电力变压器噪声分析及控制技术研究综述

许卫东，王林富，汪进，壮定军，张敬敏，章聪，杨慧敏，黎灿兵

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001；2. 湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；3. 国网湖南省电力有限公司益阳供电分公司，湖南 益阳 413002)

随着城市化规模的不断加快以及城区电力建设的发展，社区聚集的电力负荷越来越多，城市中心区用电负荷密度不断增加，电力设备大幅增多。以变电设施为代表的电力设备所产生的环境噪声影响周边居民的工作和生活，导致噪声扰民问题的投诉和纠纷时有发生，是供电企业迫切需要解决的实际问题[1-2]。

电力变压器的噪声与其电气性能和机械性能一样，都是衡量变压器性能的重要技术指标。各变压器制造厂商一直对变压器的噪声问题进行深入研究，而其中振动噪声及其控制措施在近年来依然是国内外学者研究的热点，且有从配电变压器向高压、超高压变压器发展的趋势[3]。

世界上一些大型电力变压器制造企业，早在20世纪20年代就开始对变压器的噪声问题开展了一系列研究，涉及到噪声振动机理、振动传递、噪声辐射特性和降噪措施等诸多方面。许多国家政府还颁布了最大允许噪声水平的相关标准条例，规定了噪声管理措施以及排放限值。20世纪70年代以后，相关学科领域的新技术也被引入到研究中，如利用声强法和声压法进行变压器声级测定和远场辐射噪声分析，并逐步从试验研究转向构筑理论分析的数学模型，对新建变电站进行变压器辐射噪声预估。目前，电力变压器噪声方面的研究主要集中在变压器噪声特性分析和变压器噪声控制方面。同时，还出现了一批模拟计算软件，如Flystryd、SoundPLAN、Sysnoise等软件用于变压器噪声场的分析计算[4-6]。

本文列举了几项变压器噪声评估和控制技术，并归纳分析了每种特定情况噪声产生的机理，从声源、传播途径等方面寻找降噪控制方法，为每种特定情况寻求最优的解决方案。此外，主动降噪等新技术能有效改善在线变压器的低频噪声，具有体积小、重量轻、控制易等优势，具有巨大的经济、社会和环保效益，并为研发和创新电力变压器的噪声控制技术提供更好的研究方向。

1 电力变压器噪声的产生与传播

变压器噪声源主要包括本体噪声和冷却系统噪声。本体噪声主要是由于硅钢片磁致伸缩引起的铁心振动以及硅钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁而产生的电磁吸引力[7]。冷却装置的噪声主要来源于冷却风扇和变压器油泵在运行时产生的振动，以及本体的振动会通过变压器油、管接头等零件传递给冷却装置，使冷却装置的振动加剧，导致辐射噪声加大[8]。图1为变压器噪声产生和传播的示意图。

1.1 铁心

磁致伸缩是变压器本体噪声的主要来源。当电力变压器的硅钢片在激磁时，沿磁力线方向硅钢片尺寸增大，而垂直于磁力线方向的尺寸则缩小，这种尺寸变化称为磁致伸缩[9]。磁致伸缩使得变压器铁心随着励磁电流频率的变化而发生周期性振动[10]。变压器的主体噪声由低频噪声组成，主要集中在100 Hz基频及其整数倍频处。靠近变压器铁心的位置处噪声声压较高，且明显呈现出具有波峰波谷的波纹分布[11]，电力变压器铁心噪声的频谱范围为100～500 Hz[12]。

由于磁致伸缩而造成硅钢片伸长，如果磁通密度为正弦曲线，那么振动仅包含1种谐波，其频率为电网频率的2倍[13]。实际上硅钢片产生的横向振动导致磁致伸缩曲线是非线性的，因此变压器噪声包含有高次谐波。除此之外，铁心搭接处磁力线发生畸变产生的纵牵力和铁心中磁通分布不均会在铁心片间产生侧推力，造成铁心振动。变压器铁心的尺寸、制作材料和施工工艺也会对变压器的噪声水平产生影响。变压器箱体和变压器铁心的共振同样会增加变压器的噪声水平[14-16]。

图1 变压器噪声的产生与传播Fig.1 Generation and transmission of transformer noise

1.2 绕组

负载电流在绕组中流通时，绕组所占空间及周围空间会有漏磁产生，变压器漏磁对各个绕组和变压器油箱产生电磁力，使变压器绕组振动而产生负载噪声，其中绕组匝数和漏磁路径决定了漏磁通的大小[17-18]。在绕组末端，磁力线的弯曲导致产生径向漏磁分量与轴向漏磁分量，引起变压器绕组在竖直方向与水平方向的振动，其向量和即为绕组的合振动。绕组振动的频率是负载电流频率的2倍[19]。

变压器绕组在电磁力的作用下持续振动，电磁力的特性决定了变压器绕组的振动特性。20世纪70年代起，研究人员就开始对变压器的振动特性开始了建模分析。文献[20]提出了基于弹簧-质量系统的变压器轴向振动集中参数模型和有限元分析模型，并指出绝缘垫块的非线性动态应力-应变特性是准确计算突发短路时变压器绕组电动力和位移的重要前提。随着有限元计算方法的深入和发展，文献[21-23]基于变压器有限元模型计算得到了变压器绕组在不同预紧力作用下的固有频率和振型、换流变压器绕组受电磁力激励下的振动波形、各个绕组的5阶固有频率和在漏磁场作用下的电动力分布特性等一系列变压器绕组振动特性。以上2种分析建模方法是目前最主要的2类研究方法。绕组振动和铁心振动共同构成了电力变压器的本体噪声。

1.3 冷却系统

变压器冷却系统的冷却方式包括：以空气为介质的自然冷却、强迫风冷；以变压器油为介质的油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷；以SF6为介质的风冷；以碳氟化合物为介质的相变冷却。冷却系统的噪声主要由风扇和油泵的振动引起。

自然冷却最早应用于干式变压器冷却系统[24]，这种冷却方式不会产生噪声且成本低廉。随着技术的不断发展，在自然冷却的原理基础上，利用风扇使空气侧形成强制对流使变压器冷却，形成了强迫风冷的方式。但风扇的运行带来了极大的噪声，因此风扇的叶片设计、使用数量以及散热器的布置成为了变压器冷却系统设计时所要考虑的主要因素。通常，功率为0.55 kW、转速为720 r/min的旋转机械会产生60 dB(A计权，下同)的噪声。油自然对流的散热能力有限，于是设计人员在散热器和油箱连接处加一油泵，利用油泵将油打入油冷却器后再回流入油箱，但是油箱本身的振动产生了噪声。随着变压器冷却系统的不断发展，陆续又出现了SF6冷却、相变冷却等冷却方式，但由于风机和油泵的使用，都使得变压器的振动变得更加复杂，导致变压器的冷却系统产生不同程度的噪声。

2 变压器噪声水平的测定

文献[25-26]阐述了运用声压法和声强法测定声功率的国际标准。声压法和声强法是基于几个测量点进行声音功率和声音强度的测量，例如长度为6.0 m、宽度为3.0 m、高度为5.0 m的变压器的测量点数约为25个，并且这些测量点沿着测量线等距分布，根据测量点的平均声压或声强测量值进行声功率的计算。

文献[27]对声压法和声强法进行对比测量实验，验证了声强法与声压法测得的隔声量在整个测量频率范围内的一致性。但是，当变压器体积较大时，标准测量方法的测量点数量太少，会严重影响噪声测量的准确性。文献[28]将基于声压的方法、基于离散点声强的方法以及基于扫描声强的方法用于测量电力变压器场的声音，实验结果表明：在外部噪声干扰和防火墙反射声环境下，后2种基于声强的测量方法比基于声压的测量方法具有更高的精度；基于扫描声强的方法消耗的测量时间最短。

变压器的噪声测量主要包括噪声源的识别和声功率的确定。噪声源识别对于抑制变压器运行过程中噪声的治理尤为重要。声功率及其频谱是表征变压器噪声特性的整体参数，在评估变压器噪声污染的影响方面至关重要。文献[29]介绍了一种基于规则网络中的声强映射的噪声测量方法：将测量点在测量表面上以规则网格分布，利用相关参数创建声强和声功率的彩色图，从而直接有效地识别变压器的噪声源；不同方法测得的声功率频率范围数据表明，所提方法能有效将变压器噪声的测量和评估频率降低到100 Hz～2 kHz范围，对计算的总功率却没有负面影响，有效简化了测量和评估数据。

3 变压器噪声控制方法

变压器噪声的控制方式一般分为2种：一种是通过对变压器本体进行改造，实现噪声源头的降噪处理，这是噪声控制中最根本、最有效的控制方法；另一种方式是传播途径降噪，根据噪声在空气或固体结构中的传播特性，采取相应措施降低传播强度，从而减弱噪声对周边环境的影响。

3.1 变压器铁心设计和制造工艺方面的降噪策略

3.1.1 降低变压器铁心磁通密度

实践证明，在1.5～1.7 T范围内，磁通密度每降低0.1 T，可降低噪声2～3 dB[30-31]。但降低磁通密度也会使变压器铁心体积增大、成本增加，因此需同时考虑其结构设计和经济效益。

a)优化变压器铁心结构设计。变压器铁心结构的合理设计，能显著降低变压器磁轭的磁通密度。文献[32]对三相三柱结构和三相五柱结构2种不同类型的变压器结构进行了对比验证，实验表明三相三柱非晶合金变压器轭部的磁通密度较三相五柱非晶合金变压器小得多。

b)增大铁轭截面积。变压器铁轭的振动是变压器噪声的主要来源。增大铁轭截面积，不仅降低了铁轭的磁通密度，而且在增大末级铁心片宽的同时，增加了夹件与铁轭的接触面积，使铁轭受力均匀，能有效地降低噪声2～4 dB[33]。

3.1.2 降低变压器硅钢片的磁致伸缩

a)选用优质晶粒取向的冷轧硅钢片。磁致伸缩主要取决于激磁时出现的晶粒转动过程，优质硅钢片能提高晶体取向的完整度，有效降低变压器由于磁致伸缩引起的噪声。文献[34]论述了优质晶粒取向硅钢的磁致伸缩性能更为优良，在变压器铁心制造中得到广泛应用。文献[35]通过研究采用不同晶粒取向硅钢片的3种变压器的噪声特性，证明了更加优质的硅钢片在相同的磁通密度下表现出更低的噪声水平。

b) 采用斜接缝叠式的铁心结构。在传统的交错接缝结构中，接缝断面的气隙比较集中，较大的交变电磁力作用在铁心中会产生较强的振动噪声。采用全斜交错接缝的设计方式可减低铁心损耗[36]，减少铁心和心柱之间的空气隙，减小作用在轭片上的电磁力，降低磁致伸缩ε。

c) 保持适当的铁心压紧力。如果铁心未完全压紧而留有较大空隙，硅钢片本身会作切割磁力线运动，在交变电场下会产生和交变电场同频率振动，造成噪声超标[34]。文献[37]阐述了变压器及电抗器制造过程中铁心压紧力精确控制的工艺方法，并证明了在实践中该工艺方法切实可行，可稳定产品质量，提升产品性能，降低噪声水平。

d) 保持铁心片的平整度。铁心片的平整度直接影响着硅钢片内应力的大小，而内应力会对磁致伸缩ε产生很大的影响，因此铁心生产中严格控制铁心片的剪切毛刺，规范铁心片堆放、搬运、叠装、翻转、夹紧及绑扎固定等操作，能够有效地控制由于制造过程造成的噪声[33]。

e) 铁心表面涂胶。硅钢片剪切过程中，剪切力使切口处部分晶粒偏离最佳取向，同时使硅钢片产生内应力，致使磁致伸缩ε增大，铁心振动增强。铁心叠装、绑扎后，在其剪切端面涂刷树脂类涂层，能抵消边缘处的部分内应力，减少内应力所造成的ε值升高。涂层厚度一般以50～100 μm为宜，太薄降噪效果不明显，太厚则影响铁心散热[33]。

3.1.3 避免铁心共振

当铁心固有频率与磁致伸缩振动的频率接近时，会因铁心共振导致本体噪声骤增，文献[32]表明激发核心共振可以将最接近的核心噪声频率分量增加多达10 dB。为避免铁心共振，设计时应合理调整窗口尺寸，避开75～125 Hz、175～225 Hz、245～325 Hz、375～425 Hz范围的频带[12]。在变压器安装过程中，注意紧固箱沿螺栓，使箱体与器身上梁紧密接触，这样可以改变铁心的固有频率，避免由此而引起的噪声急增[33]。

3.1.4 控制油箱的振动噪声

a)增强油箱强度，减小箱壁振幅。增加油箱的整体刚性，合理布置加强筋并控制其间距，保证油箱中部加强筋适当密布。文献[12]介绍了工程中变压器油箱壁采用的一种扣槽式加强筋结构，通过在加强筋之间焊接3～4 mm的钢板，构成不完全双层壁，能够有效减弱噪声。

b) 增加油箱阻尼。可在油箱内壁设置橡胶板，或者在油箱外部涂刷阻尼材料，都能够增加油箱阻尼，从而减小油箱壁的振动。

3.1.5 控制冷却系统的噪声

传统的设计方式往往尽量采用自然自冷方式。在大容量变压器中使用冷却器时，尽可能选择低噪声冷却器和低转速风扇[38]，或者采用风扇消声装置，如网状、片式、折板式消音器等，文献[2]论述了用自冷式散热器代替吹风冷却散热器或强迫油循环风冷却器，可以消除冷却系统引起的噪声。近些年，国内外的专家学者提出了一些新的设计思路。文献[39]设计了一种新型蒸发冷却系统，它可以视为2步冷却系统，能够有效地将热量从地下热源传输到组装在变压器油箱中的平行翅片管，而平行翅片管中的蒸发冷却剂吸收热量并从液体变成蒸汽，然后蒸汽在地面上的散热器中冷凝成液体。此外，冷却系统是自行循环的，不需要额外的泵或风扇，能够有效控制变压器冷却系统带来的噪声。

随着智能电网的发展，智能控制变压器噪声的设备成为研究热点。文献[40]提出一种使用包括强制油泵和风扇的智能冷却系统来控制电力变压器温度的机制，通过对变压器温度的精准监控，准确控制强制油泵和风扇，从而减少不必要的噪声。文献[41]提出一种基于可编程逻辑控制器的智能冷却系统，通过冷却库间的自动切换来消除手动变压器冷却控制系统的问题，减少变压器冷却系统造成的电能浪费，同样能够有效降低变压器噪声。

3.2 变压器噪声在传播过程中的降噪措施

控制变压器噪声的传播过程是变压器在运行过程中最主要的控制方式，使得噪声在传播过程中得到进一步衰减。下面介绍几种目前运用最为有效和广泛的控制方法。

3.2.1 采用半封闭或全封闭隔声、吸声技术

采用隔声板和吸声材料，将箱壁(半封闭结构)或整个油箱(全封闭结构)封闭起来，在其内壁铺设各种松软多孔的吸隔声材料，如多孔板、玻纤布、吸声棉、金属钢板和玻璃棉等，能大幅度降低变压器噪声。文献[42]在变压器防火墙外设置整体隔声罩(BOX-IN)，选用可拆卸式吸声隔声复合模块板[43]，可满足不同高度降噪需求。文献[8]通过实践验证了使用混凝土墙壁和屋顶降噪水平为25～30 dB，在完全密封的房间内用吸声涂料处理内部墙壁还可以大大提升降噪效果。表1总结了几种隔声和吸声方法的实际降噪效果。

表1 使用不同隔声、吸声材料的降噪措施和降噪效果Tab.1 Noise reduction measures and effects using different sound insulation and absorption materials

3.2.2 油箱底部与地面间设置减振器

在油箱底部与地面间设置减振器，避免箱底与地面间的刚性连接，使振动通过减振器发生衰减，以达到降噪的目的[33]，使用空气弹簧减震器效果更好。

3.2.3 使用弹性支撑

在变压器实际运行过程中，使用弹性支撑，减缓变压器振动通过连接结构处传播。

3.2.4 填充减振、吸声材料

文献[44]介绍了一种添加缓冲器和隔音层以降低噪声的方法。此外，以下方法均有明显效果[12]：①在铁心垫脚与箱底间放置减振橡胶；②在下铁轭与木垫块间空隙填充支撑材料；③在箱壁外两加强筋间焊接2～3 mm钢板，其间填充吸声材料。

传统的降噪方法在实际中得到了广泛的应用，多采用削弱变压器振动和传播过程降噪控制的方式，可以有效抑制高频噪声，但对低频噪声的除噪效果不甚理想。以下介绍几种新型降噪方法，可适用于各类变压器的实际应用。

3.3 有源噪声控制方法

相比无源降噪设备受成本、环境等条件的限制，有源降噪系统以控制灵活、成本低廉、安装简单且降噪效果明显的优势受到了研究者的青睐。噪声主动控制(active noise control，ANC)也被称为有源消声或有源噪声控制，属于在噪声传播路径上进行降噪的方法，最早于1933年由德国物理学家Paul Lueg提出这个概念。1980年，美国Angevine公司率先研究了变压器有源降噪的方法，其主要思路是：将若干噪声发生器安放在距变压器1 m处，这些噪声发生器将发出与变压器本体噪声相同振幅、相反相位的噪声，通过这些噪声去抵消变压器噪声，实现抑制和衰减变压器噪声的目的[45]。

控制算法作为自适应控制系统的核心，经过几十年的发展，逐渐由当初主要靠手动调节控制器来改变次级声源信号幅值和相位的模式，发展成为具有自适应能力的高效智能控制降噪系统[46]。近些年来，主要基于数字信号处理器研发了有源降噪系统。自适应算法的逐渐成熟衍生出了一系列控制策略，这些策略被广泛应用于风电等研究领域，例如在文献[47]中，提出了一种用于统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)的自适应分数阶积分终端滑模功率控制(adaptive fractional integral terminal sliding mode power controller，AFITSMPC)策略，用于补偿多机电力系统(multimachine power system，MPN)，也为有源降噪技术的发展提供了新思路。最小均方(least mean square，LMS)算法及其改进算法是常用的自适应控制算法。Hoff和Widrow于1960年提出LMS算法，该算法是应用最广泛的自适应控制算法之一，属于线性自适应算法。该算法中没有积分、平均和平方运算，具有简单和高效的优点，并通过有源降噪实验验证了其降噪有效性[48]。但在时变系统中使用时，LMS算法不稳定，收敛慢甚至发散，算法中收敛速度与稳态误差的矛盾制约了其在实际中的应用[49]。为了克服LMS算法存在的缺陷，研究者对LMS算法进行了改进，提出了归一化最小均方(normalized least mean square，NLMS)、块最小均方(block least mean square，BLMS)和滤波-x最小均方(filter-x least mean square，FXLMS)算法。

NLMS与LMS的区别主要在于[50]：计算量有一定的增加，但算法性能却有很大的改善，不管滤波器输入是否相关，NLMS算法都比LMS算法的收敛速度快很多。在输入信号变化较大时，NLMS算法也能够保持稳定性并提高收敛速度，然而就小信噪比信号而言又存在新问题。估计梯度受到很大的噪声干扰时，该算法很可能表现出发散的现象，此为算法在实际工程应用中面对的难题。针对该问题，GregoryA. Clark等人提出BLMS算法。BLMS算法具有与LMS算法类似的性能，二者的基本区别是各自实现时梯度向量估计的方法存在差异，BLMS算法的梯度向量估计更为精确。BLMS算法同样存在低稳态误差与高收敛速度的矛盾[51]。

FXLMS算法来源于LMS算法，但考虑了实际系统中次级通道对控制系统的影响。为了弥补次级通道的影响，必须对参考信号经过次级通道辨识滤波，且次级通道辨识直接影响消声效果及系统的稳定性[52-55]。

在文献[56]中，针对变压器噪声的频率主要为100 Hz及其整数倍的低频，且背景噪声相对较小这一特点，提出采用多频陷波滤波技术，在无需采用参考传声器的情况下，达到与传统前馈型系统相同的降噪量，降低了系统硬件成本，减少了占地面积。另外，其算法以变结构FXLMS算法为核心，在迭代输出滤波器权系数时采用LMS算法，与传统结构FXLMS算法相比，加快了降噪收敛速度。

3.4 基于滤波技术的换流变压器降噪方法

新型电气化设备(如电子设备、开关电源、转换器和调速器)的迅速发展使得大量非线性负载连接到电网上，导致在变压器和电动机的实际运行中，绕组励磁电压不是完整的正弦波，而是包含谐波。谐波的存在增加了电动机及变压器的额外铁损和铜损，从而改变了硅钢片的磁致伸缩性能[57]。从配电网角度出发，它们可能导致变压器的损耗显著增加[58]。

研究人员对硅钢片的磁致伸缩特性测量技术进行了深入研究，根据测量结果对电动机和变压器的振动和噪声进行分析。在文献[59]中，建立了一个测量应力下硅钢磁致伸缩的系统。研究发现，磁致伸缩和总损耗的组成不仅取决于3次谐波的占比，而且还取决于3次谐波相对于磁通密度中基波的相位延迟。日本Oita大学的Enokizono教授和英国卡迪夫大学的Philip I.Anderson基于三轴应变仪[60-61]，测量和研究了工频正弦激励信号下硅钢板的交变和旋转磁致伸缩特性。部分专家指出，各向异性的磁致伸缩特性可以提高电动机振动和噪声的计算精度[62]。芬兰学者Anouar Belahcen指出，大功率电机的磁致伸缩效应会使得电机定子铁心的振动幅度增加17%以上[63]。

换流变压器是高压直流输电站的重要设备，与传统的电力变压器一样，其噪声也主要来源于磁致伸缩效应。文献[64]分析了在有3次谐波磁场激励下无晶粒取向硅钢板的磁致伸缩特性，计算了相应的噪声分贝值，并将其应用于永磁同步电动机的仿真分析。仿真结果表明，在谐波磁场中，单硅钢片磁致伸缩引起的噪声明显增大，一台2 MW永磁同步电动机铁心的磁致伸缩量增加了18%，铁心引起的振动噪声提高了12.5%。文献[65]分析了谐波与磁致伸缩之间的相关性，结果表明电感滤波技术可以抑制变压器铁心中的谐波磁通和电网侧绕组中的谐波电流，从而使谐波磁通引起的磁心振动受到控制，减弱噪声源处的分贝值。在分析了运用感应滤波降噪的思路理论上可行之后，通过实验验证了采用感应滤波技术抑制谐波磁通能够显著降低换流变压器的振动噪声。通过增加常规的滤波支路，使铁心谐波磁通略有降低，并且还可以略微减小变压器的振动噪声。感应滤波器分支根据变压器内部谐波电位抵消的原理实现滤波功能，使铁心中的谐波通量显著下降，变压器的振动噪声大大降低。

4 结束语

随着城市化进程的不断推进、用电量的逐年增多以及环保意识的增强，变压器的环境噪声污染问题逐渐突显。本文详细介绍了变压器噪声产生的机理，总结了变压器噪声测量、控制和降低的常用方法，阐述了不同安装方式的变压器所采用的降噪方法。实际中应根据具体情况采取切实可行的降噪措施，多方案优化比选，从而达到噪声治理目的。

现有的变压器降噪思路主要为在噪声源发生处减振和在噪声传播过程中削弱声能量。降噪方法大多基于减弱振动和阻断传播途径，对低频噪声的抑制效果有限，不仅难以进行定量分析，也不能广泛运用在各种变压器的实际运行环境中。同时由于从变压器本体入手，在实施安装以及后期的检修维护中都极不方便，难以大规模投入应用。新型的有源降噪技术以控制佳、易安装和低频抑制效果好等优势成为变压器降噪领域的研究热点，也恰好弥补了被动降噪技术的不足。根据变压器噪声的产生机理，优化变压器铁心和绕组结构，从而降低变压器本体的噪声水平，是降低变压器噪声等级最有效的方法。但是由于生产技术以及制造成本的局限，并不能取得预期的降噪效果，对已有变压器的降噪也没有实际意义。

近些年，大量学者在变压器噪声和振动方面进行了许多研究，但关于谐波磁通对变压器噪声的影响方面的研究工作还非常欠缺。通过滤除电网中的谐波来实现降噪的理论，为变压器降噪提供了新的发展思路。由于电网中的谐波是产生噪声的重要因素，通过滤波技术抑制变压器铁心中的谐波磁通和电网侧绕组中的谐波电流同样在降噪领域拥有广阔的发展空间。