ABSTRACT

As more and more substations are built in residential and commercial areas, transformer noise becomes very prominent. Transformer noise level has become the important indicator to measure design and manufacture level of transformer manufacturers. Under working condition of load current, the main source of transformer vibration and noise is winding electromagnetic force. Considering from noise propagation path, this paper studies the source of vibration and noise, route of transmission and the corresponding reduction measures. It takes advantage of ANSYS Workbench and Virtual Lab Acoustics software to simulation analysis and builds the solid model of transformer. On the basis of the solid model, it simulates transformer vibration and noise generated by electromagnetic interaction by means of numerical analysis method and preliminarily verifies the effect of the reduction measures. Then, the test of transformer vibration and noise further verifies the effectiveness of the reduction measures and meanwhile confirms the reliability of the numerical analysis method.

Keywords:Transformer, Vibration, Noise, Reduction Measure, Numerical Analysis, Test

电力变压器的振动和噪声及消减措施研究

彭明聪¹，夏明超¹，黄松岭²，曹枚根³

¹北京交通大学电气工程学院，北京

²清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京

³中国电力科学研究院，北京

Email: w77211@126.com

收稿日期：2015年3月14日；录用日期：2015年3月28日；发布日期：2015年4月3日

摘 要

随着越来越多变电所建于居民区和商业区内，变压器噪声问题变得十分突出。变压器噪声水平的高低，已经成为了衡量变压器生产厂家设计和制造水平的重要指标。在负载电流工况下，变压器的振动和噪声主要是由绕组电磁力产生的。本文从噪声传播路径考虑，研究了振动和噪声的来源和传播途径，以及相应的消减措施，利用ANSYS Workbench和Virtual.Lab Acoustics软件联合仿真，建立了变压器实体模型，通过数值分析方式模拟变压器电磁作用产生的振动和噪声，初步验证了消减措施效果。变压器振动和噪声试验进一步验证了消减措施的有效性，同时证实了数值分析方法的可靠性。

关键词 :变压器，振动，噪声，消减措施，数值分析，试验

1. 引言

提高城市供电的可靠性和改善供电质量，减少电力传输的损耗，城网用大型变电站要建在市区。为了保证居民不受噪声干扰，供电部门对变压器的噪声性能提出较高的要求[1] [2] 。

电力变压器振动的根源在于以下三个方面：硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动；硅钢片接缝处和叠片之间存在着漏磁而产生的电磁吸引力，从而引起铁心振动；当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起绕组振动。研究表明[3] [4] ，在负载电流工况下，变压器的振动和噪声主要是由绕组电磁力产生的。

目前国内外针对变压器振动和噪声已经做了大量研究，文献[5] [6] 阐述了几乎所有可以降低变压器振动和噪声的方案，但大多方案没有在实践中验证。同时诸多文献对变压器内部器身振动和噪声做了研究[7] [8] ，但都没有涉及到变压器整机，不能得到箱壁外的辐射噪声，也不能深入到外部结构减振降噪层面上。本文以220 kV、180,000 kVA三相电力变压器作为研究对象，利用数值分析方法模拟变压器电磁作用产生的振动和噪声，并采用在器身与下油箱连接处安装减振垫的振动和噪声消减措施。仿真和变压器振动噪声试验验证了其效果。

2. 变压器的振动噪声

2.1. 变压器振动分析

当变压器绕组中流过负载电流时，绕组周围就会产生漏磁场，由于电流和漏磁场的作用，在绕组内产生洛伦兹力，洛伦兹力大小正比于电流平方。

(1)

为洛伦兹力(N)，为漏磁通密度(T)。

(2)

为方向的短路电流密度，，，为圆柱坐标系下单位向量。，分别为轴向和幅向电磁力。

运行中的变压器，绕组可以看成受外界激励的机械振动，变压器油箱表面振动可以看成一种近似正弦的稳态响应[9] [10] 。因此我们可以利用ANSYS Workbench的谐响应分析模块模拟电磁作用产生的振动。

根据经验和计算[11] [12] ，绕组中的轴向电磁力

(3)

其中 (4)

式中——绕组平均半径，——单根导线电流(A)，——绕组电流，——绕组匝数，——并联导线根数，——绕组内等效平均磁感应强度(幅向) (T)，——第i根导线中心磁感应强度(幅向) (T)。

本文中忽略轴向电磁力和辐向电磁力的差别，因此根据式(3)、(4)可知，SSZ11-180000/220变压器最大辐向和轴向绕组电磁力约为2.0 × 10⁵ N。对每一项绕组均施加2.0 × 10⁵ N的轴向载荷和径向载荷，如图1所示。

忽略了散热片、套管、油枕等外部连接设备，网格划分含有169,786个单元，铁心和绕组均细化，其它自由划分。对变压器各部件赋以相对应的材料属性，如表1所示。

经过谐响应分析求解后，得到100 Hz下变压器振动情况，如图2、图3所示。

由图2、图3可知，器身振动最大处在绕组上，上铁轭到下铁轭振动传递，逐渐减小。箱壁外振动分布较均匀。

2.2. 声场分析

对于油浸式电力变压器，众所周知铁心的振动也是噪声来源之一，为分析更接近实际工作情况，声场分析中包含铁心和绕组两部分。所以，由磁致伸缩引起的铁心振动和电磁力作用引起的绕组振动作为噪声的总能量来源，能量传递到油箱表面，转化为声波传入人耳。油箱表面每个与空气介质接触的面都独立地辐射噪声，表面每个单元位移以时间空间分布的，，表示，辐射声源总能量等于单元振动速度，，的机械振动能量总和。油箱表面振动辐射的声能源为

(5)

式中，——总辐射噪声声功率；

——声传播介质的特性阻抗，变压器箱壁周围介质为空气，即为；

——箱壁外面的声辐射系数，文中设声场分析外边界表面以平面波向外辐射，；——油箱表面与空气介质接触面振动的时间空间均方速度；——油箱表面与周围介质交界面的面积。根据式(5)计算得到振动声辐射总能量后，可根据标准声压方程 [13] 计算箱壁外声压级的大小和分布。

图1. 施加轴向和径向载荷

图2. 变压器器身变形云图

图3. 变压器整机变形云图

表1. 材料属性

2.3. 变压器辐射噪声

结合变压器实际情况和声学计算方法的特点，本文采用声学软件Virtual.Lab Acoustics间接边界元法对变压器辐射声场进行仿真分析，声学间接边界元法计算流程如图4所示。

将有限元振动结果导入到声学软件中，经过定义声学网格、映射转移计算以及定义位移边界条件等步骤，就可以进行声场分布计算。按照变压器国家标准，计算箱壁外1 m处的辐射噪声，变压器主频100 Hz下的声场分布如图5所示。

提取变压器4个侧面1/3高度上四个典型测点，如图6所示。

四个测点平均声压级值如表2所示。

由表2可知，正面和背面噪声要明显大于两个侧面。

表2. 测点声压级值

图4. 间接边界元法计算流程

图5. 变压器声场分布

图6. 四个典型测点

3. 消减措施仿真

变压器本体噪声取决于铁心和绕组的振动。铁心和绕组振动是通过两条路径 [14] -[16] 传递给油箱的：一条是固体传递途径，铁心和绕组的振动通过其垫脚传至油箱；另一条是液体传递途径，铁心和绕组的振动通过绝缘油传至油箱。由仿真图2中振动的传递可看出，固体传递途径尤为明显，因此我们提出器身隔振措施，即在器身与下油箱刚性连接处放置减振垫，最大程度上抑制固体传递路径。

在变压器箱底的定位销处布置12个减振垫，每个减振垫半径为180 mm，厚度为35 mm。减振垫的布置形式如图7所示。

减振垫材料选用粘弹性阻尼材料，其材料特性参数如表3所示。

谐响应分析求解，得到100 Hz下变压器振动情况，如图8、图9所示。

与无减振措施变压器比较，旁轭处的振动有所加强，箱壁的振动减弱了。

变压器主频100 Hz下的声场分布如图10所示。

四个测点平均声压级值如表4所示。

由图11可知，器身隔振对于振动的衰减和噪声的降低具有比较好的效果，降噪幅度在6 dB左右。

表3. 减振垫材料参数

表4. 测点声压级值–器身隔振

图7. 减振垫布置

图8. 变压器器身变形云图–器身隔振

图9. 变压器整机变形云图–器身隔振

图10. 变压器声场分布–器身隔振

图11. 仿真结果比较

4. 隔振设计

变压器、电抗器隔振设计时，可将变压器、电抗器简化等效为单质点模型(图12)，基础或楼板加速度与油箱底部加速度之比叫隔振衰减系数：

(6)

式中为变压器、电抗器油箱底部的振动加速度；为变压器、电抗器基础或楼板的振动加速度；为油箱振动频率与隔振系统固有频率之比；为隔振系统有效阻尼比。

5. 试验验证

所有试验都在同一台变压器上完成，进行变压器100%负载电流噪声测试，测量变压器箱壁外1 m，变压器1/3高度的辐射噪声。

测试仪器选用INV3060S，24位信号采集分析仪；INV9206声压传感器；INV9212声强传感器。测试仪器以及测试现场分别如图13、图14所示。

测试背景噪声为38 dB。按照试验要求，布置声压和声强测点(和仿真相同的四个典型测点)。经过数据分析得到平均声压级值如表5所示。

测点声强级值图表6所示。

由于声强值受外界环境干扰较小，无任何减振措施和器身隔振比较，器身隔振措施明显降低了变压器辐射噪声。从表6中可以看出，器身隔振下各点的噪声值降噪幅度在4~9 dB。根据厂家测试，220 kV变压器噪声在65~75 dB之间，从噪声幅值以及消减措施降低噪声幅度规律来看，仿真与试验结果比较接近，验证了数值分析的可靠性。

图12. 隔振系统分析模型

图13. 测试仪器

图14. 测试现场

表5. 平均声压级值

表6. 声强级值

6. 结论

考虑到变压器内部结构的复杂性，本文对电力变压器电磁作用产生的振动和噪声进行了数值模拟计算，分析了变压器的振动和辐射噪声，并提出消减措施，进行了相关试验研究，得出以下结论：

1) 采用器身隔振消减措施，仿真下验证了消减措施的效果。初步证明器身隔振措施的有效性。

2) 基于数值分析的基础上，对220 kV变压器进行了无减振措施和器身隔振措施的100%负载电流噪声测试。测试进一步验证了器身隔振措施具有很好的降噪效果。

3) 仿真结果与试验测量结果在降噪幅度上比较吻合，证实了数值分析方法的可靠性。该方法为验证降低电磁噪声的方案提供理论分析方法和依据。

文章引用

彭明聪,夏明超,黄松岭,曹枚根, (2015) 电力变压器的振动和噪声及消减措施研究
Research on Vibrations and Noises of Power Transformer and Its’ Reduction Measures. 智能电网,02,67-77. doi: 10.12677/SG.2015.52009

参考文献 (References)