莫娟，張霞，袁建生

(1．西安交通大學(xué)，陜西西安710049;2．中國電力科學(xué)研究院，北京100192; 3．清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

變壓器空載與短路噪聲頻譜特性分析

莫娟1，2，張霞2，袁建生3

(1．西安交通大學(xué)，陜西西安710049;2．中國電力科學(xué)研究院，北京100192; 3．清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084)

本文對變壓器廠內(nèi)測量的變壓器短路和空載噪聲的頻譜和大小進(jìn)行了分析。主要由繞組產(chǎn)生的短路噪聲與主要由鐵心產(chǎn)生的空載噪聲，在噪聲頻點上有明顯區(qū)別，短路噪聲主要出現(xiàn)在100Hz頻點上，而開路噪聲分布在100～600Hz頻率范圍內(nèi)。根據(jù)此頻譜特性，可以通過在頻點上合成的方法推算變壓器負(fù)荷運行時的噪聲。

變壓器噪聲;短路實驗;空載實驗;額定負(fù)載

1 引言

噪聲是環(huán)境的一個重要指標(biāo)，國標(biāo)給出了環(huán)境噪聲限值［1］。要使變電站，特別是市內(nèi)變電站周邊的噪聲滿足環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，需要采用噪聲較低的變壓器，變壓器噪聲研究與控制是一個長期需要考慮和研究的問題［2，3］。如何能夠真正滿足在變電站設(shè)計中所提出的對變壓器噪聲的要求，是一個值得研究的問題，因為變壓器在出廠前無法測量額定和較大負(fù)荷下的噪聲，無法較準(zhǔn)確地得知變壓器實際運行噪聲。倘若變壓器在變電站投運后才發(fā)現(xiàn)變壓器噪聲超標(biāo)，則會帶來很多問題。因此對變壓器噪聲的評價需要研究［4］。

變壓器生產(chǎn)廠家由于沒有足夠的電源容量，不可能測試較大負(fù)荷下的噪聲，而只能測量空載和短路情況下的噪聲。因此，從變壓器產(chǎn)品本身講，對其噪聲限值要求只能是規(guī)定空載和短路情況下的噪聲，無法直接給出額定負(fù)荷下的噪聲要求。變電站噪聲設(shè)計與變壓器設(shè)計制造方面缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求。

在1999年的機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中僅以空載噪聲作為限值［5］，而在2004年修訂的標(biāo)準(zhǔn)中對空載和短路噪聲之和進(jìn)行了限定［6］，將空載和短路噪聲A計權(quán)處理后的聲壓級值求和作為總噪聲要求，這種方法能否反映變壓器實際運行時的噪聲需要進(jìn)一步分析研究。

本文通過研究多臺變壓器的廠內(nèi)短路與空載噪聲測量數(shù)據(jù)，得到了各自的頻譜特性，為通過廠內(nèi)測量的兩個噪聲推測變壓器在變電站實際運行時的噪聲提供了基礎(chǔ)。本文給出了相應(yīng)的理論計算方法，該方法是建立在短路與空載噪聲頻譜互不干涉基礎(chǔ)之上，其精確性還有待在實際中進(jìn)行檢驗。當(dāng)然，這種檢驗需要在變壓器生產(chǎn)廠內(nèi)和變電站實際運行中對噪聲進(jìn)行精確測量，且要保證廠內(nèi)與變電站內(nèi)變壓器的安裝等情況一致，更重要的是在變電站需要變壓器運行在較大負(fù)荷狀態(tài)下，這種測量具有一定的難度。

2 變壓器噪聲源分析

變壓器產(chǎn)生噪聲的主要部件是鐵心、繞組(或線圈)和箱體，次要部分有引線和結(jié)構(gòu)件等?？傇肼曇话闶怯扇齻€主要部件產(chǎn)生，除此之外還有一些其他因素［7］。

2.1 鐵心產(chǎn)生的噪聲

鐵心內(nèi)具有較高的磁通密度，同時也有感應(yīng)電流。鐵心硅鋼片材料具有較強的磁致伸縮現(xiàn)象，在磁場的作用下其幾何尺寸會發(fā)生微小變化，在50Hz周期變化的磁場作用下，硅鋼片發(fā)生振動而產(chǎn)生噪聲。鐵心噪聲產(chǎn)生的另外一個根源是磁場在鐵心硅鋼片內(nèi)感應(yīng)出電流(渦流)，電流在磁場內(nèi)受到電磁力，在50Hz或諧波變化的電磁力作用下，鐵心硅鋼片振動發(fā)出噪聲。若硅鋼片固定力不均勻或材料特性有差異，則相鄰的硅鋼片振動幅值可能會不同，振動也可能不完全同步，從而造成相鄰、特別是連接(或搭接)處的硅鋼片相互碰撞而產(chǎn)生較大噪聲。另外，鐵磁材料的磁化與退磁過程也會產(chǎn)生噪聲。

鐵心產(chǎn)生的噪聲在空載和不同負(fù)載下基本不變，因為空載和負(fù)載下鐵心內(nèi)的磁密基本相同，都為變壓器的空載磁密。若硅鋼片的受力變化頻率為50Hz，則正的最大力和負(fù)的最大力都會產(chǎn)生一個聲音的極值，故硅鋼片產(chǎn)生的噪聲必有100Hz頻率分量。由于硅鋼片的相互碰撞和振動作用，還會產(chǎn)生100Hz倍頻的噪聲。

鐵心產(chǎn)生的噪聲可以在變壓器的空載運行工況下測得，即原邊施加額定電壓，副邊開路。空載運行工況在變壓器生產(chǎn)廠家與變電站運行中都可以比較容易地進(jìn)行測量。

2.2 繞組產(chǎn)生的噪聲

變壓器繞組噪聲產(chǎn)生的根源是繞組中的電流在變壓器漏磁場內(nèi)受到電磁力作用，在以50Hz變化的電磁力作用下，線圈導(dǎo)線振動并帶動線圈餅間和匝間墊塊和撐條等結(jié)構(gòu)件振動發(fā)出噪聲，由于力在電流的一個周期內(nèi)有兩個極大值的緣故，噪聲頻率為100Hz，且主要為該頻點上的噪聲，其他頻點的噪聲會很小。繞組振動特性已有專門研究［8］。

繞組僅在負(fù)載電流下產(chǎn)生噪聲，空載下繞組基本不產(chǎn)生噪聲。因為空載時原邊繞組中的電流很小，僅為激磁電流，而副邊繞組中沒有電流。顯然，額定負(fù)載(或額定電流下)繞組產(chǎn)生的噪聲最大。

繞組產(chǎn)生的噪聲可以通過變壓器的短路試驗進(jìn)行測量，在變壓器生產(chǎn)廠進(jìn)行常規(guī)的短路電抗測量時，可以測量繞組噪聲。試驗時將副邊繞組短路，原邊加很低的電壓使繞組中達(dá)到額定電流。廠家均具備該試驗條件。

2.3 變壓器箱體對噪聲的影響

鐵心和繞組的振動及其產(chǎn)生的噪聲要通過變壓器油和箱體的傳播才能構(gòu)成變壓器外的噪聲。箱殼也會受到漏磁場的影響直接受到電磁力作用，從而使箱體發(fā)生振動而產(chǎn)生噪聲。因此，箱體受到兩種力的共同作用而振動和發(fā)出噪聲，一種是油介質(zhì)傳播到箱體的力，另一種是漏磁場的直接作用力。箱體僅在負(fù)載下受到電磁力的作用，而空載下幾乎沒有電磁力作用到箱體上，因為空載時電流和漏磁場很小;額定負(fù)載(或額定電流)下箱體受到的電磁力最大。變壓器箱殼振動特性已有專門研究［9］，且有變壓器整體振動研究成果發(fā)表［10，11］。

3 短路噪聲特性

通過對多臺變壓器的廠測噪聲結(jié)果進(jìn)行分析，可以明顯看出空載與短路噪聲的頻譜具有明顯區(qū)別。

3.1 短路噪聲的頻譜僅在100Hz處突出

圖1為一臺500kV-334MVA單相變壓器短路下各測點的噪聲頻譜，在距離變壓器0.3m和2m外的輪廓線上、高度為1/2變壓器高度、測點間距為1m的40多個點處進(jìn)行了噪聲測量，盡管不同位置處的總噪聲差別較大(最大與最小噪聲相差為6.2 dB (A))，但每個測點的頻譜基本一致。單位dB(A)是A計權(quán)修正后的可聽噪聲級的單位;下文中的dB是未修正的原始噪聲級的單位。

圖1 短路狀態(tài)下各測點的頻譜Fig．1Frequency spectrum of measurement points under short-circuit condition

短路噪聲的頻譜僅在100Hz處最大，其他處都小到可以忽略的程度，因為從dB求和角度看，相差10dB的兩個噪聲相加，就基本等于較大的那個噪聲值。其他所測6臺變壓器(包括220kV和750kV不同廠家的產(chǎn)品)情況相同。

3.2 短路噪聲與電流呈近似線性關(guān)系

通過對幾臺變壓器改變電流值的短路噪聲測量與分析，得到的基本關(guān)系為:電流從100%降到70%區(qū)間內(nèi)，電流每降低10%噪聲約降低2dB，在電流小于70%范圍內(nèi)噪聲下降會稍大一點，每降低10%噪聲約降低2.5dB;50%電流比額定電流的噪聲小約11dB(A)，下降程度非常明顯，相對于額定電流，50%電流下的噪聲已小到了可以忽略的程度。

噪聲隨電流減小而下降明顯說明噪聲隨變壓器負(fù)荷減小而下降劇烈，因此，為了衡量一臺變壓器的實際運行噪聲，負(fù)荷應(yīng)該達(dá)到一定程度。

短路噪聲與電流呈近似線性關(guān)系可以從理論上得到證明。電流產(chǎn)生的噪聲主要來源于線圈導(dǎo)線受到的電磁力振動，電磁力與電流I和磁密B成正比，而B又與I成正比，所以力F與電流的平方成正比，則噪聲聲壓值與電流的平方成正比。

將聲壓值利用聲壓級表示則為:假如某一個電流IT下的噪聲為LIT，另一個較大電流IG下的噪聲為LIG，則四者之間的關(guān)系為:

文獻(xiàn)［12］中給出了式(2)，其指出IT應(yīng)大于額定電流的70%時利用式(2)才可以得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，我們的測量結(jié)果表明，利用50%的電流也可以推得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。圖2給出了一臺變壓器的測量結(jié)果與式(2)推算結(jié)果的關(guān)系，圖中計算值是利用50%電流的噪聲通過式(2)計算得到的較大電流時的噪聲。其他變壓器也基本滿足該精度。

圖2 短路噪聲測量值與用50%電流推算大電流噪聲值Fig．2Short circuit noises of measurement and estimation by 50%current

式(2)具有重要的工程實用價值。在變電站對變壓器實際運行噪聲測量時，很難獲得較大負(fù)荷的運行狀態(tài)。如果利用式(2)就只需要測得50%負(fù)荷下的噪聲，其他負(fù)荷下的噪聲便可以通過推算而獲得。

4 空載噪聲特性

空載噪聲是在額定電壓下的噪聲，此時電網(wǎng)電壓不會像電流那樣有很大的變化，但也并不是一個恒定值，所以在實驗中對電壓值進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。下面給出噪聲隨電壓的變化與空載噪聲的頻譜特性。

4.1 空載噪聲的頻譜分布在100～600Hz之間

利用短路噪聲測量時的變壓器進(jìn)行空載噪聲測量，其空載噪聲頻譜分布如圖3所示。從圖示結(jié)果可以看出如下現(xiàn)象，不同測點上的頻譜分布具有一致性，噪聲主要分布在100～600Hz之間的頻點上。

不同型號和廠家的變壓器，空載噪聲的頻譜分布相差較大，但分布在100～600Hz之間的特性卻基本一致，只是在此頻帶內(nèi)的各頻點上的噪聲大小差別較大。

圖3 空載狀態(tài)下各測點的頻譜Fig．3Frequency spectrum of measurement points under no-load condition

4.2 空載噪聲與電壓值的關(guān)系

通過多臺變壓器的空載噪聲與電壓值的關(guān)系測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，97%額定電壓比額定電壓下噪聲約下降3.3dB(A)，93%電壓下要下降6dB(A)，下降非常劇烈。

由于空載噪聲對于電壓值很敏感，因此在變壓器噪聲廠內(nèi)測量時電壓一定要準(zhǔn)確;且繞組電壓分接一定要為額定分接點。在變電站實際運行噪聲測量中，要記錄測量時段的電壓值。

實際上，減小電壓試驗等同于降低變壓器的激磁磁通或鐵心磁密試驗?？梢?，減小鐵心磁密是降低變壓器空載或鐵心噪聲的有效方法。當(dāng)然，這要增加變壓器的體積和耗材。

在所測量的變壓器中，大部分的額定短路電流噪聲值大于空載噪聲值，較大者會有3dB(A)的區(qū)別。

5 負(fù)載與短路及空載噪聲的關(guān)系初探

分析廠測短路與空載噪聲的目的是想通過廠測兩種噪聲推算實際負(fù)荷運行噪聲。如果空載和短路試驗噪聲頻譜互不干涉，即某一頻點上的兩種噪聲疊加并不產(chǎn)生其他頻點上的噪聲，則實際負(fù)荷運行噪聲頻譜就應(yīng)該等于空載和短路噪聲頻譜在對應(yīng)頻點上的疊加。

實際上，頻譜不干涉理論是聲學(xué)理論中多個噪聲源在空氣中合成噪聲的一個普遍規(guī)律。只是所研究的變壓器并不是兩個噪聲源，而是一個物體內(nèi)部兩類不同物體和不同原理產(chǎn)生的噪聲。變壓器的鐵心磁滯伸縮等現(xiàn)象應(yīng)該不會影響線圈電磁力產(chǎn)生的電流或負(fù)載噪聲，而線圈的電磁力振動也不會影響鐵心的磁滯伸縮等現(xiàn)象產(chǎn)生的空載噪聲。從變壓器結(jié)構(gòu)與噪聲源特性可以判斷，變壓器頻譜不干涉現(xiàn)象是基本成立的。

另外，由于短路噪聲僅在100Hz處突出，而空載噪聲在此點的值一般遠(yuǎn)小于短路值，所以負(fù)荷噪聲頻譜等于空載和短路噪聲頻譜也應(yīng)該是成立的。

由以上分析可知，可以由廠測短路與空載噪聲的頻譜疊加形成負(fù)荷運行下的噪聲頻譜，由此計算出實際負(fù)荷運行噪聲。當(dāng)然，該方法的有效性與精確性需要實際檢驗，需要“一條線”跟蹤測量，即變壓器在廠內(nèi)和變電站較大負(fù)荷下進(jìn)行測量，通過測量結(jié)果驗證計算方法的精確性。這項驗證工作并不容易實現(xiàn)，需要時間與多方配合等資源。

我們僅對兩臺變壓器進(jìn)行了“一條線”跟蹤測量。測量結(jié)果表明，負(fù)載頻譜基本上等于空載與短路電流頻譜疊加。

對于其中一臺變壓器，其變電站75%負(fù)荷下的測量結(jié)果為71.08dB(A);根據(jù)廠內(nèi)測量的70%額定短路電流下的噪聲與空載噪聲頻譜，所計算出的總噪聲為70.228dB(A)，而根據(jù)廠內(nèi)測量的80%額定短路電流與空載噪聲計算出的總噪聲為71.625dB(A);70%與80%兩結(jié)果的平均值為70.927 dB(A)，與變電站結(jié)果的相對誤差為0.22%。此臺變壓器很理想地遵循負(fù)載噪聲等于空載與短路噪聲疊加的關(guān)系。

對于另一臺變壓器，測到了77%負(fù)荷下的變電站運行噪聲。其廠內(nèi)測量的空載與短路噪聲之和為64.45dB(A)，變電站測量值比該值小0.26%，結(jié)果也比較理想。

6 結(jié)論

(1)短路噪聲頻譜特性:在100Hz處顯著突出，而在其他頻點上的噪聲很小，可以忽略不計。

(2)開路噪聲頻譜均比較分散，在100～600Hz間噪聲較大，其他頻點的噪聲很小，可以忽略不計。

(3)短路噪聲隨短路電流的下降呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，電流每降低10%噪聲約降低2dB到2.5dB。

(4)噪聲隨電壓下降劇烈，97%額定電壓比額定電壓下噪聲約下降3dB(A)。減小鐵心激磁磁通可以大幅度減小噪聲。

(5)基于空載和短路噪聲頻譜互不干涉現(xiàn)象，可通過空載和短路試驗噪聲頻譜疊加來計算變壓器實際運行噪聲。

［1］GB 3096-2008，聲環(huán)境質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)(Acoustic environmental quality national standards)［S］．

［2］顧曉安，徐基泰(Gu Xiao’an，Xu Jitai)．國外變壓器噪聲研究的動向(Trend of study abroad on transformer noise)［J］．變壓器(Transformer)，2002，39 (6):33-38．

［3］譚聞，張小武(Tan Wen，Zhang Xiaowu)．電力變壓器噪聲研究與控制(Power transformer noise research and control)［J］．高壓電器(High Voltage Electrical Appliances)，2009，45(2):70-76．

［4］張國兵(Zhang Guobing)．變壓器噪聲評價及比較(E-valuation and comparison of transformer noise)［J］．變壓器(Transformer)，2001，38(3):1-5．

［5］JB/T 10088-1999，6kV～220kV變壓器聲級(6kV～220kV transformer sound level)［S］．

［6］JB/T 10088-2004，6kV～500kV級電力變壓器聲級(6kV～500kV power transformer sound level)［S］．

［7］余磊(Yu Lei)．變壓器噪聲的產(chǎn)生與影響因素探討(Discussion on the generation and factors of transformer noise)［J］．裝備制造技術(shù)(Equipment Manufacturing Technology)，2010，(10):184-185．

［8］王峰，苑津莎，李中(Wang Feng，Yuan Jinsha，Li Zhong)．基于交叉小波變換的變壓器振動信號分析(Analysis of transformer vibration signal based on cross wavelet transform)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2014，33(4):36-40．

［9］李純子，陳峰，劉書成，等(Li Chunzi，Chen Feng，LiuShucheng，et al．)．基于小波變換和LMD算法的變壓器振動信號分析(Analysis of transformer vibration signal based on wavelet transform and LMD algorithm)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2013，32(4):69-73．

［10］汲勝昌，門陽，劉昱雯，等(Ji Shengchang，Men Yang，Liu Yuwen，et al．)．運行中電力變壓器油箱表面振動特性的研究(Study on the oil tank surface vibration characteristics for the running power transformer)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2007，26(2):24-28．

［11］汲勝昌，王俊德，李彥明(Ji Shengchang，Wang Junde，Li Yanming)．穩(wěn)態(tài)條件下變壓器繞組軸向振動特性研究(Research on axial vibration characteristics of transformer windings under steady condition)［J］．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2006，25(1):35-38．

［12］GB 1094.10－2003，電力變壓器，第10部分，聲級測定(Power transformers-Part 10:Determination of sound levels)［S］．

Analysis of transformer noise frequency spectrum under short-circuit and no-load conditions

MO Juan1，2，ZHANG Xia2，YUAN Jian-sheng3
(1．Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China;2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China;3．Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

By the measurement of transformer noise in the short circuit and the no-load tests in the transformer plant，the frequency spectrum and range are analyzed in this paper．The short circuit noise produced mainly by the windings and the no-load noise mainly by the iron core have obvious difference in the noise frequency．The short circuit noise only appears on the 100 Hz frequency point and the other one distributes in 100～600 Hz frequency range．On the basis of the characteristics of the frequency spectrum，the noise in different load conditions，when the transformer works in the power station，can be calculated or predicted by the method of frequency point synthesis．This prediction method can solve the problem that the noise of transformer in rate load operation condition cannot be obtained in the transformer plant，since there is no enough power to test and measure the transformer in full load condition in the plant．

transformer noise;short-circuit test;no-load test;rated load condition

TM411

A

1003-3076(2015)02-0076-05

2013-11-22

莫娟(1979-)，女，黑龍江籍，高級工程師，博士研究生，研究方向為輸變電工程電磁場與噪聲控制;張霞(1983-)，女，陜西籍，工程師，碩士，研究方向為輸變電工程噪聲與振動控制。