蘇偉，王昌田，鮑懷謙

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志高小區(qū)變壓器結(jié)構(gòu)噪聲分析與控制

蘇偉，王昌田，鮑懷謙

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590)

為解決志高小區(qū)變壓器噪聲擾民問(wèn)題，通過(guò)對(duì)該小區(qū)地下室干式變壓器分布的研究，并結(jié)合對(duì)變壓器噪聲傳播機(jī)理的分析，得出由變壓器振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲是擾民的主要原因。采取安裝隔振裝置等隔振措施，有效地降低了變壓器噪聲對(duì)居民的影響，并通過(guò)對(duì)居民室及變壓器隔振前后的振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量，同一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)級(jí)降低均在10 dB以上，同一測(cè)點(diǎn)的加速度值降低60%以上，基本解決了由變壓器結(jié)構(gòu)噪聲引起的噪聲擾民問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)噪聲；隔振裝置；振動(dòng)測(cè)量

0 引言

為滿足居民日益增長(zhǎng)的用電需求，同時(shí)也為了更好地利用土地資源，多數(shù)開(kāi)發(fā)商會(huì)選擇在居民小區(qū)地下室內(nèi)設(shè)置配電站。盡管給居民的日常生活帶來(lái)了很大方便，但由此引發(fā)的變壓器噪聲擾民問(wèn)題卻不容忽視。目前，降低變壓器噪聲主要從振源考慮，即盡量減少硅鋼片的磁致伸縮，降低鐵芯產(chǎn)生的橫向振動(dòng)，進(jìn)而減弱噪聲產(chǎn)生[1]。

志高小區(qū)是泰安市一個(gè)大型居民住宅小區(qū)，為保證居民的日常用電，開(kāi)發(fā)商在居民樓的地下室內(nèi)安裝有多組10 kV的干式變壓器。由于變壓器與居民樓處于同一建筑物內(nèi)，其運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲對(duì)樓上住戶的日常生活產(chǎn)生了一定影響，特別是在夜間休息時(shí)，影響尤為嚴(yán)重。為了消除變壓器運(yùn)行噪聲對(duì)入住居民的干擾，志高小區(qū)開(kāi)發(fā)商決定對(duì)變壓器運(yùn)行噪聲進(jìn)行治理，作者有幸參與了該項(xiàng)噪聲治理工程。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、測(cè)試與分析，確定治理重點(diǎn)為變壓器振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)噪聲，通過(guò)安裝隔振裝置等措施，控制其傳播途徑，從而消除了噪聲干擾。至今為止，變壓器降噪措施總體良好，達(dá)到了預(yù)期效果，開(kāi)發(fā)商與入住居民均未再反應(yīng)變壓器噪聲干擾問(wèn)題。

1 變壓器噪聲來(lái)源

眾所周知，噪聲由振動(dòng)產(chǎn)生[2]。志高小區(qū)干式變壓器的運(yùn)行噪聲主要來(lái)源于硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵芯振動(dòng)；其次，負(fù)載電流通過(guò)繞組時(shí)，漏磁通在繞組導(dǎo)體間產(chǎn)生電磁力而引起的繞組振動(dòng)在一定情況下也不可被忽視[3]。

2 現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析

2.1 變壓器布置

志高小區(qū)地下室配電房?jī)?nèi)配備多組干式變壓器，型號(hào)為SCB10-1000/10，各組變壓器均處于獨(dú)立的密閉鐵殼內(nèi)。整組變壓器安裝于型鋼基座上，輸入輸出電路通過(guò)轎架從變壓器上方引入。配電房封閉性很好，與上層居民住宅相隔一層樓板，兩者間沒(méi)有直接相連通道。

2.2 室內(nèi)噪聲成因分析

通常，噪聲傳播方式有兩種：一種是在空氣中傳播，稱為空氣聲，其在傳播擴(kuò)散中不斷衰減；另一種是聲源激發(fā)固體構(gòu)件振動(dòng)，這種振動(dòng)以彈性波的形式通過(guò)基座、地板、墻柱、屋架等向外輻射噪聲，稱為固體聲(結(jié)構(gòu)噪聲)。固體聲能傳播到很遠(yuǎn)的地方，即隨著距離的增加衰減很小[4]。通過(guò)對(duì)志高小區(qū)配電房以及受干擾居民住宅的現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析，確定樓上居民反映的噪聲是變壓器的振動(dòng)通過(guò)地板、墻柱、屋架等傳播的固體聲?？紤]到變壓器安裝在地下室，距離居民住戶較遠(yuǎn)，且配電房封閉性很好，在住戶室內(nèi)也沒(méi)有感覺(jué)到明顯的噪聲，所以排除了空氣聲的傳播。圖1為變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)沿建筑物傳播的示意圖。

3 變壓器結(jié)構(gòu)噪聲控制

要降低變壓器的噪聲，最理想的方法就是控制噪聲源，即選用磁致伸縮性較小的鐵磁材料做鐵芯。但實(shí)際上，既要具有小的磁致伸縮性，又要具有足夠高的磁導(dǎo)率、低損耗的電磁性能以及良好延展性的鐵磁材料，目前還處在實(shí)驗(yàn)階段[5]。所以要控制變壓器引起的結(jié)構(gòu)噪聲，就只能通過(guò)控制其傳播途徑。

3.1 隔振原理

傳統(tǒng)隔振方式依據(jù)振源的不同分為兩種形式：一種振源是設(shè)備或結(jié)構(gòu)，為減少它對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，采用隔振裝置將它與地基(支承體)隔離，稱為主動(dòng)隔振；另一種振源是支座或地基的振動(dòng)，在它和設(shè)備之間安裝隔振裝置，以減少它對(duì)設(shè)備的影響，稱為被動(dòng)隔振[6]。顯然本次治理工程需要采取主動(dòng)隔振形式，其力學(xué)模型如圖2所示。圖中為振源質(zhì)量，為振源激振力，為彈簧剛度，為阻尼系數(shù)，為振源穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

振源的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

(2)

則傳遞力的幅值為

其中，為位移響應(yīng)振幅，其表達(dá)式為：

(4)

定義無(wú)量綱比值：

隔振效率定義為：

(6)

式(1)~(6)中，為激振力頻率；為阻尼系數(shù)；為彈簧剛度；為激振力幅值；為位移響應(yīng)與激振力之間的相位差；為阻尼比；為頻率比；表示傳遞到基礎(chǔ)上的合力幅值與振源激振力幅值之比，稱為隔振系數(shù)或力傳遞率。圖3為隔振系數(shù)關(guān)于頻率比的特性曲線[7]。

3.2 隔振措施

基于以上分析，本次噪聲治理工程主要采取兩項(xiàng)控制變壓器振動(dòng)傳遞的措施：

(1) 根據(jù)變壓器的自身重量及固有頻率，并結(jié)合隔振理論計(jì)算，確定在變壓器基座與地面之間安裝左右兩排共六組型號(hào)為ZTF-600的隔振裝置，每組由四個(gè)鋼彈簧加一塊橡膠墊構(gòu)成，如圖4所示。鋼彈簧能夠吸收和儲(chǔ)存振動(dòng)能量，橡膠墊作為阻尼器也能夠吸收和消耗振動(dòng)能量，從而能夠吸收變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的大部分能量，減少振動(dòng)能量向地面的傳遞。

(2) 由于變壓器上部進(jìn)出高低壓電纜的振動(dòng)會(huì)通過(guò)電線轎架向屋架結(jié)構(gòu)傳遞，故改變進(jìn)出電纜及母線的連接方式為辮子式軟連接，從而減少振動(dòng)能量向屋架結(jié)構(gòu)的傳遞。同時(shí)為了操作安全及檢修方便，連接好的線纜分別用三種不同顏色的絕緣材料包裹(見(jiàn)圖4)。

4 振動(dòng)測(cè)量與分析

4.1 測(cè)量過(guò)程及結(jié)果對(duì)比

基于工程需要，振動(dòng)測(cè)量過(guò)程分為治理前、后兩部分。采用型號(hào)為SC310-UTP的LMS振動(dòng)試驗(yàn)和分析儀，先后對(duì)受干擾居民住宅臥室及客廳的同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。此外，出于安全考慮，變壓器現(xiàn)場(chǎng)不能直接測(cè)量轎架上的振動(dòng)，故選擇先后對(duì)每組變壓器基座與地面接觸處和隔振裝置與地面接觸處的同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)加速度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。其中幾個(gè)主要頻率分量的振動(dòng)加速度對(duì)比如表2所示，隔振效率如圖6所示。每次測(cè)量時(shí)間持續(xù)60 s，采樣時(shí)間間隔為0.5 s。

表1 居民室內(nèi)鉛垂向Z振級(jí)對(duì)比

表2 主要頻率分量的加速度對(duì)比

4.2 結(jié)果分析

(1) 由圖5及表2可以看出，安裝隔振裝置后變壓器傳到地面上的振動(dòng)明顯減小了；同時(shí)由表1可知，受干擾的居民室內(nèi)鉛垂向振級(jí)均降至67 dB以下，達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

(2) 分析圖5可進(jìn)一步得出，變壓器的振動(dòng)加速度峰值主要集中在100、200、300、400、500 Hz幾個(gè)點(diǎn)上，且在200、300、500 Hz三個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)尤為嚴(yán)重。原因是變壓器運(yùn)行噪聲主要是由鐵芯的磁致伸縮引起的振動(dòng)噪聲，而磁致伸縮的變化周期是電源頻率的半個(gè)周期，所以磁致伸縮引起的振動(dòng)噪聲是以兩倍的電源頻率為基頻的(100 Hz)，并含有高次諧波分量存在[5]。

(3)由圖6可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率為300 Hz時(shí)的隔振效率超過(guò)了90%，振動(dòng)達(dá)到最大點(diǎn)；當(dāng)頻率為200、500 Hz時(shí)隔振效率均超過(guò)了80%；當(dāng)頻率為100、400 Hz時(shí)隔振效率也達(dá)到了60%以上，隔振效果比較明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 變壓器是小區(qū)內(nèi)必備的公輔設(shè)備，若將其安裝在居民樓下方的地下室內(nèi)，其運(yùn)行所引起的結(jié)構(gòu)噪聲很可能會(huì)影響上層居民的正常生活與休息。

(2) 為控制變壓器運(yùn)行所引起的結(jié)構(gòu)噪聲，本工程依據(jù)主動(dòng)隔振的理論，采取對(duì)變壓器底座加設(shè)彈簧-橡膠墊復(fù)合型隔振裝置，同時(shí)改變高、低壓電纜及母線采用辮子式軟連接等隔振措施，有效地消除了上層居民室內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲，達(dá)到理想效果。

(3) 變壓器振動(dòng)噪聲的基頻為100 Hz，峰值頻率在100～500 Hz之間，屬中低頻噪聲。因此，控制變壓器噪聲的重點(diǎn)應(yīng)為設(shè)法降低變壓器的中低頻噪聲。

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Analysis and control of the transformer structure noise in Zhigao residential area

SU Wei, WANG Chang-tian, BAO Huai-qian

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao266590, Shandong, China)

In order to solve the nuisance problem due to transformer noise in Zhigao residential area, the dry-type transformers’ distribution in an underground chamber of Zhigao residential area is investigated and the propagation mechanism of transformer noise is analyzed. As a result, it is concluded that the structural noise caused by transformer vibration is the main reason affecting the residents. By installing vibration isolation device, the effect of transformer noise on the residents is effectively reduced. Through the measurements of vibration accelerations in the residential room before and after the transformer vibration being isolated, the vibration level at the same measurement point is reduced by more than 10dB and the decrease in acceleration value is more than 60%. The nuisance problem caused by transformer structure noise has been solved basically.

structural noise; vibration isolation device; vibration measure

TB533

A

1000-3630(2016)-04-0369-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.016

2015-12-29;

2016-03-28

蘇偉(1991－), 山東新泰人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樵肼曊駝?dòng)與控制。

蘇偉, E-mail: su_hwei@163.com。