110 kV戶內(nèi)變壓器振動(dòng)噪聲特性及其相干性分析

張灝，梅華，潘慶慶，肖清明，耿明昕，趙亞林

(1．國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川 750011;2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001;3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054)

隨著城區(qū)用電負(fù)荷的增長(zhǎng)和用電質(zhì)量要求的提高，戶內(nèi)變電站越來(lái)越多，變電站運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-3]。特別是110 kV戶內(nèi)變電站[4-5]一般位于居民區(qū)，周?chē)暛h(huán)境要求高[6]，處理不當(dāng)極易出現(xiàn)噪聲擾民，是電網(wǎng)建設(shè)亟待解決的問(wèn)題。

學(xué)者們對(duì)110 kV戶內(nèi)變電站噪聲問(wèn)題開(kāi)展了研究[7-9]。實(shí)踐證明，主變壓器是110 kV戶內(nèi)變電站最主要的噪聲源[10]。運(yùn)行中的主變壓器鐵心受磁致伸縮影響產(chǎn)生周期性振動(dòng)[11]，振動(dòng)傳遞至殼體后向外輻射噪聲[12]。降低主變壓器本體噪聲是戶內(nèi)變電站噪聲控制最有效的手段，然而受殼體振動(dòng)與噪聲的耦合關(guān)系及負(fù)荷變化影響，低噪聲主變壓器設(shè)計(jì)成本高，建造困難。110 kV戶內(nèi)變壓器振動(dòng)可通過(guò)地基和槽鋼引起構(gòu)筑物內(nèi)二次噪聲[13]，加劇噪聲污染。有限元仿真分析[14-15]可應(yīng)用于戶內(nèi)變壓器振動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)，但目前電磁力不具備實(shí)測(cè)條件，只能通過(guò)計(jì)算值代替，導(dǎo)致仿真精度有限，因此通過(guò)進(jìn)行在運(yùn)110 kV戶內(nèi)變電站振動(dòng)噪聲實(shí)測(cè)，分析其分布特性及傳遞規(guī)律，對(duì)于實(shí)現(xiàn)110 kV戶內(nèi)變電站噪聲防治具有重要意義。

本文以西北某110 kV戶內(nèi)變電站為例，通過(guò)變壓器振動(dòng)噪聲實(shí)測(cè)，研究了變壓器表面振動(dòng)噪聲的頻譜特性，總結(jié)了變壓器表面振動(dòng)、地基和槽鋼振動(dòng)、噪聲的空間變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究了振動(dòng)噪聲的相干性，可為110 kV戶內(nèi)變電站噪聲防治提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 戶內(nèi)變壓器振動(dòng)噪聲測(cè)量

1.1 測(cè)試環(huán)境與設(shè)備

選擇西北某110 kV戶內(nèi)變電站進(jìn)行變壓器振動(dòng)及噪聲實(shí)測(cè)，變壓器型號(hào)SFZ10-50000/110，產(chǎn)品代號(hào)ZT1710A00091，額定容量50 MVA，額定電壓110/38.5/10.5 kV，三相，如圖1所示。

圖1 測(cè)試變壓器

所用的主要儀器設(shè)備如表1所示。

表1 主要儀器設(shè)備

1.2 戶內(nèi)變壓器振動(dòng)信號(hào)測(cè)量

對(duì)變壓器4個(gè)側(cè)面和底面地基的振動(dòng)分別進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)面選取具有代表性的測(cè)點(diǎn)來(lái)布置振動(dòng)傳感器，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榧訌?qiáng)筋。每個(gè)測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行3次振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，每次采樣時(shí)間為20 s。

(a)變壓器各側(cè)面位置

1.3 戶內(nèi)變壓器噪聲信號(hào)測(cè)量

根據(jù)GB/T 1094.10—2003電力變壓器第10部分[16]聲級(jí)測(cè)定的要求，待測(cè)變壓器油箱高度為2.75 m(大于2.5 m)，因此在變壓器1/3高度處和2/3高度處的水平面上分別進(jìn)行測(cè)量。本次測(cè)試測(cè)點(diǎn)距離變壓器基準(zhǔn)發(fā)射面0.3 m，噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

在對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，根據(jù)GB/T 1094.10—2003的要求，本文計(jì)算了環(huán)境修正值K以評(píng)估環(huán)境的影響。環(huán)境修正值K考慮了不希望出現(xiàn)的試驗(yàn)室邊界或者鄰近試品的發(fā)射物體所產(chǎn)生的聲反射的影響，其大小取決于試驗(yàn)室吸聲面積A對(duì)測(cè)量表面積S的比值：

(1)

對(duì)于本文所測(cè)變電站，經(jīng)計(jì)算得知，K=5.26，滿足K≤7[16]的要求，證明聲反射影響較小，試驗(yàn)室滿足測(cè)試要求，可進(jìn)行相關(guān)噪聲分析。

2 戶內(nèi)變壓器振動(dòng)特性分析

2.1 振動(dòng)特性分析

2.1.1 側(cè)面振動(dòng)結(jié)果分析

變壓器各側(cè)面上的振動(dòng)頻譜如圖4所示。對(duì)變壓器各側(cè)面振動(dòng)測(cè)量結(jié)果分析可知：

(a)正面振動(dòng)

(1)振動(dòng)頻率主要分布在100 Hz及其倍頻處，集中在600 Hz以內(nèi)，呈現(xiàn)典型的低頻線譜特征。

(2)變壓器長(zhǎng)邊(正面和背面)各頻率處振動(dòng)響應(yīng)在0.02 ms-2～0.29 ms-2之間，短邊(左側(cè)面和右側(cè)面)各頻率處振動(dòng)響應(yīng)在0.01 ms-2～0.37 ms-2之間，整體上短邊振動(dòng)略強(qiáng)于長(zhǎng)邊，且短邊測(cè)點(diǎn)中100 Hz和200 Hz處響應(yīng)占比更高。

2.1.2 底面及地基振動(dòng)結(jié)果分析

在變壓器底面槽鋼和地基上測(cè)得的測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻域信號(hào)如圖5所示。

(a)底面槽鋼振動(dòng)

可以看出：

(1)變壓器底面槽鋼和地基振動(dòng)主要集中在低頻段。

(2)隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離變壓器，底面槽鋼和地基振動(dòng)加速度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于振動(dòng)在空間的衰減所致，在變壓器安裝底座上的振動(dòng)加速度傳遞到變壓器室靠墻根處衰減了90%以上。少數(shù)點(diǎn)處振動(dòng)出現(xiàn)了增加趨勢(shì)，這是由于地基底面加強(qiáng)梁以及通風(fēng)井的影響所致。

(3)底面槽鋼上振動(dòng)衰減的趨勢(shì)與地基上的振動(dòng)衰減趨勢(shì)基本一致，但槽鋼上測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)衰減更為明顯。

為分析槽鋼振動(dòng)和地基振動(dòng)的關(guān)聯(lián)性，將100 Hz處底面槽鋼和地基各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度值繪制在一張圖上，得到圖6。

圖6 100 Hz處底面槽鋼和地基各點(diǎn)加速度值

可見(jiàn)地基和槽鋼處振動(dòng)具有較好的一致性，可以認(rèn)為地基振動(dòng)是由變壓器傳遞而來(lái)。

2.2 噪聲特性分析

噪聲測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)(A聲級(jí))

部分測(cè)點(diǎn)的噪聲頻域信號(hào)如圖7所示。

(a)測(cè)點(diǎn)4(1/3高度)

對(duì)變壓器噪聲測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析之后可以看出：

(1)變壓器噪聲分量主要集中在100 Hz及其倍頻處，與振動(dòng)頻譜分布基本一致，

(2)該變壓器距變壓器油箱表面30 cm處的噪聲在A聲級(jí)的65～70 dB的范圍內(nèi)。

3 振動(dòng)噪聲相干性分析

為分析戶內(nèi)站主變壓器噪聲振動(dòng)的相關(guān)性，將距離基準(zhǔn)發(fā)射面0.3 m處近場(chǎng)處噪聲與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行相干處理，處理方法如下：

計(jì)算聲壓P1(t)和表面振動(dòng)加速度a2(t)的互相關(guān)函數(shù)，如式(2)所示：

(2)

互相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換即為互功率密度譜，如式(3)所示：

(3)

利用上式計(jì)算結(jié)果開(kāi)展部分測(cè)點(diǎn)振動(dòng)噪聲相干分析，結(jié)果如圖8所示。

(a)測(cè)點(diǎn)1相干系數(shù)

分析可知:

(1)近場(chǎng)處噪聲與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)相關(guān)性系數(shù)隨頻率增加總體呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明隨著頻率的增加，噪聲和振動(dòng)的相關(guān)性逐漸減弱。

(2)在1000 Hz以內(nèi)，近場(chǎng)處噪聲與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)具有高度相關(guān)性，特別是在100、200、300、600、800 Hz等頻率處，相干系數(shù)接近于1，這說(shuō)明在這些頻率處近場(chǎng)噪聲與表面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)相干性很強(qiáng)，近場(chǎng)噪聲可以近似地認(rèn)為是由對(duì)應(yīng)的表面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)所引起的。

(3)在1000 Hz以上，近場(chǎng)處噪聲與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的相關(guān)系數(shù)迅速降低。這是因?yàn)樽儔浩髡駝?dòng)主要集中在1000 Hz以內(nèi)，近場(chǎng)噪聲中1000 Hz以上分量受環(huán)境噪聲影響，與變壓器振動(dòng)相關(guān)性較弱。

4 結(jié) 論

(1)變壓器側(cè)面振動(dòng)頻率主要分布在100 Hz及其倍頻處，集中在600 Hz以內(nèi)，呈現(xiàn)典型的低頻線譜特征，整體上變壓器短邊振動(dòng)略強(qiáng)于長(zhǎng)邊，且短邊測(cè)點(diǎn)中100 Hz和200 Hz處響應(yīng)占比更高。

(2)變壓器底面槽鋼和地基振動(dòng)加速度總體呈獻(xiàn)衰減趨勢(shì)，在變壓器安裝底座上的振動(dòng)傳遞到變壓器室靠墻根處已衰減90%以上。地基和槽鋼處振動(dòng)具有較好的一致性，而且可以認(rèn)為地基振動(dòng)是由變壓器傳遞而來(lái)。

(3)變壓器噪聲分量主要集中在100 Hz及其倍頻頻率處，與振動(dòng)頻譜分布基本一致，距變壓器油箱表面30 cm處的噪聲聲壓級(jí)在65～70 dB的范圍內(nèi)。

(4)在1000 Hz以內(nèi)，近場(chǎng)處噪聲與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)相干性很強(qiáng)，近場(chǎng)噪聲可以近似地認(rèn)為是由對(duì)應(yīng)的表面測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)引起輻射噪聲所致。