動(dòng)降噪技術(shù)的不足。根據(jù)變壓器噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，優(yōu)化變壓器鐵心和繞組結(jié)構(gòu)，從而降低變壓器本體的噪聲水平，是降低變壓器噪聲等級(jí)最有效的方法。但是由于生產(chǎn)技術(shù)以及制造成本的局限，并不能取得預(yù)期的降噪效果，對(duì)已有變壓器的降噪也沒有實(shí)際意義。

近些年，大量學(xué)者在變壓器噪聲和振動(dòng)方面進(jìn)行了許多研究，但關(guān)于諧波磁通對(duì)變壓器噪聲的影響方面的研究工作還非常欠缺。通過(guò)濾除電網(wǎng)中的諧波來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪的理論，為變壓器降噪提供了新的發(fā)展思路。由于電網(wǎng)中的諧波是產(chǎn)生噪聲的重要因素，通過(guò)濾波技術(shù)抑制變壓器鐵心中的諧波磁通和電網(wǎng)側(cè)繞組中的諧波電流同樣在降噪領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展空間。