隨著人類社會的加速發(fā)展，能源與環(huán)境之間的矛盾日益加劇，電力負荷也在迅速增長，這迫使高壓輸電技術(shù)必須加快發(fā)展。此外，隨著人們對環(huán)境保護意識的不斷提高，輸電技術(shù)的綠色發(fā)展已成為一個核心關(guān)注點。其中，變壓器的振動問題已成為亟待解決的主要問題之一。變壓器的振動問題可能會威脅到設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，并增加能量損耗和碳排放。變壓器的噪聲主要由變壓器鐵心和繞組在交變電磁場下的磁致伸縮效應(yīng)和電氣振動引起。它通過液體介質(zhì)（變壓器油）和固體介質(zhì)（連接支撐結(jié)構(gòu)）以振動的形式傳遞到變壓器外殼表面，并最終以平面波的形式擴散到周圍空氣中，形成以變壓器為中心的聲場區(qū)域。
目前，抑制變壓器振動噪聲主要有兩種方法：一是對主要部件和結(jié)構(gòu)進行降噪；二是在振動噪聲傳播路徑上的隔斷吸收裝置中進行降噪。其中，最根本的方法是從結(jié)構(gòu)上直接抑制振動。改進變壓器的固定方法是眾多降噪方法中一種經(jīng)濟可行的措施。然而，目前對于不同諧波條件下固定方法的具體作用機制仍不清楚。為此山東大學孫有良等研究人員為單相變壓器設(shè)計了振動和噪聲測試實驗，考慮了不同諧波激勵，并定量比較和研究了三種不同類型的固定方法：偏心圓固定、澆注固定和壓緊固定。研究了諧波分量對單相變壓器振動特性的影響，并提取分析了不同固定方法下的振動和噪聲分布特性，得出了固定方法對可聽噪聲的定量影響機制。
固定式結(jié)構(gòu)及實驗設(shè)計
研究人員設(shè)計了針對單相變壓器的固定結(jié)構(gòu)，并搭建了實驗平臺，以研究不同固定方法對變壓器振動特性的影響。實驗中采用了三種固定方法：釘固定（固定方法1）、澆注固定（固定方法2）和偏心圓固定（固定方法3）。這些方法通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別利用螺栓、環(huán)氧樹脂和偏心圓結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鐵心與變壓器油箱的固定。
實驗平臺搭建在隔音實驗室中，測量點分布在變壓器輪廓線上，間距不超過1米。振動測量采用ADLINK USB-2405動態(tài)信號采集模塊，搭配壓電加速度傳感器，將振動信號轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號。噪聲測量則通過聲學成像儀完成，該設(shè)備利用陣列麥克風和信號處理算法生成聲壓級的空間分布。實驗分為空載和負載兩種工況?？蛰d測試中，變壓器一次繞組施加不同倍數(shù)的額定電壓（0.9、0.95、1.0、1.05倍），同時施加不同組合的諧波電壓（如50 Hz + 150 Hz、50 Hz + 150 Hz + 250 Hz等）。負載測試中，一次繞組短路，二次繞組施加電壓，阻抗電壓為2%，并施加多頻諧波電壓（如50 Hz + 250 Hz、50 Hz + 350 Hz等）。實驗結(jié)果顯示，不同固定方法對變壓器的振動和噪聲特性有顯著影響，其中澆注固定方法在空載條件下表現(xiàn)最佳，偏心圓固定方法在負載條件下具有較好的振動抑制效果。
表1：空載多頻試驗方案
表2：負載多頻試驗方案
諧波成分對單相變壓器振動特性的影響實驗研究了不同諧波成分對單相變壓器振動特性的影響。結(jié)果表明，變壓器的振動加速度幅值與注入的諧波電壓和電流呈正相關(guān)。在基波運行環(huán)境中加入諧波后，振動幅值隨諧波含量增加而增大，頻譜變得更加密集，但模式不夠清晰。頻譜分析顯示，三次、五次和七次諧波分別影響了300 Hz、500 Hz和700 Hz處的振動特性分布比例，并顯著提高了基波頻譜的幅值。這是因為諧波不僅改變了鐵心和繞組的自然振動頻率，還引發(fā)了部件之間的共振，導致振動幅值整體增加。當基波與這些諧波共同作用時，這種現(xiàn)象更為明顯。實驗中，隨著三次、五次和七次諧波的含量和幅值降低，疊加在基波上的振動加速度幅值也依次降低。主振動頻率主要集中在0–500 Hz范圍內(nèi)。在空載測試中，疊加三次、五次和七次諧波電壓時，振動加速度幅值最大，主頻率顯著增加至0–1500 Hz；而在負載測試中，疊加五次和七次諧波電流時，振動加速度幅值最大，但主頻率變化不明顯。離散傅里葉變換分析表明，在空載基波條件下，振動加速度譜主要集中在500 Hz以下的低頻段。加入諧波后，頻譜范圍擴大，高頻分量顯著增加，特別是在變壓器的高階固有頻率下，振動強度大幅增強。
圖2：不同諧波分量下的振動特性分布(a)空載時域；(b)空載頻域；(c)負載時域；(d)負載頻域
固定方法對單相變壓器振動特性的影響實驗研究了不同固定方法對單相變壓器振動和噪聲特性的影響。在空載條件下，澆注固定方法（固定方法2）表現(xiàn)最佳，振動加速度幅值最低，主要歸因于其對鐵心軸向磁致伸縮振動的有效抑制以及環(huán)氧材料的緩沖作用。其振動頻譜主要集中在1000 Hz以內(nèi)，且低頻諧波含量最少，振動幅值較固定方法1降低了約10%。在負載條件下，偏心圓固定方法（固定方法3）表現(xiàn)最優(yōu)，振動加速度幅值較低，且頻譜分布清晰，共振效應(yīng)得到顯著降低。其獨特的徑向固定設(shè)計可有效抑制繞組振動。
圖3：空載條件下與不同固定結(jié)構(gòu)下單相變壓器表面的振動特性分布在噪聲測試中，澆注固定方法在空載條件下可降低約2.3分貝的噪聲，偏心圓固定方法在負載條件下可降低約3.3分貝的噪聲。盡管固定方法的降噪效果（2–3分貝）不如優(yōu)化鐵心和繞組結(jié)構(gòu)（5分貝），但由于其設(shè)計和制造成本低，且不涉及電氣安全問題，仍具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值。綜合來看，優(yōu)化固定方法是抑制單相變壓器振動和噪聲的經(jīng)濟高效選擇。
圖4：不同固定方法在空載條件下的聲壓時頻域分布（時域和頻域）
結(jié)論1.
諧波頻率對單相變壓器振動的影響：在負載運行時，振動幅度的大小順序為：基波+5次諧波>基波+3次諧波>基波+7次諧波；在空載運行時，振動幅度的大小順序為：基波+3次諧波>基波+5次諧波>基波+7次諧波。2.在空載多頻條件下，振動幅度的大小順序為：固定方法1 >固定方法3 >固定方法2。3.在多頻負載條件下，振動幅度的大小順序為：固定方法1 > 固定方法2 > 固定方法3。4.澆注式固定釘結(jié)構(gòu)可以將振動幅度降低約10%，并將噪聲降低約2.5分貝。因此，在工業(yè)化單相變壓器的降噪設(shè)計中，可以根據(jù)重要性選擇不同的固定方法：如果重點是降低繞組噪聲，應(yīng)使用偏心圓固定釘進行固定；如果重點是降低鐵心噪聲，應(yīng)使用澆注型固定釘結(jié)構(gòu)進行固定；如果沒有特定的降噪?yún)^(qū)域，則建議使用澆注型固定釘進行固定。上述結(jié)論適用于單相變壓器固定方法的振動和噪聲特性優(yōu)化。
來源：《Impact of different fixing methods on the Vibration Characteristics of Single-Phase Transformers》
目前，抑制變壓器振動噪聲主要有兩種方法：一是對主要部件和結(jié)構(gòu)進行降噪；二是在振動噪聲傳播路徑上的隔斷吸收裝置中進行降噪。其中，最根本的方法是從結(jié)構(gòu)上直接抑制振動。改進變壓器的固定方法是眾多降噪方法中一種經(jīng)濟可行的措施。然而，目前對于不同諧波條件下固定方法的具體作用機制仍不清楚。為此山東大學孫有良等研究人員為單相變壓器設(shè)計了振動和噪聲測試實驗，考慮了不同諧波激勵，并定量比較和研究了三種不同類型的固定方法：偏心圓固定、澆注固定和壓緊固定。研究了諧波分量對單相變壓器振動特性的影響，并提取分析了不同固定方法下的振動和噪聲分布特性，得出了固定方法對可聽噪聲的定量影響機制。
固定式結(jié)構(gòu)及實驗設(shè)計
研究人員設(shè)計了針對單相變壓器的固定結(jié)構(gòu)，并搭建了實驗平臺，以研究不同固定方法對變壓器振動特性的影響。實驗中采用了三種固定方法：釘固定（固定方法1）、澆注固定（固定方法2）和偏心圓固定（固定方法3）。這些方法通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別利用螺栓、環(huán)氧樹脂和偏心圓結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鐵心與變壓器油箱的固定。
實驗平臺搭建在隔音實驗室中，測量點分布在變壓器輪廓線上，間距不超過1米。振動測量采用ADLINK USB-2405動態(tài)信號采集模塊，搭配壓電加速度傳感器，將振動信號轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號。噪聲測量則通過聲學成像儀完成，該設(shè)備利用陣列麥克風和信號處理算法生成聲壓級的空間分布。實驗分為空載和負載兩種工況?？蛰d測試中，變壓器一次繞組施加不同倍數(shù)的額定電壓（0.9、0.95、1.0、1.05倍），同時施加不同組合的諧波電壓（如50 Hz + 150 Hz、50 Hz + 150 Hz + 250 Hz等）。負載測試中，一次繞組短路，二次繞組施加電壓，阻抗電壓為2%，并施加多頻諧波電壓（如50 Hz + 250 Hz、50 Hz + 350 Hz等）。實驗結(jié)果顯示，不同固定方法對變壓器的振動和噪聲特性有顯著影響，其中澆注固定方法在空載條件下表現(xiàn)最佳，偏心圓固定方法在負載條件下具有較好的振動抑制效果。
表1：空載多頻試驗方案
表2：負載多頻試驗方案
諧波成分對單相變壓器振動特性的影響實驗研究了不同諧波成分對單相變壓器振動特性的影響。結(jié)果表明，變壓器的振動加速度幅值與注入的諧波電壓和電流呈正相關(guān)。在基波運行環(huán)境中加入諧波后，振動幅值隨諧波含量增加而增大，頻譜變得更加密集，但模式不夠清晰。頻譜分析顯示，三次、五次和七次諧波分別影響了300 Hz、500 Hz和700 Hz處的振動特性分布比例，并顯著提高了基波頻譜的幅值。這是因為諧波不僅改變了鐵心和繞組的自然振動頻率，還引發(fā)了部件之間的共振，導致振動幅值整體增加。當基波與這些諧波共同作用時，這種現(xiàn)象更為明顯。實驗中，隨著三次、五次和七次諧波的含量和幅值降低，疊加在基波上的振動加速度幅值也依次降低。主振動頻率主要集中在0–500 Hz范圍內(nèi)。在空載測試中，疊加三次、五次和七次諧波電壓時，振動加速度幅值最大，主頻率顯著增加至0–1500 Hz；而在負載測試中，疊加五次和七次諧波電流時，振動加速度幅值最大，但主頻率變化不明顯。離散傅里葉變換分析表明，在空載基波條件下，振動加速度譜主要集中在500 Hz以下的低頻段。加入諧波后，頻譜范圍擴大，高頻分量顯著增加，特別是在變壓器的高階固有頻率下，振動強度大幅增強。
圖2：不同諧波分量下的振動特性分布(a)空載時域；(b)空載頻域；(c)負載時域；(d)負載頻域
固定方法對單相變壓器振動特性的影響實驗研究了不同固定方法對單相變壓器振動和噪聲特性的影響。在空載條件下，澆注固定方法（固定方法2）表現(xiàn)最佳，振動加速度幅值最低，主要歸因于其對鐵心軸向磁致伸縮振動的有效抑制以及環(huán)氧材料的緩沖作用。其振動頻譜主要集中在1000 Hz以內(nèi)，且低頻諧波含量最少，振動幅值較固定方法1降低了約10%。在負載條件下，偏心圓固定方法（固定方法3）表現(xiàn)最優(yōu)，振動加速度幅值較低，且頻譜分布清晰，共振效應(yīng)得到顯著降低。其獨特的徑向固定設(shè)計可有效抑制繞組振動。
圖3：空載條件下與不同固定結(jié)構(gòu)下單相變壓器表面的振動特性分布在噪聲測試中，澆注固定方法在空載條件下可降低約2.3分貝的噪聲，偏心圓固定方法在負載條件下可降低約3.3分貝的噪聲。盡管固定方法的降噪效果（2–3分貝）不如優(yōu)化鐵心和繞組結(jié)構(gòu)（5分貝），但由于其設(shè)計和制造成本低，且不涉及電氣安全問題，仍具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值。綜合來看，優(yōu)化固定方法是抑制單相變壓器振動和噪聲的經(jīng)濟高效選擇。
圖4：不同固定方法在空載條件下的聲壓時頻域分布（時域和頻域）
結(jié)論1.
諧波頻率對單相變壓器振動的影響：在負載運行時，振動幅度的大小順序為：基波+5次諧波>基波+3次諧波>基波+7次諧波；在空載運行時，振動幅度的大小順序為：基波+3次諧波>基波+5次諧波>基波+7次諧波。2.在空載多頻條件下，振動幅度的大小順序為：固定方法1 >固定方法3 >固定方法2。3.在多頻負載條件下，振動幅度的大小順序為：固定方法1 > 固定方法2 > 固定方法3。4.澆注式固定釘結(jié)構(gòu)可以將振動幅度降低約10%，并將噪聲降低約2.5分貝。因此，在工業(yè)化單相變壓器的降噪設(shè)計中，可以根據(jù)重要性選擇不同的固定方法：如果重點是降低繞組噪聲，應(yīng)使用偏心圓固定釘進行固定；如果重點是降低鐵心噪聲，應(yīng)使用澆注型固定釘結(jié)構(gòu)進行固定；如果沒有特定的降噪?yún)^(qū)域，則建議使用澆注型固定釘進行固定。上述結(jié)論適用于單相變壓器固定方法的振動和噪聲特性優(yōu)化。
來源：《Impact of different fixing methods on the Vibration Characteristics of Single-Phase Transformers》
