变压器噪声的测试技术

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1、电力集团供电二公司2014年度科技论文变压器噪声的测试技术刘东哲 袁保昌 马麟大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司二O四年十月变压器噪声的测试技术刘东哲 袁保昌 马麟 大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司变检队 摘 要：本文阐述了变压器噪声的产生原因，测量变压器噪声的三种常用方法，以及围绕中性点直流电流 导致变压器振动开展的研究工作。运用现场测试和实验室的模拟实验，研究了直流偏磁导致的变压器振动 频谱的频率分布，表明了直流偏磁会导致振动强度、振动奇次谐波和高次谐波的增加。 关键词：变压器噪声；测试技术；直流偏磁1变压器噪声产生的原因变压器噪声是由铁芯、绕组、油箱及冷却装置的振动产生

2、的。而 变压器本体噪音的大小，与变压器的额定容量、硅钢片的性能及额定 空载时铁芯的磁通密度等因素有关。主要来源有：1）由硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动。2）在硅钢片接缝处和叠片间，因磁通穿过片间而产生电磁力， 引起铁芯的振动。3）在负载电流通过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生电磁力， 引起绕组的振动。4）由漏磁通引起油箱壁、磁屏蔽等的振动。在这些来源中，铁芯的振动往往是占主要的成分，铁芯的振动过 大除了变压器工艺上的问题以外还有运行中的问题，如电网电压偏高 使得变压器工作磁密提高，电流和电压含有较多的高次谐波会使铁心 中主磁通发生畸变，变压器接地系统中出现直流分量或三相负载严重 不平衡，变压器

3、铁心多点接地或铁心硅钢片短路，都会导致振动和噪 声增大【1】。2测量变压器噪声的方法2.1 声压法所谓声压，即是声波运动时，空气压强发生的变化，即空气压强 与平均空气压强之差。声压法是一种工程中常用的用于简单测算声功 率的方法。在满足特定声学环境的条件下，声压法通过测量声压值以 换算成声功率来进行声压测量。从声学环境来讲，声压法分为自由场 法和混响室法两类：1）由于产生自由场的环境可以是消声室或半消声室,以及近似满 足自由场条件的室内或户外 ,因此,根据所测量的精度可分为三级 : 1 级、2级和3 级，分别对应精密法、工程法和简易法。声压法可以测 量无指向性和有指向性声源的声功率。进行自由场声

4、压测量时，因为 一般被测声源向各个方向上的噪声辐射量是不同的，所以应在多个不 同位置采集声压数据并平均进而求取声功率级。一般选择距离被测声 源距离为 r 的假想包络线上进行选取测点,测量点数应满足一定的要 求,不能过少,且测得数值间的最大变化应小于 6dB。2）混响室法要求的条件比自由场法要简单,近年来使用较多。其 中测量混响时间须根据衰变曲线开始 10 dB 的斜度,否则算出的值会 偏低很多【3】。2.2 声强法声强是指在单位的时间内,声波通过垂直于声波传播的方向上单 位面积的声能量。声强的测试方法有两种：1）通过测量声质点的振动速度和声压直接求出。2）通过两个传声器测得的声压信号间接求出。

5、在 1932 年，美国的 RCA 公司的 Harry Olson 设计了声强测量装 置。1947年，R.H.Bolt和A.A.Petrauskas首次采用了双传声器技术， 去测量材料的声阻抗。1956年，T.J Schultz利用双传声器，采用背靠 背的安装方式,通过两点的声压近似的求声强。随着现代数字处理技 术的发展，特别是Cooly.J.W和Tukey.J.W在1965年提出的FFT方 法，推动了声强技术的发展。1979年,Credit首次成功地用双传声器 技术直接测量复杂机器的声功率。从上世纪80 年代开始，声强测量 技术得到了广泛的关注和研究，相关的标准也已制定和继续完善，许 多公司和

6、高校科研机构也成功研制了高性能的声强测量系统。声强法相比于声压法有两个优点：测试过程中不需要在混响室或 消音室等声学设施内进行；区分多声源迭加场中不同声源的各自辖射 效应。这两点使其能应用在多种现场噪声测试中，目前声强法在汽车 发动机、中小型变压器、压缩机和电机等设备的噪声测试和噪声源识 别上均有应用。声强法的缺点有三点：测点的选取的布置要求比较高 以保证精度；若背景噪声过大或用于现场噪声监测则显得不准确和繁 琐，对于周期性的噪声成分，测试时间要大于此周期；专用的声强测 试系统造价较高。基于以上三点，到目前为止，声强法还无法广泛应 用。2.3 振速法振速法是通过结构表面的振动速度级及其辖射效率

7、来表征振动 的能量表现形式，并通过测量表面振动速度来计算辖射噪声值的一种 测量噪声的方法。当背景噪声比所测机器设备直接福射的噪声还要高 时，无论是声压法还是声强法都不适用这种情况，这时就需要振速法 来测量，并且振速法可以区分结构噪声和空气动力噪声，确定结构噪 声源的所在位置。根据国标GB/T 16539-1996声学一振速法测定噪 声声功率级用于封闭机器的测量要求，只需测量封闭机器的表面振 动，而机器的表面振动几乎不受测试环境噪声的影响，所以该方法特 别适用于那些由于背景噪声很高或其它环境影响较大而不可能用声 压法直接准确测定空气噪声的场合。20世纪90年代初期，Johnson和Elliott

8、等人在研究结构噪声有 源控制的过程中提出了声辐射模态理论；西北工业大学的李双、陈克 安从声福射模态和振动模态的概念出发，证明了结构振动模态和声福 射模态之间的关系；江苏理工大学葛屯从自功率谱的角度讨论了振动 表面局部福射性质与声能量福射，建立了振动与声福射的色散关系 , 并根据得到的理论对钢板的声辖射进行了试验研究；近年来基于振速 法的 VNT 振动噪声检测仪在中小型电机和微电机行业的噪声测量应 用中己日趋成，但在大型变压器的噪声测量应用上很少有人涉及。 3 直流偏磁对噪声的影响当变压器受到直流偏磁影响时，励磁电流会激增，从而使变压器 铁心处于偏磁饱和区，改变了变压器的工作点。其中，作用的直流

9、电 流越大，励磁电流的直流分量增加越快，励磁电流的畸变就越严重。 变压器的这种特性会一定程度的抵御直流电流的影响，但同时会使损 耗加大，使变压器的噪声变大。随着新建交流变电站不断投运,变电站的数量和分布也越来越密, 发生变压器噪音和振动增大的现象越来越频繁 , 直流偏磁不利于设 备的长期运行。另外，由于变压器的噪声是低频噪声，并且噪声声波 的波长与室内宽度大体一致，易形成共振，给人们的生活带来不便与 影响【6】。4 国内外对直流偏磁问题的研究4.1 国外对直流偏磁问题的研究1996 年，加拿大魁北克电力公司于开展了“芯式变压器允许直流 电流的研究”,在实际电网中 ,从高压侧并联运行的单相 37

10、0MVA 和 550MVA 变压器的绕组通入直流电流,进行直流偏磁的试验研究，研 究其承受直流电流的能力。日本东京电力和三菱公司根据变压器的自 身结构特点结合变压器模型研究和试验分析 ,发现在直流偏磁的影响 下芯式变压器的铁心拉板出现了局部过热现象，因此提出了芯式变压 器的铁心拉板是受直流偏磁影响最严重部件的结论。ABB公司作为 三峡工程的总包单位，对一台 500kV 的换流变压器能承受最大 15A 的直流电流也进行了阐述与说明。4.2 国内对直流偏磁问题的研究1992 年，王祥珩、徐伯雄发表了早期的关于直流偏磁的问题研 究的文章，提出了通过建立激励条件的方法来研究直流偏磁问题。梅 桂华、马志

11、强等人对直流输电中直流对交流系统的影响做了系统的研 究。尚春等人提出了抑制HVDC地中电流对交流变压器影响的措施。 刘硕等人从变压器偏磁磁场、磁性材料性能等方面入手对偏磁问题进 行了研究。2010 年，沈阳工业大学生物医学与工程电磁场研究所陈 德志、李崇在白保东教授的带领下对变压器在直流偏磁下空载电流及 损耗问题进行了深入的研究，取得了巨大的理论和实践价值。5 直流偏磁的现场测试与实验室测试5.1 现场测试2007 年 4 月 22 日,三峡送上海的宜华直流单极大地方式运行,距 离宜华直流接地极较近的 220kV 干练变电站变压器噪声突然增大,这 是一起典型的高压直流单极大地运行方式下地中直流

12、对变压器影响 的实例。在现场对变压器噪声和振动进行了测试。该实验布置了 22 个测点，对其进行振动频谱测试，发现了振动 强度和频率分布存在明显规律。研究推断表明，高压直流输电单极大 地方式下运行时，地中直流串入主变的中性点，导致变压器直流偏磁， 噪声增加10 dB以上;振动加速度则成数10倍增加，尤其反映在振动的 加速度频谱中，奇次谐波显著增加,并成为主要的谐波分量，高次谐 波成分显著增加。5.2 实验室测试在实验室开展了变压器在不同直流偏磁情况下的测量分析。如图A1所示，采用10 kV /400 V三相3柱心式配电变压器作为试品，接线 组别为Dynll。采用2台参数一致的变压器试品并列加压，

13、同时在交 流加压回路中串接可以调节的直流电压源，由此实现交直流的混合加 压，模拟变压器不同的直流偏磁条件下，变压器空载运行的情况。图 A1 直流偏磁试验接线研究表明：1）振动强度随偏磁电流的增加而呈上升趋势。2）在偏磁电流不变的情况下，振动强度基本上随电压升高而增 加。3）电压为额定电压时 , 强振动分量的频率随着偏磁电流的增加 有增加的趋势。4）不同偏磁电流下 , 强振动分量的频率随着电压的增加有明显 的增加趋势。实验室和现场测试结果表明,变压器正常运行时的振动频率通常 为 100 Hz 及其整倍数频率,且主要为低次谐波; 而由直流偏磁引起的 变压器振动,往往会导致非 100 Hz 整倍数的

14、高频振动,奇次谐波和高 次谐波显著增加。6 结论本文阐述了变压器噪声产生的原因，以及导致振动过大的外界因 素。阐述了测量变压器噪声的三种常用的方法：声压法；声强法；振 速法。其中，声压法和声强法一般不适用于现场测噪声，这是由于当 背景噪声比所测机器设备直接福射的噪声还要高时，两种方法都不能 使用，而在实际操作中，有许多情况是这样的，这时就需要用到振速法了。通过现场测试和实验室测试，来说明直流偏磁作用下，振动的发生情况，即直流偏磁导致高频振动，使奇次谐波和高次谐波显著增加。参考文献1 李兴源.高压直流输电系统M.北京：科学出版社，2010.2.2 周建国,李莉华.变电站、换流站和输电线路噪声及其

15、治理技术 J. 中国电力,2009,42(3) : 75-783 俞敦耀.800KV特高压换流站噪声控制探讨J.电力建设，2009,30(3):13-15.4 陈克安，曾向阳，杨有粮.声学测量M.北京：机械工业出版社,2010.5 阳金纯，周建飞，吕建红，周年光.声强法在变电站变压器声功率测试中的应用J.湖南电 力，2012，32(2): 9-11.6 李吉，王纯，丁子佳.箱形结构声辐射性质的试验研究J.振动、测试与诊断，2012,32(S1):9-13.7 曹涛，汲胜昌，吴鹏等.基于振动信号的电容器噪声水平计算方法J.电工技术学报，2010,25(6):172-177作者简介： 刘东哲(1990年8月-)，男，大学本科，无职称 袁保昌(1959 年 5 月-)，男，中专，高级技师 马麟(1975年8月-)，男，成人大学，工程师