变压器噪声的测试技术

变压器噪声的测试技术刘东哲袁保昌马麟大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司二○一四年十月电力集团供电二公司2014年度科技论文变压器噪声的测试技术刘东哲袁保昌马麟大庆油田电力集团供电二公司海拉尔供电分公司变检队摘要：本文阐述了变压器噪声的产生原因，测量变压器噪声的三种常用方法，以及围绕中性点直流电流导致变压器振动开展的研究工作。运用现场测试和实验室的模拟实验，研究了直流偏磁导致的变压器振动频谱的频率分布，表明了直流偏磁会导致振动强度、振动奇次谐波和高次谐波的增加。关键词：变压器噪声；测试技术；直流偏磁1□变压器噪声产生的原因变压器噪声是由铁芯、绕组、油箱及冷却装置的振动产生的。而变压器本体噪音的大小，与变压器的额定容量、硅钢片的性能及额定空载时铁芯的磁通密度等因素有关。主要来源有：1）由硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动。2）在硅钢片接缝处和叠片间，因磁通穿过片间而产生电磁力，引起铁芯的振动。3）在负载电流通过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生电磁力，引起绕组的振动。4）由漏磁通引起油箱壁、磁屏蔽等的振动。在这些来源中，铁芯的振动往往是占主要的成分，铁芯的振动过大除了变压器工艺上的问题以外还有运行中的问题，如电网电压偏高使得变压器工作磁密提高，电流和电压含有较多的高次谐波会使铁心中主磁通发生畸变，变压器接地系统中出现直流分量或三相负载严重不平衡，变压器铁心多点接地或铁心硅钢片短路，都会导致振动和噪声增大【1】。2□测量变压器噪声的方法2.1声压法所谓声压，即是声波运动时，空气压强发生的变化，即空气压强与平均空气压强之差。声压法是一种工程中常用的用于简单测算声功率的方法。在满足特定声学环境的条件下，声压法通过测量声压值以换算成声功率来进行声压测量。从声学环境来讲，声压法分为自由场法和混响室法两类：1）由于产生自由场的环境可以是消声室或半消声室,以及近似满足自由场条件的室内或户外,因此,根据所测量的精度可分为三级:1级、2级和3级，分别对应精密法、工程法和简易法。声压法可以测量无指向性和有指向性声源的声功率。进行自由场声压测量时，因为一般被测声源向各个方向上的噪声辐射量是不同的，所以应在多个不同位置采集声压数据并平均进而求取声功率级。一般选择距离被测声源距离为r的假想包络线上进行选取测点,测量点数应满足一定的要求,不能过少,且测得数值间的最大变化应小于6dB。2）混响室法要求的条件比自由场法要简单,近年来使用较多。其中测量混响时间须根据衰变曲线开始10dB的斜度,否则算出的值会偏低很多【3】。2.2声强法声强是指在单位的时间内,声波通过垂直于声波传播的方向上单位面积的声能量。声强的测试方法有两种：1）通过测量声质点的振动速度和声压直接求出。2）通过两个传声器测得的声压信号间接求出。在1932年，美国的RCA公司的HarryOlson设计了声强测量装置。1947年，R.H.Bolt和A.A.Petrauskas首次采用了双传声器技术，去测量材料的声阻抗。1956年，T.JSchultz利用双传声器，采用背靠背的安装方式,通过两点的声压近似的求声强。随着现代数字处理技术的发展，特别是Cooly.J.W和Tukey.J.W在1965年提出的FFT方法，推动了声强技术的发展。1979年,Credit首次成功地用双传声器技术直接测量复杂机器的声功率。从上世纪80年代开始，声强测量技术得到了广泛的关注和研究，相关的标准也已制定和继续完善，许多公司和高校科研机构也成功研制了高性能的声强测量系统。声强法相比于声压法有两个优点：测试过程中不需要在混响室或消音室等声学设施内进行；区分多声源迭加场中不同声源的各自辖射效应。这两点使其能应用在多种现场噪声测试中，目前声强法在汽车发动机、中小型变压器、压缩机和电机等设备的噪声测试和噪声源识别上均有应用。声强法的缺点有三点：测点的选取的布置要求比较高以保证精度；若背景噪声过大或用于现场噪声监测则显得不准确和繁琐，对于周期性的噪声成分，测试时间要大于此周期；专用的声强测试系统造价较高。基于以上三点，到目前为止，声强法还无法广泛应用。2.3振速法振速法是通过结构表面的振动速度级及其辖射效率来表征振动的能量表现形式，并通过测量表面振动速度来计算辖射噪声值的一种测量噪声的方法。当背景噪声比所测机器设备直接福射的噪声还要高时，无论是声压法还是声强法都不适用这种情况，这时就需要振速法来测量，并且振速法可以区分结构噪声和空气动力噪声，确定结构噪声源的所在位置。根据国标GB/T16539-1996《声学一振速法测定噪声声功率级用于封闭机器的测量》要求，只需测量封闭机器的表面振动，而机器的表面振动几乎不受测试环境噪声的影响，所以该方法特别适用于那些由于背景噪声很高或其它环境影响较大而不可能用声压法直接准确测定空气噪声的场合。20世纪90年代初期，Johnson和Elliott等人在研究结构噪声有源控制的过程中提出了声辐射模态理论；西北工业大学的李双、陈克安从声福射模态和振动模态的概念出发，证明了结构振动模态和声福射模态之间的关系；江苏理工大学葛屯从自功率谱的角度讨论了振动表面局部福射性质与声能量福射，建立了振动与声福射的色散关系,并根据得到的理论对钢板的声辖射进行了试验研究；近年来基于振速法的VNT振动噪声检测仪在中小型电机和微电机行业的噪声测量应用中己日趋成，但在大型变压器的噪声测量应用上很少有人涉及。3直流偏磁对噪声的影响当变压器受到直流偏磁影响时，励磁电流会激增，从而使变压器铁心处于偏磁饱和区，改变了变压器的工作点。其中，作用的直流电流越大，励磁电流的直流分量增加越快，励磁电流的畸变就越严重。变压器的这种特性会一定程度的抵御直流电流的影响，但同时会使损耗加大，使变压器的噪声变大。随着新建交流变电站不断投运,变电站的数量和分布也越来越密,发生变压器噪音和振动增大的现象越来越频繁,直流偏磁不利于设备的长期运行。另外，由于变压器的噪声是低频噪声，并且噪声声波的波长与室内宽度大体一致，易形成共振，给人们的生活带来不便与影响【6】。4国内外对直流偏磁问题的研究4.1国外对直流偏磁问题的研究1996年，加拿大魁北克电力公司于开展了“芯式变压器允许直流电流的研究”,在实际电网中,从高压侧并联运行的单相370MVA和550MVA变压器的绕组通入直流电流,进行直流偏磁的试验研究，研究其承受直流电流的能力。日本东京电力和三菱公司根据变压器的自身结构特点结合变压器模型研究和试验分析,发现在直流偏磁的影响下芯式变压器的铁心拉板出现了局部过热现象，因此提出了芯式变压器的铁心拉板是受直流偏磁影响最严重部件的结论。ABB公司作为三峡工程的总包单位，对一台500kV的换流变压器能承受最大15A的直流电流也进行了阐述与说明。4.2国内对直流偏磁问题的研究1992年，王祥珩、徐伯雄发表了早期的关于直流偏磁的问题研究的文章，提出了通过建立激励条件的方法来研究直流偏磁问题。梅桂华、马志强等人对直流输电中直流对交流系统的影响做了系统的研究。尚春等人提出了抑制HVDC地中电流对交流变压器影响的措施。刘硕等人从变压器偏磁磁场、磁性材料性能等方面入手对偏磁问题进行了研究。2010年，沈阳工业大学生物医学与工程电磁场研究所陈德志、李崇在白保东教授的带领下对变压器在直流偏磁下空载电流及损耗问题进行了深入的研究，取得了巨大的理论和实践价值。5直流偏磁的现场测试与实验室测试5.1现场测试2007年4月22日,三峡送上海的宜华直流单极大地方式运行,距离宜华直流接地极较近的220kV干练变电站变压器噪声突然增大,这是一起典型的高压直流单极大地运行方式下地中直流对变压器影响的实例。在现场对变压器噪声和振动进行了测试。该实验布置了22个测点，对其进行振动频谱测试，发现了振动强度和频率分布存在明显规律。研究推断表明，高压直流输电单极大地方式下运行时，地中直流串入主变的中性点，导致变压器直流偏磁，噪声增加10dB以上;振动加速度则成数10倍增加,尤其反映在振动的加速度频谱中，奇次谐波显著增加,并成为主要的谐波分量，高次谐波成分显著增加。5.2实验室测试在实验室开展了变压器在不同直流偏磁情况下的测量分析。如图A1所示,采用10kV/400V三相3柱心式配电变压器作为试品，接线组别为Dyn11。采用2台参数一致的变压器试品并列加压，同时在交流加压回路中串接可以调节的直流电压源，由此实现交直流的混合加压，模拟变压器不同的直流偏磁条件下，变压器空载运行的情况。图A1直流偏磁试验接线研究表明：1）振动强度随偏磁电流的增加而呈上升趋势。2）在偏磁电流不变的情况下，振动强度基本上随电压升高而增加。3）电压为额定电压时,强振动分量的频率随着偏磁电流的增加有增加的趋势。4）不同偏磁电流下,强振动分量的频率随着电压的增加有明显的增加趋势。实验室和现场测试结果表明,变压器正常运行时的振动频率通常为100Hz及其整倍数频率,且主要为低次谐波;而由直流偏磁引起的变压器振动,往往会导致非100Hz整倍数的高频振动,奇次谐波和高次谐波显著增加。6结论本文阐述了变压器噪声产生的原因，以及导致振动过大的外界因素。阐述了测量变压器噪声的三种常用的方法：声压法；声强法；振速法。其中，声压法和声强法一般不适用于现场测噪声，这是由于当背景噪声比所测机器设备直接福射的噪声还要高时，两种方法都不能使用，而在实际操作中，有许多情况是这样的，这时就需要用到振速法了。通过现场测试和实验室测试，来说明直流偏磁作用下，振动的发生情况，即直流偏磁导致高频振动，使奇次谐波和高次谐波显著增加。参考文献[1]李兴源.高压直流输电系统[M].北京:科学出版社,2010.2.[2]周建国,李莉华.变电站、换流站和输电线路噪声及其治理技术[J].中国电力,2009,42(3):75-78[3]俞敦耀.800KV特高压换流站噪声控制探讨[J].电力建设,2009,30(3):13-15.[4]陈克安,曾向阳,杨有粮.声学测量[M].北京:机械工业出版社,2010.[5]阳金纯,周建飞,吕建红,周年光.声强法在变电站变压器声功率测试中的应用[J].湖南电力,2012,32(2):9-11.[6]李吉,王纯,丁子佳.箱形结构声辐射性质的试验研究[J].振动、测试与诊断,2012,32(S1):9-13.[7]曹涛,汲胜昌,吴鹏等.基于振动信号的电容器噪声水平计算方法[J].电工技术学报,2010,25(6):172-177作者简介：刘东哲（1990年8月-），男，大学本科，无职称袁保昌（1959年5月-），男，中专，高级技师马麟（1975年8月-），男，成人大学，工程师