變壓器噪聲消除技術(shù)研究

李長林，趙 威，宋卓夫，張 凱

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司信息通信公司，哈爾濱150090)

0 引 言

近年來，城市的用電量在急劇上升，同時城市中的用電密度也變得越來越大，城市用電主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是市政電力網(wǎng)絡(luò)需求的構(gòu)建，另一方面是城市整體規(guī)模的擴大。基于上述原因，越來越多的變電所建于城市的商業(yè)區(qū)和居民區(qū)內(nèi)。變壓器在工作的過程中會產(chǎn)生噪聲，這些噪聲會對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響，對設(shè)備的性能有一定損傷；同時，當(dāng)噪聲達到一定程度時，會對周圍居民的生活產(chǎn)生影響，嚴(yán)重危害居民身體健康。

隨著人們環(huán)保意識的提高和國家環(huán)保部門對各類噪聲的限制，國家頒布的《社會生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了噪聲標(biāo)準(zhǔn)，超過國家規(guī)定的居住區(qū)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)、給居民正常生活造成損害的應(yīng)排除妨礙并承擔(dān)相應(yīng)的賠償責(zé)任。當(dāng)前，關(guān)于變壓器噪聲的投訴和訴訟越來越多，由此產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟損失。因此，從切實保護公民健康權(quán)、維護公民合法權(quán)益出發(fā)，為保證變電站周圍居民不受變壓器運行噪聲的影響，探索一種對變壓器噪聲進行合理控制的有效手段是至關(guān)重要的[1-3]。

1 變壓器噪聲消除技術(shù)的發(fā)展

1.1 國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在1920年，國外的許多公司(例如西門子、ABB公司等)已經(jīng)開始對變壓器的振動以及噪聲問題進行研究，并且很多國家都對這個領(lǐng)域進行了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。在變壓器發(fā)展的過程中，噪聲成為了非常重要的一項衡量指標(biāo)，并且這個指標(biāo)特性和其他性能一樣重要，比如機械性能，溫度指標(biāo)以及電性能等[4]。

從1970年起，國外許多變壓器制造商投入大量人力、財力對變壓器噪聲進行研究。從早期的研究來看，其主要的研究內(nèi)容都集中在實驗探索上，研究人員對這些實驗探索進行歸納總結(jié)，逐步建立數(shù)學(xué)模型以進行理論分析[5]。隨著其他領(lǐng)域及學(xué)科的發(fā)展，很多新技術(shù)被引入，擴展了變壓器在有限元模擬方面的深入分析，典型軟件包括Ansys，INFOLYTICA，ACTRAN等[4]。許多歐美國家的研究人員使用這些軟件來構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，通過這些模型可以更好地分析變壓器的具體工作原理，計算交叉電磁場、結(jié)構(gòu)力場和變壓器聲場，并在適當(dāng)?shù)呐R界條件下測試變壓器的振動和噪聲。當(dāng)前，基于二維或三維模型的仿真研究已經(jīng)取得一定的成就，如SoundPlan和Cadna/A，其主要功能是對噪聲進行分析，通過分析可以了解噪聲的范圍、大小以及后續(xù)的發(fā)展情況，繪制變電站周圍噪聲分布圖，并根據(jù)聲強法、分析聲壓法等開展對聲波的抑制工作[6]。

1.2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

中國對振動和變壓器噪聲的研究起步較晚。在20世紀(jì)80年代，許多高校以及研究機構(gòu)開始重視這個領(lǐng)域的研究，并在這個領(lǐng)域中設(shè)置了對應(yīng)的研究課題。當(dāng)前，研究主要集中在噪聲產(chǎn)生的原因上，研究人員通過研究提出了降低變壓器振動和噪聲的實際措施，如在變壓器內(nèi)部使用高質(zhì)量的硅片、設(shè)計新型鐵芯、降低鐵芯位置的磁通密度，這些都使磁致伸縮效應(yīng)得到了一定的緩解；對變壓器外部進行改變的主要的目的是抑制變壓器的振動幅度、避免發(fā)生共振、降低噪聲輻射[7]。從整體來看，中國對變壓器噪聲機理的研究主要集中在軸向力和徑向力對變壓器短路時振動和繞組彎曲變形的影響、直流極化情況下變壓器磁致伸縮與振動關(guān)系的特點，尚無對變壓器在空(輕)載和負(fù)(超)載條件下繞組和鐵芯振動的橫向比較和各自縱向比較的研究[8]。同時，許多研究結(jié)果表明，磁致伸縮效應(yīng)在鐵芯的振動中起主要作用，但并未表明磁致伸縮在變壓器的振動中起主導(dǎo)作用。中國的變壓器噪聲水平與環(huán)保要求之間仍然存在差異，盡管做了很多工作，但仍有許多問題需要解決。

2 變壓器噪聲原理分析

對變電站的整體結(jié)構(gòu)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生噪聲的部分是變壓器，對變壓器開展研究方可實現(xiàn)對設(shè)備噪聲進行控制和調(diào)節(jié)的目標(biāo)。從研究結(jié)果來看，變壓器的噪聲主要來自于2個冷卻系統(tǒng)和變壓器本體，并與變壓器效率、硅片材料、鐵芯結(jié)構(gòu)、磁通密度和冷卻裝置振動特性有關(guān)。變壓器本體的噪聲主要來源于硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)，主要是低頻噪聲，變壓器噪聲傳輸示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器噪聲傳輸示意圖

變壓器主體振動產(chǎn)生的噪聲源包括：

1) 硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致的鐵芯振動；

2) 由磁通量的泄漏、硅鋼板的接縫和層壓板之間存在的電磁吸引力導(dǎo)致的鐵芯振動；

3) 如果負(fù)載電流流經(jīng)繞組，振動主要在線圈和罐壁發(fā)生。

冷卻裝置的噪音也是由于它們的振動而產(chǎn)生的，其振動的根源在于：

1) 變壓器工作時冷卻風(fēng)扇和機油泵會振動；

2) 變壓器本體的振動通過絕緣油、管道連接件及其安裝部件傳遞到冷卻裝置，這加劇了冷卻裝置的振動。另外，當(dāng)磁芯受熱時，由于共振頻率發(fā)生改變，與之對應(yīng)的機械應(yīng)力隨之變化，所以磁芯也隨著溫度的改變而改變，振動的整體趨勢是增大的。

影響變壓器噪聲的因素有很多方面，主要包括變壓器負(fù)載值、硅片材料狀態(tài)、鐵芯結(jié)構(gòu)類型、磁通密度值等。變壓器的噪聲主要是由硅鋼片磁化引起的鐵芯振動產(chǎn)生的，與硅鋼片的磁性(材料)、內(nèi)部張力、絕緣膜厚度、壓延方向之間的角度、磁通密度和鐵芯溫度有關(guān)。研究表明，變壓器本體的噪聲以低頻為主，主要集中在500 Hz以下的100 Hz的整數(shù)倍。

磁致伸縮系數(shù)是指在交變磁場的影響下硅鋼板長度的變化，通常表示為ε。它等于勵磁過程中硅鋼板長度的增加量Δl與硅鋼板長度之比，即ε=Δl/l。由于硅鋼片晶粒的結(jié)晶格子是立體的，在磁化過程中，沿網(wǎng)絡(luò)各個方向的磁化特性是不同的。

根據(jù)磁疇理論，磁化過程與疇壁180°、疇壁90°和磁化旋轉(zhuǎn)的3個機理有關(guān)，當(dāng)疇壁180°移動時，其磁致伸縮不變；當(dāng)疇壁90°移動時，根據(jù)磁化過程會產(chǎn)生正磁致伸縮或負(fù)磁致伸縮；磁化旋轉(zhuǎn)通常會產(chǎn)生負(fù)磁致伸縮。為了減小變壓器噪聲，必須減小正或負(fù)磁致伸縮變化的幅度。

由于磁致伸縮變化的頻率是電源頻率的2倍，因此變壓器的基本噪聲頻率是電源頻率(50 Hz或60 Hz)的2倍(100 Hz或120 Hz)。由于鐵芯的非線性磁性和鐵芯的結(jié)構(gòu)，磁通量中存在許多高次諧波，因此鐵芯的振動噪聲除基波外還包含高頻噪聲，該噪聲是基波的倍數(shù)。通常，大容量變壓器的基波含量比較高，而中小型變壓器的二次諧波與三次諧波含量比較高。通過檢測與磁致伸縮有關(guān)的各種因素可知，采取有效的技術(shù)措施控制和降低磁致伸縮是降低變壓器噪聲的最有效途徑，有源噪聲控制技術(shù)提供了更好的低頻噪聲控制效果。

3 有源噪聲控制技術(shù)

有源降噪技術(shù)是一種新型的噪聲控制技術(shù)，其基本原理是通過收集變壓器附近噪聲產(chǎn)生的信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，在調(diào)制和放大電信號后對多個噪聲發(fā)生器進行控制，使各噪聲發(fā)生器發(fā)射出噪聲的幅值與變壓器噪聲基頻及各高頻分量的幅值相等，由于變壓器的相位是對立的、相互抵消的，所以變壓器的噪聲是可以被抑制的。

有源噪聲控制系統(tǒng)一般由自適應(yīng)調(diào)節(jié)部分和電聲設(shè)備部分組成。自適應(yīng)控制器組件的CPU設(shè)備是整個系統(tǒng)的硬件核心，自適應(yīng)控制算法是整個系統(tǒng)的軟件核心。電聲設(shè)備部分主要指的是輔助聲源、參考傳聲器和不匹配的傳聲器。

有源噪聲控制系統(tǒng)包含兩方面的內(nèi)容，一個是控制方法，另一個是結(jié)構(gòu)。結(jié)合傳聲器的特點，控制系統(tǒng)分為前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)，2種控制系統(tǒng)都有各自的應(yīng)用條件、應(yīng)用環(huán)境和優(yōu)缺點。在參考傳聲器的數(shù)量比較多并且能夠有效工作的情況下，對于大多數(shù)應(yīng)用，前饋控制方法通常比反饋控制方法更好，圖2為前饋控制系統(tǒng)框圖。

圖2 前饋控制系統(tǒng)框圖

x(n)表示放置在初級噪聲源P(n)附近的參考傳聲器測量的信號；y(n)表示從前饋控制器W(z)發(fā)送到輔助音頻源的揚聲器的信號；e(n)表示由放置在附加聲源揚聲器附近的不正確的麥克風(fēng)測得的信號，它既接收x(n)經(jīng)過初級通道傳遞函數(shù)H3(z)所傳來的信號，又接收y(n)經(jīng)過次級通道傳遞函數(shù)H2(z)傳來的信號。前饋控制器W(z)對參考信號x(n)經(jīng)過次級通道傳遞函數(shù)H1(z)之后的信號和誤差信號e(n)進行濾波和移相等軟件處理，使得y(n)成為具有一定特點的、帶有任務(wù)和目的性的輸出信號，y(n)最終作為激勵信號驅(qū)動次級聲源揚聲器。這樣，前饋控制器W(z)通過誤差信號e(n)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)校正和調(diào)整控制參數(shù)，從而使整個系統(tǒng)的降噪效果根據(jù)設(shè)定的誤差閾值達到最佳狀態(tài)。

前饋控制是在有源降噪領(lǐng)域內(nèi)相對比較成熟和被普遍使用的一種控制方法，前饋噪聲控制是研究有源降噪控制的重要依據(jù)，其他控制結(jié)構(gòu)和控制方式都是基于它的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的。

有源噪聲控制系統(tǒng)的工作原理是：控制器(通常選擇的控制器是單片機和不同類型的DSP)在每個間隔對輸入信號x(n)和e(n)進行1次采樣，然后根據(jù)相應(yīng)的控制算法對采集的這2種輸入信號進行處理，其輸出y(n)作為次級聲源揚聲器的控制信號，控制揚聲器發(fā)聲；此時，通過控制器的第2次采樣對在錯誤的麥克風(fēng)上收集的疊加噪聲信號進行重新采樣，以此類推，控制器通過修改其控制算法中的權(quán)重來自動調(diào)整實時輸出值，以實現(xiàn)自適應(yīng)噪聲控制。

從有源噪聲控制的原理可以看出，控制算法是整個控制系統(tǒng)的核心，有源噪聲控制中最常用的算法是濾波-X最小均方(Filtered-X Least Mean Square，F(xiàn)XLMS)算法。FXLMS 算法框圖如圖3所示，初始振動源信號d(n)為參考信號x(n)經(jīng)過初級通道產(chǎn)生的信號，反振動信號s(n)為激勵信號y(n)經(jīng)過次級通道產(chǎn)生的信號，誤差信號e(n)為初始振動源信號d(n)與反振動信號s(n)之和，控制器W(z)根據(jù)輸入的參考傳聲器信號x(n)和誤差信號e(n)計算次級傳聲器的激勵信號y(n)。同時，通過次級通道傳遞函數(shù)模型對參考信號x(n)進行濾波得到濾波信號r(n)，把濾波信號r(n)與誤差信號e(n)的乘積作為誤差梯度的估計值，并通過最陡下降算法來更新自適應(yīng)控制器內(nèi)部濾波器的權(quán)系數(shù)，不斷循環(huán)上述過程直至誤差信號到達所設(shè)置的目標(biāo)值。

圖3 FXLMS算法框圖

4 結(jié) 語

從變壓器噪聲產(chǎn)生機理和采用有源噪聲控制技術(shù)消除變壓器噪聲兩個角度研究變壓器噪聲問題。通過對變壓器降噪進行研究，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性噪聲和變壓器的本體噪聲是噪聲產(chǎn)生的主要原因。有源降噪技術(shù)基于聲波干涉原理，通過調(diào)節(jié)次級聲源的幅值和相位在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)與初級聲源干涉相消從而實現(xiàn)降噪， 具有系統(tǒng)小、成本低、低頻效果好等優(yōu)點，尤其適用于電力變壓器的噪聲控制。研究該技術(shù)對于變壓器降噪領(lǐng)域未來的發(fā)展具有非常重要的意義。