变压器的噪声

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1、学习之友( 1) 变 压 器 的 噪 声 编者按: 应广大读者要求, 本刊将恢复“ 学习之友” 栏目。该栏目将陆续刊载与变压器 设计、 制造、 运行、 维护有关的基础知识。欢迎广大读者对本栏目刊载的内容提出建议, 也 欢迎有关专家为本栏目撰写文章。 从本期起, 本刊将连载保定变压器厂董志刚高级工程师撰写的“ 变压器的噪声” 一文, 该文系统介绍了与噪声有关的基本概念、 噪声的机理、 噪声的测量、 影响变压器噪声的因 素、 降低变压器噪声的技术措施和低噪声变压器的设计要点等, 全文预计分五次载完。 一、 前言 从所周知, 变压器的噪声问题一直是在世 界范围内受到普遍关注的环境问题之一。特别 是近

2、年来, 由于城区的不断扩大以及城市电网 改造的需要, 一些变电站有时要建筑在靠近居 民区或直接建筑在居民区内, 于是变压器噪声 的问题就显得尤为突出了。 变压器的噪声不但污染环境、 危害人类健 康、 影响设备的正常运行, 而且与变电站的占地 面积密切相关。 变压器的噪声与其电气性能和机械性能一 样, 都是变压器极为重要的技术参数。 完全可以 说, 变压器本体噪声水平的高低, 是衡量制造厂 设计能力和生产水平的重要指标之一。 因此, 许 多国家的变压器制造厂都在积极采取各种有效 措施, 以求降低变压器的噪声。 早在本世纪 20 年代前后, 欧美一些国家就 已经着手对变压器的噪声进行试验研究工作

3、了。据 1968 年出版的 IEEE Committee report 统计, 19301966 年期间, 各国共有 421 篇关 于变压器噪声的论文和 90 件关于变压器噪声 的专利问世。 1966 年迄今发表的有关变压器噪 声的研究报告如专利文献就多得难以统计了。 我国对变压器噪声的试验研究工作, 要比 欧美一些国家晚得多。直到 1980 年前后, 国内 一些变压器制造厂才陆续开始对变压器的噪声 进行试验和研究。 为了加强基础理论的研究, 开 展了“ 变压器噪声的机理” 、 “ 声辐射场的计算” 等 专 题 研 究。此 外, 还 编 制 了 国 家 标 准 GB732887“ 变压器和电抗

4、器的声级测定” 。 如今, 世界上许多国家都相继制定了各自 的环境噪声标准。 运行中变压器的噪声, 是绝对 不允许超过其所在环境的噪声标准的。如若超 过, 要么责令停运, 要么处以巨额罚款。由于变 压器是不分昼夜连续运行的, 因此应该以夜间 的环境噪声允许值为标准进行比较。我国于 1982 年也颁了中国城市环境噪声标准( 见表 1) 。 但就变压器的噪声水平而言, 无论是新产品 出厂时的测量值( 见表 2) , 还是老产品运行中 表 1 中国城市环境噪声标准( 引自GB3096- 82) 适用区域白天 dB( A)夜间 dB( A) 特殊住宅区4535 居民文教区5040 一类混合区5545

5、商业中心区6050 二类混合区6050 工业集中区6555 交通干线道路两侧7055 311995年第 10 期 变压器 表 2 变压器噪声的出厂测量值 (沈变和保变的统计数据) 变压器额定容量 ( kVA) 冷却方式 变压器本体 噪声 dB(A ) 变压器噪声 dB( A) 1600油浸自冷 50 50 20008000油浸自冷50605060 1000063000油浸吹风冷却61716474 90000360000 强迫油循环风冷70757480 90000360000 强迫油循环水冷70757075 的实测值( 见表 3) , 都明显高于环境噪声标准 中的允许值, 大型电力变压器尤为明显

6、。 表 2 是沈阳变压器厂、 保定变压器厂在产 品出厂时测得的各类电力变压器的噪声值( 不 包括特殊要求的低噪声电力变压器) 。 表 3 是上海供电局于 1983 年对运行中的 部分国产电力变压器进行现场测量的结果。 由于表 2 和表 3 的产品不是同一产品, 不 能直接进行比较。 但是国内外的实践经验表明, 由于受负载电流和运行环境等诸因素的影响, 大型电力变压器在运行中的实际噪声水平, 往 往要高于产品出厂试验时噪声的测量值。 例如, 德国曾对比过一台 300MVA400kV 的电力变 压器, 出厂时测得的噪声为 59dB( A) , 而运行 现场的实测值为 65dB( A) , 相差为

7、6dB( A) 。 我 国及其它一些国家也注意到了运行中变压器噪 声的实际值。与出厂时空载状态下的测量值不 表 3 变压器噪声的现场测量结果 ( 上海供电局的测量数据) 变压器型号噪声dB(A) 冷却装置 SFPL- 120000/ 220 838910组YF- 100 冷却器 SFPSL- 120000/ 220858911组 YF- 100 冷却器 SFPSL- 90000/ 220889110组 YF- 100 冷却器 SFPSL- 63000/ 11082848组 YF- 80 冷却器 SF- 16000/ 357779. 55只吹风散热器 SF- 15000/ 3573756只吹风散

8、热器 SJZ- 7500/ 3565676只散热器 SJ- 7500/ 3563646只散热器 SJZ- 5600/ 3559646只散热器 SJ- 5600/ 355963. 56只散热器 同。由于在现有的各类噪声标准中均未提及负 载所引起的噪声值的升高, 因此这一现象目前 已经引起了国际学术界的高度重视, 1987 年 10 月在意大利佛罗伦斯召开的国际大电网会议第 38 次变压器学术讨论会上, 绝大多数与会者普 遍认为, 对于负载引起的噪声升高问题应该予 以重视, 尤其是在磁密低于 1. 4T 时, 负载引起 的噪声升高是不容忽视的。在这次讨论会上, IEC 的 TC14( 变压器) 主

9、席也曾公开表示要考 虑负载对变压器噪声水平的影响。 即便不考虑变压器在运行中噪声水平的升 高, 仅将表 2 表与 1 进行对比分析也不难看出, 目前我国变压器噪声的出厂测量值与城市环境 噪声标准的规定值之间, 还是有一定差距的。 对 于变压器制造厂来说, 降低变压器的噪声已经 提到议事日程上来了, 对于噪声继续采取漠不 关心、 听而不闻的态度, 再也不能适应形热发展 的需要了。 只有采取有效的技术措施, 尽快地把 变压器( 尤其是大型电力变压器) 的噪声降下 来, 才能满足市场竞争的需求要。 二、 与噪声有关的几个基本概念 在对变压器的噪声机理及降低噪声的技术 措施等进行专题论述之前, 有必要

10、先弄清几个 基本概念。 1. 为什么“ 噪音” 要改称“ 噪声” “ 噪声” 以前曾被称为“ 噪音” , 近几年才改 称为“ 噪声” 。 之所以要改变称谓, 是因为在我国 辞书中“ 声” 和“ 音” 是有区别的。 通常, 成调之声 才称为音, 其波形呈规律性变化的声才称为音, 音使听者心情舒畅; 而变压器励磁以后所发出 的这种连续性的声响, 其波形是没有规律的非 周期性曲线, 是令听者厌烦的, 故称其为“ 噪声” 更加科学和严格。 2. 分贝( dB) 和方( phon) 在阅读国外技术文献时, 尤其是在日本文 献中, 我们常常发现: 变压器的噪声水平有时用 分贝( dB) 表示, 有时用方(

11、 phon) 表示, 其实 dB 与 phon 是完全不同的两个单位, 在使用过程 中一定要把dB 与 phon 严格区分开。 32变压器 1995年第 10 期 ( 1) 分贝( dB) 是声级( 声压级和声功率级 等) 的单位 众所周知, 噪声是以波( 即声波) 的形式从 噪声源均匀地向四周发射的。声波具有的能量 会引起空气质点的振动, 使大气压强产生迅速 的起伏, 我们把大气压强的这种起伏称为声压。 噪声越强, 声压就越大; 噪声越弱, 声压就越小, 于是便可以用声压的大小作为衡量噪声强弱的 尺度, 其单位为帕( Pa) 。正常人耳刚刚能够听 到的声压为 20?Pa( 即 2010 -

12、6Pa) , 称为听阈 声压( 在标准中又称基准声压) ; 引起人耳痛疼 甚至对人耳造成伤害的声压为 20Pa, 称为痛阈 声压。 可见从听阈到痛阈, 人耳能够听到的声压 变化范围很大( 2010- 620Pa) , 其数量级相 差也很大, 因此用声压的绝对值来表示噪声的 大小是很不方便的。于是便引出了一个表示噪 声大小的声压级, 就好象风和地震都按级来划 分一样, 声压也按级来评定, 它的单位就是 dB。 变压器的声压级 Lp可由下式求出: Lp= 20lg P P0, dB ( 1) 式中 P 变压器噪声声压的有效值, Pa P0基准声压, 其值为 P0= 20?Pa= 2010 - 6

13、, Pa 这就是说, 变压器噪声的大小是以声压级 来表示的, dB 是声压级的单位, 按照式( 1) 进行 计算得知, 听阈的声压级为 0dB, 痛阈的声压级 为 120dB, 即从听阈到痛阈共划分为120dB。 可 见变压器噪声的大小用声压级来表示, 比用声 压的绝对值来表示要简便多了。 同样, 为了方便起见, 变压器噪声输出功率 的大小也用级来表示, 称为声功率级, 其单位也 是分贝( dB) , 变压器的声功率级 LW可由下式 计算: LW= 10lg P p0 , dB( 2) 式中 P 变压器噪声输出功率的有效值, W P0 基 准 声 功 率, 其 值 为 P0 = 10 - 12

14、, W 声功率级的提出是由于容量等级不同的两 台变压器, 即使它们的声压级完全相同, 但由于 它们的外型尺寸不同, 因此这两台变压器噪声 输出的功率是不同的, 容量越大, 外型尺寸越 大, 噪声输出的功率就越大。为了便于比较, 便 提出了声功率级这一专业术语。 变压器声压级与声功率级之间的关系可用 下式表示: LW= LP+ 10lg S S0, dB 式中 S测量表面积, m2 S0基准表面积, 其值为 S0 = 1, m 2 图 1 等响度曲线 ( 2) 方( phon) 是响度级的单位 响度是正常人耳对噪声强弱的感知程度, 噪声的振幅越大, 其响度就越大。与声级一样, 响度也是按级来划分

15、的。响度级的单位是方 ( phon) 。正常人耳的听觉灵敏度, 从听阈到痛 阈的全部听觉范围也被划分为 120phon, 0phon 相当于听阈, 120phon 相当于痛阈。用 phon 表 示的响度级, 在数值上与频率 1000Hz 时用 dB 表示的声级相等, 也就是说, 响度级( phon) 与 1000Hz 时的声压级或声功率级( dB) 相等。这 一结论可由图 1 的等响度曲线得到证实。 正常人耳能够听到的声响不仅与声压有 关, 也与声波振动的频率有关。 变压器噪声的响 度、 声压、 频率之间的关系如图 1所示。图中的 曲线称为等响度曲线, 表示一个中等听力水平 的人, 其听觉灵敏

16、度随声压及频率变化的情况, 说明人耳听觉的灵敏度随频率的降低而下降。 例如, 30Hz 时 78dB、 100Hz 时 61dB、 200Hz 时 331995年第 10 期 变压器 53dB 及 1000Hz 时 40dB 的噪声, 其响度是相 等的, 均为 40phon。这表明, 在 30Hz 时正常人 耳的听觉灵敏度, 要比 1000Hz 时低 38dB。 3. 为什么要用 A 计权的声级或响度级来 测量和控制变压器的噪声 正常人耳对不同频率噪声的听觉灵敏度是 不一样的, 即使两个噪声的声压相同, 若其频率 不同, 听起来也是不一样响的( 即其响度级是不 同的) 。 通常, 人耳对高频( 其频率高于 1000Hz) 噪声比较敏感, 而对低频( 其频率低于 500Hz) 噪声比较迟钝。前面得到的正常人耳在 30Hz 时的听觉灵敏度, 比 1000Hz 时低 38dB 就是这 个道理。 在进行变压器的噪声测量时, 有关标准规 定所