間諧波下變壓器鐵心振動噪聲特性的實驗研究

李慧奇，閆長祺，楊 光，馬 超

(1.華北電力大學(xué) 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)山西省電力有限公司太原供電分公司，太原 030012)

電力間諧波是指任何頻率不是基頻整數(shù)倍的諧波，并通常將頻率小于基頻的間諧波稱為次諧波[1-2]，常見的主要來源有非線性負載、變頻器調(diào)速裝置以及風(fēng)力發(fā)電機組的次同步振蕩[3]等。其中常見非線性負載產(chǎn)生的間諧波頻率為0～50 Hz；變頻裝置產(chǎn)生的間諧波頻率為與輸入和輸出側(cè)頻率之和或差相關(guān)的離散值；風(fēng)電機組次同步振蕩產(chǎn)生的間諧波頻率一般小于同步頻率50 Hz.變壓器作為電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，一定會受到間諧波的影響，間諧波的存在不僅會使變壓器鐵心提前飽和，勵磁電流嚴重畸變，同時還會造成振動加劇，噪聲異常增大等問題。

目前，國內(nèi)外的很多學(xué)者對于變壓器振動噪聲開展了大量的研究工作。WEISER et al[4]通過實驗研究，得出變壓器產(chǎn)生振動噪聲的主要原因是鐵心磁致伸縮現(xiàn)象；祝麗花等[5-8]通過數(shù)學(xué)建模和實驗分析，分別研究了在正弦以及直流偏磁條件下變壓器鐵心的振動噪聲；魏亞軍等[9-13]通過物理場耦合軟件仿真了變壓器和電抗器的振動噪聲數(shù)值。但是，有關(guān)間諧波對電力變壓器影響方面的研究還很少，因此研究變壓器鐵心在間諧波作用下的振動噪聲特性具有十分重要的意義。

本文通過實驗研究了間諧波對變壓器鐵心振動噪聲的影響。按照實際變壓器鐵心制造工藝，制作了由取向硅鋼片疊制的鐵心模型，分別進行了工頻正弦和含間諧波激勵下的振動和噪聲實驗，分析并總結(jié)了間諧波頻率和含量對振動、噪聲特性的影響規(guī)律。目前，國內(nèi)外尚無對間諧波作用下變壓器鐵心振動噪聲的研究，本文搭建的實驗平臺以及測量方法可為今后變壓器鐵心的振動噪聲研究提供參考和依據(jù)。

1 變壓器鐵心振動實驗

1.1 實驗設(shè)備

本文搭建了可產(chǎn)生任意間諧波激勵的振動測量平臺，實驗電路如圖1所示，各設(shè)備參數(shù)如表1所示。變壓器鐵心模型選擇由配電變壓器常用的牌號為B27R085的硅鋼片制成，兩鐵心柱上繞組匝數(shù)均為30匝，模型尺寸如圖2所示。

圖1 實驗電路Fig.1 Experimental circuit

圖2 變壓器鐵心模型尺寸Fig.2 Dimensions of transformer core model

表1 儀器參數(shù)Table 1 Parameters of instruments

實驗利用SOPTOP LV-S01激光多普勒測振儀和DH5902數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行振動數(shù)據(jù)采集和FFT頻譜分析。在實驗前調(diào)整激光反射接受率穩(wěn)定在70%以上，將變壓器鐵心二次側(cè)設(shè)置為空載狀態(tài)，逐步調(diào)高電壓幅值，當通過外接配套軟件觀察到實時振動信號穩(wěn)定后，對測點振動波形進行采集，由測得的速度信號積分得到位移波形。

鐵心轉(zhuǎn)角處存在旋轉(zhuǎn)磁通會導(dǎo)致部分磁通方向垂直于軋制方向，振動位移比其他部分更加明顯。為研究鐵心整體振動特性，在鐵軛部分選取3個分別位于鐵軛中部和兩側(cè)的不同測點，測點分布如圖3所示，實驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 振動位移測點分布Fig.3 Distribution of vibration displacement measuring points

圖4 實驗現(xiàn)場圖Fig.4 Experimental site

1.2 實驗方案

通過外接計算機編輯激勵波形，激勵電壓表達式：

v(t)=V1[sin(2πf0t)+msin(2πfiht)] .

(1)

式中：V1為電壓幅值，f0為基波電壓頻率50 Hz，fih為間諧波電壓頻率，m表示間諧波含量。實驗通過改變參數(shù)fih和m分別研究間諧波的頻率和含量對變壓器鐵心振動特性的影響。

方案一：間諧波頻率對鐵心振動特性的影響。

常見的間諧波主要來源有非線性負載、變頻器調(diào)速裝置以及風(fēng)力發(fā)電機組的次同步振蕩等。根據(jù)以上主要的間諧波來源，本部分實驗將間諧波含量設(shè)定為3%，即m=0.03不變。取fih分別為2，5，7，10，15，17，20，25，30，40，45，53 Hz.在引入不同間諧波頻率的條件下，將電壓幅值從0逐漸增大至50 V，記錄不同測量點振動位移，并對振動位移進行頻譜分析。

方案二：間諧波含量對鐵心振動特性的影響。

為進一步分析間諧波含量對鐵心振動特性的影響，在間諧波頻率分別為5、20、40 Hz條件下，保持間諧波頻率不變，分別將間諧波含量設(shè)定為1%、3%、5%，對比研究相同電壓幅值時的鐵心振動峰峰值變化規(guī)律。

1.3 實驗結(jié)果與分析

1.3.1間諧波頻率對變壓器鐵心振動特性的影響

間諧波含量為3%時，隨著電壓的逐漸增大，所得到的測點-振動位移峰峰值和激勵中所含間諧波頻率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 鐵心振動位移峰峰值Fig.5 Peak-to-peak value of core vibration displacement

從圖中整體趨勢分析發(fā)現(xiàn)，間諧波頻率越低，鐵心振動位移峰峰值越大，但在不同頻率范圍內(nèi)，增大幅度差別較大。間諧波的頻率小于20 Hz時，振動增大的幅度遠大于頻率大于20 Hz時的情況。例如，基波電壓幅值為50 V時，含有2 Hz間諧波的激勵作用下位移峰峰值是450.3 nm，是不含間諧波分量激勵作用時的1.8倍，而含20 Hz間諧波激勵只有不含間諧波激勵下振動峰峰值的1.05倍。

無間諧波激勵下測點1振動位移的時域波形如圖6所示。從圖6(b)中可以看出，在變壓器鐵心處于正常工況下，頻譜主要集中在100 Hz、200 Hz等偶數(shù)次分量上，也包含少量奇次諧波，且基本都集中在500 Hz以下。由于實驗環(huán)境和鐵心共振的原因，在小于20 Hz范圍內(nèi)存在部分干擾信號。

圖6 鐵心無間諧波時振動位移Fig.6 Vibration displacement of iron core without interharmonics

由于20 Hz以下間諧波對振動影響較大，故主要對含低頻率間諧波的實驗結(jié)果進行分析。圖7、圖8分別給出了當激勵中含有2 Hz和5 Hz間諧波時1 s內(nèi)鐵心振動位移的時域波形圖和頻譜分析圖。

圖7 含2 Hz間諧波時鐵心振動位移Fig.7 Vibration displacement of iron core with 2 Hz interharmonics in excitation

圖8 含5 Hz間諧波鐵心振動位移Fig.8 Vibration displacement of iron core with 5 Hz interharmonics in excitation

從時域圖中可見，當激勵電壓中含有單一頻率間諧波時，振動位移在時域上形成以2f0為單次振動頻率，以2fih為整體振動頻率的周期圖像。從頻譜分析中發(fā)現(xiàn)，單一頻率的間諧波電壓會導(dǎo)致變壓器鐵心振動中含有大量的間諧波分量。考慮到變壓器鐵心自身共振頻率在20 Hz附近，以及實驗環(huán)境帶來的部分干擾信號，較低頻率分量主要集中在20 Hz附近。在大于30 Hz頻率范圍內(nèi)， 激勵中間諧波與振動中間諧波頻率關(guān)系如表2所示。

表2 振動中間諧波頻率Table 2 Interharmonic frequency in vibration

根據(jù)振動位移數(shù)據(jù)FFT分解得到結(jié)果可以看出，振動中的間諧波頻率分量成對存在于基頻的整數(shù)倍兩側(cè)?？偨Y(jié)出激勵中間諧波頻率與振動位移中存在的間諧波頻率分量的關(guān)系為：

(2)

式中：fv表示鐵心振動頻譜中存在的間諧波頻率分量，f0表示頻率為50 Hz的基波電壓頻率，fih表示間諧波電壓頻率。

因此，通過變壓器鐵心的振動位移波形和頻譜可以判斷變壓器激勵中是否含有間諧波成分。

1.3.2間諧波含量對變壓器鐵心振動特性的影響

在激勵中分別加入頻率相同、含量不同的間諧波，相同電壓幅值下變壓器鐵心位移峰峰值對比結(jié)果如表3、表4所示。

表3 電壓幅值41.2 V振動位移峰峰值Table 3 Peak-to-peak vibration displacement with voltage amplitude of 41.18 V

表4 電壓幅值44.2 V振動位移峰峰值Table 4 Peak-to-peak vibration displacement with voltage amplitude of 44.12 V

可以看出，測點一和測點三與測點二相比振動較為劇烈，但從三個測點總體趨勢來看，得到了相同的結(jié)論：當間諧波含量提高，振動位移逐漸增大，尤其是加入頻率小于20 Hz間諧波激勵，且增大速度在電壓幅值較大情況下會更加明顯。例如在電壓幅值為41.18 V時，當激勵中含有5 Hz間諧波，諧波含量5%的振動位移峰峰值是含量1%時的1.8倍，對比之下，20 Hz間諧波達到1.34倍，40 Hz間諧波只有1.17倍。當電壓幅值為44.12 V，上述比值達到2.17倍、1.49倍、1.35倍。

2 變壓器鐵心噪聲實驗

2.1 實驗方案

根據(jù)國家標準《GB/T1094.10-2003》[14]，噪聲測量方案使用B&K2250手持噪聲分析儀沿變壓器周圍分別測量9個測點，測點分布如圖9所示。聲級計的探頭在距離變壓器測量面0.3 m處進行測量，軸線方向垂直于測量面。

圖9 噪聲測點分布圖Fig.9 Distribution of noise measuring points

對每個測點測試時間為連續(xù)60 s，全部測量完畢后，9個測點噪聲的平均值即為變壓器鐵心的A計權(quán)噪聲聲壓值。為避免其他設(shè)備運行噪聲產(chǎn)生干擾，將鐵心放置在另一隔音效果較好的實驗室內(nèi)，測量結(jié)果背景噪聲在17 dB左右，根據(jù)表5修正背景噪聲對測得的變壓器噪聲的影響，記錄各個測點的噪聲頻譜圖。

表5 背景噪聲修正Table 5 Correction of background noise

2.2 實驗結(jié)果與分析

2.2.1間諧波頻率對變壓器鐵心噪聲特性的影響

在噪聲特性研究中，和振動特性實驗方案相似，使激勵中的間諧波含量為基波的5%，即m=0.05.激勵中含有的間諧波頻率分別取2，5，7，10，15，17，20，25，30，40，45，53 Hz.在不同間諧波頻率條件下，將電壓幅值從0逐漸增大至50 V，使用聲級計在不同測量點記錄，并使用配套軟件對測量值進行頻譜分析。間諧波含量為5%時，變壓器噪聲級隨著激勵基波幅值增加的變化情況如圖10所示。

圖10 鐵心噪聲級Fig.10 Noise level of iron core

變壓器鐵心模型噪聲聲壓級的整體變化趨勢和振動實驗所得結(jié)論相似。在電壓幅值小于25 V時，噪聲基本為環(huán)境噪聲，間諧波影響很小，但隨著電壓幅值增加，間諧波對變壓器的噪聲影響逐漸嚴重，間諧波頻率越低，鐵心噪聲級幅值越大，增長速度也越快。特別是頻率小于20 Hz的間諧波，電壓每增大3 V，噪聲增大2～3 dB，增長速度明顯大于頻率大于20 Hz的間諧波。電壓幅值50 V時，含有2 Hz間諧波激勵下的噪聲級比不含間諧波激勵作用時增大9 dB.

為了從頻譜上分析規(guī)律，把得到的噪聲進行FFT分解，圖11分別為基波幅值為50 V時，不含間諧波和含2 Hz間諧波激勵的噪聲頻譜。

圖11 不同激勵下噪聲頻譜Fig.11 Noise spectrum under different excitations

從圖中可以看出，在沒有間諧波激勵的情況下，噪聲以100、200、300 Hz為主，其他頻率分量較小。加入間諧波激勵的情況下，通過對比發(fā)現(xiàn)各個分量幅值有明顯增大，頻率中150，250 Hz等基頻奇數(shù)倍分量占比也大幅提升，但頻譜仍主要集中在100 Hz～500 Hz之間。

2.2.2間諧波含量對變壓器鐵心噪聲特性的影響

當激勵中加入相同頻率不同含量的間諧波時，變壓器鐵心噪聲級變化如圖12所示。

圖12 不同間諧波含量下噪聲級Fig.12 Noise level under excitation with different interharmonic content

從圖中可以看出，在基波幅值為50 V時，間諧波頻率5 Hz，含量5%比含量1%大5 dB，而在頻率20 Hz及以上情況中，間諧波含量變化對噪聲影響并不明顯。和振動位移實驗結(jié)果相似，加入頻率低于20 Hz的間諧波對于噪聲的影響比較嚴重，且隨著電壓幅值的提高，間諧波作用逐漸增大，證明了實驗的合理性。

3 結(jié)論

本文依據(jù)實驗要求搭建了可產(chǎn)生任意間諧波激勵的實驗電路，然后應(yīng)用振動測量設(shè)備和噪聲聲級計分別對含有不同間諧波頻率和幅值條件下的變壓器鐵心振動噪聲進行實驗測量，通過實驗結(jié)果得出如下結(jié)論：

1) 當激勵電壓中含有單一頻率的間諧波(間諧波頻率為fih)時，變壓器鐵心中除了含有頻率為基頻整數(shù)倍的的分量，還含有其他頻率的間諧波成分。間諧波頻率存在于基頻的偶數(shù)次諧波±2fih處，以及基頻奇數(shù)次諧波±fih處。

2) 間諧波對變壓器鐵心振動噪聲影響嚴重(特別是頻率低于20 Hz的間諧波)，振動和噪聲隨間諧波頻率的降低和幅值的增大而增大，且電壓幅值提高，間諧波影響作用更加明顯。

本文中筆者設(shè)計搭建的間諧波激勵下變壓器鐵心振動與噪聲特性的試驗平臺和實驗結(jié)論為此類實驗提供了有效的參考依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。