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解析變壓器噪音產(chǎn)生的原因、檢測標準及解決方法

在現代社會(huì )，電力變壓器是人們的日常生活中不可或缺的一類(lèi)設備，但是此類(lèi)設備在運轉時(shí)卻會(huì )帶來(lái)很大的噪聲。這些聲音是由變壓器不同部件的振動(dòng)而產(chǎn)生的，且不可能被完全消除。為了降低這種噪聲，來(lái)自 ABB 公司研究中心的一個(gè)工程師團隊借助 COMSOL Multiphysics? 模擬了變壓器系統中的聲學(xué)、電磁，及力學(xué)行為。

什么原因導致變壓器發(fā)出嗡嗡的噪音？

輸電線(xiàn)進(jìn)行交流電的傳輸依賴(lài)于變壓器升高或降低電壓的能力。較高的電壓可使輸電線(xiàn)在進(jìn)行長(cháng)距離傳輸時(shí)減少電能的損耗，同時(shí)在城鎮和建筑物附近以較低的電壓進(jìn)行傳輸可以確保安全性。變壓器是電力供應的必要組件，但它們也帶來(lái)了不必要的噪聲。

變壓器噪聲是由本體結構設計、選型布局、安裝、使用過(guò)程中，變壓器本體及冷卻系統產(chǎn)生的不規則、間歇、連續或隨機引起的機械噪聲及空氣噪聲總和。變壓器所產(chǎn)生的噪聲廣泛影響住宅小區、商業(yè)中心、輕站、機場(chǎng)、廠(chǎng)礦、企業(yè)、醫院、學(xué)校等場(chǎng)所。具體來(lái)說(shuō)，變壓器噪聲共有三個(gè)聲源，一是鐵心，二是繞組，三是冷卻器，即空載、負載和冷卻系統引起噪聲之和。鐵心產(chǎn)生噪聲原因是構成鐵心硅鋼片交變磁場(chǎng)作用下，會(huì )發(fā)生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率變化做周期性振動(dòng)，鐵心磁致伸縮變形和繞組、油箱及磁屏蔽內電磁力所引起。繞組產(chǎn)生振動(dòng)原因是電流繞組中產(chǎn)生電磁力，漏磁場(chǎng)也能使結構件產(chǎn)生振動(dòng)。電磁噪聲產(chǎn)生原因是磁場(chǎng)誘發(fā)鐵心疊片沿縱向振動(dòng)產(chǎn)生噪聲，該振動(dòng)幅值與鐵心疊片中磁通密度及鐵心材質(zhì)磁性能有關(guān)，而與負載電流關(guān)系不大。 電磁力(和振動(dòng)幅值)與電流平方成正比，而發(fā)射聲功率與振動(dòng)幅值平方成正比。

解決方法

運行中變壓器的噪聲通常是指變壓器的本體噪聲和冷卻裝置噪聲合成的噪聲。因此，為了降低變壓器的噪聲，也應從這兩個(gè)方面來(lái)采取有效的技術(shù)措施。目前，國內變壓器噪聲檢測機構有清華大學(xué)建筑物理實(shí)驗室。

 一方面，對變壓器的本體噪聲，可通過(guò)減小鐵心的振動(dòng)和降低噪聲的發(fā)散能力來(lái)控制；也可通過(guò)減振及隔聲、吸聲等措施，使噪聲在傳播途徑中得以衰減。

另一方面，對冷卻系統的噪聲加以控制，使其噪聲接近或低于本體噪聲水平，也能有效降低變壓器噪聲。

1. 降低變壓器本體噪聲

（1）鐵心采取的技術(shù)措施

① 選用磁致伸縮ε小的優(yōu)質(zhì)硅鋼片優(yōu)質(zhì)硅鋼片提高了結晶方位的完整度，特殊涂層增加了其抗張力，從而降低了其磁致伸縮ε。在磁通密度為1.5T時(shí)，高晶粒取向硅鋼片的磁致伸縮ε只有一般硅鋼片的60%。因此，在相同磁密下，優(yōu)質(zhì)硅鋼片的磁致伸縮ε較小，產(chǎn)生的振動(dòng)也相應較小，噪聲可降低2~4dB(A)。

② 降低鐵心的磁通密度B 鐵心的額定工作磁密B通常取決于噪聲及空載損耗的要求值。試驗結果表明，額定磁密B在1.5~1.8T范圍內，磁密每降低0.1T，鐵心的噪聲可降低2~3dB(A)。磁密變化引起的噪聲變化量ΔLpa可由以下公式確定： ΔLpa=10lg[(B1/B2)8 (GFe2/GFe1)1 ]，dB(A) 式中B1、B2——分別為變化前后的工作磁密 （T） GFe2、GFe1——對應B1、B2的鐵心重量 （kg）應注意的是，磁密的降低不僅導致變壓器體積和重量的增加，使經(jīng)濟指標變差，而且會(huì )使噪聲發(fā)射的表面積增大，從而導致變壓器的聲功率級增大。

③ 采用全斜交錯接縫的鐵心結構在傳統的心柱和鐵軛交錯接縫結構中，磁力線(xiàn)在接縫處橫向穿越附近的硅鋼片，會(huì )產(chǎn)生渦流和磁飽和，導致噪聲和空載損耗增大。而采用全斜交錯接縫，保證了心柱和鐵軛搭接，減小了磁通畸變，保證了鐵心整體機械強度。實(shí)踐證明，當磁密為1.7T時(shí)，鐵心采用全斜交錯接縫噪聲能降低3~5dB(A)。

④ 增大鐵軛面積以減少鐵軛中的磁通密度由于變壓器心柱產(chǎn)生的噪聲能通過(guò)線(xiàn)圈和圍屏得到有效的衰減，因此，本體噪聲大部分來(lái)源于鐵軛的振動(dòng)。在變壓器設計時(shí)，應保證每級鐵軛與心柱的片寬比應與它們截面積之比完全相同。這樣才能避免磁通由心柱進(jìn)入鐵軛時(shí)，由于產(chǎn)生垂直硅鋼片表面的漏磁通而引起的噪聲增大。

⑤ 增加鐵心接縫有試驗表明，當變壓器鐵心由兩級接縫變?yōu)槿壗涌p時(shí)，其噪聲可降低3~6dB(A)。這是因為在兩級接縫中，對應的兩個(gè)接縫間隙只跨越一層疊片，而三級接縫則跨越兩層疊片，通過(guò)每層跨接疊片末端處的磁密降低，故而導致噪聲降低。

⑥ 控制鐵心夾緊力有資料表明，當鐵心夾緊力在壓強為0.08~0.12Mpa時(shí)，變壓器噪聲最低。在鐵心制造過(guò)程中可通過(guò)力矩扳手合理控制夾緊力；同時(shí)也可在心柱級間放置絕緣棒，使心柱綁扎受力均勻，防止因鐵心受力不均勻而導致磁致伸縮ε增大。使用以上措施，能降低本體噪聲3~6dB(A)。

⑦ 采用先進(jìn)的加工工藝磁致伸縮ε對應力極為敏感。在相同磁密條件下，有較大應力的硅鋼片與應力較小的硅鋼片相比，ε隨應力的增加而急劇增大。因此，采用先進(jìn)、合理的加工措施如：采用自動(dòng)化的橫、豎剪切線(xiàn)，控制硅鋼片堆放高度，不疊上鐵軛，對油道和夾件絕緣等使用的紙板進(jìn)行預壓密化處理等措施都可減少硅鋼片的應力增加，從而降低變壓器噪聲。

⑧ 在鐵心墊腳與箱底之間放置減振橡膠如前所述，鐵心的磁致伸縮振動(dòng)分別是通過(guò)墊腳和絕緣油這兩條途徑傳給油箱的。在鐵心墊腳與箱底之間放置減振橡膠，能使器身與油箱間的剛性接觸變?yōu)閺椥越佑|。從而，阻斷部分振動(dòng)的傳遞，減小本體噪聲。

（2）油箱采取的技術(shù)措施

① 增加箱壁強度，減小箱壁振幅 為減小箱壁振幅，必須增加油箱整體的剛性。為此，可適當增加箱壁厚度或合理布置加強筋，控制筋間距。同時(shí)，輔以合理的焊接工藝，減小箱壁焊接變形，減少制造過(guò)程中的殘留應力。這樣，就能提高箱壁強度，減小箱壁振幅，降低噪聲。

② 增加油箱阻尼 可在油箱內壁設置橡膠板。對有磁屏蔽的變壓器，可將橡膠板放置在箱壁與磁屏蔽之間。在加強筋間焊接普通工業(yè)鋼板網(wǎng)，網(wǎng)上涂刷2-3mm厚的阻尼材料，這樣既不影響箱壁散熱，又減小了箱壁的振動(dòng)，降低了噪聲。

③ 在油箱底部與基礎間設置減振器 在油箱底部與基礎間設置減振器，避免箱底與基礎間的剛性連接，使振動(dòng)通過(guò)減振器發(fā)生衰減，以達到降低噪聲的目的。通常采用的是橡膠減振器和彈簧膠減振器。

 2. 加隔聲層降低噪聲

油箱結構，分為組合式與高效式兩種。組合式為：可油箱外部結構情況將隔音板做成若干件，鋼板內放吸音材料。吸音材料有：巖棉、玻璃纖維等。隔音壁能把變壓器本體發(fā)射部分噪聲反射回去；當噪聲穿過(guò)隔聲壁時(shí)，也能被吸收一些，起到降低噪聲作用。單件隔音板用螺栓分別固定油箱加強鐵上，采用這種隔音板可降低噪聲10-15db。也可采用高效隔音板，放兩個(gè)加強鐵之間，薄彈簧鋼板固定?？蛐胃郊又匚镎{整高效隔音板振動(dòng)特性，使它振幅明顯低于加強鐵振幅，有效屏蔽住變壓器本體發(fā)出噪聲，可降低噪聲l0-5db(a)。

3. 有源抵銷(xiāo)消聲法

采用消聲法降低噪聲。即變壓器lm以?xún)确胖萌舾蓚€(gè)噪聲發(fā)聲器，使它們發(fā)出噪聲與變壓器發(fā)出噪聲互相抵消。它原理是首先把變壓器噪聲信號轉變?yōu)殡娦盘?，然后放大激勵噪聲發(fā)聲器，使各噪聲發(fā)出來(lái)噪聲，振幅相等，相位相反，使變壓器噪聲受到破壞性干擾，可降低噪聲15db(a)左右。

 4. 降低冷卻系統噪聲

（1）采用合理的冷卻方式在滿(mǎn)足設計要求的前提下，在低噪聲變壓器的設計中，應選用自冷片式散熱器替代風(fēng)冷散熱器或強油循環(huán)風(fēng)冷卻器，這從根本上杜絕了冷卻器的噪聲源，能有效降低噪聲8~15dB(A)。

（2）選用低噪聲的冷卻裝置在冷卻裝置的選用過(guò)程中，應選用低噪聲的冷卻裝置。用多臺流量適中的新型低噪聲風(fēng)扇替代大流量高噪聲風(fēng)扇具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，風(fēng)扇布置均勻，能提供均勻冷卻；第二，一組風(fēng)扇出現故障，其余風(fēng)扇仍能正常運行，提高了冷卻系統的可靠性；第三，在總的冷卻風(fēng)量不變的前提下，其電機功率僅為大流量風(fēng)扇的70%~75%，噪聲降低了2~3dB(A)。

 （3）采用減振裝置 變壓器本體的噪聲通過(guò)箱壁和油引起冷卻裝置的振動(dòng)，采用以下措施能有效控制其振動(dòng)。第一，在油箱與散熱器之間采用防振頭。防振頭可由耐腐蝕的防振橡膠或不銹鋼制作。試驗結果表明，防振頭通常能使自冷片式散熱器的振動(dòng)噪聲降低5~8dB(A)。第二，對于側吹或底吹片式散熱器冷卻方式，為避免風(fēng)扇加劇冷卻系統的振動(dòng)，風(fēng)扇支架不能直接固定在散熱器上，而應固定在箱壁上，并應設置減振橡膠墊。第三，冷卻系統和本體分別安裝的變壓器，風(fēng)扇應固定在專(zhuān)用基礎上。

 5. 其它方法

(1)設計低空載噪聲變壓器時(shí)，盡量采用自冷式，這樣可去除風(fēng)扇和油泵噪聲疊加。當容量難以滿(mǎn)足需要時(shí)，滿(mǎn)足大容量變壓器散熱，盡量選用低噪聲潛油泵和低轉數風(fēng)扇冷卻器。采用低速風(fēng)扇，能使自冷變壓器容量提高33%，噪聲達到69db(a)。具體情況，也可采用雙速風(fēng)扇。負荷較小時(shí)開(kāi)動(dòng)低速風(fēng)扇，噪聲可相應降低；負荷較大時(shí)開(kāi)動(dòng)高速風(fēng)扇，能使自冷變壓器容量提高67%，但此時(shí)噪聲較大，達到75db(a)。

 (2)室內布置變壓器時(shí)，應考慮由噪聲墻面反射時(shí)可能導致噪聲增加。該增值是變壓器表面積與變壓器室表面積之比函數，并與墻面和天花板吸聲系數有關(guān)。采用礦渣棉或類(lèi)似材料對墻面涂覆處理，可增加吸聲系數，使噪聲明顯降低。