表面振速法在干式变压器噪声测量中的应用

田昊洋，胡　敏，彭　伟，黄　华，瞿珽华

（1.国网上海市电力公司 电力科学研究院，上海 200437；2.上海久隆电力（集团）有限公司 变压器修试分公司，上海 200436）

表面振速法在干式变压器噪声测量中的应用

田昊洋1，胡敏2，彭伟1，黄华1，瞿珽华1

（1.国网上海市电力公司 电力科学研究院，上海 200437；2.上海久隆电力（集团）有限公司 变压器修试分公司，上海 200436）

变压器是变电站的主要噪声源，由于变电站实际声学环境的限制，传统的声压法和声强法已不能满足测量精度要求，而振速法是基于声振耦合建立结构表面振动和噪声的关系，不受现场环境的影响，因此研究振速法在电力变压器噪声测量中的应用具有一定的实际意义。根据结构声辐射理论推导有限平面结构的表面声辐射计算方法，通过测量干式变压器的表面振动量级和测量其声功率级，以实验的方法求得干式变压器的声辐射比。着重分析了从测量表面振动来估计干式变压器的噪声的可行性。

声学；干式变压器；噪声测量；表面振速法

配电变压器无论是油浸式或者干式变压器大多安装在配电房中，此时配电变压器的实测噪声往往明显超过出厂值，这是由于房间的反射和混响造成的结果会大大增加实测噪声值，并且在很多时候极其容易出现房间驻波效应，空间声场会出现明显的“波节”和“波腹”点，此时空间位置的微小变化会引起噪声测量值较大的波动，造成测试误差，因此在实际安装状态下测量变压器的真实噪声值是比较困难的，尝试通过研究振速法求得干式变压器的噪声。

由于干式电力变压器相对复杂，非线性因素较多，通过理论计算电力变压器噪声辐射比难度很大，而且电力变压器运行中也会产生很多的谐频，所以电力变压器的噪声辐射比通过实验的方法获得的可行性较大。通过试验得到的辐射比，结合振速级就可以推算出结构的声功率级，从而获得在空间位置的声压级。

1　干式变压器的噪声分析

树脂浇注干式变压器的噪声是由于铁心、绕组、结构件及风冷系统的振动而产生的。铁心、绕组、结构件统称为变压器的本体，如不考虑冷却风扇的噪声，干式变压器的器身噪声完全来自于结构噪声。干式变压器的噪声主要来源有［1-2］：

硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。

硅钢片接缝处和叠片间因磁通而产生的电磁力引起的铁心振动。

负载电流产生的漏磁引起的振动。

此外，电源的谐波成分以及绕组中电流的直流偏磁对变压器的噪声影响也很明显。

干式变压器的额定工作磁密通常取1.5 t～1.8 t。国内外的研究和试验均证明，在这样的磁密范围内，负载电流产生的漏磁引起的绕组振动，与硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动相比要小得多，是可以忽略的。因此干式变压器的噪声主要来自于铁心的硅钢片造成的振动，特别是铁心磁致伸缩所引起的铁心振动，对干式变压器而言，在没有冷却风机的情况下，声音是机械振动的结果，当铁心绕组结构出现声频范围内的机械振动时，就会使周围介质也发生相应振动，从而以声波的形式向外辐射声音。声波的辐射实质上就是机械振动波能量传递的过程。日本富士公司通过反复试验，得到了油箱箱壁的振动加速度的对数lgα与变压器本体声压水平成线性关系［1］，因此通过测量表面的振速从而推导噪声量级是可能的。

2　结构声辐射特性

如果临近平板介质与平板一起振动，则平面的振动速度可以看成临近介质的声波振动速度，由此可以直接得到近场声强，或声强级，从而算出声功率级，因此通过测量其固有辐射效率的表面振动速度级，可以用来确定其噪声辐射［3］。由于该测量方法不受环境噪声的影响，在电机和电器等领域已经拥有了成熟的应用［3］。可以参照振速法测定噪声源声功率级用于封闭机器的测量GB/T 16539-1996。

为了解结构的振动与辐射声功率的关系，引入了判定结构辐射效率的系数σ，对于一个同相位振动的大平面结构，如果平面的尺寸比传播介质的波长大很多，那么介质粒子不可能沿切向运动，紧贴振动面的介质粒子的速度与振动表面的速度是相等的。

产生的声辐射沿振动面的法线方向，所以由振动面辐射进入传播介质的声功率可以简化为

其中 prms——紧贴振动面的介质中的某点声压有效值

vrms——同一点的振动速度有效值

Sv——结构辐射面积

对于上述的辐射声场，可以认为是平面声场，振速和声压的关系为

其中ρc——声阻抗

振动面向介质辐射的声功率为

这里定义辐射效率为σ，任意空间空间结构的辐射效率定义为有结构辐射到半空间（即结构的一侧）的声功率除以与此结构具备相同表面积和相同有效值振速的平面结构所辐射的声功率。

均方的空间和时间平均振速事实上是平均的法向表面速度，因此辐射效率提供了一个结构振动和相关的辐射声功率之间的强有力的关系［4］。

在工程应用中，更多地使用声功率级、速度级和标准阻抗等评价方法，因此σ的公式可以改写为

其中ρ0c0——400 Ns/m（即空气在20℃，气压为105 Pa时的阻抗）

对上式两边取对数并乘以10得到

从上述公式可以看出对于同一测试对象而言，测点不变时，辐射系数、测量面积等都不变的情况下，如果噪声频谱特征不发生明显的变化，声功率与速度级之间的差值可以近似为常量。

由于工程上可以认为，声功率在理想状态下可以通过测量声压级得到，如公式8所示［5］

可得声压级和振速级之间的关系

这里的σ、Lw、Lv和Lp都是频率的函数。

3　干式变压器噪声试验

试验对象为上海变压器厂的三相10 kV的S6-800/10干式变压器进行振动和噪声测试，由于测试条件限制，采用的是空载测试状态。大量的研究结果证明，干式变压器的噪声主要来自于铁心振动，绕组振动在正常励磁情况下辐射噪声可以忽略不计。

振动测点布置尽可能均匀覆盖整个铁心结构，绕组上由于空载状态下振动相对很小，就没有再布置测点，认为干式变压器的开窗方向上是对称的，因此只在干式变的一侧测量振动。测点分别布置在上下铁轭和旁柱及心柱上。

图1　-振动测点图（圆形点为振动测点）

依据GB/T 1094.10-2003电力变压器，第10部分：声级测点标准，采用6个测点麦克风进行同步测量。距离基准发射面为1 m。测试环境在试验大厅，背景噪声为36 dBA，远低于被测变压器的噪声等级，因此测试环境比较理想。

图2　麦克风测点图

图3　铁芯外形尺寸图

干式变压器的声功率级由平均声压级计算得到

其中LwA——测量声功率级——测量的平均声压级

S——测量包络面

S0——基准包络面，1 m²

变压器结构声辐射面基本就是铁芯的表面，因此铁芯变面积就是结构声辐射面积，根据铁芯外形的轮廓，可得出

SV=1.27×0.24×3+0.26×0.24×4=1.164 m2

对于当前这台试验对象，进行了多种输入电压的空载测试，分别是70%、80%、90%、100%、105%、110%和115%额定电压试验，测量其在这些不同磁密状态下的振动和噪声。

测量过程是在测量电压达到设定值之后运行10分钟后稳定状态下进行测量。

如图4是正常状态下的噪声特征量，可以发现在1 000 Hz以上的频率成分的噪声值相对于主导分量至少低20 dB以上，从噪声能量角度上看变压器的噪声可以考虑1 000 Hz以内的能量，1 000 Hz以上的噪声贡献值可以忽略不计，这样的结论对于振动测试的带宽可以大大缩小，因此无需考虑高频成分，这样可以降低振动测试的数据记录量和传感器的带宽要求。

图4　正常状态下的某测点的噪声频谱

4　干式变压器辐射比计算

通过对空载情况下各种输入电压下的噪声和振动的测定，依据上面的公式得到各个状态下的声压级和振速级。表1和表2分别得到1 m处的声压级和表面的振速级的平均值。分析变压器的振动，其振动能量通常情况下只可能出现磁致伸缩力及其倍频的能量成分。其他频带的振动值由于极其微弱，对应的噪声值在这些频带上和振动级的相干性较差，且其非整百频率对噪声的贡献率极低，因此在考虑辐射比的时候，仅考虑磁致伸缩力及其倍频即可。这样得到1/3倍频所定义的100、200、315、400、500、630、800和1000 Hz的辐射效率值。

通过对7组噪声数据的分析，着重对噪声主导频带上振动级和噪声级的差值进行分析，即可得到若干组不同状态下的辐射比lg σ的向量，并通过对上6组曲线进行5阶多项式曲线拟合求得最终的辐射比。如图5所示，分别是各组数据的辐射比和最终拟合得到的辐射比。

表1　各个输入电压下的声压级/dB（A）

表2　各个输入电压下的振速级/dB

将辐射比代入测量的振速级数据，求得通过振速法与实测值的数据对比。可以发现其在不同电压等级下的噪声值和通过振速法求得的值差异控制在2 dB之内，如图6所示。其中很明显可以发现400 Hz频带占据能量主导，从辐射比曲线发现400 Hz的拟合差异还是比较小的，说明即使在改变电压的情况下，同样的研究对象其主导能量的振动和噪声存在的差异值变化较小，因此可以通过表面振动级的方法来求得干式变压器的噪声级。

图5　振速法得到的噪声值

图6　振速法得到的噪声值比较

5　结语

通过理论和试验分析研究，可以得到如下结论：

（1）表面振动和噪声级有较好的耦合关系；

（2）着重主导频段的辐射比，其对噪声的评估有较大影响，其他非主导分量贡献可以忽略。

通过表面振速进行噪声值预估的测试方法流程如图7所示。

图7　基于振速法的试验计算流程

研究表明对于干式变压器可以通过表面振动速度的测试方法来估计干式变压器的噪声，并且可以得到较好的工程级的评估效果，这对于处于声学恶劣环境下的噪声评估是非常有意义的，但是在实际运用过程中需要尽可能设置较多的振动测点，因为局部振动源影响测试结果。通过对干式变压器的研究，可以发现表面更为规则的油浸变压器可能会有更好的适用性效果。

［1］樊小鹏.户内配电变压器结构噪声污染分析及控制措施［J］.噪声与振动控制，2014，34（6）：135-139.

［2］李明，陈锦栋.城市110 kV室内变电站噪声控制的分析［J］.噪声与振动控制，2012，32（1）：105-108.

［3］苏中安.振速法在轴承噪声测量中的应用［J］.哈尔滨轴承，2009，32（2）：59-61.

［4］宋健.振速法在电力变压器噪声测量中的应用研究［D］.合肥：合肥工业大学，2013.

［5］盛美萍.噪声与振动控制技术基础［M］.北京：科学出版社，2007，12.

Application of Surface Vibration Velocity Method in Noise Measurement of Dry-transformers

TIAN Hao-yang1，HU Min2，PENGWei1，HUANGHua1，QU Ting-hua1
（1.Electric Power Research Institute of STATE GRID，Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200437，China；2.Shanghai Jiulong Electric Power（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200436，China）

Power transformers are the main noise sources in transformer substations.Due to the poor acoustic environment of substations，traditional noise measurement methods（sound pressure method and sound intensity method）cannot meet the requirement of precise measurement.While the surface velocity method is based on the relationship between the structure surface vibration and the noise and is independent of environmental impact.So，it can be applied to the noise measurement of transformers in substations.According to the theory of structure-borne noise radiation，this paper deduces the calculation method of the noise level from the vibration signal on the structure surface.Through measuring the sound power and vibration level on the surface，the radiation ratio of the dry transformers is obtained.The feasibility of estimating the noise level according to the surface vibration measurement data is analyzed.

acoustics；dry-transformer；noise measurement；surface vibration velocity

TB132；TM4

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.041

1006-1355（2016）05-0196-05

2016-03-11

田昊洋（1985-），男，辽宁省铁岭市人，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统振动、噪声研究。E-mail:tianhy1111@163.com