变压器的噪声

学习之友 (1)　 变　压　器　的　噪　声 　　编者按: 应广大读者要求, 本刊将恢复“学习之友”栏目。该栏目将陆续刊载与变压器 设计、制造、运行、维护有关的基础知识。欢迎广大读者对本栏目刊载的内容提出建议, 也 欢迎有关专家为本栏目撰写文章。 从本期起, 本刊将连载保定变压器厂董志刚高级工程师撰写的“变压器的噪声”一文, 该文系统介绍了与噪声有关的基本概念、噪声的机理、噪声的测量、影响变压器噪声的因 素、降低变压器噪声的技术措施和低噪声变压器的设计要点等, 全文预计分五次载完。 一、前言 从所周知, 变压器的噪声问题一直是在世 界范围内受到普遍关注的环境问题之一。特别 是近年来, 由于城区的不断扩大以及城市电网 改造的需要, 一些变电站有时要建筑在靠近居 民区或直接建筑在居民区内, 于是变压器噪声 的问题就显得尤为突出了。 变压器的噪声不但污染环境、危害人类健 康、影响设备的正常运行, 而且与变电站的占地 面积密切相关。 变压器的噪声与其电气性能和机械性能一 样, 都是变压器极为重要的技术参数。完全可以 说, 变压器本体噪声水平的高低, 是衡量制造厂 设计能力和生产水平的重要指标之一。因此, 许 多国家的变压器制造厂都在积极采取各种有效 措施, 以求降低变压器的噪声。 早在本世纪 20 年代前后, 欧美一些国家就 已经着手对变压器的噪声进行试验研究工作 了。据 1968 年出版的 IEEE Comm it tee repo rt 统计, 1930～ 1966 年期间, 各国共有 421 篇关 于变压器噪声的和 90 件关于变压器噪声 的专利问世。1966 年迄今发表的有关变压器噪 声的研究报告如专利文献就多得难以统计了。 我国对变压器噪声的试验研究工作, 要比 欧美一些国家晚得多。直到 1980 年前后, 国内 一些变压器制造厂才陆续开始对变压器的噪声 进行试验和研究。为了加强基础理论的研究, 开 展了“变压器噪声的机理”、“声辐射场的计算” 等 专 题 研 究。此 外, 还 编 制 了 国 家 标 准 GB 7328—87“变压器和电抗器的声级测定”。 如今, 世界上许多国家都相继制定了各自 的环境噪声。运行中变压器的噪声, 是绝对 不允许超过其所在环境的噪声标准的。如若超 过, 要么责令停运, 要么处以巨额罚款。由于变 压器是不分昼夜连续运行的, 因此应该以夜间 的环境噪声允许值为标准进行比较。我国于 1982 年也颁了中国城市环境噪声标准 (见表 1)。但就变压器的噪声水平而言, 无论是新产品 出厂时的测量值 (见表 2) , 还是老产品运行中 　　　　 表 1　中国城市环境噪声标准 (引自 GB 3096- 82) 适用区域 白天 dB (A ) 夜间 dB (A ) 特殊住宅区 45 35 居民文教区 50 40 一类混合区 55 45 商业中心区 60 50 二类混合区 60 50 工业集中区 65 55 交通干线道路两侧 70 55 ·13·1995 年第 10 期　　　　　　　　　　　　变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 2　变压器噪声的出厂测量值 (沈变和保变的统计数据) 变压器额定容量 (kVA ) 冷却方式 变压器本体 噪声[dB (A ) ] 变压器噪声 [dB (A ) ] ≤1600 油浸自冷 < 50 < 50 2000～ 8000 油浸自冷 50～ 60 50～ 60 10000～ 63000 油浸吹风冷却 61～ 71 64～ 74 90000～ 360000 强迫油循环风冷 70～ 75 74～ 80 90000～ 360000 强迫油循环水冷 70～ 75 70～ 75 的实测值 (见表 3) , 都明显高于环境噪声标准 中的允许值, 大型电力变压器尤为明显。 表 2 是沈阳变压器厂、保定变压器厂在产 品出厂时测得的各类电力变压器的噪声值 (不 包括特殊要求的低噪声电力变压器)。 表 3 是上海供电局于 1983 年对运行中的 部分国产电力变压器进行现场测量的结果。 由于表 2 和表 3 的产品不是同一产品, 不 能直接进行比较。但是国内外的实践经验表明, 由于受负载电流和运行环境等诸因素的影响, 大型电力变压器在运行中的实际噪声水平, 往 往要高于产品出厂试验时噪声的测量值。例如, 德国曾对比过一台 300M VA 400kV 的电力变 压器, 出厂时测得的噪声为 59dB (A ) , 而运行 现场的实测值为 65dB (A ) , 相差为 6dB (A )。我 国及其它一些国家也注意到了运行中变压器噪 声的实际值。与出厂时空载状态下的测量值不 　　　 表 3　变压器噪声的现场测量结果 (上海供电局的测量数据) 变压器型号 噪声[dB (A ) ] 冷却装置 SFPL - 120000ö220 83～ 89 10 组 YF- 100 冷却器 SFPSL - 120000ö220 85～ 89 11 组 YF- 100 冷却器 SFPSL - 90000ö220 88～ 91 10 组 YF- 100 冷却器 SFPSL - 63000ö110 82～ 84 8 组 YF- 80 冷却器 SF- 16000ö35 77～ 7915 5 只吹风散热器 SF- 15000ö35 73～ 75 6 只吹风散热器 SJZ- 7500ö35 65～ 67 6 只散热器 SJ- 7500ö35 63～ 64 6 只散热器 SJZ- 5600ö35 59～ 64 6 只散热器 SJ- 5600ö35 59～ 6315 6 只散热器 同。由于在现有的各类噪声标准中均未提及负 载所引起的噪声值的升高, 因此这一现象目前 已经引起了国际学术界的高度重视, 1987 年 10 月在意大利佛罗伦斯召开的国际大电网会议第 38 次变压器学术讨论会上, 绝大多数与会者普 遍认为, 对于负载引起的噪声升高问题应该予 以重视, 尤其是在磁密低于 114T 时, 负载引起 的噪声升高是不容忽视的。在这次讨论会上, IEC 的 TC14 (变压器) 主席也曾公开表示要考 虑负载对变压器噪声水平的影响。 即便不考虑变压器在运行中噪声水平的升 高, 仅将表 2 表与 1 进行对比也不难看出, 目前我国变压器噪声的出厂测量值与城市环境 噪声标准的规定值之间, 还是有一定差距的。对 于变压器制造厂来说, 降低变压器的噪声已经 提到议事日程上来了, 对于噪声继续采取漠不 关心、听而不闻的态度, 再也不能适应形热发展 的需要了。只有采取有效的技术措施, 尽快地把 变压器 (尤其是大型电力变压器) 的噪声降下 来, 才能满足市场竞争的需求要。 二、与噪声有关的几个基本概念 在对变压器的噪声机理及降低噪声的技术 措施等进行专题论述之前, 有必要先弄清几个 基本概念。 11 为什么“噪音”要改称“噪声” “噪声”以前曾被称为“噪音”, 近几年才改 称为“噪声”。之所以要改变称谓, 是因为在我国 辞书中“声”和“音”是有区别的。通常, 成调之声 才称为音, 其波形呈规律性变化的声才称为音, 音使听者心情舒畅; 而变压器励磁以后所发出 的这种连续性的声响, 其波形是没有规律的非 周期性曲线, 是令听者厌烦的, 故称其为“噪声” 更加科学和严格。 21 分贝 (dB)和方 (phon) 在阅读国外技术文献时, 尤其是在日本文 献中, 我们常常发现: 变压器的噪声水平有时用 分贝 (dB ) 表示, 有时用方 (phon) 表示, 其实 dB 与 phon 是完全不同的两个单位, 在使用过程 中一定要把 dB 与 phon 严格区分开。 ·23· 变压器　　　　　　　　　　　　1995 年第 10 期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (1) 分贝 (dB ) 是声级 (声压级和声功率级 等)的单位 众所周知, 噪声是以波 (即声波) 的形式从 噪声源均匀地向四周发射的。声波具有的能量 会引起空气质点的振动, 使大气压强产生迅速 的起伏, 我们把大气压强的这种起伏称为声压。 噪声越强, 声压就越大; 噪声越弱, 声压就越小, 于是便可以用声压的大小作为衡量噪声强弱的 尺度, 其单位为帕 (Pa)。正常人耳刚刚能够听 到的声压为 20ΛPa (即 20×10- 6Pa) , 称为听阈 声压 (在标准中又称基准声压) ; 引起人耳痛疼 甚至对人耳造成伤害的声压为 20Pa, 称为痛阈 声压。可见从听阈到痛阈, 人耳能够听到的声压 变化范围很大 (20×10- 6～ 20Pa) , 其数量级相 差也很大, 因此用声压的绝对值来表示噪声的 大小是很不方便的。于是便引出了一个表示噪 声大小的声压级, 就好象风和地震都按级来划 分一样, 声压也按级来评定, 它的单位就是 dB。 变压器的声压级L p 可由下式求出: L p = 20lg PP 0 , dB (1) 式中　P ——变压器噪声声压的有效值, Pa P 0——基准声压, 其值为 P 0= 20ΛPa= 20×10- 6, Pa 这就是说, 变压器噪声的大小是以声压级 来表示的, dB 是声压级的单位, 按照式 (1) 进行 计算得知, 听阈的声压级为 0dB , 痛阈的声压级 为 120dB , 即从听阈到痛阈共划分为 120dB。可 见变压器噪声的大小用声压级来表示, 比用声 压的绝对值来表示要简便多了。 同样, 为了方便起见, 变压器噪声输出功率 的大小也用级来表示, 称为声功率级, 其单位也 是分贝 (dB ) , 变压器的声功率级 L W 可由下式 计算: L W = 10lg P ′p 0′, dB (2) 式中　P ′——变压器噪声输出功率的有效值,W P 0′—— 基 准 声 功 率, 其 值 为 P 0′= 10- 12,W 声功率级的提出是由于容量等级不同的两 台变压器, 即使它们的声压级完全相同, 但由于 它们的外型尺寸不同, 因此这两台变压器噪声 输出的功率是不同的, 容量越大, 外型尺寸越 大, 噪声输出的功率就越大。为了便于比较, 便 提出了声功率级这一专业术语。 变压器声压级与声功率级之间的关系可用 下式表示: L W = L P + 10lg SS 0 , dB 式中　S ——测量表面积,m 2 S 0——基准表面积, 其值为 S 0= 1,m 2 图 1　等响度曲线 (2)方 (phon)是响度级的单位 响度是正常人耳对噪声强弱的感知程度, 噪声的振幅越大, 其响度就越大。与声级一样, 响度也是按级来划分的。响度级的单位是方 (phon)。正常人耳的听觉灵敏度, 从听阈到痛 阈的全部听觉范围也被划分为 120phon, 0phon 相当于听阈, 120phon 相当于痛阈。用 phon 表 示的响度级, 在数值上与频率 1000H z 时用 dB 表示的声级相等, 也就是说, 响度级 (phon) 与 1000H z 时的声压级或声功率级 (dB ) 相等。这 一结论可由图 1 的等响度曲线得到证实。 正常人耳能够听到的声响不仅与声压有 关, 也与声波振动的频率有关。变压器噪声的响 度、声压、频率之间的关系如图 1 所示。图中的 曲线称为等响度曲线, 表示一个中等听力水平 的人, 其听觉灵敏度随声压及频率变化的情况, 说明人耳听觉的灵敏度随频率的降低而下降。 例如, 30H z 时 78dB、100H z 时 61dB、200H z 时 ·33·1995 年第 10 期　　　　　　　　　　　　变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 53dB 及 1000H z 时 40dB 的噪声, 其响度是相 等的, 均为 40phon。这表明, 在 30H z 时正常人 耳的听觉灵敏度, 要比 1000H z 时低 38dB。 31 为什么要用 A 计权的声级或响度级来 测量和控制变压器的噪声 正常人耳对不同频率噪声的听觉灵敏度是 不一样的, 即使两个噪声的声压相同, 若其频率 不同, 听起来也是不一样响的 (即其响度级是不 同的)。通常, 人耳对高频 (其频率高于 1000H z) 噪声比较敏感, 而对低频 (其频率低于 500H z) 噪声比较迟钝。前面得到的正常人耳在 30H z 时的听觉灵敏度, 比 1000H z 时低 38dB 就是这 个道理。 在进行变压器的噪声测量时, 有关标准规 定所用的声级计 (我国标准 GB 7328—87 中规 定用 I 型声级计) 的频率校正线路中, 为了模拟 人耳对噪声听觉灵敏度的这种特性, 把 500H z 以下的测量灵敏度逐渐降低, 这样读出来的数 叫 A 计权声级, 简称A 声级, 用 dB (A ) 来表 示。同样, 若用响度计对变压器噪声的响度进行测 量时,A 计权的响度级应该表示为phon (A )。 由于A 计权的声级和响度级比较接近人 耳对噪声主观感觉, 所以在变压器噪声的测量 和控制中, 人们经常用A 计权的声级或响度级 作为噪声测量的单位和评价噪声的主要指标。 41 变压器噪声计算的基本规则 对下述几种情况, 即: 当几台变压器一起运 行, 若分别知道每台变压器单独运行的噪声, 欲 求它们的合成噪声时; 当分别知道变压器的本 体噪声及其冷却装置的噪声, 欲求这台变压器 的合成噪声时; 或者反过来, 当知道几台变压器 一起运行的合成噪声以及其中几台单独运行的 噪声, 欲求另外几台的噪声时; 当知道变压器的 合成噪声及其冷却装置的噪声, 欲求这台变压 器的本体噪声时; ⋯⋯总之, 当有两个及以上的 噪声源时, 切记千万不能用算术方法直接对噪 声进行加、减运算, 这是因为 dB 或 phon 均为 对数比率, 对数比率是不能够直接相加或相 减的。　　 当一起运行的变压器有两台及以上时, 它 们的合成噪声可用下面的公式进行计算 L PA = 10lg ∑ N i= 1 100. 1L PA i , dB (A ) (3) 式中　L PA ——几台变压器一起运行时, 它们的 合成声压, dB (A ) L PA i——第 i 台变压器单独运行时的声 压, dB (A ) i——一起运行的变压器的序号 i= 1, 2,. . . N N ——一起运行的变压器的总台数 L PA 1- L PA 2dB (A ) 图 2　L PA 1- L PA2与 ∃L PA的关系 　 [例 1 ]有两台变压器一起运行, 各自的声 压分别为L PA 1= 70dB (A ) , L PA 2= 68. 2dB (A ) , 求它们的合成声压L PA = ? 解: 按照式 (3)求得它们的合成声压 L PA = 10lg (100. 1×70+ 100. 1×68. 2) = 72. 2dB (A ) [例 2 ]若变压器的本体噪声为 70dB (A ) , 所用风冷却器的噪声为 7514dB (A ) , 求该变压 器的合成噪声L PA = ? 解: 按照式 (3)求得其合成噪声 L PA = 10lg (100. 1×70+ 100. 1×75. 4) = 76. 5dB (A ) 当一起运行的变压器只有两台 (即只有两 个噪声源) 时, 其合成噪声除了可以用式 (3) 进 行计算以外, 也可以利用图 2 的曲线查得。具体 方法是, 根据两台变压器声压的差值 L PA 1 - L PA 2 (假定L PA 1的声压高于L PA 2) , 由图 2 的曲 线查出与该差值对应的声压增量 ∃L PA , 然后将∃L PA 与 ∃L PA 1相加, 即为所求的合成声压。 [例 3 ]用图 2 的曲线对例 1 进行验算 ·43· 变压器　　　　　　　　　　　　1995 年第 10 期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 4　L PA 1- L PA 2与 ∃L PA 的关系 L PA 1- L PA 2 [dB (A ) ] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15∃L PA [dB (A ) ] 310 215 211 118 115 112 110 018 016 015 014 013 0125 012 0115 011　　解: L PA 1- L PA 2= 70- 68. 2= 1. 8dB (A )由此差值查图 2 曲线得:∃L PA = 2. 2dB (A )故合成声压为: 212+ 70= 72. 2dB (A ) 与例 1 的计算结果完全一致。 [例 4 ]用图 2 的曲线对例 2 进行验算 解: L PA 1- L PA 2= 75. 4- 70= 5. 4dB (A ) 由此差值查图 2 曲线得:∃L PA = 1. 1dB (A ) 故该变压器的合成噪声为: 7514+ 111= 7615dB (A ) 与例 2 的计算结果完全一致。 图 2 中的曲线也可以用表格的形式给出 (见表 4)。 由图 2 和表 4 均可看出, 当 L PA 1 - L PA 2的 差值大于 10dB (A ) 时, ∃L PA 的值很小, 通常可 以不予考虑。 当声级相同的若干台变压器或冷却器一起 运行时, 声压增量 ∃L PA 与运行台数之间的关系 可由图 3 的曲线查得。 例如 2 台声压为 70dB (A ) 的变压器一起 　　　　 运行时, 由图 3 可知其声压增量 ∃L PA = 3dB (A ) , 故其合成声压为 70+ 3= 73dB (A )。 又例如 10 组声压为 65dB (A ) 的风冷却器一 起运行时, 由图 3 可知其声压增量 ∃L PA = 10dB (A ) , 故其合成声压为 65+ 10= 75dB (A )。 图 3　相同声级的变压器台数与 ∃L PA的关系 (待续) (收修改稿日期: 1995- 08- 23) (上接第 29 页) 测试性能变化率表 试样 名称 产地 　 厚度 (mm ) 试　验 项　目 并　　接 对　称　串　接 交　角　串　接 一片 二片 三片 四片 各半 一片 二片 三片 四片 各半 一片 二片 三片 四片 各半 M 5 Z10 德国 日本 0135 比铁损(P 1. 7ö50) 无功电流 (P 1. 7ö50) 22123 22129 1124 22116 22142 0146 22149 21105 22116 0120 22136 22142 22129 21177 221291184 1177 5146 1191 1164 4164 1157 3107 1191 4137 1171 1164 1177 2134 1177215191 215189 215126 215126 216111 217130 216140 215118 214171 29180 215199 216119 215185 215138 21218820142 20145 21134 21134 20113 18143 19171 21147 22114 29117 20130 20101 20151 21118 24175 M 6 M 5 德国0135 比铁损(P 1. 7ö50) 无功电流 (P 1. 7ö50) 0106 21149 0193 22160 22148 22173 2173 22142 23128 23104 20174 23104 22191 23104 231225176 4113 6168 2195 3108 2182 2182 3114 2123 2149 4191 2149 2162 2149 212927196 26166 26184 26102 26194 25171 24188 26123 26104 23157 25159 26144 26100 25198 241523102 4148 4128 5120 4116 5154 6147 4197 5117 7194 5168 4173 5122 5124 6187 (收修改稿日期: 1995- 07- 31) ·53·1995 年第 10 期　　　　　　　　　　　　变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 学 习 之 友 XU EX I ZH IYOU 　变压器的噪声 (2) 三、噪声的机理 从物理学的角度讲, 噪声是由于弹性介质 的非周期性振动而产生的。变压器的噪声是由 于铁心、绕组、油箱 (包括磁屏蔽等) 及冷却 装置的振动而产生的, 是一种连续性噪声。铁 心、绕组和油箱 (包括磁屏蔽等) 统称为变压 器的本体, 所以又可以说, 变压器的噪声是由 于变压器本体的振动及其冷却装置的振动而产 生的一种连续性噪声。 变压器噪声的大小与变压器的额定容量、 硅钢片的材质及铁心中的磁通密度等诸因素有 关。 1. 变压器本体噪声的机理 国内外的研究结果表明, 变压器 (包括带 有气隙的铁心电抗器) 本体振动的根源在于: (1)硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。所 谓磁致伸缩就是铁心励磁时, 沿磁力线方向硅 钢片的尺寸要增加, 而垂直于磁力线方向硅钢 片的尺寸要缩小, 这种尺寸的变化称为磁致伸 缩。磁致伸缩使得铁心随着励磁频率的变化而 周期性地振动。 (2) 硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏 磁而产生的电磁吸引力, 从而引起铁心的振动。 (3) 当绕组中有负载电流通过时, 负载电 流产生的漏磁引起绕组、油箱壁 (包括磁屏蔽 等) 的振动。 (4) 对于带有气隙的铁心电抗器来说, 还 有心柱气隙中非磁性材料垫片处的漏磁引起的 铁心振动等等。 近年来, 由于铁心叠积方式的改进 (如采 用阶梯接缝等) , 再加上心柱和铁轭都用环氧玻 璃丝粘带绑扎, 因此硅钢片接缝处和叠片之间 的电磁吸引力引起的铁心振动, 比硅钢片磁致 伸缩引起的铁心振动要小得多, 可以忽略。 变压器 (包括带有气隙的铁心电抗器) 的 额定工作磁密通常取 115～ 118T。国内外的研 究和试验均证明, 在这样的磁密范围内, 负载 电流产生的漏磁引起的绕组、油箱壁 (包括磁 屏蔽等) 的振动, 与硅钢片的磁致伸缩引起的 铁心振动相比要小得多, 也可以忽略。 虽然在带有气隙的铁心电抗器中, 非磁性 材料垫片处漏磁引起的铁心振动比一般电力变 压器要大, 但只要气隙的结构设计合理, 且选 用弹性模数约为 2×105M Pa 的非磁性材料 (如 陶瓷) 做垫片, 再加上精心制造, 带有气隙的 铁心电抗器的铁心振动, 可与一般电力变压器 铁心的振动相接近。因此, 与硅钢片磁致伸缩 引起的铁心振动相比, 气隙处漏磁引起的铁心 振动仍可忽略。 这就是说, 变压器 (包括带有气隙的铁心 电抗器)的本体振动完全取决于铁心的振动, 而 铁心的振动可以看作完全是由硅钢片的磁致伸 缩造成的。 铁心的磁致伸缩振动通过铁心垫脚和绝缘 油这两条路径传递给油箱壁, 使箱壁 (包括磁 屏蔽等) 振动而产生本体噪声, 并以声波的形 式均匀地向四周发射。这就是变压器 (包括带 有气隙的铁心电抗器) 本体噪声的机理。 值得提及的是, 当铁心的固有频率与磁致 伸缩振动的频率相接近时, 或者当油箱及其附 件的固有频率与来自铁心的振动频率相接近 时, 铁心或油箱将会产生谐振, 使本体噪声骤 增。 ·72·1995 年第 11 期 变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4　变压器本体的声压水平与 箱壁振动加速度的关系 　　日本富士公司 通过反复试验, 得 到了油箱箱壁的振 动加速度 Α与变压 器本体声压水平 SPL ( Sound P res2 su re L evel) 的关系 曲线 (见图 4)。此曲 线也可以用下面的 解析式来近似表 达: SPL = 20lgΑ+ 90, dB (A ) (4) 式中　Α——箱壁的振动加速度, g 由于磁致伸缩的变化周期恰恰是电源频率 的半个周期, 所以磁致伸缩引起的变压器本体 的振动噪声, 是以两倍的电源频率为其基频的。 由于铁心磁致伸缩特性的非线性、多级铁心中 心柱和铁轭相应级的截面不同, 以及沿铁心内 框和外框的磁通路径长短不同等等, 均使得磁 通明显地偏离了正弦波, 即有高次谐波的磁通 分量存在。这样就使得铁心的振动频谱中除了 有基频振动以外, 还包含有其频率为基频整数 倍的高频附加振动。所以, 变压器铁心振动的 噪声频谱中除了基频噪声之外, 还包含有其频 率为基频整数倍的高频噪声。 研究结果表明, 电力变压器铁心噪声的频 谱范围通常在 100～ 500H z 之间。进一步的研 究还表明, 变压器的额定容量越大, 在铁心的 噪声中基频分量所占的比例越大, 二次及以上 的高频分量所占的比例越小; 而变压器的额定 容量越小, 在铁心的噪声中基频分量所占的比 例越小, 二次及以上的高频分量所占的比例越 大。这就是说, 对于不同容量的电力变压器, 其 铁心噪声的频谱是不一样的。据报导, 100kVA 变压器的噪声频谱中, 四次谐波噪声分量最大; 10M VA 变压器的噪声频谱中, 二次谐波噪声 分量最大; 20～ 30M VA 变压器的噪声频谱中, 基频和二次谐波的噪声, 与三、四次谐波的噪 声大致相仿; 而 30M VA 以上变压器的噪声频 谱中, 基频和二次谐波的噪声, 要比三、四次 谐波的噪声明显增大。国内外的实践经验表明, 在进行低噪声电力变压器的设计计算时, 只考 虑基频和四次及以下的高频噪声就可以了, 五 次及以上的高频噪声通常可以不予考虑。对于 50H z 电源而言, 亦即只考虑 100H z 的基频噪 声和 200H z、300H z、400H z 的高频噪声就可以 了。 试验研究结果表明, 卷铁心变压器的高频 噪声要比叠片式铁心变压器低一些。带有气隙 的铁心电抗器的磁密通常比电力变压器低 10%～ 30% , 因此电抗器的噪声频谱中主要是 低频分量, 高频分量要比变压器小。对于大容 量的电抗器, 主要是基频分量的噪声。由于变 流变压器中的高次谐波要比电力变压器大得 多, 故变流变压器的高频噪声与相同规格的电 力变压器相比, 要明显升高。运行实践表明, 接 有可控硅负载的变流变压器, 其噪声水平要增 大 15～ 30dB (A )。电弧炉变压器因经常处于短 路工作状态, 故其噪声有时高达 100dB (A ) 以 上。 必须强调指出的是, 国外的试验研究结果 表明, 当变压器的额定工作磁密降低到 114T 左右时, 负载电流产生的漏磁所引起的绕组、油 箱壁 (包括磁屏蔽等) 的振动, 将与硅钢片磁 致伸缩引起的铁心振动相接近 (有时甚至会超 过铁心的磁致伸缩振动)。这时变压器的本体噪 声不再单纯由硅钢片的磁致伸缩决定, 而必须 考虑负载电流漏磁引起的绕组、油箱壁 (包括 磁屏蔽等) 的振动噪声。 国外的试验研究结果还表明, 当由叠片组 成的磁屏蔽采用刚性结构固定在油箱壁上时, 这些磁屏蔽和油箱壁的振动噪声与绕组的振动 噪声相比是比较小的, 故往往可以只用负载电 流漏磁引起的绕组振动噪声, 来评价负载电流 引起的噪声水平的升高。 负载电流的漏磁对变压器噪声的影响可用 下式来评价:∃L W I = 20lg ( IIN ) 2, dB (A ) (5) ·82· 变压器 1995 年第 11 期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 式中　∃L W I——负载电流引起的绕组噪声声 功率级的变化量, dB (A ) I——变压器的负载电流, A IN ——变压器的额定电流, A 上式也可以用图 5 来表示, 由该图能够明 显地看出负载电流对绕组噪声的影响, 即绕组 噪声的大小是随着负载电流的变化而改变的。 例如在负载电流为 017IN 时, 绕组噪声比额定 电流时约低 6dB (A )。由于输电和配电变压器 通常不带满负载运行, 从而使具有低磁密的变 压器的噪声升高问题能够得到某些补偿。对于 发电机变压器而言, 虽然它们一般都是在满负 载的情况下运行, 但由于它们通常都具有比较 高的磁通密度, 从而使变压器噪声升高问题也 能够得到某些补偿。 图 5　负载电流引起的绕组噪声声功率级的变化量 21 冷却装置噪声的机理 与变压器本体噪声的机理一样, 冷却装置 的噪声也是由于它们的振动而产生的。冷却装 置振动的根源在于: (1) 冷却风扇和变压器油泵在运行时产生 的振动 (变压器油泵产生的噪声较小, 可以忽 略)。 (2) 变压器本体的振动有时也可能通过绝 缘油、管接头及其装配零件等, 传递给冷却装 置, 使冷却装置的振动加剧, 辐射的噪声加大。 冷却装置振动产生的噪声, 也是以声波的 形式均匀地向四周发射的。这就是冷却装置噪 声的机理。 国内外的运行实践表明, 对于采用油浸自 冷方式的变压器而言, 直接安装在油箱上的自 冷式散热器片产生的噪声, 比变压器的本体噪 声低得多, 可以不予考虑。就采用强迫油循环 吹风冷却方式的变压器而言, 冷却风扇的噪声 是很高的, 能使变压器的合成噪声比变压器的 本体噪声增高 4～ 6dB (A ) 以上。 另外, 国内外的运行实践告诫我们, 还有 一个问题必须强调指出, 即变压器运行时的噪 声往往要高于出厂时的测量值, 尤其是当额定 工作磁密为 114T 及以下时, 运行时噪声水平 的升高更为明显。这是因为: (1) 运行过程中负载电流产生的漏磁会引 起绕组、油箱壁 (包括磁屏蔽等) 的振动, 从 而产生附加的振动噪声。这种附加的振动噪声 的大小是与负载电流的平方成正比的。在 1987 年的国际变压器学术讨论会上, 有人根据试验 研究结果提出, 负载电流产生的附加噪声与额 定工作磁密约为 114T 时铁心的磁致伸缩振动 噪声水平相当。沈阳变压器厂在温升试验时发 现, 当电流接近额定值时, 具有磁屏蔽装置的 变压器, 如果磁屏蔽接近饱和, 附加的振动噪 声是相当高的。 (2) 铁心加热以后, 由于谐振频率和机械 应力的变化, 其噪声会随温度的升高而增大。前 苏联的试验结果表明, 当铁心的温度由 20℃升 高到 100℃时, 其噪声增加了 4dB (A )。 (3) 运行现场的环境 (如周围的墙壁、建 筑物及安装基础等) 对噪声有影响。 (4) 当负载电流中叠加有直流分量和谐波 分量时, 会使噪声升高。就变流变压器而言, 由 于直流分量和谐波分量的影响, 运行时的噪声 值要比出厂时的测量值高 20dB (A ) 左右。 四、噪声的传播路径 由前一章所述可知, 变压器通过空气向四 周发射的噪声是由两部分噪声合成的, 一部分 是由于箱壁 (包括磁屏蔽等) 振动而产生的本 体噪声; 另一部分是由于冷却风扇和变压器油 泵振动而产生的冷却装置噪声。 变压器本体噪声完全取决于铁心的磁致伸 缩振动。铁心的磁致伸缩振动是通过两条路径 ·92·1995 年第 11 期 变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 传递给油箱的, 一条是固体传递路径——铁心 的振动通过其垫脚传至油箱; 另一条是液体传 递路径——铁心的振动通过绝缘油传至油箱。 由这两条路径传递过来的振动能量, 使箱壁 (包括磁屏蔽等) 振动而产生本体噪声。通过空 气, 本体噪声以声波的形式均匀地向四周发射。 图 6　变压器噪声传播路径示意图 国内外的研究结果表明, 固体路径和液体 路径所传递的振动, 其能量几乎是相等的。因 此, 即使将其中任何一条路径传递的振动完全 吸收或衰减掉, 变压器的本体噪声也只能降低 大约 3dB (A ) (参见图 3)。 同样, 冷却风扇和变压器油泵产生的振动 噪声, 也是通过空气以声波的形式均匀地向四 周发射的。 从变压器本体油箱及冷却风扇和变压器油 泵向外界发射的振动噪声, 均随发射距离的增 加而逐渐衰减。另外, 噪声在均匀地向四周发 射的过程中, 往往会遇到障碍物, 如果障碍物 的尺寸小于噪声的波长时, 噪声就会绕过障碍 物; 当障碍物的尺寸大于噪声的波长时, 障碍 物就会形成隔声壁。这时发射到隔声壁上的噪 声, 有一部分将被隔声壁吸收; 还有一部分将 被隔声壁反射回去; 其余部分才穿过隔声壁发 射出去。隔声壁的材料能够影响吸收和反射这 两部分噪声, 柔软而多孔的材料能够吸收绝大 部分噪声, 而只反射一小部分; 坚硬而光滑的 材料则能够把绝大部分噪声反射回去, 而只吸 收一小部分。 变压器若安装在户内, 由于经过墙壁等的 多次反射, 其噪声会升高, 这种现象叫做噪声 的交混回响。从变压器停止运行到其噪声声强 减小到运行时噪声声强的百万分之一所需的时 间, 称作交混回响时间。 变压器噪声传播路径的示意图如图 6 所 示。 五、噪声的测量 1. 声压和声功率测量法 (简称标准法) 变压器声压和声功率的测量方法, 在国际 标准 ( IEC551- 1976) 及国家标准 (GB 7328- 87)《变压器和电抗器的声级测定》中都已做了 具体规定, 本文不再赘述。 由于在出厂测量时, 只测变压器通过空气 向四周发射的噪声, 而不测回声以及与其它噪 声源的合成噪声, 因此上述标准中对测量环境 提出了严格的要求, 即“理想的情况是除了反 射地面外, 测量环境内应无其它反射物体, 以 使被测设备所发射的声波进入一个在反射面之 上的自由场”。由此可见生产车间通常是不能进 行噪声测量的, 必须在专门的测试室中才能得 到准确可靠的测量数据。噪声测试室的设计既 要能与外界隔声, 又要不因反射而产生回声, 故 其内壁和地面均敷设有吸声材料, 以便满足测 量标准中对测试室内声反射和吸声量的严格要 求。 按照上述标准所测得的变压器噪声的声压 和声功率, 是A 计权的表面声压级L PA 和声功 率级L WA。 L PA 是在距离变压器的基准发射面为一定 距离 (013m、1m 或 2m ) 的规定轮廓线上, 使 变压器在空载状态下以额定频率的额定电压励 磁, 用符合标准规定的声级计, 在每个测点上 测得的A 计权声压级的平均值, 再减去环境噪 声修正值。用公式表示即为: ·03· 变压器 1995 年第 11 期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 干式变压器接线端子的改进 　　我公司 1993 年引进了环氧树脂浇注干式 变压器制造技术, 其高压线圈采用 H 级 (180℃) 电磁线绕制, 在真空状态下浇注成型。 接线端子与电磁线间的连接采用焊接方式, 在 ±2×215% 分接下, 每台变压器有 24 个接线端 子。其结构如图 1 所示。在生产过程中发现: (1) 端子较小, 数量较多, 焊接困难且需 辅助工具, 生产效率低; (2) 焊接不牢, 特别在线圈绕好后装模外 引螺栓拧紧时, 端子与导线松动, 甚至完全脱 离, 造成废品; (3) 在浇注好后, 变压器进行引线安装时, 端子与树脂间易产生转动, 导致端子与引线断 路, 且不易修补。 鉴于以上不良现象, 我们对原端子连接技 术作了些改进, 彻底解决了原技术在实际生产 中的问题。新的端子结构设计如图 2 所示, 主 要改进有: (1) 在端子下端铣了两个平面, 使端子与 浇注线圈形成夹紧结构, 在装模及外引线连接 图 1　　　　　图 2 时不至于产生大范围的转动。 (2) 不再采用焊接工艺。在端子上加工一 个长形孔, 其尺寸与导线规格相对应, 然后用 螺钉拧紧。操作简单, 联接牢靠, 且提高了工 效。 经过以上革新后, 我公司浇注干式变压器 再也没有出现过因连接端子焊接松动造成废品 的问题, 且效果显著。 陈立贵 (江苏宝胜集团公司) (收稿日期: 1995- 05- 03) 　L PA = 10lg [ 1N ∑ N i= 1 10011L PA i ] - K , dB (A ) (6) 式中　L PA i——第 i 测点上测得的A 计权声压 级 dB (A ) N _ _ 测点总数 K ——考虑到测试室不合要求的反射声 影响的环境修正值, 其值在 0～ 7dB (A ) 之间, 主要取决于测试 室的吸声量 A 与测量表面积 S 之比 (A 与 S 的计算方法及 K 值 的选取, 请参照国家标准 GB 7328 - 87 附录A ) 变压器A 计权的表面声功率 L W A 可由下 式求得: L WA = L PA + 10lg SS 0 , dB (A ) (7) 式中　S _ _ 测量表面面积, m 2 S 0_ _ 基准表面面积, 其值为 1m 2 值得提及的是, 变压器出厂时的噪声测量, 是在变压器处于空载 (而不是负载) 状态下进 行的。变压器投入运行以后, 由于负载电流及 运行环境等一些因素的影响, 其噪声水平往往 要高于出厂时的测量值。 (待续) 董志刚 (保定变压器厂) (收修改稿日期: 1995- 09- 09) ·13·1995 年第 11 期 变压器 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 学习之友 变压器的噪声 (3) 　　2 . 声强测量法 (简称声强法) 美国的 R. P. Kindig 等人在美国中央电力 研究所的资助下 ,通过一系列的试验研究 ,于 1991 年提出了一种称之为“声强测量法”的噪 声测量的新方法。声称采用这种新方法 ,变压 器噪声的测量可以不必在专门的测试室中进 行 ,即使在背景噪声及声反射较大的生产车间 内 ,也同样能够进行测量工作。 所谓声强就是指每秒钟通过垂直于声波发 射方向单位有效面积的声能 (如 W/ cm2) ,声强 也用级来表示 ,称为声强级 ,声强级的单位也是 分贝 (dB) 。声强的绝对值 ( W/ cm2) 与声强级 (dB)的关系如表 5 所列。 声强测量法即使在背景噪声及声反射较大 时 ,也能够精确地测量出变压器噪声的声功率 级。这种测量方法的基本原理是 ,根据两个邻 近放置的压敏微音器之间中点处的声压梯度的 变化 ,用有限差分法近似求得该处声波质点的 振动速度 ,瞬时声压和它相对应的瞬时质点速 度之积的时间平均值 ,便是该处的声强。将空 间平均声强乘以相应的面积 ,便可求得变压器 噪声的输出功率。 声强测量法的突出特点是 :它只测量和记 录来自变压器本身的噪声 ,而不受测量环境内 其它声源的干扰和影响。 为了验证声强测量法的准确性 ,首先对额 定声功率为 94. 3dB (A) 的标准噪声发生源 ,分 别在工厂测试室和生产车间 ,同时用声强法和 标准法这两种不同的测量方法进行了对比测 量。从表 6 的测量数据可以看出 ,声强法与标 准法的测量结果是相当一致的。 表 6 　对额定声功率为 94. 3dB( A)的标准 噪声发生源的测量结果 场所 测量 方法 测 量 声强法 dB(A) 标准法 dB(A) 声功率 误差Δ 声功率 误差Δ 测试室 94. 6 + 0. 3 94. 9 + 0. 6 生产车间 94. 3 0 97. 7 + 3. 4 　　接着用声强法和标准法对西屋公司生产的 一台 450 MVA 的油浸电力变压器的噪声也进 行了对比测量。根据用户的要求 ,该产品的声 功率级为 49. 5 dB (A) 。对比试验是在油浸自 冷和油浸风冷两种运行状态下 ,分别在工厂的 噪声测试室、生产车间和运行现场进行的。 先在专门的测试室中测量了两种运行状态 下变压器的噪声 ;然后在背景噪声为 73 dB (A) 的生产车间 ,重复测量了两种运行状态下变压 器的噪声 ;待该产品在变电站安装通电以后 ,在 变电站的背景噪声分别为 62 dB (A) (油浸风冷 时) 、49 dB (A) (油浸自冷时) 的情况下 ,又对两 种运行状态下变压器的噪声进行了测量 ,其测 量结果列于表 7。由表中所列数据不难看出 : (1)无论是在油浸自冷还是在油浸风冷的 运行状态下 ,不管是在工厂测试室、生产车间 , 还是在变电站的运行现场 ,使用声强法都能够 得到比较准确的测量数据 ,其误差的绝对值不 表 5 　声强绝对值( W/ cm2)与声强级( dB)的关系 声强绝对值 ( W/ cm2) 10 - 1210 - 1110 - 1010 - 9 10 - 8 10 - 7 10 - 6 10 - 5 10 - 4 10 - 3 10 - 2 10 - 1 10 声强级 (dB) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 超过 1 dB (A) 。 (2)油浸自冷运行状态下 ,声强 法在工厂生产车间的测量数据之所 以在表7中未列出 ,是因为车间的 ·73·1995 年第 12 期 变压器 　　　　　　　　　　 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 7 　450MVA变压器声强法和标准法的测量结果 场 所 测量 方法 测 量 声强法 dB(A) 标准法 dB(A) 声功率 误差Δ 声功率 误差Δ 油 浸 自 冷 工厂测试室 49. 0 - 0. 5 49. 5 0. 0 工厂生产车间 ——— ——— 72. 9 + 23. 4 变电站运行现场 49. 2 - 0. 3 59. 7 + 10. 2 油 浸 风 冷 工厂测试室 62. 8 - 0. 1 62. 9 0. 0 工厂生产车间 61. 9 - 1. 0 73. 8 + 10. 9 变电站运行现场 63. 7 + 0. 8 65. 5 + 2. 6 背景噪声为 73 dB (A) ,而该产品用声强法在测 试室中测得的本体噪声仅为 49 dB (A) ,远远低 于 73 dB (A) ,因此未能测出。进一步的试验结 果表明 ,目前当背景噪声不超过被测变压器噪 声 11 dB (A)时 ,用声强法仍能对变压器的噪声 进行准确的测量。对该台产品而言 ,当生产车 间的背景噪声低于 49. 0 + 11. 0 = 60 dB (A) 时 , 仍能够用声强法在生产车间对该变压器的噪声 进行测量。 (3)标准法只有在专门的测试室中才能得 到准确的测量结果。在生产车间和运行现场 , 标准法的测量误差都比声强法的测量误差大。 (4)当背景噪声远远高于被测变压器的噪 声时 ,无论是标准法还是声强法 ,都不能够准确 地测出在该背景噪声下变压器的噪声水平。 综上所述 ,声强法能够对真实负载条件 下实际运行的变压器进行噪声测量。制造厂 用声强法测量变压器的噪声 ,不必在专门的测 试室中进行 ,在生产车间内便可进行测量 ,从而 降低了附加的试验成本 ,缩短了试验周期。另 外 ,用户在验收变压器时便可对额定负载下的 噪声值进行验证 ,从而可避免用标准法在现场 测量的噪声值与出厂时测量值的不一致 ,使用 户能够辨别出是正常的运行噪声还是非正常的 故障噪声。可见声强法对制造厂和用户都是可 行的。 虽然声强法目前尚未得到实际应用 ,但据 《Electra》(1992 ,No 144)报导 ,已经将声强法纳 入了 IEC551 ———1976“变压器和电抗器的声级 测定”的附录之中。随着声强法的不断充实和 完善 ,无疑 ,声强法必将得到推广和应用。 六、影响噪声的各种因素 1 . 铁心的磁致伸缩对噪声的影响 如前所述 ,铁心励磁时硅钢片产生的磁致 伸缩 ,是变压器本体噪声最主要的根源。各国 的试验研究结果均证明 ,变压器本体噪声的大 小直接取决于铁心所用硅钢片磁致伸缩的大 小。变压器若用磁致伸缩大的硅钢片叠积铁 心 ,其噪声水平肯定高。因此 ,研究与磁致伸缩 有关的各种因素 ,从而采取有效的技术措施来 控制和减小硅钢片的磁致伸缩 ,是降低变压器 噪声最根本、最有效的方法。 磁致伸缩通常以ε表示 ,它等于励磁时硅 钢片片长的增量Δl 与片长 l 之比 ,即 　　ε= Δll (8) 国内外通过大量的试验研究得知 ,硅钢片 的磁致伸缩ε主要与以下各种因素有关。 (1)ε与硅钢片的材质有关 磁致伸缩ε的大小主要取决于励磁时硅钢 片中晶粒转动的情况。晶粒取向冷轧硅钢片能 使 97 %的晶粒有最佳方向 ,因此它们的ε值较 小。Hi - B 硅钢片和激光照射控制磁畴的硅钢 片 ,由于更加提高了结晶方位的完整度 ,故具有 超取向的导磁性能 ,因此它们的ε值比普通的 晶粒取向冷轧硅钢片还要小。 (2)ε与硅钢片表面的绝缘涂层有关 冷轧硅钢片表面通常都带有绝缘涂层 ,这 种涂层在硅钢片表面形成一种张力 ,从而使ε 减小。研究结果表明 ,硅钢片越薄 ,绝缘涂层越 厚 ,涂层与硅钢片之间的反应层越深 ,涂层的张 力就越大 ,硅钢片的ε就越小。日本的试验数 据是 ,磷酸盐涂层的张力为 2～5 MPa。若在磷 酸盐涂层上面喷涂一层玻璃质 ,然后再烧结 ,这 时涂层的张力可达 10 MPa 以上。涂层的这种 张力与变压器铁心成型过程中硅钢片产生的压 缩应力互相抵消 ,从而有效地防止了外部应力 造成的ε值的升高。玻璃质涂层对ε的影响如 图 7 所示。 (3)ε与硅钢片的含硅量有关 ·83· 　　　　　　　　　变压器 1995 年第 12 期 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 7 　绝缘涂层对ε的影响 　　通常使用的硅 钢片其含硅量为 2 %～3 %。国外的 研究结果表明 , 当 含硅量为 6 . 5 % 时 ,硅钢片的ε似 乎为零。但是由于 含硅量一旦超过 3 . 5 %时 ,硅钢片将会变得很脆 ,加工十分困难 , 故迟迟没能得到实际应用。日本最近研制开发 了一种特殊的制造工艺 , 生产出了含硅量为 6 . 5 %的硅钢片 ,并在 1989 年前后用这种硅钢 片制造了多台高频变压器 ,在降低噪声方面取 得了明显的效果。 (4)ε与α角 (磁力线与硅钢睛压延方向的 夹角) 有关 磁力线与硅钢片压处方向的夹角α对ε影 响很大。试验结果表明 ,当α= 50°～60°时ε最 小 (见图 8) ,因此冷轧硅钢片的铁心采用斜接 缝 ,对于减小ε是有好处的。 图 8 　α角对ε的影响 ( 5)ε与励磁 时的磁密 B 有关 通常磁密 B 的值越高 ,ε值就 越大。尤其是当 硅钢片表面有绝 缘涂层时 ,ε随 B 增大的效果更为 明显。图 9 为