侯 東 段 煉 曹春誠 邴 龍 馬超群 陳 鶴

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0 引言

配電變壓器處于電力輸電系統(tǒng)末端，具有距居民區(qū)近、數量多、分布范圍廣等特點。依據GB 12348-2008 聲環(huán)境功能區(qū)劃分標準，配電變壓器屬于I 類聲環(huán)境區(qū)[1]。隨著城市建設規(guī)模的不斷發(fā)展以及居民環(huán)保意識的逐漸增強，配電變壓器的振動與噪聲問題日益凸顯，研究配電變壓器振動與噪聲特性對其振動與噪聲控制具有重要意義[2?6]。

目前，針對變壓器振動與噪聲特性，主要研究集中在110 kV 以上電壓等級等大型電力變壓器以及噪聲控制技術等方向，關于配電變壓器的研究相對較少[7?9]。配電變壓器普遍存在三相負荷不平衡、過載以及諧波等現(xiàn)象，實際運行工況更為復雜[10?11]，導致配電變壓器振動噪聲加劇。然而在配電變壓器實際運行過程中受測試條件限制，上述因素下配變噪聲振動特性實驗難以實現(xiàn)，尤其是變壓器內部鐵心的振動特性。文獻[12]測試分析了在正常運行狀態(tài)下配電變壓器在隔聲罩與地面上的振動特性，但未進行接觸式測量且無法控制配變的運行工況；文獻[13]研究了負載因素對油浸式配電變壓器噪聲特性的影響規(guī)律，文獻[14]研究了10 kV油浸式變壓器表面振動特性，均未涉及配電變壓器內部鐵心的振動特性研究。

本文以一臺35 kV/800 kVA三相油浸式變壓器為對象，將其置于半消聲室內，研究分析不同激勵電壓條件下配變鐵心及油箱的振動與噪聲特性，為配電變壓器振動與噪聲控制提供數據支撐。

1 配電變壓器振動原理

配電變壓器振動主要是來源于變壓器內部鐵心及繞組的振動，該振動通過變壓器油及支撐結構傳遞給油箱外殼，從而對外產生輻射噪聲。其中振動最主要貢獻來源于鐵心勵磁時硅鋼片產生的磁致伸縮。磁致伸縮量率以ε表示，等于勵磁時硅鋼片片長的增量?L與片長L之比，即：

研究表明，變壓器空載時，硅鋼片磁致伸縮引起的鐵心硅鋼片振動加速度可表示為[9,15]

式(2)中：S為鐵心橫截面積，N為匝數，Bs為鐵心飽和磁感應強度，εs為鐵心硅鋼片飽和磁感應強度。

從式(2)可以看出，變壓器鐵心振動加速度與空載電壓平方成正比，實際鐵心磁通密度并非標準正弦波，因此對于工頻50 Hz 的配電變壓器系統(tǒng)，其鐵心振動在基頻100 Hz 及其諧頻上較為明顯。

2 噪聲與振動測試方法及測點布置

本次實驗以一臺35 kV/800 kVA 三相油浸式變壓器為實驗對象，噪聲測試主要參照國家標準《GB/T 1094.10-2003電力變壓器聲級測定》[16]。采用對稱布置的方式，測點位置如圖2(a)所示，距離變壓器0.3 m，傳聲器布置在變壓器高度1/2處的水平面上，指向設備方向。變壓器鐵心振動測點如圖2(b)所示，振動傳感器在注油前布置，注油后靜置24 h 后開始測試。油箱振動測點如圖2(c)所示，噪聲與振動測試分別采用B&K 公司4187 型1/4 傳聲器、4534B001 型加速度傳感器測量，采用B&K 公司3560C 型多通道采集系統(tǒng)進行信號采集，B&K Pulse 系統(tǒng)相關模塊進行數據記錄。

圖1 變壓器噪聲與振動測點布置Fig.1 Noise and vibration measurement-point distribution of the transformer

3 變壓器噪聲與振動測試結果分析

3.1 變壓器器身振動特性分析

配電變壓器在空載條件下，繞組電流較小，配電變壓器振動主要由鐵心振動引起。采用振動傳感器在配變鐵心3 個方向布置振動傳感器，空載額定工況下鐵心振動頻譜如圖2所示，各方向鐵心振動顯示出相似特征，鐵心振動以100 Hz、200 Hz、300 Hz為主頻，同時伴隨有一定50 Hz 偶數倍頻率的高次諧波成分。從數值上可以看到，鐵心側面振動水平相對較高，即測點3 振動峰值為0.014 m/s2，這種特征與鐵心側面受到鐵心疊片接縫位置漏磁的影響有關，從而導致振動幅值增大的情況。通過調整實驗變壓器電壓，分別測試了50%、60%、70%、80%、90%、100%額定工況下配電變壓器鐵心振動情況，以測點3為例，如圖3所示，隨著激勵電壓增大，鐵心振動加速度逐漸增加，高頻諧波分量增加更加明顯。

圖2 額定電壓下鐵心各測點振動頻譜Fig.2 Frequency spectrum of core vibration at rated voltage

圖3 不同激勵電壓下鐵心振動頻譜Fig.3 Frequency spectrum of core vibration under different excitation voltages

鐵心振動測點3 在100 Hz、200 Hz、300 Hz頻率振動加速度隨電壓比值平方(U/UN)2的變化關系如圖4所示?？梢钥闯?，當激勵電壓低于90%額定電壓時，振動加速度基本與(U/UN)2呈線性關系，這與理論一致，當激勵電壓接近額定電壓時，由于磁通密度趨于飽和，振動信號中存在大量高次諧波成分，振動情況變得復雜。

圖4 空載變壓器鐵心各頻率振動幅值與電壓平方關系曲線Fig.4 Vibration amplitude versus (U/UN)2 of no-load transformer

3.2 變壓器油箱振動與噪聲特性分析

在空載額定工況下，油箱外壁的各測點振動狀況如表1所示，其中，油箱側面振動水平較高，油箱正面和頂面振動水平略低。

表1 空載額定工況下油箱外壁的振動狀況Table 1 Tank vibration under no-load rated condition

變壓器油箱壁空載額定工況下振動頻譜特征如圖5所示，從圖中可見，油箱外壁各測點顯示出以100 Hz、200 Hz、300 Hz為主要峰值的頻譜特征。如前所述，變壓器振動主要源于鐵心以及繞組振動，經過緊固件、墊腳等固體及液體絕緣油兩種方式傳播至油箱表面，傳播過程十分復雜，且變壓器油箱為薄壁類結構，剛度較低，從而導致油箱振動值大于鐵心振動。

圖5 額定電壓下油箱振動頻譜Fig.5 Frequency spectrum of tank vibration at rated voltage

額定電壓下噪聲頻譜如圖6(a)所示，變壓器各測點均顯示出以100 Hz、200 Hz 為主要峰值的噪聲頻譜特征，噪聲頻譜復雜度相對較低，主要是由于500 Hz 以上噪聲在傳播過程中衰減較快，表現(xiàn)出以500 Hz 以下低頻為主的頻譜特征；測點1不同電壓下變壓器噪聲頻譜如圖6(b)所示，隨著激勵電壓增大，變壓器噪聲呈現(xiàn)上升趨勢，且高次諧波成分逐漸增加，與油箱表面振動保持一致特征。

4 結論

本文研究了一臺35 kV/800 kVA油浸式配電變壓器在不同電壓激勵作用下變壓器鐵心振動、油箱振動以及噪聲特性，為配電變壓器噪聲控制提供數據參考，主要得出如下結論：

(1)在空載額定電壓實驗條件下，變壓器鐵心振動主要以100 Hz、200 Hz 為主頻，同時伴隨有一定50 Hz 偶數倍頻率的高次諧波成分。變壓器鐵心振動隨激勵電壓升高而增大，在低于額定電壓下，100 Hz、200 Hz、300 Hz 等頻段鐵心振動與電壓平方成正比。

(2)變壓器油箱振動顯示出以100 Hz、200 Hz、300 Hz 為主要峰值的頻譜特征，與鐵心表現(xiàn)出相似特征，油箱振動值大于鐵心振動，側面振動水平較高，油箱正面和頂面振動水平略低。

(3)變壓器噪聲頻譜以100 Hz、200 Hz 為主要峰值，噪聲頻譜復雜度相對較低，表現(xiàn)出以500 Hz以下低頻為主的頻譜特征，隨著激勵電壓增大，變壓器噪聲呈現(xiàn)上升趨勢，與油箱表面振動保持一致特征。

圖6 變壓器噪聲頻譜Fig.6 Frequency spectrum of transformer noise