110 kV油浸式電力變壓器噪聲抑制措施研究

， ，，

(1.阜陽(yáng)市第一高級(jí)職業(yè)中學(xué)，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.天富西熱電廠，新疆 石河子 832000；3.特變電工新疆變壓器廠，新疆 昌吉 831100； 4.中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源研究所，江蘇 南京 210003)

110 kV油浸式電力變壓器噪聲抑制措施研究

潘軍1，王瑋2，徐斌山3，楊青斌4

(1.阜陽(yáng)市第一高級(jí)職業(yè)中學(xué)，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.天富西熱電廠，新疆 石河子 832000；
3.特變電工新疆變壓器廠，新疆 昌吉 831100； 4.中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源研究所，江蘇 南京 210003)

居民區(qū)和商業(yè)區(qū)附近110 kV油浸式電力變壓器高分貝噪聲污染已成為影響人們生活質(zhì)量的一個(gè)突出問題。為此，在深入分析變壓器本體噪聲與非本體噪聲產(chǎn)生及輻射機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種融合鐵心優(yōu)化、繞組預(yù)緊力優(yōu)化及箱壁增設(shè)隔音與吸音材料的110 kV油浸式電力變壓器噪聲綜合控制與抑制方法。鐵心優(yōu)化與繞組預(yù)緊力優(yōu)化從源頭上降低變壓器噪聲產(chǎn)生水平，箱壁增設(shè)隔音與吸音材料阻隔變壓器噪聲輻射。搭建的110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法的正確性與可行性。

變壓器噪聲；鐵心優(yōu)化；繞組預(yù)緊力；噪聲阻隔

0 引 言

近年來，愈來愈多的110 kV變電站建設(shè)于居民區(qū)和商業(yè)區(qū)附近，由于人們認(rèn)知水平與環(huán)保意識(shí)的提高，使得先前滿足JB/T 10088-2004《6～500 kV級(jí)電力變壓器聲級(jí)》噪聲要求的110 kV電力變壓器難以滿足用戶對(duì)噪聲抑制的要求。因此，研究110 kV電力變壓器噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、控制與抑制措施以及開發(fā)可工程化應(yīng)用的電力變壓器降噪實(shí)施方法與工藝已成為亟待解決的難題。

針對(duì)110 kV電力變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理、噪聲控制與抑制策略及開發(fā)可工程化應(yīng)用的電力變壓器降噪手段和工藝，國(guó)內(nèi)外專家與學(xué)者的研究焦點(diǎn)主要集中于以下幾個(gè)方面：1)基于110 kV油浸式電力變壓器和干式變壓器的工作機(jī)理，深入探討與分析電力變壓器噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、過程及主要影響因素[1-10]；2)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，從改善電力變壓器鐵心構(gòu)造、線圈排列、各組件有序裝接以及變壓器殼體外采用降噪及消音等措施，開發(fā)可工程化與商業(yè)化應(yīng)用的大容量電力變壓器噪聲控制與抑制方法以及生產(chǎn)工藝[4-7,11-18]；3)基于大容量電力變壓器噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，研究可反映變壓器實(shí)際噪聲水平的噪聲測(cè)試方法和手段[19-22]；4)依據(jù)電力變壓器多運(yùn)行場(chǎng)景的噪聲產(chǎn)生過程及機(jī)理，研究依賴于噪聲特征分析的大容量電力變壓器故障診斷措施與方法[23]；5)研究應(yīng)用于電冶、電解、電鍍、直流傳動(dòng)等工業(yè)場(chǎng)景的特殊類型變壓器的噪聲產(chǎn)生機(jī)理以及控制與抑制手段[24]。

上述文獻(xiàn)雖然就大容量電力變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理及控制或抑制方法進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列重要成果，但鮮有針對(duì)廣泛應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)中的110 kV電力變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理及噪聲控制或抑制進(jìn)行詳細(xì)的分析與研究，而且研究結(jié)論多偏重于“概念解說”或“定性因果關(guān)系推導(dǎo)”，缺乏強(qiáng)有力的理論支撐，難以大規(guī)模商業(yè)化推廣與普及。為此，在深入分析變壓器本體噪聲與非本體噪聲產(chǎn)生及輻射機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種融合鐵心優(yōu)化和箱壁增設(shè)隔音與吸音材料且可工程化應(yīng)用的110 kV油浸式電力變壓器噪聲綜合控制與抑制方法。該方法不僅通過了LSND軟件平臺(tái)的仿真驗(yàn)證，而且還通過了所搭建的110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

1 110 kV油浸式電力變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

基于文獻(xiàn)[1-2]研究結(jié)論，110 kV大容量油浸式電力變壓器的噪聲可大致分為兩類：1)各類型大容量電力變壓器均存在的由鐵心、繞組及油箱振動(dòng)而引起的變壓器本體噪聲；2)由冷卻系統(tǒng)中廣泛使用的冷卻風(fēng)扇、冷卻油循環(huán)泵及水冷卻器引起的變壓器非本體噪聲。

1.1本體噪聲及影響因素

110 kV大容量油浸式電力變壓器本體噪聲產(chǎn)生的根本原因在于鐵心硅鋼片磁致伸縮引起的變壓器噪聲、負(fù)載電流變化引起的鐵心振動(dòng)噪聲、漏磁引起的振動(dòng)噪聲、鐵心電磁力引起的振動(dòng)噪聲、直流偏磁引起的振動(dòng)噪聲以及箱壁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

在上述因素中，負(fù)載電流變化引起的鐵心振動(dòng)噪聲主要由電力變壓器所載負(fù)荷變化特征所決定；直流偏磁引起的振動(dòng)噪聲多由太陽(yáng)磁暴的發(fā)生規(guī)律以及交直流混聯(lián)的電力能源互聯(lián)互通運(yùn)行方式所決定，而且隨著大容量變壓器現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的改進(jìn)鐵心漏磁引發(fā)的振動(dòng)噪聲已降到極低程度。因此，110 kV大容量油浸式電力變壓器本體噪聲產(chǎn)生的主要因素為鐵心硅鋼片磁致伸縮、電磁力引起的鐵心振動(dòng)以及箱壁振動(dòng)等。

1.2非本體噪聲及影響因素

為保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠工作，大容量電力變壓器需配置合適的冷卻裝置，而冷卻裝置的高速旋轉(zhuǎn)與冷卻油的流動(dòng)引起的振動(dòng)構(gòu)成了110 kV大容量油浸式電力變壓器的非本體噪聲。

由于冷卻裝置風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)以及冷卻油的不間斷流動(dòng)引起的變壓器噪聲，可通過冷卻風(fēng)機(jī)容量、臺(tái)數(shù)及布點(diǎn)位置的優(yōu)化得到有效降低[19]，因此110 kV大容量油浸式電力變壓器非本體噪聲的主要影響因素為冷卻裝置與箱壁間的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)或連接基礎(chǔ)。

2 110 kV油浸式電力變壓器噪聲抑制措施

基于對(duì)上述大容量油浸式電力變壓器噪聲產(chǎn)生機(jī)理及各因素分析，采用一種融合鐵心優(yōu)化、繞組夾緊力優(yōu)化以及箱壁增設(shè)隔音與吸音材料的110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲綜合控制與抑制方法，最大程度地降低其噪聲的產(chǎn)生與輻射水平。

2.1變壓器鐵心降噪措施

所采用的110 kV大容量油浸式電力變壓器鐵心降噪措施主要包括以下幾個(gè)方面：1)選用硅含量適中的硅鋼片加工出磁致伸縮較低的變壓器鐵心；2)鐵心疊片過程中，在鐵心片中增加減震腳墊，減小變壓器運(yùn)行中鐵心振幅；3)變壓器鐵心出尖處增設(shè)包角，降低變壓器出尖處噪聲產(chǎn)生。

2.1.1 選用硅含量適中的硅鋼片以降低變壓器鐵心噪聲

大量研究表明，磁致伸縮ε決定了電力變壓器中硅鋼片的周期性伸縮與振動(dòng)，過大的或不當(dāng)?shù)拇胖律炜sε將使電力變壓器中硅鋼片間、硅鋼片與鐵心主體間產(chǎn)生較為明顯的機(jī)械振動(dòng)，而硅鋼片的磁致伸縮主要取決于硅的含量與晶粒取向。為盡可能地降低電力變壓器中硅鋼片的磁致伸縮所帶來的變壓器鐵心振動(dòng)，選用含硅量約6.5 wt%的型號(hào)為30ZH120的硅鋼片來加工制造110 kV大容量電力變壓器鐵心。該型硅鋼片卷為冷軋無(wú)取向型，具有較低的鐵損值，較強(qiáng)磁場(chǎng)下磁感應(yīng)強(qiáng)度高，表面光滑、平整、厚度均勻及表面絕緣膜的附著性與焊接性良好，其主要性能及與其他型號(hào)硅鋼片對(duì)比如表1所示。

表1 30ZH120硅鋼片卷主要性能參數(shù)

2.1.2 鐵心疊片過程中添加減震腳墊

在鐵心疊裝傳統(tǒng)工藝過程中，多硅鋼片直接疊裝壓制成變壓器鐵心，磁致伸縮致使的硅鋼片變形力使硅鋼片間直接相互作用，引起變壓器鐵心較大振動(dòng)[11-12]。為克服上述問題，將多硅鋼片間(60 mm厚度左右)增設(shè)一層0.5 mm厚的丁晴橡膠，用以降低因磁致伸縮致使的硅鋼片間相互作用力，減輕大容量電力變壓器噪聲，圖1為110 kV大容量油浸式電力變壓器鐵心硅鋼片間增設(shè)丁晴橡膠示意圖。

圖1 變壓器鐵心硅鋼片間增設(shè)丁晴橡膠示意圖

2.1.3 鐵心疊片過程中鐵心步進(jìn)級(jí)數(shù)優(yōu)化

圖2為大容量油浸式電力變壓器鐵心采用單級(jí)步進(jìn)與多級(jí)步進(jìn)時(shí)其噪聲水平與磁通密度間的關(guān)系曲線。分析可知，在相同磁通密度條件下，鐵心采用多級(jí)步進(jìn)方式可顯著降低大容量油浸式電力變壓器噪聲與輻射水平，例如在磁通密度為1.7 T處，相比單級(jí)步進(jìn)方式，鐵心采用多級(jí)步進(jìn)方式時(shí)變壓器噪聲可降低2.5 dB(A)。進(jìn)一步基于大容量電力變壓器生產(chǎn)實(shí)踐，這里采用硅鋼片互錯(cuò)5 mm的5級(jí)步進(jìn)方式降低110 kV大容量油浸式電力變壓器鐵心的噪聲水平。

圖2 不同步進(jìn)方式時(shí)變壓器鐵心噪聲與其磁通密度關(guān)系

2.1.4 鐵心出尖處增設(shè)包角

大容量油浸式電力變壓器在實(shí)際運(yùn)行中，由于漏磁的存在其鐵心出尖處(諸如拐角或不平整之處)易出現(xiàn)較大幅度的振動(dòng)，產(chǎn)生較大幅值噪聲。為緩解上述問題，將變壓器鐵心的各出尖處增設(shè)包角，將鐵心四角出尖處產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效的降低與隔離。其中，包角為一種兩層1 mm絕緣紙板間夾一層6 mm耐油減震膠板的共計(jì)8 mm的降噪與隔噪物質(zhì)。圖3為110 kV大容量油浸式電力變壓器鐵心出尖處增設(shè)包角示意圖。

2.2變壓器繞組降噪措施

大容量電力變壓器在實(shí)際運(yùn)行中受安培力特性約束，其繞組間、線餅間、線匝間產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電磁力，引起繞組振動(dòng)從而產(chǎn)生噪聲。圖4為相同信號(hào)激勵(lì)作用下不同預(yù)緊力時(shí)無(wú)鐵心繞組噪聲輻射曲線。分析可知：1)在相同頻率激勵(lì)信號(hào)作用下，較低的預(yù)緊力致使繞組結(jié)構(gòu)松散，墊片的剛度減小，其振動(dòng)幅值增大，產(chǎn)生的噪聲增大；2)隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的增大，繞組振動(dòng)加速度呈先增大后降低的趨勢(shì)，說明在控制繞組振動(dòng)時(shí)應(yīng)注意其固有振動(dòng)頻率，避免其與鐵心或箱體產(chǎn)生共振，致使電力變壓器噪聲激增。

圖3 變壓器鐵心出尖處增設(shè)包角示意圖

圖4 繞組振動(dòng)加速度與預(yù)緊力關(guān)系曲線

因此，為盡可能降低因漏磁引發(fā)的繞組振動(dòng)，110 kV大容量油浸式電力變壓器繞組采用100%預(yù)緊力，可控制其噪聲輻射水平。

2.3增設(shè)隔音與吸音材料降噪措施

因磁致伸縮引發(fā)的鐵心振動(dòng)與因漏磁引發(fā)的繞組振動(dòng)主要通過鐵心主體與箱壁連接機(jī)構(gòu)和冷卻油流動(dòng)兩種途徑傳遞給變壓器箱壁，引發(fā)箱壁振動(dòng)，致使變壓器向四周輻射噪聲。因此，有效地對(duì)變壓器鐵心與繞組振動(dòng)傳遞進(jìn)行衰減以及在變壓器箱壁內(nèi)外增設(shè)吸音與隔音材料，將會(huì)較大幅度地降低110 kV電力變壓器的噪聲輻射水平。

2.3.1 變壓器主體與箱壁剛性連接機(jī)構(gòu)增設(shè)金屬橡膠減震墊片

大容量油浸式電力變壓器主體與箱壁主要通過鐵心夾件和器身定位組件進(jìn)行接連，因此合理優(yōu)化機(jī)械連接機(jī)構(gòu)是有效降低變壓器鐵心與繞組能量傳遞的可靠手段。圖5為用于替換變壓器主體與箱壁剛性連接機(jī)構(gòu)的金屬橡膠減震墊片。其為經(jīng)過洗絲、燒絲、拉伸、毛坯編織模壓成型的一種帶有無(wú)數(shù)小孔的、金屬性阻尼材料，且具有與普通橡膠制品相似的外觀與彈性。

2.3.2 變壓器油箱壁隔音與吸音材料

大容量油浸式電力變壓器油箱鐵心與繞組振動(dòng)亦通過冷卻油流動(dòng)方式傳遞給箱壁，引起箱壁振動(dòng)與噪聲輻射。因此，合理增設(shè)隔音與吸音材料是有效降低110 kV油浸式電力變壓器噪聲輻射的有效途徑之一。

1)油箱內(nèi)壁增設(shè)隔音與吸音材料

圖6為110 kV大容量油浸式電力變壓器油箱內(nèi)壁增設(shè)的厚度0.8～4.0 mm的純木漿絕緣紙板示意圖。該型絕緣紙板具有顯著的吸音與隔音功能，可長(zhǎng)期耐溫105℃，主要鋪設(shè)于變壓器油箱內(nèi)壁的前后墻壁處。

圖6 變壓器油箱內(nèi)壁增設(shè)絕緣紙板示意圖

2)油箱外壁增設(shè)隔音與吸音材料

為提升變壓器油箱壁較高的機(jī)械強(qiáng)度與較快的散熱效率，在110 kV大容量油浸式電力變壓器油箱外壁布置了大量的加強(qiáng)拱，用于增強(qiáng)其箱壁的機(jī)械強(qiáng)度與散熱效率。因此，油箱外壁加強(qiáng)拱的合理利用亦可一定程度上降低其噪聲的輻射水平。

圖7為110 kV大容量油浸式電力變壓器油箱外壁加強(qiáng)拱灌沙示意圖。其中，圖7(a)為大容量油浸式電力變壓器油箱外壁加強(qiáng)拱傳統(tǒng)灌沙方式，圖7(b)為所采用的變壓器油箱外壁加強(qiáng)拱灌沙方式。分析可知，相比油箱外壁加強(qiáng)拱傳統(tǒng)灌沙方式，所采用的110 kV大容量油浸式電力變壓器油箱外壁加強(qiáng)拱灌沙方式可大幅度地增加灌沙面積與灌沙量，更大幅度地對(duì)傳遞至油箱外壁的振動(dòng)能量進(jìn)行衰減吸收，降低變壓器噪聲輻射水平。

圖7 變壓器油箱外壁加強(qiáng)拱灌沙示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證所提出的融合鐵心優(yōu)化、繞組夾緊力優(yōu)化以及箱壁增設(shè)隔音與吸音材料的110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲綜合控制與抑制方法的正確性與工程化可行性，依據(jù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中型號(hào)為SZ-63000/110的變壓器技術(shù)參數(shù)，基于變壓器生產(chǎn)平臺(tái)搭建了110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，如圖8所示。

圖8 電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在上述110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，變壓器噪聲測(cè)試點(diǎn)為6個(gè)，各測(cè)試點(diǎn)與變壓器箱體水平距離為0.3 m，與地面垂直高度取1.8 m，噪聲測(cè)試結(jié)果為6個(gè)測(cè)試點(diǎn)噪聲平均值，圖9為測(cè)試點(diǎn)分布俯視圖。

圖9 變壓器噪聲測(cè)試點(diǎn)分布俯視圖

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表2 各降噪措施對(duì)變壓器噪聲控制與抑制影響

表2為所提出的變壓器各種降噪措施對(duì)110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制的結(jié)果。分析可知：在同一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，所提出的鐵心降噪、繞組降噪及增設(shè)隔音與吸音材料的變壓器噪聲控制與抑制措施均可使110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲輻射水平得到降低，說明所提出的各種變壓器噪聲抑制措施是正確的、可行的，表明上述噪聲抑制措施適用于110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲的抑制。

表3為所提出變壓器綜合降噪措施對(duì)110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制影響。分析可知：所提出的變壓器噪聲綜合抑制措施是正確的、可行的，并且可有效抑制110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲的產(chǎn)生與輻射水平。

表3 變壓器綜合降噪措施對(duì)變壓器噪聲控制與抑制影響

4 結(jié) 論

在深入分析變壓器本體噪聲與非本體噪聲產(chǎn)生及輻射機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種融合鐵心優(yōu)化、繞組夾緊力優(yōu)化及箱壁增設(shè)隔音與吸音材料的110 kV油浸式電力變壓器噪聲綜合控制與抑制方法。鐵心優(yōu)化與繞組夾緊力優(yōu)化從源頭上降低變壓器振動(dòng)，變壓器主體與箱壁連接機(jī)構(gòu)采用金屬橡膠減震墊片以及箱壁增設(shè)隔音與吸音材料阻隔變壓器噪聲輻射。搭建的110 kV大容量油浸式電力變壓器噪聲控制與抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了所提出的變壓器降噪措施的正確性與可行性。

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The high-decibel noise pollution from 110 kV oil-immersed power transformers nearby residential areas and business districts has become a prominent issue for people′s life quality. After analyzing the transformer body noise and non-body noise and its radiation mechanism, a new comprehensive control and suppression method for the noise of 110 kV oil-immersed power transformers is proposed by compromising core optimization and winding pre-tightening force optimization and adding sound insulation and absorption materials on the wall of boxes. Core optimization and winding pre-tightening force optimization can reduce the level of transformer noise from the source, and Adding the sound insulation and absorption materials on the wall of boxes can obstruct transformer noise radiation. The established noise control and suppression model for 110 kV high-capacity oil-immersed power transformers verifies the effectiveness and feasibility of the proposed method.

transformer noise; core optimization; winding pre-tightening force; noise obstruction

TM411

：A

：1003-6954(2017)04-0053-06

2017-03-29)

潘 軍(1982)，本科，研究方向?yàn)殡姎夤こ誊浖_發(fā)及應(yīng)用； 王 瑋(1985)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)控制與保護(hù)； 徐彬山(1984)，助理工程師，研究方向?yàn)樽儔浩鲀?yōu)化設(shè)計(jì)； 楊青斌(1988)，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及其并網(wǎng)檢測(cè)研究。