大中型电力变压器铁心、油箱及冷却系统的噪声控制措施
摘要：详细介绍了大中型电力变压器铁心、油箱及冷却系统的噪声控制措施，指出只要采用合理的技术措施，就能使铁心振动噪声降低5~10db(A),使变压器空气传播途中的噪声降低10~20db(A),并能使冷却系统的噪声接近本体噪声水平。
1 概述,随着人们环境意识的普遍提高和环保部门对各类区域噪声的限制，特别是今后所进行的城网改造，对商业区和居民集中区噪声控制将更加严格。这些原因使得变压器用户在订购产品时，要求产品的噪声越来越低。当前采用的变压器专业标准 ZBK41005-89《6~220kv级变压器声级》所规定的变压器声级，已经难以满足用户的要求。因此，变压器噪声水平的高低，成为衡量变压器生产厂家设计和制造水平的重要指标。加强变压器噪声控制技术和结构材料的研究与开发，便能够根据用户对噪声值的不同要求，采用经济、有效且工艺性好的噪声控制技术和结构材料，取得理想的噪声控制效果。这样，在满足用户要求的同时，也开拓和占领了市场。
变压器噪声来源于变压器本体和冷却系统两个方面。本体噪声主要由铁心硅钢片磁致伸缩所引起的振动，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。变压器本体噪声主要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100~500hz之间。
对变压器本体噪声，一方面可通过减少铁心的振动和降低噪声的发散能力来控制。这种控制噪声源振动的方法是最有效的噪声控制措施。另一方面，可通过减振及隔声、吸声等措施，使噪声在传播途径中得以衰减。同时，对冷却系统的噪声加以控制，使其噪声与本体噪声水平相近或更低，也能有效地降低变压器噪声。
2 铁心振动控制,铁心振动的控制，可采用下列两种措施：（1）减少铁心的磁通密度B，磁通密度每降低0.1T,可降低本体噪声2~3db(A);(2)减少铁心窗高H与直径D的比值。但是上述两种措施导致了变压器体积和重量的不同程度的增加和成本的增大，而且，随着铁心重量的增加，噪声随之增大，所以上述两种方法具有一定的局限性。理论和实践表明，以下措施能有效地控制铁心噪声。
2.1 采用全斜交错接缝的铁心结构,在心柱和铁轭传统的交错接缝结构中，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，使磁通畸变减少，同时也保证了铁心整体机械强度。实践证明，保持磁密1.7T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3~5db(A)。
2．2增大铁轭截面积以减少铁轭中的磁通密度,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密，同时未级铁心片宽增大，增大了夹件与铁轭的接触面积，使铁轭所力均匀能有效地降低噪声2~4db(A),并且变压器整体尺寸增加很小，成本升高幅度不大。单应指出，铁轭各级片宽应按比例增大，防止因各级磁密差异较大而导致损耗和空载电流增大。
2.3 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，特殊涂层增加了其磁致伸ε。在磁通密度为1.5T时，高晶粒取向硅钢片的磁致伸缩ε只有一般硅钢片的60%。因此，在相同磁密下，优质硅钢片的磁致伸缩ε较小，产生的振动也相应较小，噪声可降低2~4db(A)。
2.4 避免铁心共振,当铁心固有频率与磁致伸缩振动的频率接近时，会因铁心共振导致本体噪声聚增。为避免铁心共振设计时应使其固有频率避开磁致伸缩引起的基频及二、三、四次高次谐波频率。为有效防止铁心共振，可利用其上部定位件，通过箱沿螺栓的紧固，使箱体与器身上梁紧密接触。这种方法也能改变铁心的固有频率，避免由此而引起的噪声急增。
2.5 控制铁心夹紧力,有资料表明，铁心夹紧力在压强为0.08~0.12Mpa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ε增大。通过以上措施，能降低本体噪声1~3db(A)。
2.6 减少硅钢片内应力的增加,磁致伸缩ε对应力极为敏感。在相同磁密下，有较大内应力的硅钢片与内应力较小的硅钢片相比，ε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，严格控制其平整度、堆放高度及毛刺高度，在其下垫橡胶板并轻拿轻放；在铁心叠装过称中，采用不叠上铁轭工艺；对油道和夹件绝缘等使用的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。
2.7 铁心表面涂胶,硅钢片在剪切过程中，剪切力使切口部分晶粒偏离了最佳取向，同时使硅钢片产生内应力，致使ε增大，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所造成的ε值的升高。涂层厚度一般以50~100μm为宜，太薄降噪效果不明显，太厚又影响铁心散热。常用铁心胶有：FR-5防锈漆。采取措施：除上铁轭外铁心端面均匀涂上FR-5防锈漆。
2.8 分割铁心与低压绕组间的气隙,变压器的铁心截面是对称的多级阶梯形的近似圆形的截面，铁心为噪声发出体，作无数个对称的小声波源。假设某对称的两个声源发出声波，声波相对或相向波动时，由于低压绕组内部是一个十分光滑的圆柱面，同时声波具有反射、绕射、干扰等特性，因此这两个完全对称的声源发出的声波沿着低压绕组内圆柱面相对或相向波动。这两个声波频率相同，振动方向相同，波程差为零（即同圆周相），完全符合相干波源的条件，因而叠加的结果始终是振幅加强，使得变压器噪声在传播过程中得到了加强。如果将铁心与低压绕组的气隙进行分割，截断对称声波源的相干途径，可以将噪声大大降低。试验证明该种方法十分明显，一般可降低噪声4~6db(A)。
通常变压器装配时，低压绕组与铁心之间只在低压绕组两端塞入150mm左右（对于800mm铁心直径以上而言）的垫块进行定位。如果改作在如图1所示的1、2、3、4位置或仅在1和3位置用长撑条（与绕组高度相同）定位，并于铁心绑带一起，将铁心与低压绕组间气隙分割，即可起到上述分割、截断对称声波源的相干途径的作用，从而达到降低产品噪声的目的。
2.9下铁轭与木垫块间空隙填充环氧腻子,由于下铁轭与垫块接触面积偏小且部分垫块易松动，不能有效支承铁心，易使下铁轭因受力不均产生内应力，因此需在其空隙间填充环氧腻子，抑制铁心振动。上、下部器身定位也可用环氧腻子填充。
2.9 在铁心垫脚与箱底间放置减振纸板,在铁心垫脚与箱底间放置减振纸板，能使器身与油箱间的钢性连接变为弹性连接。由于纸板具有优良的伸缩性、储能能力、隔音性能、绝缘性能以及较大的阻尼系数ζ，因此，此措施对100~400Hz的本体噪声减振效果显著。
采用20mm进口纸板/100/00时，一般压缩3 mm为宜，此时其所受压力为2.7~3.0Mpa。
压缩量太小减振效果不明显；压缩量太大时纸板长时间处于振动状态，会使阻尼失败，其绝缘性能也会发生较大变化。
3 油箱振动噪声的控制,在铁心振动传递给油箱的过程中，噪声有所衰减，一般油箱外噪声（距离箱壁1m）较箱内噪声低4~5dB(A)。为抑制油箱振动，大幅度降低本体噪声，一般采用减少箱壁振幅、增加油箱阻尼、减振、隔音及吸音等措施。
3.1 增强油箱强度，减少箱壁振幅,为减少箱壁振幅，必须增加油箱的整体钢性。为此，可在不增加箱壁厚度的前提下，增加并合理布置加强筋，对于容量60000KVA电力变压器，用10mm钢板弯折成型槽式筋宽度改为600~800mm以上，槽式筋内部用12mm钢板加强，并合理布置其间距，油箱中部加强筋适当密布。对于钟罩式油箱，上下接油箱加强筋应布置在同一垂直线上；同时，附以合理的焊接工艺，尽量减少箱壁的焊接变形，减少制造过程中油箱的残余应力。采用以上措施，就能最大限度地降低箱壁的振幅。
3.2 增加油箱阻尼,可在油箱内壁设置橡胶板。对有磁屏蔽的变压器，可将橡胶板放置在箱壁与磁屏蔽之间。在加强筋间焊接普通工业钢板网，网上涂刷2~3mm厚的阻尼材料，这样既可不影响箱壁散热，又减少了（特别是加强筋）的振动。阻尼材料的阻尼特性以损耗因素η表示，η值越大，其阻尼特性愈好。对于常用的丁腈橡胶，厚度为4mm,时，η值在0.07~0.08之间。
3.3 在下部定位件处布置阻尼特性好的材料,在下部定位件处布置阻尼特性好的材料，如环氧酚醛玻璃布管，对于常用的环氧酚醛玻璃布管厚度在3mm之间，这样既可使器身与油箱间的钢性连接变为弹性连接，又减少了（特别是加强筋）的振动。这样可以将噪声大大降低。试验证明该种方法十分明显，一般可降低噪声4~6db(A)。其结构如图2所示的位置。
3.4 采用半封闭或全封闭隔声、吸声技术,采用隔声板和吸声材料，将箱壁（半封闭结构）或整个油箱（全封闭结构）封闭起来，能大幅度降低变压器噪声。其中，半封闭结构能降噪10~12 db(A)，全封闭结构能降噪15~20 db(A)。考虑到用户的接受程度和安装场地空间的限制，以及为了省却现场组装的繁杂工作，制造厂家在满足用户对噪声的要求和保证降噪系统机械强度的前提下，应尽量减少降噪系统和变压器整体的外形尺寸，将隔声系统在生产厂家制造和安装完成。
① 在箱壁外设置隔声板。箱壁外可用螺栓固定粘贴隔声板。此措施优点是制造简单，安全方便，特别是多孔陶瓷板，除能有效隔声外，外观也新颖别致，符合产品设计要求。采用粘贴方式时，应根据材料种类，选用相应的胶粘剂，以保证其粘接强度。常用隔声系统可采用如下材料：
⑴. 1~1.5mm钢板+2~3mm阻尼材料；
⑵. 1~1.5mm钢板+2~3mm阻尼材料+1mm钢板；
⑶. 1~1.5mm钢板+2~3mm橡胶板（粘牢）；
⑷. 1~1.5mm钢板+2~3mm橡胶板（粘牢）+1mm钢板（粘牢）；
⑸. 15mm多孔陶瓷板。
此方法一般可降噪4~7 db(A)。
② 填充吸声材料。箱壁外两加强筋间焊接2~3mm钢板，其间填充吸声材料。此措施具有制造和安装方便及外形尺寸较小的优点。再制造上，必须保证油箱焊接质量，经严格试漏检验后，才能进行隔、吸声系统的安装。此外，还应注意以下几点：
⑴为防止簿钢板共振，其上必须设置阻尼材料，厚度应大于钢板厚度；
⑵为降低箱壁与隔声板间内腔的声压上升，提高隔声效果，内腔需粘贴或填充吸声材料，可选用矿渣绵或玻璃纤维棉板，其厚度一般为20~100mm;
⑶吸声材料应进行干燥处理；
⑷为防止吸声材料在变压器运行过程中的沉降，应在高度方向上设置分层隔板；
⑸如用树脂材料对吸声材料进行处理，在不影响吸声效果的前提下，应按需要的尺寸将吸声材料固化成形，使其具有一定的机械强度。
③ 冷却系统与本体分体安装。冷却系统固定在专用基础上，一方面能有效控制铁心振动引起的冷却装置的振动，同时，可以将本体置于室内，或在本体四周设置隔声壁。试验结果表明，半封闭隔声壁隔声效果为12~15db(A)。隔声壁选材广泛，包括钢板、铝合金板材、不锈钢板材、混凝土预制板块、多孔吸声板、钢塑型材、中孔玻璃等。为了安全、美观、经济，可根据实际空间情况，将几种材料组合使用。该安装方式可充分利用现有场地，特别适用于城市变电站的建设，深受用户欢迎。
4 冷却系统的降躁措施,变压器噪声为本体噪声与冷却系统的叠加，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器，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。
4.1 采用低噪声冷却器,在满足设计要求的前提下，用自冷片式散热器代替风冷散热器或强迫油循环风冷却器，能降低变压器噪声8~15db(A)。另外，冷却器的选择必须考虑其噪声要求，尽量采用低噪声冷却器。实践表明，正确选用低噪声冷却器，能降低变压器噪声5~10db(A)。
例如对于220kv变压器，冷却器一般选用常州华电冷却器厂生产的低噪声冷却器，型号YF5-200，噪声为60db(A)；比一般冷却器《型号为YF5-200，噪声为73db(A)》噪声降低13 db(A)；
4.2 选用低噪声风扇,低噪声风扇机翼型的叶片在设计上能保证风扇具有更高的效果和恒定的空气推力，风扇电机功率的增大使风量加大，而运行噪声却很低。例如对于110kv变压器，风扇一般选用陕西临潼机械厂生产的低噪声风扇，型号为DBF-7Q8，噪声为60db(A)；比一般风扇《型号为BLF-7Q8（长春二电机厂），噪声为68db(A)》噪声降低8 db(A)；用多台流量适中的新型低噪声风扇替代大流量高噪声风扇具有以下优点：第一，风扇布置均匀，能提供均匀冷却；第二，一组风扇出现故障，其余风扇仍能正常运行，提高了冷却系统的可靠性；第三，在总的冷却风量不变的前提下，其电机功率仅为大流量风扇的70%~75%，噪声降低2~3db(A)。
4.3 采用减振装置,铁心的振动通过箱壁和油引起冷却装置的振动，采用以下减振装置，能有效控制其振动：
a. 油箱和散热器的连接采用波纹管；
b. 对于侧吹或底吹式散热器冷却装置，为避免风扇加剧冷却系统的振动，风扇支架不能直接固定在箱壁上，并且应设置减振胶垫。
c. 冷却系统和本体分体安装的变压器，风扇应直接固定在专用基础上。
4.4 采用风扇消声装置
风扇运行时，叶片附近发生气流涡流，从而产生风扇噪声。要降低风扇噪声，最有效的措施是在风扇进、出口安装消声装置，其能降低风扇噪声5~8db(A)。为了尽量减少其风压和风量的影响，可采用网状、片式、折板式阻性消声器。
5. 结束语
通过控制铁心的振动，能降低变压器本体噪声5~10db(A)；控制油箱振动并采用隔、吸、声措施，能降低变压器本体噪声10~20db(A)；通过对变压器冷却系统采取噪声控制措施，能使其噪声接近本体噪声水平。
根据用户对变压器噪声的要求，采用相应的噪声控制措施，能有效地满足关于噪声的技术要求，增加产品的技术含量，提高变压器的设计和制造水平，改善环境，取得较好的经济效益和社会效益。
