带外壳干式变压器运行噪声分析
2019-12-19 10:04 静之源官方
摘要：干式变压器在运行过程中，噪音是常见的故障之一。干式变压器在运行过程中，容易产生噪声，因此需要改善与控制。本文分析了干式变压器噪声产生的主要原因，同时提供了使用单取向高导磁硅钢片、降低铁芯额定工作磁密两种方式，以降低干式变压器所形成的噪声，控制噪声污染。
带外壳干式变压器运行噪声分析
1、前言
在一些发达国家，已明文规定户内安装的变压器不准采用油浸式变压器。在我国干式变压器产量占配电变压器的百分比也在逐年上升。特别是在一些特殊领域，如变频移相整流变压器、光伏发电用变压器等。按制造工艺可分为非包封空气绝缘干式变压器和树脂绝缘干式变压器。在全世界，两者是平行发展的。在我国，两者比例相差悬殊，据统计我国干式变压器的年需求量为20万台左右，非包封空气绝缘干式变压器占比4%。一是树脂浇注技术较早引入，且引入的厂家多；二是众多变压器厂家竞争，产品成本不断下降，加之绝缘耐热等级低，材料成本低；三是非包封空气绝缘干式变压器技术在我国引进的厂家不多，变压器整体技术水平没有相应提高。
2、干式变压器噪声的主要来源
2.1变压器自身声音
干式变压器在运行过程中，硅钢片磁致伸缩导致铁芯出现振动现象。除硅钢片自身问题之外，硅钢片接缝部分同叠片容易出现漏磁现象，可能会引发铁芯振动或是绕组振动的现象。如此一来，便会形成噪声。所以干式变压器一旦启动、运行，便会形成噪声。硅钢片导磁之后，自身尺寸便会产生细微的变化，沿磁力线方向或方向与之平行的硅钢片出现尺寸扩大的现象，而垂直于磁力线方向的硅钢片则出现尺寸缩小的现象。当磁场消失之后，其尺寸恢复为初始状态。这一变化称之为磁致伸缩现象。出现磁致伸缩现象之后，磁铁芯便会伴随着励磁频率转化为振动，因为磁致伸缩的变化周期仅为电源频率周期的一半，所以，磁致伸缩引发的电力变压器自身振动，是将电源频率的2倍作为基频率。所以，硅钢片出现振动的主要原因是因铁磁材料发生磁致伸缩现象。由于铁芯磁致伸缩现象具有非线性的特点，且依铁芯内框与外框的磁通路径长短存在差异，所以铁芯噪声当中不仅含有基频率，同时还包含高次谐波频谱的噪声。磁致伸缩现象会随机出现在各个硅钢片中。且由于硅钢片的伸缩不规律，对周围的硅钢片也会造成影响，磁致伸缩产生的噪音，会增加硅钢片横向振幅，从而产生了高频噪声，成为影响干式变压器噪声的主要因素之一，一定程度上也决定了干式变压器噪声的大小。
两者均容易整体拆解，非常容易回收铁心、夹件等。不同之处在于绕组。前者绕组导线裸露在外，可轻易拆出并将其导线绝缘剥离，导线绝缘约占导线总重的2%~3%，且芳香聚酰胺绝缘纸为公认的环保材料。后者绕组导线被环氧树脂包封，导线很难取出。处理方法主要是击碎、焚烧。由于绝缘材料占比较大，约占导线总重的25%，且除环氧树脂外还含有硅类、玻纤类及其他填加材料，所以在击碎或焚烧过程中对环境造成危害。
2.2三相负载平衡
干式变压器所处运行环境也是决定其噪声大小的主要因素之一，变压器所在电网电压、用户负荷性质以及设备所处环境等因素均对干式变压器所形成噪声的大小产生影响，增加干式变压器的噪声。以干式变压器三相负载不平衡对噪声的影响为例，干式变压器运行过程中，有可能产生负载严重不平衡的现象，导致低压侧存在数值较高的零序电流。随着三项负载不平衡程度的不断变化，该电流也会产生相应的变化，两者呈正比例关系，即当不平衡程度增加时，零序电流值也会随之增加。干式变压器运行过程中，若形成一定零序电流，则设备铁芯内便会存在数值零序磁通。零序磁通至基波频率的正弦波，其存在使得各类型磁通的大小以及相位均发生变化，导致铁芯单相或是两相磁密出现大幅度升高现象，甚至出现饱和，令变压器噪声明显增加。不仅如此，干式变压器三相负载严重不平衡，还容易导致钢构件局部温度大幅度提高，令绕组绝缘由于温度过高而使老化速度提升，缩减了干式变压器的使用寿命。
2.3其他原因
噪声的来源还有其他很多原因，例如:箱式干式变外壳由于振动导致的噪声等等，这里就不过多叙述了。
3、降低噪声的改善方式
3.1使用单取向高导磁硅钢片
建议使用单取向高导磁硅钢片作为干式变压器铁芯材料，例如，日本JFE钢铁生产的JNEX系列超级铁芯。高导磁硅钢片使得结晶方位的完整度大幅提高，绝缘层性能也得到良好改善，强化了涂层的抗张力性能，以免硅钢片尺寸因磁致伸缩的影响而发生大幅度的伸缩问题，大幅降低了干式变压器所形成的噪声。当磁通密度值设定达到1.5T时，相比一般硅钢片而言，高晶粒取向硅钢片尺寸受磁致伸缩影响所产生的伸缩量降低了40%。故而，当单取向高导磁硅钢片与一般硅钢片处于用以磁密条件下，单取向高导磁硅钢片磁致伸缩幅度小，则产生的振动也较小，噪声等级自然下降，一般可降低2dB（A）~4dB（A）。然而，因为高导磁硅钢片内硅的含量明显高于一般硅钢片，所以该类型硅钢片硬度值较高，在铁芯剪切过程中，刀具的损耗更为严重。不仅如此，相比一般硅钢片，单取向高导磁硅钢片的价格更为昂贵，使得产品成本大幅增加，企业投资自然也随之提高。
3.2降低铁芯额定工作磁密与改变铁芯夹紧力
降低干式变压器噪声的主要方法之一便是降低铁芯的额定工作磁密。铁芯所使用的多级接缝铁芯与两极接缝空载噪声相比，所形成的噪声更小，使噪声与原先相比降低了4dB（A）~5dB（A）。出现这一现象的根本原因是因为使用四级或是四级以上的接缝之后，接缝部分磁通的分布较为均匀，同时也令气隙内的磁密大幅降低，使得接缝部分因磁吸力所引发的噪声降低。不仅如此，缩减接缝的宽度，能够降低振动的频率，与此同时也减少了干式变压器自身励磁容量以及励磁电流，空载噪声也随之减弱。企业在实验过程中发现，若额定工作磁密设定值不低于1.45T时，当磁密降低0.1T时，铁芯噪声便会随之降低2dB（A）~3dB（A）。然而，磁密不可无限制降低，伴随着磁密的降低，产品生产成本也会随之增加，铁芯体积也不得不增加。而且，当铁芯额定工作磁密取值过低，便无法令高质量硅钢片损耗量低的优点得到发挥。故而，磁密的降低不得少于标准磁密的10%。如图2所示，噪声的增加与铁芯尺寸与磁通密度的变化成正比例关系。当铁芯直径值为200mm时，噪声等级为60LP/dB，当铁芯直径值为300mm时，噪声等级为70LP/dB。所以，随着铁芯直径的增加，噪声等级也随之提高。当磁通密度为1.2B/T时，铁芯噪声的标幺值显示为0.7，当磁通密度为1.4B/T时，铁芯噪声的标幺值显示为0.9。若变压器噪声形成波浪状，便有可能是由铁芯自身共振所引发的。技术人员可适当调整铁芯夹紧力。换言之，便是调节变压器之上螺栓的力矩。不仅包含夹件两端螺栓的松紧度，同时还需要对穿心螺栓以及垫块压钉螺栓等松紧度进行调节，以此达到降低噪声的目的。
3.3其他改善方式
企业还可通过如下方式达到降低干式变压器噪声的目的：第一，安装时、采取弹性材料，如减振垫，增加隔音、吸引材料。以减振垫为例，工作人员可以在安装过程中，在铁心垫脚同箱底之间垫3mm减振橡胶，如此一来，其能够承受2.7MPa至3.0MPa的压力，从而降低变压器噪声。第二，提高硅钢片的叠装质量，减少硅钢片的加工毛刺。工作人员可与剪切断面涂抹树脂类涂层，以便消除边缘部分所形成的一部分应力，以降低内应力引发磁致伸缩提高，涂层厚度应处于50μm~100μm。第三，控制铁芯的固有频率，避免与磁致伸缩的振动频率接近，以免产生共振。设计人员在设计过程中则需令固有频率避让磁致伸缩所引发的基频以及2次~4次高次谐波频带，以免铁芯出现共振。
4、结束语
干式变压器是目前应用较为广泛的变压器类型之一，确实有助于企业的生产与工作。然而，其形成的噪声也是必须解决的问题之一。不然会对周围居民生活与企业日常生产造成不同程度的不利影响。然而，企业需要注意，降低磁密以及使用优质高导磁硅钢片的方式，虽然能够有效降低噪声，但也大幅增加了产品的制造成本。因此，噪声的控制工作需要综合考虑，选取最为经济有效的手段解决问题，降低设备形成的噪声。
带外壳干式变压器运行噪声分析
1、前言
在一些发达国家，已明文规定户内安装的变压器不准采用油浸式变压器。在我国干式变压器产量占配电变压器的百分比也在逐年上升。特别是在一些特殊领域，如变频移相整流变压器、光伏发电用变压器等。按制造工艺可分为非包封空气绝缘干式变压器和树脂绝缘干式变压器。在全世界，两者是平行发展的。在我国，两者比例相差悬殊，据统计我国干式变压器的年需求量为20万台左右，非包封空气绝缘干式变压器占比4%。一是树脂浇注技术较早引入，且引入的厂家多；二是众多变压器厂家竞争，产品成本不断下降，加之绝缘耐热等级低，材料成本低；三是非包封空气绝缘干式变压器技术在我国引进的厂家不多，变压器整体技术水平没有相应提高。
2、干式变压器噪声的主要来源
2.1变压器自身声音
干式变压器在运行过程中，硅钢片磁致伸缩导致铁芯出现振动现象。除硅钢片自身问题之外，硅钢片接缝部分同叠片容易出现漏磁现象，可能会引发铁芯振动或是绕组振动的现象。如此一来，便会形成噪声。所以干式变压器一旦启动、运行，便会形成噪声。硅钢片导磁之后，自身尺寸便会产生细微的变化，沿磁力线方向或方向与之平行的硅钢片出现尺寸扩大的现象，而垂直于磁力线方向的硅钢片则出现尺寸缩小的现象。当磁场消失之后，其尺寸恢复为初始状态。这一变化称之为磁致伸缩现象。出现磁致伸缩现象之后，磁铁芯便会伴随着励磁频率转化为振动，因为磁致伸缩的变化周期仅为电源频率周期的一半，所以，磁致伸缩引发的电力变压器自身振动，是将电源频率的2倍作为基频率。所以，硅钢片出现振动的主要原因是因铁磁材料发生磁致伸缩现象。由于铁芯磁致伸缩现象具有非线性的特点，且依铁芯内框与外框的磁通路径长短存在差异，所以铁芯噪声当中不仅含有基频率，同时还包含高次谐波频谱的噪声。磁致伸缩现象会随机出现在各个硅钢片中。且由于硅钢片的伸缩不规律，对周围的硅钢片也会造成影响，磁致伸缩产生的噪音，会增加硅钢片横向振幅，从而产生了高频噪声，成为影响干式变压器噪声的主要因素之一，一定程度上也决定了干式变压器噪声的大小。
两者均容易整体拆解，非常容易回收铁心、夹件等。不同之处在于绕组。前者绕组导线裸露在外，可轻易拆出并将其导线绝缘剥离，导线绝缘约占导线总重的2%~3%，且芳香聚酰胺绝缘纸为公认的环保材料。后者绕组导线被环氧树脂包封，导线很难取出。处理方法主要是击碎、焚烧。由于绝缘材料占比较大，约占导线总重的25%，且除环氧树脂外还含有硅类、玻纤类及其他填加材料，所以在击碎或焚烧过程中对环境造成危害。
2.2三相负载平衡
干式变压器所处运行环境也是决定其噪声大小的主要因素之一，变压器所在电网电压、用户负荷性质以及设备所处环境等因素均对干式变压器所形成噪声的大小产生影响，增加干式变压器的噪声。以干式变压器三相负载不平衡对噪声的影响为例，干式变压器运行过程中，有可能产生负载严重不平衡的现象，导致低压侧存在数值较高的零序电流。随着三项负载不平衡程度的不断变化，该电流也会产生相应的变化，两者呈正比例关系，即当不平衡程度增加时，零序电流值也会随之增加。干式变压器运行过程中，若形成一定零序电流，则设备铁芯内便会存在数值零序磁通。零序磁通至基波频率的正弦波，其存在使得各类型磁通的大小以及相位均发生变化，导致铁芯单相或是两相磁密出现大幅度升高现象，甚至出现饱和，令变压器噪声明显增加。不仅如此，干式变压器三相负载严重不平衡，还容易导致钢构件局部温度大幅度提高，令绕组绝缘由于温度过高而使老化速度提升，缩减了干式变压器的使用寿命。
2.3其他原因
噪声的来源还有其他很多原因，例如:箱式干式变外壳由于振动导致的噪声等等，这里就不过多叙述了。
3、降低噪声的改善方式
3.1使用单取向高导磁硅钢片
建议使用单取向高导磁硅钢片作为干式变压器铁芯材料，例如，日本JFE钢铁生产的JNEX系列超级铁芯。高导磁硅钢片使得结晶方位的完整度大幅提高，绝缘层性能也得到良好改善，强化了涂层的抗张力性能，以免硅钢片尺寸因磁致伸缩的影响而发生大幅度的伸缩问题，大幅降低了干式变压器所形成的噪声。当磁通密度值设定达到1.5T时，相比一般硅钢片而言，高晶粒取向硅钢片尺寸受磁致伸缩影响所产生的伸缩量降低了40%。故而，当单取向高导磁硅钢片与一般硅钢片处于用以磁密条件下，单取向高导磁硅钢片磁致伸缩幅度小，则产生的振动也较小，噪声等级自然下降，一般可降低2dB（A）~4dB（A）。然而，因为高导磁硅钢片内硅的含量明显高于一般硅钢片，所以该类型硅钢片硬度值较高，在铁芯剪切过程中，刀具的损耗更为严重。不仅如此，相比一般硅钢片，单取向高导磁硅钢片的价格更为昂贵，使得产品成本大幅增加，企业投资自然也随之提高。
3.2降低铁芯额定工作磁密与改变铁芯夹紧力
降低干式变压器噪声的主要方法之一便是降低铁芯的额定工作磁密。铁芯所使用的多级接缝铁芯与两极接缝空载噪声相比，所形成的噪声更小，使噪声与原先相比降低了4dB（A）~5dB（A）。出现这一现象的根本原因是因为使用四级或是四级以上的接缝之后，接缝部分磁通的分布较为均匀，同时也令气隙内的磁密大幅降低，使得接缝部分因磁吸力所引发的噪声降低。不仅如此，缩减接缝的宽度，能够降低振动的频率，与此同时也减少了干式变压器自身励磁容量以及励磁电流，空载噪声也随之减弱。企业在实验过程中发现，若额定工作磁密设定值不低于1.45T时，当磁密降低0.1T时，铁芯噪声便会随之降低2dB（A）~3dB（A）。然而，磁密不可无限制降低，伴随着磁密的降低，产品生产成本也会随之增加，铁芯体积也不得不增加。而且，当铁芯额定工作磁密取值过低，便无法令高质量硅钢片损耗量低的优点得到发挥。故而，磁密的降低不得少于标准磁密的10%。如图2所示，噪声的增加与铁芯尺寸与磁通密度的变化成正比例关系。当铁芯直径值为200mm时，噪声等级为60LP/dB，当铁芯直径值为300mm时，噪声等级为70LP/dB。所以，随着铁芯直径的增加，噪声等级也随之提高。当磁通密度为1.2B/T时，铁芯噪声的标幺值显示为0.7，当磁通密度为1.4B/T时，铁芯噪声的标幺值显示为0.9。若变压器噪声形成波浪状，便有可能是由铁芯自身共振所引发的。技术人员可适当调整铁芯夹紧力。换言之，便是调节变压器之上螺栓的力矩。不仅包含夹件两端螺栓的松紧度，同时还需要对穿心螺栓以及垫块压钉螺栓等松紧度进行调节，以此达到降低噪声的目的。
3.3其他改善方式
企业还可通过如下方式达到降低干式变压器噪声的目的：第一，安装时、采取弹性材料，如减振垫，增加隔音、吸引材料。以减振垫为例，工作人员可以在安装过程中，在铁心垫脚同箱底之间垫3mm减振橡胶，如此一来，其能够承受2.7MPa至3.0MPa的压力，从而降低变压器噪声。第二，提高硅钢片的叠装质量，减少硅钢片的加工毛刺。工作人员可与剪切断面涂抹树脂类涂层，以便消除边缘部分所形成的一部分应力，以降低内应力引发磁致伸缩提高，涂层厚度应处于50μm~100μm。第三，控制铁芯的固有频率，避免与磁致伸缩的振动频率接近，以免产生共振。设计人员在设计过程中则需令固有频率避让磁致伸缩所引发的基频以及2次~4次高次谐波频带，以免铁芯出现共振。
4、结束语
干式变压器是目前应用较为广泛的变压器类型之一，确实有助于企业的生产与工作。然而，其形成的噪声也是必须解决的问题之一。不然会对周围居民生活与企业日常生产造成不同程度的不利影响。然而，企业需要注意，降低磁密以及使用优质高导磁硅钢片的方式，虽然能够有效降低噪声，但也大幅增加了产品的制造成本。因此，噪声的控制工作需要综合考虑，选取最为经济有效的手段解决问题，降低设备形成的噪声。
