表面振速法在干式變壓器噪聲測量中的應用

田昊洋，胡　敏，彭　偉，黃　華，瞿珽華

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學研究院，上海 200437；2.上海久隆電力（集團）有限公司 變壓器修試分公司，上海 200436）

表面振速法在干式變壓器噪聲測量中的應用

田昊洋1，胡敏2，彭偉1，黃華1，瞿珽華1

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學研究院，上海 200437；2.上海久隆電力（集團）有限公司 變壓器修試分公司，上海 200436）

變壓器是變電站的主要噪聲源，由于變電站實際聲學環(huán)境的限制，傳統(tǒng)的聲壓法和聲強法已不能滿足測量精度要求，而振速法是基于聲振耦合建立結(jié)構(gòu)表面振動和噪聲的關(guān)系，不受現(xiàn)場環(huán)境的影響，因此研究振速法在電力變壓器噪聲測量中的應用具有一定的實際意義。根據(jù)結(jié)構(gòu)聲輻射理論推導有限平面結(jié)構(gòu)的表面聲輻射計算方法，通過測量干式變壓器的表面振動量級和測量其聲功率級，以實驗的方法求得干式變壓器的聲輻射比。著重分析了從測量表面振動來估計干式變壓器的噪聲的可行性。

聲學；干式變壓器；噪聲測量；表面振速法

配電變壓器無論是油浸式或者干式變壓器大多安裝在配電房中，此時配電變壓器的實測噪聲往往明顯超過出廠值，這是由于房間的反射和混響造成的結(jié)果會大大增加實測噪聲值，并且在很多時候極其容易出現(xiàn)房間駐波效應，空間聲場會出現(xiàn)明顯的“波節(jié)”和“波腹”點，此時空間位置的微小變化會引起噪聲測量值較大的波動，造成測試誤差，因此在實際安裝狀態(tài)下測量變壓器的真實噪聲值是比較困難的，嘗試通過研究振速法求得干式變壓器的噪聲。

由于干式電力變壓器相對復雜，非線性因素較多，通過理論計算電力變壓器噪聲輻射比難度很大，而且電力變壓器運行中也會產(chǎn)生很多的諧頻，所以電力變壓器的噪聲輻射比通過實驗的方法獲得的可行性較大。通過試驗得到的輻射比，結(jié)合振速級就可以推算出結(jié)構(gòu)的聲功率級，從而獲得在空間位置的聲壓級。

1　干式變壓器的噪聲分析

樹脂澆注干式變壓器的噪聲是由于鐵心、繞組、結(jié)構(gòu)件及風冷系統(tǒng)的振動而產(chǎn)生的。鐵心、繞組、結(jié)構(gòu)件統(tǒng)稱為變壓器的本體，如不考慮冷卻風扇的噪聲，干式變壓器的器身噪聲完全來自于結(jié)構(gòu)噪聲。干式變壓器的噪聲主要來源有［1-2］：

硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵心振動。

硅鋼片接縫處和疊片間因磁通而產(chǎn)生的電磁力引起的鐵心振動。

負載電流產(chǎn)生的漏磁引起的振動。

此外，電源的諧波成分以及繞組中電流的直流偏磁對變壓器的噪聲影響也很明顯。

干式變壓器的額定工作磁密通常取1.5 t～1.8 t。國內(nèi)外的研究和試驗均證明，在這樣的磁密范圍內(nèi)，負載電流產(chǎn)生的漏磁引起的繞組振動，與硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵心振動相比要小得多，是可以忽略的。因此干式變壓器的噪聲主要來自于鐵心的硅鋼片造成的振動，特別是鐵心磁致伸縮所引起的鐵心振動，對干式變壓器而言，在沒有冷卻風機的情況下，聲音是機械振動的結(jié)果，當鐵心繞組結(jié)構(gòu)出現(xiàn)聲頻范圍內(nèi)的機械振動時，就會使周圍介質(zhì)也發(fā)生相應振動，從而以聲波的形式向外輻射聲音。聲波的輻射實質(zhì)上就是機械振動波能量傳遞的過程。日本富士公司通過反復試驗，得到了油箱箱壁的振動加速度的對數(shù)lgα與變壓器本體聲壓水平成線性關(guān)系［1］，因此通過測量表面的振速從而推導噪聲量級是可能的。

2　結(jié)構(gòu)聲輻射特性

如果臨近平板介質(zhì)與平板一起振動，則平面的振動速度可以看成臨近介質(zhì)的聲波振動速度，由此可以直接得到近場聲強，或聲強級，從而算出聲功率級，因此通過測量其固有輻射效率的表面振動速度級，可以用來確定其噪聲輻射［3］。由于該測量方法不受環(huán)境噪聲的影響，在電機和電器等領(lǐng)域已經(jīng)擁有了成熟的應用［3］。可以參照振速法測定噪聲源聲功率級用于封閉機器的測量GB/T 16539-1996。

為了解結(jié)構(gòu)的振動與輻射聲功率的關(guān)系，引入了判定結(jié)構(gòu)輻射效率的系數(shù)σ，對于一個同相位振動的大平面結(jié)構(gòu)，如果平面的尺寸比傳播介質(zhì)的波長大很多，那么介質(zhì)粒子不可能沿切向運動，緊貼振動面的介質(zhì)粒子的速度與振動表面的速度是相等的。

產(chǎn)生的聲輻射沿振動面的法線方向，所以由振動面輻射進入傳播介質(zhì)的聲功率可以簡化為

其中 prms——緊貼振動面的介質(zhì)中的某點聲壓有效值

vrms——同一點的振動速度有效值

Sv——結(jié)構(gòu)輻射面積

對于上述的輻射聲場，可以認為是平面聲場，振速和聲壓的關(guān)系為

其中ρc——聲阻抗

振動面向介質(zhì)輻射的聲功率為

這里定義輻射效率為σ，任意空間空間結(jié)構(gòu)的輻射效率定義為有結(jié)構(gòu)輻射到半空間（即結(jié)構(gòu)的一側(cè)）的聲功率除以與此結(jié)構(gòu)具備相同表面積和相同有效值振速的平面結(jié)構(gòu)所輻射的聲功率。

均方的空間和時間平均振速事實上是平均的法向表面速度，因此輻射效率提供了一個結(jié)構(gòu)振動和相關(guān)的輻射聲功率之間的強有力的關(guān)系［4］。

在工程應用中，更多地使用聲功率級、速度級和標準阻抗等評價方法，因此σ的公式可以改寫為

其中ρ0c0——400 Ns/m（即空氣在20℃，氣壓為105 Pa時的阻抗）

對上式兩邊取對數(shù)并乘以10得到

從上述公式可以看出對于同一測試對象而言，測點不變時，輻射系數(shù)、測量面積等都不變的情況下，如果噪聲頻譜特征不發(fā)生明顯的變化，聲功率與速度級之間的差值可以近似為常量。

由于工程上可以認為，聲功率在理想狀態(tài)下可以通過測量聲壓級得到，如公式8所示［5］

可得聲壓級和振速級之間的關(guān)系

這里的σ、Lw、Lv和Lp都是頻率的函數(shù)。

3　干式變壓器噪聲試驗

試驗對象為上海變壓器廠的三相10 kV的S6-800/10干式變壓器進行振動和噪聲測試，由于測試條件限制，采用的是空載測試狀態(tài)。大量的研究結(jié)果證明，干式變壓器的噪聲主要來自于鐵心振動，繞組振動在正常勵磁情況下輻射噪聲可以忽略不計。

振動測點布置盡可能均勻覆蓋整個鐵心結(jié)構(gòu)，繞組上由于空載狀態(tài)下振動相對很小，就沒有再布置測點，認為干式變壓器的開窗方向上是對稱的，因此只在干式變的一側(cè)測量振動。測點分別布置在上下鐵軛和旁柱及心柱上。

圖1　-振動測點圖（圓形點為振動測點）

依據(jù)GB/T 1094.10-2003電力變壓器，第10部分：聲級測點標準，采用6個測點麥克風進行同步測量。距離基準發(fā)射面為1 m。測試環(huán)境在試驗大廳，背景噪聲為36 dBA，遠低于被測變壓器的噪聲等級，因此測試環(huán)境比較理想。

圖2　麥克風測點圖

圖3　鐵芯外形尺寸圖

干式變壓器的聲功率級由平均聲壓級計算得到

其中LwA——測量聲功率級——測量的平均聲壓級

S——測量包絡面

S0——基準包絡面，1 m2

變壓器結(jié)構(gòu)聲輻射面基本就是鐵芯的表面，因此鐵芯變面積就是結(jié)構(gòu)聲輻射面積，根據(jù)鐵芯外形的輪廓，可得出

SV=1.27×0.24×3+0.26×0.24×4=1.164 m2

對于當前這臺試驗對象，進行了多種輸入電壓的空載測試，分別是70%、80%、90%、100%、105%、110%和115%額定電壓試驗，測量其在這些不同磁密狀態(tài)下的振動和噪聲。

測量過程是在測量電壓達到設定值之后運行10分鐘后穩(wěn)定狀態(tài)下進行測量。

如圖4是正常狀態(tài)下的噪聲特征量，可以發(fā)現(xiàn)在1 000 Hz以上的頻率成分的噪聲值相對于主導分量至少低20 dB以上，從噪聲能量角度上看變壓器的噪聲可以考慮1 000 Hz以內(nèi)的能量，1 000 Hz以上的噪聲貢獻值可以忽略不計，這樣的結(jié)論對于振動測試的帶寬可以大大縮小，因此無需考慮高頻成分，這樣可以降低振動測試的數(shù)據(jù)記錄量和傳感器的帶寬要求。

圖4　正常狀態(tài)下的某測點的噪聲頻譜

4　干式變壓器輻射比計算

通過對空載情況下各種輸入電壓下的噪聲和振動的測定，依據(jù)上面的公式得到各個狀態(tài)下的聲壓級和振速級。表1和表2分別得到1 m處的聲壓級和表面的振速級的平均值。分析變壓器的振動，其振動能量通常情況下只可能出現(xiàn)磁致伸縮力及其倍頻的能量成分。其他頻帶的振動值由于極其微弱，對應的噪聲值在這些頻帶上和振動級的相干性較差，且其非整百頻率對噪聲的貢獻率極低，因此在考慮輻射比的時候，僅考慮磁致伸縮力及其倍頻即可。這樣得到1/3倍頻所定義的100、200、315、400、500、630、800和1000 Hz的輻射效率值。

通過對7組噪聲數(shù)據(jù)的分析，著重對噪聲主導頻帶上振動級和噪聲級的差值進行分析，即可得到若干組不同狀態(tài)下的輻射比lg σ的向量，并通過對上6組曲線進行5階多項式曲線擬合求得最終的輻射比。如圖5所示，分別是各組數(shù)據(jù)的輻射比和最終擬合得到的輻射比。

表1　各個輸入電壓下的聲壓級/dB（A）

表2　各個輸入電壓下的振速級/dB

將輻射比代入測量的振速級數(shù)據(jù)，求得通過振速法與實測值的數(shù)據(jù)對比。可以發(fā)現(xiàn)其在不同電壓等級下的噪聲值和通過振速法求得的值差異控制在2 dB之內(nèi)，如圖6所示。其中很明顯可以發(fā)現(xiàn)400 Hz頻帶占據(jù)能量主導，從輻射比曲線發(fā)現(xiàn)400 Hz的擬合差異還是比較小的，說明即使在改變電壓的情況下，同樣的研究對象其主導能量的振動和噪聲存在的差異值變化較小，因此可以通過表面振動級的方法來求得干式變壓器的噪聲級。

圖5　振速法得到的噪聲值

圖6　振速法得到的噪聲值比較

5　結(jié)語

通過理論和試驗分析研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）表面振動和噪聲級有較好的耦合關(guān)系；

（2）著重主導頻段的輻射比，其對噪聲的評估有較大影響，其他非主導分量貢獻可以忽略。

通過表面振速進行噪聲值預估的測試方法流程如圖7所示。

圖7　基于振速法的試驗計算流程

研究表明對于干式變壓器可以通過表面振動速度的測試方法來估計干式變壓器的噪聲，并且可以得到較好的工程級的評估效果，這對于處于聲學惡劣環(huán)境下的噪聲評估是非常有意義的，但是在實際運用過程中需要盡可能設置較多的振動測點，因為局部振動源影響測試結(jié)果。通過對干式變壓器的研究，可以發(fā)現(xiàn)表面更為規(guī)則的油浸變壓器可能會有更好的適用性效果。

［1］樊小鵬.戶內(nèi)配電變壓器結(jié)構(gòu)噪聲污染分析及控制措施［J］.噪聲與振動控制，2014，34（6）：135-139.

［2］李明，陳錦棟.城市110 kV室內(nèi)變電站噪聲控制的分析［J］.噪聲與振動控制，2012，32（1）：105-108.

［3］蘇中安.振速法在軸承噪聲測量中的應用［J］.哈爾濱軸承，2009，32（2）：59-61.

［4］宋健.振速法在電力變壓器噪聲測量中的應用研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2013.

［5］盛美萍.噪聲與振動控制技術(shù)基礎［M］.北京：科學出版社，2007，12.

Application of Surface Vibration Velocity Method in Noise Measurement of Dry-transformers

TIAN Hao-yang1，HU Min2，PENGWei1，HUANGHua1，QU Ting-hua1
（1.Electric Power Research Institute of STATE GRID，Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200437，China；2.Shanghai Jiulong Electric Power（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200436，China）

Power transformers are the main noise sources in transformer substations.Due to the poor acoustic environment of substations，traditional noise measurement methods（sound pressure method and sound intensity method）cannot meet the requirement of precise measurement.While the surface velocity method is based on the relationship between the structure surface vibration and the noise and is independent of environmental impact.So，it can be applied to the noise measurement of transformers in substations.According to the theory of structure-borne noise radiation，this paper deduces the calculation method of the noise level from the vibration signal on the structure surface.Through measuring the sound power and vibration level on the surface，the radiation ratio of the dry transformers is obtained.The feasibility of estimating the noise level according to the surface vibration measurement data is analyzed.

acoustics；dry-transformer；noise measurement；surface vibration velocity

TB132；TM4

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.041

1006-1355（2016）05-0196-05

2016-03-11

田昊洋（1985-），男，遼寧省鐵嶺市人，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)振動、噪聲研究。E-mail:tianhy1111@163.com