电力变压器噪声污染分析及对策.pdf

2 0 0 8 . N O . 2 . IS S N 1 6 7 2 - 9 0 6 4 C N 3 5 - 1 2 7 2 /T K 能源与环境 摘要介绍油浸式电力变压器噪声污染现象和噪声源。从理论上分析噪声源及噪声计算方法, 指出在实践中从设计方面 降低噪声的具体方法以及在变压器结构改进方面来抑制振动传播的工艺措施。 关键词变压器 噪声污染分析 设计 工艺 中图分类号:T B 5 3 . 5 文献标识码:A文章编号:1 6 7 2 - 9 0 6 4 ( 2 0 0 8 ) 0 2 - 0 8 8 - 0 3 王和忠 1季小龙2朱如勇1范茂水3 ( 1温州电业局2中宇建设集团3温州市环保局浙江温州3 2 5 0 0 0) 作者简介: 王和忠(1 9 7 4 ) , 男 , 硕士, 工程师, 主要从事电力变压器设计制造和电力工程工作。 近年来, 由于城市用电量的大幅增长, 城市用电负荷密度 越来越高, 特别是城市的不断扩大和城区电网建设的需求, 越 来越多的变电所深入负荷中心, 建于商业区和居民区内, 于是 变压器噪声问题就变得十分突出。变压器的噪声不但污染环 境, 危害人类身体健康, 影响设备正常运行, 并且随着人们环 境意识的提高和环保部门对各类噪声的限制,有关此类的投 诉和诉讼也变得越来越多,带来了很多的社会效益及经济效 益的损失。 因此, 对变压器的噪声的更严格限制已成为一种现 实要求, 变压器噪声水平的高低, 也成为了衡量变压器生产厂 家设计和制造水平的重要指标。用户都会根据自己变压器所 处的位置等具体情况提出高于标准的声级水平。目前采用的 变压器专业标J B / T 1 0 0 8 8 - 2 0 0 46 - 5 0 0 k V级电力变压器声级 所规定的变压器声级,较难满足用户要求。结合工厂生产实 践,对变压器的噪声源进行分析,设计和工艺进行研究和开 发, 提出可行的降低噪声的对策, 采用经济、 有效且工艺性好 的技术及结构取得理想的噪声控制效果,不仅能满足用户的 需求, 同时也带来了安静和谐的生活环境, 具有非常重大的现 实意义。 1电力变压器噪声源的分析及噪声计算 1 . 1电力变压器的噪声来源 变压器的噪声来源于变压器本体和冷却系统两个方面。 国内外的研究结果表明,变压器本体振动产生噪声的根源在 于: (1)硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。 (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 起线圈、 油箱壁的振动。 本体噪声通过铁心垫脚和变压器油传 递给箱体和附件而产生;冷却系统的噪声主要由风扇和油泵 的振动引起。变压器本体噪声是由以两倍电源频率为基频的 噪声和频率为基频整数倍的低频噪声所构成。电力变压器铁 心噪声的频谱范围在1 0 0 5 0 0 H z之间。 1 . 2低噪声变压器的设计 低噪声变压器的设计应包括降低变压器本体噪声的设计 计算, 降低冷却装置噪声的设计计算、 隔声或消声结构的设计 计算等几个方面。 在进行低噪声变压器设计之前, 必须准确地 计算出相同规格的常规变压器及其冷却装置的合成噪声, 然 后将此计算值与用户提出的噪声值进行比较,便可求得噪声 的降低量 L p A。 1 . 2 . 1变压器箱内噪声计算: 根据对电力变压器噪声的计算值与实测值的比较,认为 公式(1) 计算值比较接近实测值。 L P 1 = 3 3 + G / 3 + 1 8 H 0 / D + 2 0(B m - 1 . 7)+ (1) G:铁心电工钢片重/ t;H 0:- -变压器铁心窗高/ c m; D: 变压器铁心直径/ c m;B m: 铁心柱或铁轭中的磁密/ T; : 修正系数, 与硅钢片的重量有关, 可由图1查取。 1 . 2 . 2变压器箱外噪声衰减计算 箱壁的振动噪声传到箱外时要衰减, 离开箱壁越远, 噪声 衰减量越大。 美、 日等许多国家通常用公式(2) 来计算噪声的 电 力 变 压 器 噪 声 污 染 分 析 及 对 策 环境大视野 图1硅钢片重量与修正系数关系图 8 8 2 0 0 8 . N O . 2 . IS S N 1 6 7 2 - 9 0 6 4 C N 3 5 - 1 2 7 2 /T K 能源与环境 衰减量: L = 4 . 4 + 2 0 L g ( D / WH!) (2) 式中: L由于离开箱壁距离的增加而引起的噪声衰减 量/ d B,W: 油箱的宽度/ m,H: 油箱的高度/ m,D : 测量点离 开箱壁的距离/ m 由上式可见, 噪声的衰减量不仅与距离D 有关, 还与油 箱的尺寸W、H有关。 试验结果表明, 当W、H( 即变压器噪声 的发射面积) 很大, 而测量点离开箱壁的距离D 又很小时, 公 式(2) 计算值与测量结果的偏差很大, 这时公式( 2) 的计算结 果就不准确了, 必须按照图2的试验值进行修正。 箱外某测量点的噪声L P 2可由公式(3) 求得: L P 2 = L P 1 - L(3) 1 . 2 . 3变压器合成噪声的计算 当变压器为风冷或强油风冷时, 可用公式(4) 来计算风扇 噪声、 油泵噪声与变压器本体噪声的合成噪声: L P A = 1 0 L g(1 0 L p 2 + 1 0 L p f + 1 0 L p b)(4) 式中L P A: 变压器本体噪声与冷却装置噪声的合成噪声/ d B( A ),L P f: 冷却装置的风扇噪声/ d B,L P b: 冷却装置的油泵噪 声/ d B 1 . 2 . 4铁心固有频率的计算 为防止铁心的固有频率与其磁致伸缩振动的基频及二、 三、 四次等高频的频率一致时产生的谐振现象, 可用公式(5) 来计算铁心的固有频率: f Z = 1 . 0 8 K C W/ L 1 2 1 0 5,(5) 式中:L 1 = H 0 + h ( 见图3)/ c m,W= h + z / c m K C是与 L 1 / L 2 成比例的系数, 可由图4查取: L 2 = b + z = M O 当变压器额定频率为5 0 H z时, 铁心的自振频率f z应避开 下 列 频 率 区 :7 5 1 2 5 H z,1 6 5 2 3 5 H z,2 7 5 3 2 5 H z,3 7 5 4 2 5 H z等。 2降低变压器噪声源的对策 从上述计算噪声的公式和产生的来源可以看出,要想降 低变压器噪声, 首先要降低噪声源的噪声, 最主要的就是从抑 制铁心噪声为主。 从设计角度来看, 可以从以下几方面着手。 2 . 1在噪声源方面的降低噪声对策 2 . 1 . 1选用高导磁优质硅钢片 优质硅钢片提高了结晶方位的完整度,特殊涂层增加了 其抗张力, 从而降低了其磁致伸缩。 在磁通密度为1 . 5 T时, 高晶粒取向硅钢片的磁致伸缩只有一般硅钢片的6 0 % 。 因 此, 在相同磁通密度下, 优质硅钢片的磁致伸缩较小, 产生 的振动也相应较小, 噪声可降低2 4 d B。 降低铁心中的磁通密 度B m, 因公式(1 ) 中 L P 1正比于2 0(B m - 1 . 7),当磁通密度B m 每降低0 . 0 1 T, 可降低噪声0 . 2 d B,B m由1 . 7 5 T降到1 . 5 T, 则可 降低噪声5 d B。 2 . 1 . 2优化计算, 选取有利的铁心物理参数 首先, 想法降低铁心重量。 铁心重量每减少1 t, 噪声可降 低1 / 3 d B值。 其次, 尽量减少铁心窗高H 0与直径D的比值。H 0 / D值每 减少0 . 1, 变压器噪声就要降低约5 . 7 d B。 为此, 在设计低噪声 变压器时, 尽量设计成矮胖形, 噪声便可大大降低。 再者, 增大铁轭截面积以减小铁轭中的磁通密度, 对于减 少铁心的噪声有切实的效果。由于变压器心柱产生的噪声能 通过绕组和围屏得到有效的衰减, 因此, 本体噪声大部分来源 于铁轭的振动。 增大铁轭截面积, 一方面降低了铁轭的磁通密 度, 同时末级铁心片宽增大, 增大了夹件与铁轭的接触面积, 使铁轭受力均匀, 能有效地降低噪声2 5 d B, 并且变压器整体 尺寸增加很小, 成本升高幅度不大。 但因指出, 铁轭各级片宽 应按比例增大,防止因各级磁通密度差异较大而导致损耗和 空载电流增大。 最后, 计算选择合理的铁心自振频率, 使自振频率避开了 铁心共振频带, 防止铁心共振, 是防止噪声增大的很根本的措 施。 2 . 1 . 3改进铁心结构, 采用合理的叠装和装配工艺 (1) 采用全斜交错接缝的铁心结构。 在传统的心柱和铁轭 交错接缝结构中, 磁力线在接缝处横向穿越附近的硅钢片, 会 产生涡流和磁饱和, 导致噪声和空载损耗增大。 而采用全斜交 错接缝, 保证了心柱和铁轭交错搭接, 使磁通畸变减小, 同时 也保证了铁心整体机械强度。 实践证明, 保持磁密1 . 7 T不变, 铁心全斜交错接缝结构较传统结构的本体噪声能降低3 5 d B。 (2) 控制铁心夹紧力。 有资料表明, 铁心夹紧力在压强为 0 . 0 8 0 . 1 2 M p a时,变压器噪声值最低。 在铁心制造过程中, 可通 过力矩扳手合理控制夹紧力。 同时, 可在心柱级间位置放置绝 缘棒, 使心柱绑扎受力均匀, 防止因铁心受力不均匀而导致磁 致伸缩增大。 通过以上措施, 能降低本体噪声1 3 d B。 环境大视野 图2噪声衰减的计算与试验曲线 图3铁心尺寸示意图图4系数K C与L 1 / 1 2的关系曲线 8 9 2 0 0 8 . N O . 2 . IS S N 1 6 7 2 - 9 0 6 4 C N 3 5 - 1 2 7 2 /T K 能源与环境 ! 我国能源问题面临三大挑战 在由国务院发展研究中心产业部和世界银行共同主办的 国际能源研讨会上, 国务院发展研究中心产业部部长冯飞说, 中国能源问题面临三大挑战,如不注意解决将会危及我们取 得的成就并导致未来发展不可持续。 首先, “ 十五” 期间, 能源消费弹性系数大于1是我国能源 面临的重大挑战。中国1 9 8 0 2 0 0 0年单位G D P能耗,与相同 或相近的经济体如俄罗斯、 印度等国家比较, 我国的能源消费 强度与之相当, 甚至还要低。但近几年出现了能源消费强度上 翘的情况, 特别是“ 十五” 期间能源消费弹性系数超过了1。如 果要按这一趋势放任发展,能源消费将迅速攀升到难以满足 的程度。 第二个挑战是能源安全和外部冲击。中国石油国内产量 最多在两亿吨。到2 0 2 0年, 按最低方案预测, 石油消耗总量将 在4 . 5亿吨, 石油对外依存度达6 0 %。 从总量看, 中国己成为世 界第二石油消费大国。国际市场不断高涨的油价对中国国民 经济的影响大于发达国家, 是他们的2 . 3 5倍。 第三个挑战,是大规模不受节制的能源需求将导致不可 接受的能源环境成本。现在环境污染的损失占G D P的比例在 3 % 7 %。 针对中国能源的可持续发展,冯飞提出了八个主要的政 策建议如下:1 .制定统一、 一致、 综合的能源体系, 增强能源之 间的协调性和综合性;2 .把提高能效和实现可持续发展作为国 家发展战略的优先定位;3 .加强能源机构的建设, 强烈建议建 立能源部, 还要进一步完善能源的监管机构, 对于节能的机构 也应该建立和加强;4 .要发挥价格和市场配置资源的基础作 用, 并建立支持可持续发展的财税激励政策;5 .引进开发先进 的能源技术和清洁煤炭技术;6 .拓展国际合作, 降低利用国外 资源的难度;7 .减少针对性措施对社会潜在的负面影响, 比如 调整价格、完善税收政策可能会对低收入群体产生负面的影 响;8 .要形成统一的国家政策目标, 全社会要对能源可持续发 展给予高度关注。 (3) 减小硅钢片内应力的增加。 磁致伸缩对应力极为敏 感。 在相同磁通密度下, 有较大内应力的硅钢片与内应力较小 的硅钢片相比,随着压应力的增大而升高的速度更加急剧。 高导磁优质硅钢片铁损低, 其抗弯折次数也低。 因此, 应采取 如下合理的工艺措施: 在硅钢片剪切、 运输、 堆放及叠积过程 中, 采用不叠上轭工艺; 对油道和夹件绝缘等使用的绝缘纸板 进行预压密化处理,使其均匀紧固;使用结构合理的翻转架 等。 以上措施, 都可减少硅钢片内应力的增加。 (4) 铁心表面涂胶。 硅钢片在剪切过程中, 剪切力使切口 处部分晶粒偏离了最佳取向, 同时使硅钢片产生内应力, 致使 增加, 铁心振动增强。 铁心叠装、 绑扎后, 在其剪切端面涂刷 树脂类涂层, 能抵消边缘处的一部分内应力, 从而减小了内应 力所造成的值的升高。涂层厚度一般以5 0 1 0 0 m为宜, 太 薄降噪效果不明显, 太厚又影响铁心散热。 2 . 1 . 4冷却系统的降噪措施 变压器噪声为本体噪声与冷却系统噪声的叠加, 合理、 经 济地控制冷却系统的噪声, 可有效降低变压器噪声。 通过选用 低噪声风扇或冷却装置, 尽量采用自然冷却方式, 并辅以减振 及消声装置, 能达到较好的噪声控制效果。 2 . 2针对噪声传播途径方面的降低噪声对策 2 . 2 . 1抑制铁心的振动向油箱传播 如在铁心垫脚和箱底间加放置橡胶板,使刚性接触变为 弹性接触, 可有效地降低振动的传播。 另外在变压器运行时应 将器身定位处与油箱的连接件打开,使器身与油箱间无机械 连接, 可消除固体传播, 降低噪声。 2 . 2 . 2抑制油箱的振动 如增加油箱强度, 合理布置加强筋, 改槽式筋为板式筋, 并控制其间距, 油箱中部加强筋适当密布。 同时, 辅以合理的 焊接工艺, 尽量减小箱壁的焊接变形, 减小制造过程中油箱的 残余应力。 采用槽式筋时, 筋内填充铁砂、 河沙或石棉板。 另外 减少油箱上的悬臂件和油箱连接不平的连接件;油箱内壁设 置橡胶板, 增加油箱阻尼。 采用以上措施, 就能最低限度地降 低箱壁的振幅, 降低噪声。 2 . 2 . 3抑制油箱向外传播振动 如在油箱与地基间加放橡胶等减振材料;箱壁外可用螺 栓固定粘贴隔声板; 箱壁外两加强筋间焊装钢板, 其间填充吸 声材料; 油箱与散热器等冷却装置连接采用软连接, 如通过波 纹管连接或将冷却装置与油箱分开( 即集中冷却) 都可降低噪 声。 目前的冷却装置连接方式下加以支承, 也可减少振动。 通过对浙江电力变压器公司生产的S S Z 1 0 - 4 0 0 0 0 / 1 1 0低 噪声变压器的噪声试验结果为5 3 d B,较以前传统设计方法和 工艺措施的变压器噪声水平的对比, 我们发现: 通过控制铁心 的振动, 能降低变压器本体噪声5 1 0 d B; 控制油箱振动措施能 降低1 0 2 0 d B; 通过对冷却系统采取控制措施, 能使其噪声接 近本体噪声水平。以上的在噪声源方面的分析以及针对分析 所采取的设计改进和工艺措施方面的对策获得了实践较好的 验证。为今后生产低噪声污染的电力变压器提供了有益的经 验借鉴。 参考文献 1保定天威电力变压器电气股份有限公司,电力变压器手册.北京: 机械 工业出版社,2 0 0 3 2董志刚.变压器的噪声.变压器,1 9 9 5,3 2(1 0) 环境大视野 9 0