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關變壓器噪聲問題的經典分析
摘要
變壓器噪聲是由本體結構設計、選型布局、安裝、使用過程中，變壓器本體及冷卻系統產生的不規則、間歇、連續或隨機引起的機械噪聲及空氣噪聲總和。變壓器所產生的噪聲廣泛影響住宅小區、商業中心、輕站、機場、廠礦、企業、醫院、學校等場所。
產生原因
具體來說，變壓器噪聲共有三個聲源，一是鐵心，二是繞組，三是冷卻器，即空載、負載和冷卻系統引起噪聲之和。鐵心產生噪聲原因是構成鐵心硅鋼片交變磁場作用下，會發生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率變化做周期性振動，鐵心磁致伸縮變形和繞組、油箱及磁屏蔽內電磁力所引起。
繞組產生振動原因是電流繞組中產生電磁力，漏磁場也能使結構件產生振動。電磁噪聲產生原因是磁場誘發鐵心疊片沿縱向振動產生噪聲，該振動幅值與鐵心疊片中磁通密度及鐵心材質磁性能有關，而與負載電流關系不大。 電磁力(和振動幅值)與電流平方成正比，而發射聲功率與振動幅值平方成正比。
檢測標準
《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》第61條規定，受到環境噪聲污染危害的單位和個人，有權要求加害人排除危害；造成損失的，依法賠償損失。
國家《住宅設計規范》中規定：住宅建筑中不宜布置鍋爐、變壓器及其它有噪聲振動源等設備用房。如受條件限制需要布置時，應符合現行的建筑防火、建筑隔聲及相關規范的規定。而《民用建筑隔聲設計規范》規定：條件許可時，易將噪聲源設置在地下，但不宜比鄰主題建筑或設在主體建筑下。如不能避免時，必須采取可靠的隔振、隔聲措施。
在2008年我國環境保護部發布的強制標準《GB 3096-2008 聲環境質量標準》中規定聲環境按區域的使用功能特點和環境質量要求，聲環境功能區分為以下五種類型：
各類聲環境功能區適用表1規定的環境噪聲等效聲級限值。
表1 各類聲環境功能區環境噪聲等效聲級限值
各類聲環境功能區夜間突發噪聲，其大聲級超過環境噪聲限值的幅度不得高于15dB（A）。
另外，環保部于2008年10月1日實施的《GB22337-2008 社會生活環境噪聲排放標準》中對室內噪聲排放限值做了更嚴格的規定，其中對結構傳播噪聲的規定如下：
在社會生活噪聲排放源位于噪聲敏感建筑物內情況下，噪聲通過建筑物結構傳播至噪聲敏感建筑物室內時，噪聲敏感建筑物室內等效聲級不得超過規定的限值。
對于在噪聲測量期間發生非穩態噪聲（如電梯噪聲、水泵噪聲）的情況，大聲級超過限值的幅度不得高于10dB（A）。
除了環保部的兩個關于噪聲排放的標準外，建設部2006年3月1日施行的強制標準《GB 50368-2005住宅建筑規范》中對住宅噪聲和隔聲有如下規定：
住宅應在平面布置和建筑構造上采取防噪聲措施。臥室、起居室在關窗狀態下的白天允許噪聲級為50dB(A聲級)，夜間允許噪聲級為40dB(A聲級)。電梯不應與臥室、起居室緊鄰布置。受條件限制需要緊鄰布置時，必須采取有效的隔聲和減振措施。管道井、水泵房、變壓器房、風機房應采取有效的隔聲措施，水泵、變壓器、風機應采取減振措施。
另外，中國城鄉建設環境保護部發布的《GBJ 118-1988 民用建筑隔聲設計規范》中3.1.1條規定住宅內臥室、書房與起居室的允許噪聲級應該符合規范的限值。
既然有了這么多的國家標準對變壓器噪聲進行規范，為什么我們生活周圍還是經常發生業主與開發商間有關變壓器噪聲糾紛的事情呢？其中很大一部分原因應該歸結于建筑驗收的不*。我們可以從建筑驗收備案里面發現，很多建筑的驗收證明驗收的只是施工部分，一些驗收證明的備注里面明確說明供水供電不在驗收之列。正是因為建筑施工和驗收中存在某些不規范、不*的地方，才會引起交房后的變壓器噪聲糾紛。
在英國標準 BS 661(與聲學有關的名詞術語)中，已經用標準定義對噪聲的主觀性進行了強調。即對于噪聲的接收者而言，噪聲是令人生厭的。因此，可以容易理解為什么人們在舞會上感到音樂和喧鬧是一種享受，而當人想入睡時，即使同樣的聲音也會感到是一種干擾和煩惱。變壓器噪聲不僅是連續的，而且絕大部分是屬于中等音頻，對人的聽覺危害是小的，不存在固有的有害性，這意味著變壓器噪聲引起人們的煩惱程度大概與變壓器的視在音量有關，解決這一問題的辦法是確定各種型式和規格的變壓器所發出的視在響度。
解決方法
運行中變壓器的噪聲通常是指變壓器的本體噪聲和冷卻裝置噪聲合成的噪聲。因此，為了降低變壓器的噪聲，也應從這兩個方面來采取有效的技術措施。目前，國內變壓器噪聲檢測機構有清華大學建筑物理實驗室。
一方面，對變壓器的本體噪聲，可通過減小鐵心的振動和降低噪聲的發散能力來控制；也可通過減振及隔聲、吸聲等措施，使噪聲在傳播途徑中得以衰減。
另一方面，對冷卻系統的噪聲加以控制，使其噪聲接近或低于本體噪聲水平，也能有效降低變壓器噪聲。
降低變壓器本體噪聲
1. 鐵心采取的技術措施
選用磁致伸縮ε小的硅鋼片硅鋼片提高了結晶方位的完整度，特殊涂層增加了其抗張力，從而降低了其磁致伸縮ε。在磁通密度為1.5T時，高晶粒取向硅鋼片的磁致伸縮ε只有一般硅鋼片的60%。因此，在相同磁密下，硅鋼片的磁致伸縮ε較小，產生的振動也相應較小，噪聲可降低2~4dB(A)。
降低鐵心的磁通密度B 鐵心的額定工作磁密B通常取決于噪聲及空載損耗的要求值。試驗結果表明，額定磁密B在1.5~1.8T范圍內，磁密每降低0.1T，鐵心的噪聲可降低2~3dB(A)。磁密變化引起的噪聲變化量ΔLpa可由以下公式確定：
式中：
B1、B2——分別為變化前后的工作磁密 （T）
GFe2、GFe1——對應B1、B2的鐵心重量 （kg）
應注意的是，磁密的降低不僅導致變壓器體積和重量的增加，使經濟指標變差，而且會使噪聲發射的表面積增大，從而導致變壓器的聲功率級增大。
采用全斜交錯接縫的鐵心結構在傳統的心柱和鐵軛交錯接縫結構中，磁力線在接縫處橫向穿越附近的硅鋼片，會產生渦流和磁飽和，導致噪聲和空載損耗增大。而采用全斜交錯接縫，保證了心柱和鐵軛搭接，減小了磁通畸變，保證了鐵心整體機械強度。實踐證明，當磁密為1.7T時，鐵心采用全斜交錯接縫噪聲能降低3~5dB(A)。
增大鐵軛面積以減少鐵軛中的磁通密度由于變壓器心柱產生的噪聲能通過線圈和圍屏得到有效的衰減，因此，本體噪聲大部分來源于鐵軛的振動。在變壓器設計時，應保證每級鐵軛與心柱的片寬比應與它們截面積之比*相同。這樣才能避免磁通由心柱進入鐵軛時，由于產生垂直硅鋼片表面的漏磁通而引起的噪聲增大。
增加鐵心接縫有試驗表明，當變壓器鐵心由兩級接縫變為三級接縫時，其噪聲可降低3~6dB(A)。這是因為在兩級接縫中，對應的兩個接縫間隙只跨越一層疊片，而三級接縫則跨越兩層疊片，通過每層跨接疊片末端處的磁密降低，故而導致噪聲降低。
控制鐵心夾緊力有資料表明，當鐵心夾緊力在壓強為0.08~0.12Mpa時，變壓器噪聲低。在鐵心制造過程中可通過力矩扳手合理控制夾緊力；同時也可在心柱級間放置絕緣棒，使心柱綁扎受力均勻，防止因鐵心受力不均勻而導致磁致伸縮ε增大。使用以上措施，能降低本體噪聲3~6dB(A)。
采用先進的加工工藝磁致伸縮ε對應力極為敏感。在相同磁密條件下，有較大應力的硅鋼片與應力較小的硅鋼片相比，ε隨應力的增加而急劇增大。因此，采用先進、合理的加工措施如：采用自動化的橫、豎剪切線，控制硅鋼片堆放高度，不疊上鐵軛，對油道和夾件絕緣等使用的紙板進行預壓密化處理等措施都可減少硅鋼片的應力增加，從而降低變壓器噪聲。
在鐵心墊腳與箱底之間放置減振橡膠如前所述，鐵心的磁致伸縮振動分別是通過墊腳和絕緣油這兩條途徑傳給油箱的。在鐵心墊腳與箱底之間放置減振橡膠，能使器身與油箱間的剛性接觸變為彈性接觸。從而，阻斷部分振動的傳遞，減小本體噪聲。
2. 油箱采取的技術措施
增加箱壁強度，減小箱壁振幅 為減小箱壁振幅，必須增加油箱整體的剛性。為此，可適當增加箱壁厚度或合理布置加強筋，控制筋間距。同時，輔以合理的焊接工藝，減小箱壁焊接變形，減少制造過程中的殘留應力。這樣，就能提高箱壁強度，減小箱壁振幅，降低噪聲。
增加油箱阻尼 可在油箱內壁設置橡膠板。對有磁屏蔽的變壓器，可將橡膠板放置在箱壁與磁屏蔽之間。在加強筋間焊接普通工業鋼板網，網上涂刷2-3mm厚的阻尼材料，這樣既不影響箱壁散熱，又減小了箱壁的振動，降低了噪聲。
在油箱底部與基礎間設置減振器 在油箱底部與基礎間設置減振器，避免箱底與基礎間的剛性連接，使振動通過減振器發生衰減，以達到降低噪聲的目的。通常采用的是橡膠減振器和彈簧膠減振器。
加隔聲層降低噪聲
油箱結構，分為組合式與式兩種。組合式為：可油箱外部結構情況將隔音板做成若干件，鋼板內放吸音材料。吸音材料有：巖棉、玻璃纖維等。隔音壁能把變壓器本體發射部分噪聲反射回去；當噪聲穿過隔聲壁時，也能被吸收一些，起到降低噪聲作用。
單件隔音板用螺栓分別固定油箱加強鐵上，采用這種隔音板可降低噪聲10-15dB(A)。也可采用隔音板，放兩個加強鐵之間，薄彈簧鋼板固定。框形附加重物調整隔音板振動特性，使它振幅明顯低于加強鐵振幅，有效屏蔽住變壓器本體發出噪聲，可降低噪聲5-10dB(A)。
有源抵銷消聲法
采用消聲法降低噪聲。即變壓器lm以內放置若干個噪聲發聲器，使它們發出噪聲與變壓器發出噪聲互相抵消。它原理是首先把變壓器噪聲信號轉變為電信號，然后放大激勵噪聲發聲器，使各噪聲發出來噪聲，振幅相等，相位相反，使變壓器噪聲受到破壞性干擾，可降低噪聲15dB(A)左右。
降低冷卻系統噪聲
采用合理的冷卻方式在滿足設計要求的前提下，在低噪聲變壓器的設計中，應選用自冷片式散熱器替代風冷散熱器或強油循環風冷卻器，這從根本上杜絕了冷卻器的噪聲源，能有效降低噪聲8~15dB(A)。
選用低噪聲的冷卻裝置在冷卻裝置的選用過程中，應選用低噪聲的冷卻裝置。用多臺流量適中的新型低噪聲風扇替代大流量高噪聲風扇具有以下優點：，風扇布置均勻，能提供均勻冷卻；第二，一組風扇出現故障，其余風扇仍能正常運行，提高了冷卻系統的可靠性；第三，在總的冷卻風量不變的前提下，其電機功率僅為大流量風扇的70%~75%，噪聲降低了2~3dB(A)。
采用減振裝置 變壓器本體的噪聲通過箱壁和油引起冷卻裝置的振動，采用以下措施能有效控制其振動。，在油箱與散熱器之間采用防振頭。防振頭可由耐腐蝕的防振橡膠或不銹鋼制作。試驗結果表明，防振頭通常能使自冷片式散熱器的振動噪聲降低5~8dB(A)。第二，對于側吹或底吹片式散熱器冷卻方式，為避免風扇加劇冷卻系統的振動，風扇支架不能直接固定在散熱器上，而應固定在箱壁上，并應設置減振橡膠墊。第三，冷卻系統和本體分別安裝的變壓器，風扇應固定在基礎上。
其它方法
設計低空載噪聲變壓器時，盡量采用自冷式，這樣可去除風扇和油泵噪聲疊加。當容量難以滿足需要時，滿足大容量變壓器散熱，盡量選用低噪聲潛油泵和低轉數風扇冷卻器。采用低速風扇，能使自冷變壓器容量提高33%，噪聲達到69dB(A)。具體情況，也可采用雙速風扇。負荷較小時開動低速風扇，噪聲可相應降低；負荷較大時開動高速風扇，能使自冷變壓器容量提高67%，但此時噪聲較大，達到75dB(A)。
室內布置變壓器時，應考慮由噪聲墻面反射時可能導致噪聲增加。該增值是變壓器表面積與變壓器室表面積之比函數，并與墻面和天花板吸聲系數有關。采用礦渣棉或類似材料對墻面涂覆處理，可增加吸聲系數，使噪聲明顯降低。
