隨著人類社會(huì)的加速發(fā)展，能源與環(huán)境之間的矛盾日益加劇，電力負(fù)荷也在迅速增長(zhǎng)，這迫使高壓輸電技術(shù)必須加快發(fā)展。此外，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，輸電技術(shù)的綠色發(fā)展已成為一個(gè)核心關(guān)注點(diǎn)。其中，變壓器的振動(dòng)問(wèn)題已成為亟待解決的主要問(wèn)題之一。變壓器的振動(dòng)問(wèn)題可能會(huì)威脅到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)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(chǎng)下的磁致伸縮效應(yīng)和電氣振動(dòng)引起。它通過(guò)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(dòng)的形式傳遞到變壓器外殼表面，并最終以平面波的形式擴(kuò)散到周圍空氣中，形成以變壓器為中心的聲場(chǎng)區(qū)域。
目前，抑制變壓器振動(dòng)噪聲主要有兩種方法：一是對(duì)主要部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪；二是在振動(dòng)噪聲傳播路徑上的隔斷吸收裝置中進(jìn)行降噪。其中，最根本的方法是從結(jié)構(gòu)上直接抑制振動(dòng)。改進(jìn)變壓器的固定方法是眾多降噪方法中一種經(jīng)濟(jì)可行的措施。然而，目前對(duì)于不同諧波條件下固定方法的具體作用機(jī)制仍不清楚。為此山東大學(xué)孫有良等研究人員為單相變壓器設(shè)計(jì)了振動(dòng)和噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，考慮了不同諧波激勵(lì)，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(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響，并提取分析了不同固定方法下的振動(dòng)和噪聲分布特性，得出了固定方法對(duì)可聽(tīng)噪聲的定量影響機(jī)制。
固定式結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
研究人員設(shè)計(jì)了針對(duì)單相變壓器的固定結(jié)構(gòu)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以研究不同固定方法對(duì)變壓器振動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)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(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別利用螺栓、環(huán)氧樹(shù)脂和偏心圓結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵心與變壓器油箱的固定。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在隔音實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)量點(diǎn)分布在變壓器輪廓線上，間距不超過(guò)1米。振動(dòng)測(cè)量采用ADLINK USB-2405動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，搭配壓電加速度傳感器，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)。噪聲測(cè)量則通過(guò)聲學(xué)成像儀完成，該設(shè)備利用陣列麥克風(fēng)和信號(hào)處理算法生成聲壓級(jí)的空間分布。實(shí)驗(yàn)分為空載和負(fù)載兩種工況。空載測(cè)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(shí)施加不同組合的諧波電壓（如50 Hz + 150 Hz、50 Hz + 150 Hz + 250 Hz等）。負(fù)載測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同固定方法對(duì)變壓器的振動(dòng)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(fù)載條件下具有較好的振動(dòng)抑制效果。
表1：空載多頻試驗(yàn)方案
表2：負(fù)載多頻試驗(yàn)方案
諧波成分對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響實(shí)驗(yàn)研究了不同諧波成分對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，變壓器的振動(dòng)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(yùn)行環(huán)境中加入諧波后，振動(dòng)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(dòng)特性分布比例，并顯著提高了基波頻譜的幅值。這是因?yàn)橹C波不僅改變了鐵心和繞組的自然振動(dòng)頻率，還引發(fā)了部件之間的共振，導(dǎo)致振動(dòng)幅值整體增加。當(dāng)基波與這些諧波共同作用時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。實(shí)驗(yàn)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(dòng)加速度幅值也依次降低。主振動(dòng)頻率主要集中在0–500 Hz范圍內(nèi)。在空載測(cè)試中，疊加三次、五次和七次諧波電壓時(shí)，振動(dòng)加速度幅值最大，主頻率顯著增加至0–1500 Hz；而在負(fù)載測(cè)試中，疊加五次和七次諧波電流時(shí)，振動(dòng)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(dòng)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(kuò)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(dòng)強(qiáng)度大幅增強(qiáng)。
圖2：不同諧波分量下的振動(dòng)特性分布(a)空載時(shí)域；(b)空載頻域；(c)負(fù)載時(shí)域；(d)負(fù)載頻域
固定方法對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響實(shí)驗(yàn)研究了不同固定方法對(duì)單相變壓器振動(dòng)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(dòng)加速度幅值最低，主要?dú)w因于其對(duì)鐵心軸向磁致伸縮振動(dòng)的有效抑制以及環(huán)氧材料的緩沖作用。其振動(dòng)頻譜主要集中在1000 Hz以內(nèi)，且低頻諧波含量最少，振動(dòng)幅值較固定方法1降低了約10%。在負(fù)載條件下，偏心圓固定方法（固定方法3）表現(xiàn)最優(yōu)，振動(dòng)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(dú)特的徑向固定設(shè)計(jì)可有效抑制繞組振動(dòng)。
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(dòng)特性分布在噪聲測(cè)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(fù)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(jì)和制造成本低，且不涉及電氣安全問(wèn)題，仍具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。綜合來(lái)看，優(yōu)化固定方法是抑制單相變壓器振動(dòng)和噪聲的經(jīng)濟(jì)高效選擇。
圖4：不同固定方法在空載條件下的聲壓時(shí)頻域分布（時(shí)域和頻域）
結(jié)論1.
諧波頻率對(duì)單相變壓器振動(dòng)的影響：在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋夯?5次諧波>基波+3次諧波>基波+7次諧波；在空載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋夯?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(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋汗潭ǚ椒? >固定方法3 >固定方法2。3.在多頻負(fù)載條件下，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋汗潭ǚ椒? > 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(dòng)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(jì)中，可以根據(jù)重要性選擇不同的固定方法：如果重點(diǎn)是降低繞組噪聲，應(yīng)使用偏心圓固定釘進(jìn)行固定；如果重點(diǎn)是降低鐵心噪聲，應(yīng)使用澆注型固定釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定；如果沒(méi)有特定的降噪?yún)^(qū)域，則建議使用澆注型固定釘進(jìn)行固定。上述結(jié)論適用于單相變壓器固定方法的振動(dòng)和噪聲特性優(yōu)化。
來(lái)源：《Impact of different fixing methods on the Vibration Characteristics of Single-Phase Transformers》
目前，抑制變壓器振動(dòng)噪聲主要有兩種方法：一是對(duì)主要部件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪；二是在振動(dòng)噪聲傳播路徑上的隔斷吸收裝置中進(jìn)行降噪。其中，最根本的方法是從結(jié)構(gòu)上直接抑制振動(dòng)。改進(jìn)變壓器的固定方法是眾多降噪方法中一種經(jīng)濟(jì)可行的措施。然而，目前對(duì)于不同諧波條件下固定方法的具體作用機(jī)制仍不清楚。為此山東大學(xué)孫有良等研究人員為單相變壓器設(shè)計(jì)了振動(dòng)和噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，考慮了不同諧波激勵(lì)，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(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響，并提取分析了不同固定方法下的振動(dòng)和噪聲分布特性，得出了固定方法對(duì)可聽(tīng)噪聲的定量影響機(jī)制。
固定式結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
研究人員設(shè)計(jì)了針對(duì)單相變壓器的固定結(jié)構(gòu)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以研究不同固定方法對(duì)變壓器振動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)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(guò)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別利用螺栓、環(huán)氧樹(shù)脂和偏心圓結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵心與變壓器油箱的固定。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在隔音實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)量點(diǎn)分布在變壓器輪廓線上，間距不超過(guò)1米。振動(dòng)測(cè)量采用ADLINK USB-2405動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，搭配壓電加速度傳感器，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)。噪聲測(cè)量則通過(guò)聲學(xué)成像儀完成，該設(shè)備利用陣列麥克風(fēng)和信號(hào)處理算法生成聲壓級(jí)的空間分布。實(shí)驗(yàn)分為空載和負(fù)載兩種工況。空載測(cè)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(shí)施加不同組合的諧波電壓（如50 Hz + 150 Hz、50 Hz + 150 Hz + 250 Hz等）。負(fù)載測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同固定方法對(duì)變壓器的振動(dòng)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(fù)載條件下具有較好的振動(dòng)抑制效果。
表1：空載多頻試驗(yàn)方案
表2：負(fù)載多頻試驗(yàn)方案
諧波成分對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響實(shí)驗(yàn)研究了不同諧波成分對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，變壓器的振動(dòng)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(yùn)行環(huán)境中加入諧波后，振動(dòng)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(dòng)特性分布比例，并顯著提高了基波頻譜的幅值。這是因?yàn)橹C波不僅改變了鐵心和繞組的自然振動(dòng)頻率，還引發(fā)了部件之間的共振，導(dǎo)致振動(dòng)幅值整體增加。當(dāng)基波與這些諧波共同作用時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。實(shí)驗(yàn)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(dòng)加速度幅值也依次降低。主振動(dòng)頻率主要集中在0–500 Hz范圍內(nèi)。在空載測(cè)試中，疊加三次、五次和七次諧波電壓時(shí)，振動(dòng)加速度幅值最大，主頻率顯著增加至0–1500 Hz；而在負(fù)載測(cè)試中，疊加五次和七次諧波電流時(shí)，振動(dòng)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(dòng)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(kuò)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(dòng)強(qiáng)度大幅增強(qiáng)。
圖2：不同諧波分量下的振動(dòng)特性分布(a)空載時(shí)域；(b)空載頻域；(c)負(fù)載時(shí)域；(d)負(fù)載頻域
固定方法對(duì)單相變壓器振動(dòng)特性的影響實(shí)驗(yàn)研究了不同固定方法對(duì)單相變壓器振動(dòng)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(dòng)加速度幅值最低，主要?dú)w因于其對(duì)鐵心軸向磁致伸縮振動(dòng)的有效抑制以及環(huán)氧材料的緩沖作用。其振動(dòng)頻譜主要集中在1000 Hz以內(nèi)，且低頻諧波含量最少，振動(dòng)幅值較固定方法1降低了約10%。在負(fù)載條件下，偏心圓固定方法（固定方法3）表現(xiàn)最優(yōu)，振動(dòng)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(dú)特的徑向固定設(shè)計(jì)可有效抑制繞組振動(dòng)。
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(dòng)特性分布在噪聲測(cè)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(fù)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(jì)和制造成本低，且不涉及電氣安全問(wèn)題，仍具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。綜合來(lái)看，優(yōu)化固定方法是抑制單相變壓器振動(dòng)和噪聲的經(jīng)濟(jì)高效選擇。
圖4：不同固定方法在空載條件下的聲壓時(shí)頻域分布（時(shí)域和頻域）
結(jié)論1.
諧波頻率對(duì)單相變壓器振動(dòng)的影響：在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋夯?5次諧波>基波+3次諧波>基波+7次諧波；在空載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋夯?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(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋汗潭ǚ椒? >固定方法3 >固定方法2。3.在多頻負(fù)載條件下，振動(dòng)幅度的大小順序?yàn)椋汗潭ǚ椒? > 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(dòng)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(jì)中，可以根據(jù)重要性選擇不同的固定方法：如果重點(diǎn)是降低繞組噪聲，應(yīng)使用偏心圓固定釘進(jìn)行固定；如果重點(diǎn)是降低鐵心噪聲，應(yīng)使用澆注型固定釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定；如果沒(méi)有特定的降噪?yún)^(qū)域，則建議使用澆注型固定釘進(jìn)行固定。上述結(jié)論適用于單相變壓器固定方法的振動(dòng)和噪聲特性優(yōu)化。
來(lái)源：《Impact of different fixing methods on the Vibration Characteristics of Single-Phase Transformers》
