三相油浸式電力變壓器噪聲與振動(dòng)特性分析

潘紀(jì)良，吳曉文，胡勝，陳湘波，唐奇

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南湘潭411105；

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

三相油浸式電力變壓器噪聲與振動(dòng)特性分析

潘紀(jì)良1，吳曉文2，胡勝2，陳湘波1，唐奇2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司湘潭供電分公司，湖南湘潭411105；

2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

以某220 kV變電站三相油浸式電力變壓器為研究對(duì)象，在調(diào)試階段，分別測(cè)量變壓器空載和負(fù)載狀態(tài)下的噪聲與振動(dòng)，研究了變壓器時(shí)頻域噪聲與振動(dòng)特性，分析結(jié)果表明:變壓器空載與負(fù)載狀態(tài)下的噪聲與振動(dòng)特性存在較大差異，負(fù)載狀態(tài)下變壓器噪聲與振動(dòng)更為顯著，且振動(dòng)主頻發(fā)生改變，應(yīng)以變壓器調(diào)試階段的噪聲數(shù)據(jù)為參考依據(jù)進(jìn)行新建變電站噪聲預(yù)測(cè)。

變壓器；噪聲；振動(dòng)；頻譜特性

近年來，隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展以及用電量大幅增長，越來越多的變電站建于商業(yè)區(qū)以及居民區(qū)附近，變電站噪聲問題逐漸受到民眾的關(guān)注〔1〕。變壓器作為變電站的主要噪聲源，其噪聲水平的高低，已經(jīng)成為衡量變壓器生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)和制造水平的重要指標(biāo)。開展變壓器噪聲與振動(dòng)檢測(cè)對(duì)于變電站噪聲預(yù)測(cè)、變壓器噪聲控制以及變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)均具有重要意義。

目前，關(guān)于變壓器噪聲與振動(dòng)特性的研究已有許多成果報(bào)道。文獻(xiàn)〔2－5〕在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了變壓器噪聲與振動(dòng)測(cè)試，分析了變壓器鐵芯與繞組的噪聲與振動(dòng)特性；文獻(xiàn)〔6－8〕現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了變壓器油箱表面的噪聲與振動(dòng)信號(hào)，并以此判斷變壓器繞組與鐵芯的運(yùn)行狀況；文獻(xiàn)〔9〕對(duì)室內(nèi)220 kV主變聲壓級(jí)進(jìn)行了測(cè)試并提出了噪聲控制措施。然而，關(guān)于變壓器投運(yùn)初期的噪聲與振動(dòng)特性研究尚少見報(bào)道。與變壓器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及長期運(yùn)行后的噪聲與振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)相比，投運(yùn)初期的噪聲與振動(dòng)數(shù)據(jù)更加具有參考價(jià)值。

本文以某220 kV變電站三相油浸式電力變壓器為研究對(duì)象，給出噪聲與振動(dòng)測(cè)試方法，在變壓器調(diào)試階段，對(duì)變壓器空載和負(fù)載條件下的噪聲與振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試與分析。

1 測(cè)試方法

被測(cè)主變?yōu)槿嘤徒接休d調(diào)壓變壓器，額定容量為180 MVA，冷卻方式為自然冷卻。變壓器噪聲與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置方式如圖1所示。測(cè)點(diǎn)采用對(duì)稱布置方式，在主變周圍共布置6個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，距離主變0.3 m，位于1/2主變高度。主變共設(shè)置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，測(cè)點(diǎn)2—4位于1/2主變高度，分別對(duì)應(yīng)主變A，B，C三相繞組位置。為了提高對(duì)繞組振動(dòng)的檢測(cè)準(zhǔn)確性，減低振動(dòng)傳播過程中結(jié)構(gòu)非線性的影響，振動(dòng)傳感器采用磁座吸附在變壓器油箱表面遠(yuǎn)離加強(qiáng)筋與焊縫的平板位置。

分別采用某公司4189型自由場(chǎng)傳聲器與4534－B－001型加速度傳感器測(cè)量變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)，采用12通道3053型采集模塊進(jìn)行同步信號(hào)采集，采樣頻率設(shè)置為65 536 Hz，采樣時(shí)間為10 s。

圖1 變壓器噪聲與振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

2 空載變壓器噪聲與振動(dòng)測(cè)試與分析

變壓器調(diào)試期間，首先需要進(jìn)行若干次空載沖擊試驗(yàn)。與長期運(yùn)行變壓器不同，調(diào)試期間變壓器鐵芯與繞組結(jié)構(gòu)振動(dòng)未達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，因此，初次沖擊試驗(yàn)時(shí)變壓器噪聲水平最高，可達(dá)80 dB(A)以上。隨著沖擊次數(shù)的增加，主變?cè)肼曋饾u降低并趨于平穩(wěn)。選擇空載沖擊過后變壓器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)進(jìn)行噪聲與振動(dòng)測(cè)試。

2.1 變壓器空載噪聲

以測(cè)點(diǎn)1為例，變壓器噪聲信號(hào)時(shí)頻域波形如圖2所示?？梢钥闯?，由于變壓器初次投運(yùn)，各部件振動(dòng)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此其噪聲信號(hào)波形周期性不明顯，噪聲頻率主要集中在1 kHz范圍內(nèi)，以200 Hz與500 Hz頻率分量為主頻，50 Hz及其奇次諧波含量較高。與長期穩(wěn)定運(yùn)行變壓器噪聲信號(hào)相比，初次投運(yùn)變壓器噪聲信號(hào)波形復(fù)雜度更高。

圖2 變壓器空載噪聲信號(hào)時(shí)頻域波形

各測(cè)點(diǎn)等效A聲級(jí)LpA測(cè)試結(jié)果見表1所示。由表1可以看出，變壓器不同位置噪聲水平存在較大差異。由于散熱片的遮擋作用，主變正面噪聲水平較低，噪聲最小值為58.8 dB(A)。主變兩側(cè)噪聲水平較高，最大噪聲為65.7 dB(A)，造成該現(xiàn)象的原因在于主變兩側(cè)防火墻對(duì)變壓器噪聲具有反射作用，入射噪聲與反射噪聲在防火墻與變壓器之間形成疊加效應(yīng)，導(dǎo)致該位置主變?cè)肼暶黠@增大。

表1 主變空載聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果dB(A)

2.2 變壓器空載振動(dòng)

測(cè)點(diǎn)1處變壓器振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域波形如圖3所示。由圖3(a)中可以看出，由于加速度傳感器直接與變壓器箱體接觸，檢測(cè)結(jié)果不易受到外界環(huán)境因素的干擾，因此，與變壓器噪聲信號(hào)相比，振動(dòng)信號(hào)周期性更為明顯，其振動(dòng)周期約為0.02 s，振動(dòng)加速度幅值最高為1.613 m/s2。由振動(dòng)信號(hào)頻譜波形圖可以看出，空載條件下變壓器測(cè)點(diǎn)1位置振動(dòng)頻率主要為150 Hz，300 Hz，500 Hz以及800 Hz，隨著上述頻率的提高，加速度幅值逐漸降低，同時(shí)頻譜中也存在較多的50 Hz倍頻分量，但幅值普遍較低。通過與噪聲信號(hào)頻譜的對(duì)比可見，二者頻譜中存在較多的共同頻率，但振動(dòng)信號(hào)的頻譜復(fù)雜度較低，由于不存在空氣傳播過程中的衰減作用，500 Hz以上高次諧波幅值相對(duì)更高。由于變壓器噪聲是其箱體不同位置振動(dòng)綜合作用的結(jié)果，因此，盡管噪聲與振動(dòng)信號(hào)存在較多共同頻率但二者頻率仍存在較大差異。

圖3 變壓器空載振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域波形

3 帶負(fù)載變壓器噪聲與振動(dòng)測(cè)試與分析

3.1 變壓器負(fù)載噪聲

變壓器高壓側(cè)電流為100 A時(shí)，變壓器測(cè)點(diǎn)1位置噪聲信號(hào)時(shí)頻信號(hào)波形如圖4所示?？梢钥闯觯c圖2(a)相比，經(jīng)過一段時(shí)間帶負(fù)載運(yùn)行后變壓器噪聲信號(hào)周期性更加明顯且幅值變化較為平穩(wěn)，信號(hào)周期約為0.02 s。相應(yīng)的變壓器噪聲信號(hào)頻譜如圖2(b)所示。與空載情況相比，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)變壓器噪聲信號(hào)頻譜變化較大，此時(shí)信號(hào)主頻為500 Hz且幅值較高，但200 Hz頻率能量所占比例大幅降低，主要原因在于，空載時(shí)變壓器振動(dòng)主要來源于鐵芯磁致伸縮效應(yīng)，而帶負(fù)載運(yùn)行后變壓器振動(dòng)則由鐵芯與繞組共同產(chǎn)生，二者相互作用使得某些頻率噪聲信號(hào)的能量發(fā)生變化。

圖4 變壓器負(fù)載噪聲信號(hào)時(shí)頻域波形

帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變壓器各測(cè)點(diǎn)噪聲檢測(cè)結(jié)果如表2所示。各測(cè)點(diǎn)中噪聲最大值出現(xiàn)在變壓器側(cè)面測(cè)點(diǎn)6位置，為72.5 dB(A)。變壓器正面測(cè)點(diǎn)噪聲水平較低，最低噪聲為64.3 dB(A)。與空載條件下噪聲情況相比，負(fù)載條件下變壓器噪聲水平較高，各測(cè)點(diǎn)噪聲增加2.4～7.9 dB(A)。

表2 主變負(fù)載聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果dB(A)

3.2 變壓器負(fù)載振動(dòng)

圖5 變壓器負(fù)載振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域波形

變壓器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域波形如圖5所示。由圖5(a)可以看出，帶負(fù)載運(yùn)行條件下，變壓器振動(dòng)信號(hào)具有明顯的周期性，振動(dòng)幅值較空載運(yùn)行時(shí)顯著增大，振動(dòng)加速度幅值最高為4.355 m/s2。帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)變壓器振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖5(b)所示，變壓器主頻為550 Hz，頻譜范圍主要集中在1 kHz以內(nèi)，550 Hz以上振動(dòng)信號(hào)幅值逐漸降低的趨勢(shì)，頻譜中150 Hz，300 Hz以及500 Hz頻率分量幅值較高。與圖3(b)對(duì)比可以看出，考慮變壓器繞組振動(dòng)后，變壓器相同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)頻譜發(fā)生較大變化，具體體現(xiàn)在信號(hào)主頻發(fā)生變化，相同頻率點(diǎn)(如100 Hz，150 Hz，300 Hz以及500 Hz等)幅值出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象。上述現(xiàn)象表明，在變壓器初次投運(yùn)階段，繞組振動(dòng)對(duì)變壓器振動(dòng)幅值及頻譜分布具有較大影響。此外，由于變壓器調(diào)試階段噪聲相對(duì)于長期運(yùn)行時(shí)更為突出。因此，在進(jìn)行新建變電站噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，以調(diào)試階段的變壓器噪聲水平進(jìn)行計(jì)算，更能反映出變壓器剛投運(yùn)時(shí)的噪聲水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)新建變電站噪聲達(dá)標(biāo)具有實(shí)際意義。

4 結(jié)論

本文以某220 kV變電站三相油浸式電力變壓器為研究對(duì)象，在調(diào)試階段，對(duì)變壓器空載和負(fù)載條件下的噪聲與振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試與分析，主要得出以下結(jié)論:

1)調(diào)試階段的變壓器空載狀態(tài)下，其噪聲信號(hào)周期性不明顯，頻譜復(fù)雜度較高，與振動(dòng)信號(hào)相比，其頻譜存在較大差異；

2)調(diào)試階段的變壓器空載與負(fù)載，其噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻率均集中在1 kHz以內(nèi)，但帶負(fù)載運(yùn)行階段噪聲與振動(dòng)信號(hào)幅值更高，繞組振動(dòng)對(duì)變壓器噪聲與振動(dòng)幅值及頻譜分布具有較大影響；

3)由于調(diào)試階段的變壓器各部件振動(dòng)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此該階段變壓器噪聲水平相對(duì)較高。為確保新建變電站投產(chǎn)即噪聲達(dá)標(biāo)，應(yīng)以調(diào)試階段變壓器帶負(fù)載狀態(tài)下的實(shí)測(cè)噪聲值而非長期運(yùn)行后的噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行變電站噪聲預(yù)測(cè)和噪聲控制。

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Analysis of audible-noise and vibration characteristics of a three-phase oil-immersed power transformer

PAN Jiliang1，WU Xiaowen2，HU Sheng2，CHEN Xiangbo1，TANG Qi2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Xiangtan Power Supply Company，Xiangtan 411105，China；
2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，the audible-noise and vibration signals of a 220kV three-phase oil-immersed power transformer are measured in no-load and loading conditions when it is in the debugging stage.The time-domain and frequency-domain characteristics of the audible-noise and vibration signals are analyzed.The coherence analysis between the audible-noise and vibration signals is also carried out.The result shows that large discrepancy exists between the audible noise and vibration characteristics in no-load and load conditions.The amplitudes of audible noise and vibration signals of transformer in load conditions are more obvious，and their main frequency changes.The noise level of transformer in the early operation stage should be used for substation noise prediction before it is constructed.The conclusions can be referred for substation noise prediction and the audible-noise control of three-phase oil-immersed power transformers.

transformer；audible-noise；vibration；spectral characteristics

TM411.2

B

1008-0198(2017)01-0066-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.017

潘紀(jì)良(1982)，男，漢族，湖南湘潭人，工程師，主要從事變電運(yùn)維方面的工作。

2016-07-15 改回日期:2016-07-27