220 kV電力變壓器輻射噪聲特性仿真分析

陳傳敏，馮洪達(dá)，郭兆楓，王哲倫

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引言

電力變壓器是變電站的重要設(shè)備,隨著電力傳輸?shù)碾妷旱燃?jí)連續(xù)增加，其噪聲值也持續(xù)增大。為了確保居民生活不受噪聲的干擾，需要對(duì)電力變壓器的降噪進(jìn)行更多的研究。

首先變壓器主要包含鐵心、繞組及變壓器組件等[1]。鐵心硅鋼片因磁致伸縮而引起的振動(dòng)，接縫部位因交變電磁吸力產(chǎn)生的摩擦和碰撞,以及繞組中電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電動(dòng)力使繞組振動(dòng)是電力變壓器主要的噪聲來(lái)源[2-4]。莫娟等[5]使用LMS大型聲學(xué)軟件建立了變壓器油箱的聲場(chǎng)計(jì)算模型,并基于間接邊界元理論對(duì)大型電力變壓器油箱的輻射噪聲進(jìn)行預(yù)估研究,最后通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出的噪聲預(yù)估方法對(duì)預(yù)估變壓器油箱輻射噪聲聲場(chǎng)是有效可行的,但是該方法只是針對(duì)低頻噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，并未對(duì)高頻噪聲展開(kāi)分析。龔宜祥等[6]應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench和聲學(xué)軟件Virtual.Lab Acoustics對(duì)220 kV變壓器輻射噪聲進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算出了變壓器的輻射噪聲，而且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其仿真結(jié)果，然而該研究只是針對(duì)距變壓器表面1 m處的噪聲進(jìn)行的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，沒(méi)有對(duì)距離更遠(yuǎn)處的噪聲輻射情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。由于對(duì)距離變壓器較遠(yuǎn)處的輻射噪聲的研究鮮見(jiàn)，讀者不能準(zhǔn)確地了解其特性，因此本文針對(duì)該問(wèn)題對(duì)220 kV電力變壓器進(jìn)行仿真計(jì)算。

本文分析了電力變壓器振動(dòng)和噪聲傳播的機(jī)理，運(yùn)用ANSYS Workbench和聲學(xué)軟件LMS Virtual.Lab對(duì)變壓器輻射噪聲進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行預(yù)測(cè)，該仿真計(jì)算可為變壓器振動(dòng)以及噪聲控制提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 變壓器振動(dòng)特性

1.1 變壓器振動(dòng)

變壓器的容量、硅鋼片的質(zhì)量和磁通密度是影響變壓器本體噪聲的主要因素。此外，諧波、繞組中的直流偏磁以及變壓器的制造工藝等原因也會(huì)對(duì)變壓器本體噪聲產(chǎn)生一定的影響。目前已知的變壓器噪聲源主要有3種，分別為：(1)鐵心的振動(dòng)，主要是由硅鋼片的磁致伸縮，以及其連接處和疊片之間的電磁力引起的。在硅鋼片連接處和疊片之間的振動(dòng)比硅鋼片的振動(dòng)要小得多，因而可以認(rèn)為鐵心的振動(dòng)主要取決于硅鋼片的磁致伸縮；(2)繞組的振動(dòng),當(dāng)有負(fù)載電流流經(jīng)繞組時(shí)，負(fù)載電流產(chǎn)生的電磁力引發(fā)的繞組振動(dòng)；(3)油箱壁的振動(dòng),因磁通的泄露引起油箱壁的振動(dòng)[7]。

磁致伸縮的變化周期一般是電源頻率的半個(gè)周期，因此，變壓器本體產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲是電源頻率的整數(shù)倍[5-6]。由于磁致伸縮，鐵心振動(dòng)的原因有一定隨機(jī)性，比如鐵軛和多級(jí)鐵心柱的相應(yīng)級(jí)截面尺寸不一致,以及鐵心內(nèi)外框磁力路徑的長(zhǎng)短差異等。因此，此處除了有基于工頻整數(shù)倍的振動(dòng)噪聲之外，還有以工頻整數(shù)倍為基礎(chǔ)的高頻附加振動(dòng)。由此可知變壓器的磁致伸縮產(chǎn)生的不僅僅是低頻的振動(dòng)噪聲，還有以工頻為基頻的高頻噪聲[8]。

1.2 變壓器噪聲的傳播

變壓器的本體噪聲主要是由磁致伸縮產(chǎn)生的鐵心的振動(dòng)，通電繞組的振動(dòng)，以及磁通的泄漏引起的油箱壁的振動(dòng)產(chǎn)生的。變壓器的本體噪聲會(huì)通過(guò)兩種方式向外傳播，一方面是通過(guò)固體傳播，由鐵心振動(dòng)依次傳遞到墊腳、緊固件、油箱、變壓器組件并向外傳播；另一方面是通過(guò)液體傳播，由繞組振動(dòng)依次傳遞到絕緣油、油箱并向外傳播，這兩條途徑最終都會(huì)使油箱壁振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲[9]。本文將針對(duì)變壓器振動(dòng)的特性展開(kāi)噪聲輻射特性分析。

2 電力變壓器的噪聲仿真輻射預(yù)測(cè)方法

2.1 仿真分析方法

在聲學(xué)領(lǐng)域中，仿真分析方法已成為理論和實(shí)踐研究之外的第三種方法，這種方法是研究變壓器噪聲的重要手段[10-12]。聲學(xué)仿真計(jì)算方法包括聲學(xué)有限元法(Harmonic Acoustic FEM)[13-15]、聲學(xué)邊界元法(Harmonic Acoustic BEM)[16]、聲線法[17-18]等，每種方法有其各自的特點(diǎn)。

本文計(jì)算變壓器的輻射噪聲屬于變壓器的外聲場(chǎng)，因此選用直接邊界元法，使用ANSYS軟件對(duì)輻射噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算, 其中聲學(xué)模塊的設(shè)置如圖1、圖2所示(Edit the Modal Type Definition)。

圖1 ANSYS中聲學(xué)模塊設(shè)置界面Fig.1 Setting interface of acoustic module in ANSYS圖2 ANSYS中聲學(xué)模塊屬性設(shè)置界面Fig.2 Attribute setting interface of acoustic module in ANSYS

2.2 直接邊界元法仿真原理

在已知仿真處理的結(jié)構(gòu)振動(dòng)的位移或速度的情況下，直接邊界元法是對(duì)聲輻射分析的有效方法之一[19-21]，而且直接邊界元法已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲輻射分析領(lǐng)域[22-23]。在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下，密封振動(dòng)結(jié)構(gòu)在流體介質(zhì)中產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)輻射聲壓p滿足Helmholtz微分方程、流固界面條件及Sommerfeld輻射條件：

2p+k2p=0 .

(1)

(2)

(3)

式中，k=ω/c為波數(shù)，c為流體介質(zhì)中的聲速；n為結(jié)構(gòu)表面S的外法向單位矢量；ω為角頻率；ρ為流體介質(zhì)密度；Vn為結(jié)構(gòu)表面S的外法向振速；|r|=X-Y，X為結(jié)構(gòu)表面S上任意點(diǎn)，Y為空間中任意點(diǎn)。

方程(1)的基本解自由場(chǎng)格林函數(shù)為：

G(X,Y)=e-kr/4πr.

(4)

考慮邊界條件，對(duì)式(1)使用加權(quán)殘值法并利用格林函數(shù)，可得到利用聲壓p(Y)與法向振速Vn表示的Helmholtz直接邊界積分方程[24]:

(5)

式中，α為表面角系數(shù)，若Y在結(jié)構(gòu)表面上，α=1/2；若Y為場(chǎng)點(diǎn)(Y?S)，α=1。

將結(jié)構(gòu)表面S劃分成M個(gè)邊界單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為K。依次將每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源點(diǎn)，對(duì)式(7)在結(jié)構(gòu)表面(Y∈S)進(jìn)行離散，即可得直接法邊界元求解方程：

[A]{p}=[B]{Vn} .

(6)

式中， [A]和[B]為影響系數(shù)矩陣,{p}為結(jié)構(gòu)表面節(jié)點(diǎn)聲壓向量，{Vn}為結(jié)構(gòu)表面節(jié)點(diǎn)法向速度向量。[A]、[B]為K×K階復(fù)系數(shù)方陣，與結(jié)構(gòu)表面形狀、尺寸及插值型函數(shù)有關(guān)，并且它是激勵(lì)頻率ω的函數(shù)。

一般情況下，式(6)中{Vn}已知，即邊界條件為由式(2)中的小振幅運(yùn)動(dòng)邊界條件，一般用有限元法求得，[A]、[B] 取決于結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，由式(5)確定，則結(jié)構(gòu)表面節(jié)點(diǎn)聲壓向量{p}可求。在已知{p}、{Vn}的情況下，聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)Y(Y?S)的聲壓為：

pY={a}T{p}+T{Vn} .

(7)

式中，{a}和為插值系數(shù)向量，與密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀和設(shè)計(jì)域點(diǎn)的位置有關(guān)，可由式(5)確定。

2.3 220 kV電力變壓器的模型建立

首先建立變壓器仿真模型，如圖3所示，因?yàn)楸疚哪壳爸会槍?duì)變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲傳播進(jìn)行仿真分析，所以對(duì)實(shí)際220 kV電力變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略其中散熱片、套管和油枕等外部設(shè)備，將變壓器簡(jiǎn)化為一個(gè)立方體模型。由于立方體上方的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且其上方通常不站人，因此忽略立方體上方噪聲輻射的影響，最后簡(jiǎn)化完成后的模型應(yīng)與原變壓器的模型尺寸一致。然后利用ANSYS workbench建立變壓器的簡(jiǎn)化模型，并賦予相應(yīng)的材料屬性，如圖4所示，然后將建立好的仿真模型導(dǎo)入到聲學(xué)邊界元軟件LMS Virtual.Lab中，進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分和輻射聲場(chǎng)仿真計(jì)算。

將變壓器簡(jiǎn)化模型的五個(gè)表面(除底面)作為輻射噪聲的發(fā)聲源，然后將處理后的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab中，把這些數(shù)據(jù)作為變壓器輻射聲場(chǎng)的邊界條件，最后仿真計(jì)算出變壓器輻射聲場(chǎng)的分布情況，進(jìn)而計(jì)算出輻射聲功率。并且將聲傳播介質(zhì)設(shè)為空氣，特征阻抗為418.2 kg/(m2·s)，變壓器簡(jiǎn)化模型的底面中心在球心位置。計(jì)算輻射聲功率的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格如圖5所示。

2.4 變壓器簡(jiǎn)化模型的噪聲輻射仿真分析計(jì)算

對(duì)導(dǎo)入LMS Virtual.Lab的變壓器簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真計(jì)算，電力變壓器的主要噪聲頻率集中在100～1 000 Hz之間，選取中間100 Hz，400 Hz，700 Hz，1 000 Hz四個(gè)頻率為主要計(jì)算點(diǎn)，最后得出不同頻率下的噪聲輻射聲壓云圖，如圖6所示。

計(jì)算完成后，從輻射聲壓分布云圖中可以看出變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲輻射分布不均勻，并且聲壓級(jí)分布也相差較大。由圖6顯示，隨著聲源頻率的不斷增加，噪聲輻射的聲壓分布云圖越來(lái)越不規(guī)律，噪聲值也依次增大。當(dāng)頻率為100 Hz時(shí)，噪聲輻射聲壓分布云圖的噪聲分布相對(duì)較均勻，不同的聲壓級(jí)均有大面積的聲壓區(qū)域出現(xiàn)，變壓器中部出現(xiàn)的極小部位的噪聲為15 dB，在噪聲輻射場(chǎng)的底部噪聲最大值為70.7 dB。當(dāng)頻率為400 Hz，700 Hz和1 000 Hz時(shí)不同的聲壓級(jí)相互交錯(cuò)，噪聲最大值分別達(dá)到了83.1 dB，82.1 dB和93.5 dB，最小值分別為35.5 dB，25.1 dB和22.1 dB，噪聲值的跨度較大。并且隨著聲源頻率的增大，變壓器室室外的輻射聲壓云圖中聲壓級(jí)的分布沒(méi)有明顯規(guī)律，聲壓云圖的不規(guī)律現(xiàn)象表明變壓器的聲衍射現(xiàn)象非常強(qiáng)烈，從四張圖的變化中可以看出，在400 Hz至700 Hz時(shí)，噪聲平均值略高于另外兩張圖。

2.5 噪聲輻射分析仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)聲學(xué)仿真計(jì)算后，得到變電站聲輻射聲壓云圖。為了更好地反映輻射面上的聲壓值，按照國(guó)家振動(dòng)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇測(cè)點(diǎn)，計(jì)算出距變壓器表面3 m，5 m，10 m處，4個(gè)側(cè)面1/3高度上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)分布如圖7所示。計(jì)算出各點(diǎn)處的噪聲值，提取出各測(cè)點(diǎn)變壓器噪聲仿真值如圖8所示。

從圖8中可以看出，相同高度、不同距離的變壓器產(chǎn)生的噪聲頻譜主要集中在中低頻，并且100 Hz，200 Hz，400 Hz和800 Hz四個(gè)頻段是變壓器噪聲主要集中區(qū)。當(dāng)?shù)竭_(dá)1 000 Hz之后，噪聲聲壓級(jí)明顯下降。該結(jié)果與當(dāng)前學(xué)者的研究成果相吻合，低頻噪聲與高頻噪聲的聲壓級(jí)不同，而且同樣具有繞射性和穿透性。通過(guò)對(duì)變壓器的噪聲頻譜分析，可以在變電站內(nèi)設(shè)置一些聲屏障或建設(shè)一些建筑物，這些建筑對(duì)高頻噪聲有較好的降噪效果，但是這類措施對(duì)于低頻噪聲沒(méi)有明顯的效果。由分析可知，變電站內(nèi)主要噪聲污染是低頻噪聲。

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立變壓器的仿真模型來(lái)計(jì)算變壓器的噪聲輻射特性，運(yùn)用LMS Virtual. Lab聲學(xué)仿真軟件與ANSYS Workbench相結(jié)合的方法進(jìn)行聲學(xué)仿真分析。本次研究分析了電力變壓器的整體結(jié)構(gòu)特性，并模擬了變壓器的噪聲輻射。

研究結(jié)果表明，在同一高度下，隨著測(cè)點(diǎn)與變壓器距離的增加，在聲源激振頻率下，各觀測(cè)點(diǎn)的聲壓值都有一定程度的下降。當(dāng)傳播距離不斷增大時(shí)，中高頻的聲壓級(jí)衰減較多；且當(dāng)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的激振頻率增加時(shí)，其聲壓值也有明顯的增加。在個(gè)別頻率上出現(xiàn)了聲壓值下降的情況，說(shuō)明在這些頻率上，所研究的測(cè)點(diǎn)處聲源產(chǎn)生的輻射聲場(chǎng)因?yàn)槁暡ǒB加而產(chǎn)生了一定的抵消作用。最后通過(guò)不同頻率下的輻射聲壓云圖得知每個(gè)頻率下的聲衍射強(qiáng)烈程度及聲壓值大小，隨著頻率的增加，噪聲越來(lái)越渾濁，用單一的降噪方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可采用隔聲、吸聲和消聲的方法綜合進(jìn)行治理，制定相應(yīng)的降噪方案，以達(dá)到噪聲的排放標(biāo)準(zhǔn)。本研究可為電力變壓器減振降噪提供理論參考。