10kV油浸式變壓器表面振動特性分析

胡靜竹，王延召，王 勁，周 兵，倪 園，張建功

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司 電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室，武漢430074；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京100031）

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展和用電負荷的不斷增加，居民區(qū)附近配電變壓器數(shù)量越來越多[1-2]。

變壓器運行所產(chǎn)生的噪聲會對人們的生活和工作產(chǎn)生不良影響。噪聲污染是非常重要的環(huán)境問題，配電變壓器噪聲已經(jīng)引起了公眾廣泛的關(guān)注，糾紛與投訴現(xiàn)象時常發(fā)生。

目前變壓器噪聲方面已有研究成果大多集中在大型電力變壓器的噪聲問題上[3-4]，對于配電變壓器噪聲的研究尚未得到人們充分的重視，而降低配變噪聲的需求十分迫切，因此研究配變噪聲控制方法很有必要。

實踐證明，控制聲源是噪聲控制工程中最根本和最有效的手段。由于變壓器本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過優(yōu)化內(nèi)部鐵心和繞組結(jié)構(gòu)來降低噪聲在現(xiàn)階段來講相對比較困難，需要更加深入的研究其內(nèi)部振動特性及傳遞機理[5-6]。而變壓器噪聲主要通過油箱振動向外傳播，因此可以考慮在不改變變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過控制變壓器油箱表面振動來進行降噪。由于變壓器油箱結(jié)構(gòu)的振動與聲輻射之間的耦合作用[7-8]使得噪聲的控制顯得更為復(fù)雜，而結(jié)構(gòu)形式或材料的改變，有時會較顯著地改變結(jié)構(gòu)表面振動分布和輻射噪聲水平，其與結(jié)構(gòu)的聲輻射效率有關(guān)。因此研究變壓器表面振動特性對變壓器噪聲的控制及其低噪聲設(shè)計具有重要的意義。

對10 kV 油浸式變壓器表面振動特性進行分析，研究變壓器本體表面振動的時域特性、頻譜特性及分布特性，并針對配變結(jié)構(gòu)詳細分析散熱片振動分布特點，此外分析電壓和負荷對振動的影響，可為變壓器表面減振降噪提供一定的基礎(chǔ)。

1 振動信號測量

1.1 10 kV油浸式變壓器油箱結(jié)構(gòu)

變壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，變壓器本體內(nèi)部包含鐵心、繞組及絕緣油3 部分。鐵心受電磁吸力和磁致伸縮作用產(chǎn)生的振動噪聲、繞組在漏磁場電磁力作用下產(chǎn)生的振動噪聲以及油箱上磁屏蔽的磁致伸縮等所產(chǎn)生的電磁噪聲,一起構(gòu)成變壓器的本體噪聲,該噪聲通過變壓器內(nèi)油以及夾緊件由油箱向外傳播。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

由于變壓器內(nèi)部振動復(fù)雜，而最終由油箱表面向外輻射噪聲，因此本文主要研究變壓器油箱表面的振動特性。不同型號10 kV油浸式變壓器結(jié)構(gòu)形狀差異較小，主要是散熱片的分布不相同，分2 種：一種是四面均有散熱片，一種是兩面布有散熱片。配變?nèi)萘坎煌?，尺寸大小不同，圖2顯示了2 種不同結(jié)構(gòu)的變壓器。

圖2 兩種10 kV油浸式變壓器油箱結(jié)構(gòu)示意圖

為研究變壓器表面振動特性，測試了容量分別為200 kV、400 kVA 和630 kVA 的3 種變壓器，變壓器均為硅鋼片鐵芯結(jié)構(gòu)。為分析方便，將低壓側(cè)作為正面，其他幾個面依次為左側(cè)面、右側(cè)面、背面和頂部。

1.2 振動測點布置

振動測量時，為了獲得變壓器振動分布特性，在變壓器表面每一個側(cè)面均勻布置測點。國標(biāo)《GBT 16539 聲學(xué)振速法測定噪聲源聲功率級用于封閉機器測量》中規(guī)定采用振動法對機械設(shè)備進行測量時，測點配置于每個部分的中心，測點的選取應(yīng)滿足表1中要求。

表1 國標(biāo)規(guī)定振動測點數(shù)量

標(biāo)準《DLT 1540-2016 油浸式交流電抗器（變壓器）運行振動測量方法》指出對變壓器進行表面振動測量時，測點選取應(yīng)滿足表2中的要求。

表2 行標(biāo)規(guī)定振動測點數(shù)量

10 kV配變變壓器體積較小，可將測點布置得更緊密，考慮到在分析計算時，一般分析的最大單元尺寸要小于計算頻率最短波長的1/6，而頻率越高，波長越短，因此僅需考慮變壓器最高優(yōu)勢頻率的波長，分析可知變壓器的振動頻率集中在100 Hz、200 Hz和315 Hz 的倍頻帶上，當(dāng)f=315 Hz 時，λ=c/f=340(m/s)/315 Hz=1.08 m，則ΔL=λ/6≈18 cm，均滿足國標(biāo)和行標(biāo)要求，因此測量振動布點時，一般將兩個測點之間的間隔控制在18 cm 內(nèi)。振動測點布置如圖3所示。L1＜18 cm，L2＜18 cm。

圖3 變壓器振動測點分布

1.3 測量設(shè)備與方法

選用加速度傳感器對變壓器表面振動信號進行測量，壓電式加速度傳感器體積小，重量輕，穩(wěn)定性高，工作頻率范圍寬且適用于在強磁場工作環(huán)境下進行測量。振動探頭與磁座相連，可貼于油箱壁表面，測點振動加速度方向均為垂直于測點所在面方向。采用pulse 設(shè)備對振動信號進行采集，如圖4所示。

圖4 變壓器表面振動測量示意圖

圖5 200 kVA變壓器中心點振動曲線

采用多個通道同時測量的方法，振動探頭放至油箱壁時會產(chǎn)生一定的干擾，需觀察振動信號曲線，等信號穩(wěn)定后再進行測量，采樣頻率為65 536 Hz，每個測點測試時間為10 s，記錄各點振動加速度的時域信號。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)振動測量國標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定[8]可知，變壓器聲功率大小主要取決于變壓器表面振動的平均速度級大小，表達式為

本文采用振動速度級來衡量振動信號大小。振動速度表示物體振動是位移隨時間的變化率，振動速度級為振動速度與基準速度之比的對數(shù)，由式（2）表示

式中：v0為基準速度，一般取v0=5×10-8m/s。

多個點處的速度級的平均值由式（3）得到

2 振動特性分析

2.1 變壓器油箱振動特性分析

2.1.1 不同容量變壓器振動特性

通過測試得到了變壓器油箱表面各測點的加速度時域數(shù)據(jù)，圖5至圖7所示為200 kVA、400 kVA和630 kVA 油箱一側(cè)中心點處的時域信號曲線，可知振動加速度時域信號為非正弦周期曲線，周期為T=0.01 s。

由圖可知，不同變壓器中心點處振動加速度的時域振動波形均不相同，振動幅值與諧波成分差異很大，且振動均含有較多的諧波成分，200 kVA變壓器在100 Hz、200 Hz 分量較為突出，同時包含300 Hz、400 Hz和500 Hz分量，400 kVA變壓器振動能量主要集中在200 Hz 與300 Hz，而630 kVA 變壓器則集中在100 Hz和200 Hz分量上。

圖6 400 kVA變壓器中心點振動曲線

圖7 630 kVA變壓器中心點振動曲線

圖8 不同負載條件下變壓器中心點振動情況

2.1.2 不同負載情況下變壓器振動特性

對在不同運行條件下的200 kVA變壓器進行振動分析，測量空載、P=168 kW 和P=198 kW 3 種工況下的振動，圖8給出了背面和右側(cè)面在不同工況下的振動情況。

由圖8可知，同一個點振動信號在不同負載條件下振動幅值和諧波分量會有所不同，在空載情況下，時域波形“毛刺”較多，低頻諧波分量較多，且幅值相差不大；在負載為168 kW和198 kW情況下，振動波形較為相似，振動能量主要集中在100 Hz 和300 Hz分量上。

由此可知不同變壓器振動情況均不相同，同一臺變壓器振動時域信號受運行工況影響較大。

對加速度時域信號進行積分與FFT 處理，并將其按照式(2)進行計算，得到振動速度級，然后將各點處振動速度級按照式(3)進行加權(quán)平均計算，最終得到速度級的1/3 倍頻譜數(shù)據(jù)。200 kVA 變壓器頻譜圖如圖9所示。

圖9 200 KVA變壓器表面平均振動速度級

變壓器平均振動速度級為63.4 dB，振動能量主要集中在100 Hz～500 Hz 上，其中100 Hz、200 Hz、315 Hz最為突出。

2.2 變壓器表面振動信號分布特性

2.2.1 油箱本體振動分布情況

不同容量變壓器振動分布規(guī)律類似，以200 kVA變壓器為例進行分析，200 kVA試驗變壓器尺寸如表3所示。

考慮測點間隔布置測點，上下2 個測點間距為0.1 m，左右2個測點間隔為0.13 m，前后2個側(cè)面分別布置了36個測點，左右2個側(cè)面分別布置了30個測點，測點布置如圖10所示。

表3 所測試變壓器尺寸參數(shù)

圖10 測點分布示意圖

通過各處振動數(shù)據(jù)得到了各側(cè)面分布云圖如圖11所示。

此200 kVA變壓器各表面振動分布均不相同且分布不對稱，振動強烈處與振動較小處相差可達10 dB。變壓器左右側(cè)面、正背面的結(jié)構(gòu)完全對稱，對稱的2 個面振動分布也較為相似，不同側(cè)面平均振動大小相差不大。各面振動分布規(guī)律性較強，正、背面在下部以及左右兩邊位置處振動較強，左右兩側(cè)在下部中心以及上部部分位置振動較強，下部振動較強可能是由于該位置正好對應(yīng)于繞組所在位置。

圖11 變壓器各表面總振動分布云圖

由不同側(cè)面振動分布可知各面的中心點位置也并不一定是該面的振動最大值位置，且不同點處振動大小可相差很大。因此，分析變壓器振動特性時，必須保證有足夠多的測點，不宜以單一特征點的振動信號來評估單臺變壓器的振動規(guī)律。

2.2.2 油箱散熱片振動分布情況

同樣對變壓器散熱片振動情況進行分析，散熱片尺寸為高0.45 m，寬0.2 m，選取變壓器油箱左側(cè)面上第三片散熱片進行測量，分別將10個探頭放置在該片散熱片的左右2 個面上，振動測點布置如圖12所示。

圖12 散熱片測點布置示意圖

圖13給出了變壓器油箱散熱片在空載條件下的分布情況。

由圖13可知散熱片振動大小與本體振動大小相差不大，不可忽略。散熱片振動分布呈現(xiàn)出明顯的對稱性，散熱片左右兩側(cè)振動分布與振動強度基本相同，平均振動速度級大小最大相差0.5 dB。因此可認為同一片散熱片左右兩側(cè)面的振動分布和大小相同，試驗時在其中一面上布置測點即可。

圖13 散熱片左右兩面在空載條件下振動分布云圖

2.2.3 不同結(jié)構(gòu)處振動強度對比

對變壓器油箱表面不同結(jié)構(gòu)處分別進行振動測量，將每個結(jié)構(gòu)上測點數(shù)據(jù)進行平均，得到結(jié)構(gòu)的平均振動速度級，分別計算了空載、168 kW、198 kW 3種負載情況下的振動，結(jié)果如表4所示。

由測試計算結(jié)果可以看出，負載的改變對變壓器整體平均振動大小影響較小，改變僅在1 dB 以內(nèi)。大多數(shù)測點振動強度隨負載增大而增大，但有部分位置的振動隨負載增大而減小。從各部分結(jié)構(gòu)振動來看，各側(cè)面、頂部及散熱片振動強度相差不大，而基座的振動相對小很多，對于整體的振動而言可以忽略不計。

表4 平均振動速度級

2.3 變壓器表面振動信號影響因素分析

變壓器測試在消聲室內(nèi)進行，在10 kV 高壓側(cè)接電源，在380 V低壓側(cè)接三相負載，通過改變負載大小和電壓大小，測量分析不同工況下變壓器振動情況。

2.3.1 負載變化對變壓器振動影響

分別在變壓器4 個側(cè)面以及頂部設(shè)置振動探頭，測點位置如表5所示。

表5 測點位置

采用Pluse 振動分析系統(tǒng)對其振動信號進行定點測量，每次測量時間為10 s。設(shè)定電壓為額定電壓10 kV，調(diào)節(jié)負載從0 到240 kW 變化，每調(diào)節(jié)30 kW測量一次，得到變壓器表面振動隨負載的變化曲線如圖14所示。

圖14 變壓器振動隨負載變化曲線

可見不同測點處振動隨負載變化各不相同，沒有一定的正比或反比規(guī)律，對于大部分測點來說，負載變化對振動大小的影響不是太大，負載從0到240 kW變化時，振動速度級大小變化最大在5 dB以內(nèi)。

2.3.2 電壓變化對變壓器振動影響

同樣的，在上述位置布置振動探頭，測量各點處振動信號?？蛰d條件下，調(diào)節(jié)電壓從2 kV 到10 kV變化，每隔1 kV 測量一次，得到了變壓器表面振動隨電壓的變化曲線如圖15所示。

圖15 變壓器振動隨電壓變化曲線

可以看到，不同電壓工況下，各測點振動速度級各不相同，電壓變化對變壓器表面各測點處振動影響較大，振動速度級大小隨電壓增大而增大，基本上呈現(xiàn)出正比關(guān)系，通過計算得到各測點振動速度級隨電壓變化的線性曲線擬合系數(shù)分別為1.87、2.12、2、2.39、1.65，10 kV 配變允許的電壓波動范圍為±7%，若電壓波動7%，則以上測點振動速度級大小變化最大為1.67 dB，因此正常運行情況下，變壓器表面振動速度級變化較小，比較穩(wěn)定。

3 結(jié)語

(1)分析了10 kV 油浸式變壓器振動時域與頻譜特性，變壓器振動信號含有較多的諧波成分，在100 Hz、200 Hz和300 Hz處都有較為突出的分量，在不同工況下，變壓器同一點處振動信號波形與諧波成分均不相同；

(2)變壓器各面振動分布較為對稱，且繞組對應(yīng)的油箱下部分振動比較強烈，正反、左右對面的振動分布規(guī)律一致性較好；

(3)散熱片振動大小與本體相差不大，分析計算時不可忽略。同一散熱片左、右兩面振動分布與大小幾乎相同，且同一面上的振動分布呈出現(xiàn)上下對稱的現(xiàn)象，分析時對于每片散熱片可僅測量其半面振動數(shù)據(jù)；

(4)負載增加對變壓器不同點處振動大小影響沒有明顯規(guī)律，負載的變化對于變壓器整體振動平均速度級的大小影響較小，從空載到滿載，振動級大小變化在1 dB 以內(nèi)。變壓器表面振動與電壓呈線性正比關(guān)系，在配網(wǎng)電壓正常波動范圍內(nèi)，振動大小變化較小，比較穩(wěn)定。