CN108519527B - 一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法，该装置中，可控交流变频电源通过一个控制开关与单相变压器的原边相连，单相变压器的副边与功率因数可调负载相连；电流传感器和电压传感器的数据采集端与功率因数可调负载相连，分别用于检测负载端电流和电压；噪声声压传感器和声强传感器分别设置在单相变压器的两侧，噪声声压传感器和声强传感器分别检测单相变压器不同方位的声压信号和声强信号；数据采集单元与主控计算机相连，主控计算机对数据进行处理后，进行时域分析、频域分析和相关性分析，并对分析结果进行显示。本发明能找出与噪声相关的主要电流谐波频率，改善电网电能质量角度来降低变压器噪声。

Description

一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法

技术领域

本发明涉及变压器降噪领域，尤其涉及一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法。

背景技术

随着变电站越来越靠近居民以及人们环保意识的增强，变压器的噪声问题已受到电力部门和变压器制造厂的高度重视。变压器噪声不属于高分贝的强噪声，但其所发出的35分贝以上的低频噪声易使该环境中生活和工作的人员产生不安、烦躁和易怒等负面情绪，长期影响作用下会进一步诱发神经衰弱和失眠等神经系统疾病。变压器振动噪声声源主要归结为本体噪声和冷却系统噪声2类。本体噪声由铁芯和绕组引起，原因是构成铁芯的硅钢片在交变磁场的作用下发生磁致伸缩以及硅钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁而产生的电磁吸引力引起的铁心振动；负载电流通过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生的电磁力引起的绕组振动。一般情况下，可以通过采用磁致伸缩小的高导磁材料、降低铁芯磁密、改善铁芯接缝等方法降低铁心噪声，而对于绕组噪声，目前尚无较好的降噪措施和方法。

目前，现有的研究主要以变压器铁心绕组结构特点为切入点，着重于分析交变磁场转换为机械振动的过程，而对于实际诱发其振动噪声的能量源特性未予关注，缺乏电网电能质量与变压器噪声之间的相互关联性研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法，通过建立不同功率等级条件下电压/电流基波、谐波以及间谐波与声场强度和范围分布之间的关联性，分析改善电网电能质量对降低变压器噪声的可行性，为从源头降低变压器振动噪声提供理论依据与探寻解决方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置，包括：可控交流变频电源、单相变压器、功率因数可调负载、电流传感器、声压传感器、声强传感器、电压传感器、数据采集单元和主控计算机；其中：

可控交流变频电源通过一个控制开关与单相变压器的原边相连，单相变压器的副边与功率因数可调负载相连；

电流传感器和电压传感器的数据采集端与功率因数可调负载相连，电流传感器用于检测负载端电流，电压传感器用于检测负载端电压；

噪声声压传感器和声强传感器分别设置在单相变压器的两侧，噪声声压传感器和声强传感器分别检测单相变压器不同方位的声压信号和声强信号；

电流传感器、噪声声压传感器、声强传感器和电压传感器的输出端均连接数据采集单元，数据采集单元与主控计算机相连，主控计算机对数据进行处理后，进行时域分析、频域分析和相关性分析，并对分析结果进行显示。

进一步地，本发明的可控交流变频电源的输出为频率可变的交流电。

进一步地，本发明的功率因数可调负载能实现功率等级、功率因数及投切状态的改变。

进一步地，本发明的噪声声压传感器和声强传感器均设置有不少于3个，分别布置在单相变压器周围空间的各个角落，用于从不同方位同步采集单相变压器噪声的声压信号和声强信号。

进一步地，本发明的数据采集单元采用高采样率和高分辨率的多通道同步采集单元。

进一步地，本发明的主控计算机具有数据存储和数据分析功能，用于对采集的声压、声强和电流/电压信号进行时域分析、频谱分析和相关性分析。

本发明提供一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验方法，包括以下步骤：

S1、调节可控交流变频电源的频率，分别设定其频率为某一值；

S2、声压传感器、声强传感器、电流传感器和电压传感器采集的数据，通过数据采集单元后，同步传输到主控计算机上进行数据的时域分析、频谱分析和相关性分析；

S3、调节功率因数可调负载的功率等级，分别设定为不同的功率等级，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率等级下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析；

S4、调节功率因数可调负载的功率因数，分别设定为不同的功率因数，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率因数下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析。

进一步地，本发明的该方法中主控计算机进行分析的方法具体为：

在主控计算机上对获得的数据进行时域对比分析，并将数据运用matlab软件通过傅里叶变换后，进行频谱对比分析，找出与噪声相关的主要谐波频率，从而通过在变压器输出电路中加装谐波滤波电路，进而降低变压器的噪声。

本发明产生的有益效果是：本发明的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置及方法，能够有效的检测变压器在不同类型负载下变压器噪声响应的变化，通过频谱分析及相关性分析方法，找出与变压器噪声关联性最大的电流谐波频率，从而可以通过在变压器输出电路中加装相应的谐波滤波电路，改善降低变压器的噪声，为从改善电网电能质量角度来降低变压器噪声提供参考。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的变压器噪声与电能质量关联性试验装置组成图；

图2是本发明实施例的变压器噪声与电能质量分析流程图。

图中：1.可控交流变频电源；2.单相变压器；3.功率因数可调负载；4.电流传感器；5.声压传感器；6.声强传感器；7.电压传感器；8.数据采集单元；9.主控计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置，包括：可控交流变频电源1、单相变压器2、功率因数可调负载3、电流传感器4、声压传感器5、声强传感器6、电压传感器7、数据采集单元8和主控计算机9；其中：

可控交流变频电源1通过一个控制开关与单相变压器2的原边相连，单相变压器2的副边与功率因数可调负载3相连；

电流传感器4和电压传感器7的数据采集端与功率因数可调负载3相连，电流传感器4用于检测负载端电流，电压传感器7用于检测负载端电压；

噪声声压传感器5和声强传感器6分别设置在单相变压器2的两侧，噪声声压传感器5和声强传感器6分别检测单相变压器2不同方位的声压信号和声强信号；

电流传感器4、噪声声压传感器5、声强传感器6和电压传感器7的输出端均连接数据采集单元8，数据采集单元8与主控计算机9相连，主控计算机9对数据进行处理后，进行时域分析、频域分析和相关性分析，并对分析结果进行显示。

在主控计算机9上对获得的数据进行时域对比分析，并将数据运用matlab软件通过傅里叶变换后，进行频谱对比分析，找出与噪声相关的主要谐波频率，从而可以通过在变压器输出电路中加装相应的谐波滤波电路，进而改善降低变压器的噪声。

可控交流变频电源1可以为实验平台提供不同频率的交流电。

功率因数可调负载3可以实现功率等级、功率因数及投切状态的改变。改变电压波动、(间)谐波、电压与电流不平衡以及振荡瞬态等电网电能质量指标动态变化条件等单一变量，并通过改变负载端投切状态，以模拟电源端和负载端电能质量参数存在差异和突变过程，使变压器处于不同工况条件下。

噪声声压传感器5和声强传感器6，可以设置为3个或者3个以上，分别布置在变压器周围空间的各个角落，可以从不同方位同步采集变压器噪声的声压信号和声强信号。

数据采集单元8，应具有多通道同步采集功能，较高的采样率以及分辨率，以确保采集的噪声信号与电流信号的同步性和精度要求。

主控计算机9，应具有数据存储和数据分析功能，对采集的声压/声强和电流/电压信号进行时域分析、频谱分析和相关性分析。

如图2所示，本发明实施例的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、调节可控交流变频电源的频率，分别设定其频率为某一值；

S2、声压传感器、声强传感器、电流传感器和电压传感器采集的数据，通过数据采集单元后，同步传输到主控计算机上进行数据的时域分析、频谱分析和相关性分析；

S3、调节功率因数可调负载的功率等级，分别设定为不同的功率等级，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率等级下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析；

S4、调节功率因数可调负载的功率因数，分别设定为不同的功率因数，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率因数下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析。

在本发明的另一个具体实施例中：

如附图1所示，变压器噪声与电能质量关联性试验装置及其研究方法，主要包括可控交流变频电源1、单相变压器2、功率因数可调负载3、电流传感器4、声压传感器5、声强传感器6、电压传感器7、数据采集单元8、主控计算机9和相应的数据分析程序及关联性分析方法。单相变压器2的原边与可控交流变频电源1相连，单相变压器2的副边与功率因数可调负载3相连。多个声压传感器5和声强传感器6分别均匀地布置在单相变压器2周围的空间内，电流传感器4连接到负载端检测负载电流，电压传感器7连接到负载端检测负载电压，所有传感器的输出端连接数据采集单元8，将数据进行处理后，通过连接到主控计算机9进行数据的显示。

如附图2所示，通过搭建电网电能质量与变压器振动噪声关联性研究实验平台，在消除其他无关因素(背景噪声、环境温度等)干扰下，改变可控交流变频电源1的频率、功率因数可调负载3的功率等级和功率因数等电网电能质量指标动态变化条件的单一变量，并通过改变负载端投切状态，以模拟电源端和负载端电能质量参数存在差异和突变过程，使变压器处于不同工况下，通过监测获取电能质量参数与辐射噪声的声压和声强的稳态值及暂态振荡数据，通过主控计算机9对数据进行时域分析和频域分析。

根据电压与电流的相位差ψ，从而可以得出负载的功率因数cosψ。将从数据采集单元8所获取的声压/声强和电流/电压的时域信号数据保存为主控计算机9内的*.xls的excel表格文件，其格式为含有5列的表格，每一列依次为时间t、声压y1、声强y2、电流y3、电压y4。将数据中的字符删除掉，使表格中只含有数据，将处理过的数据以一定的格式导入matlab中保存为数据data，运用matlab里M文件中的FFT函数对数据进行快速傅里叶分析。应用傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，其原理是把复杂的时间历程波形，经傅立叶变换为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值。具体程序如下：

t＝data(:,1)；％时间数据

y1＝data(:,2)；％声压数据

y2＝data(:,3)；％声强数据

y3＝data(:,4)；％电流数据

y4＝data(:,5)；％电压数据％将所有数据的时域图形画在一张图上

subplot(5,1,1),plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4)；

legend('声压','声强','电流','电压')；

xlabel('时间t/ms')；

ylabel('幅值')；

title('时域')；

hold on；

fs＝1000；

N＝length(t)；

f＝fs*([1:N]-1)/N；％频率序列

Y1＝fft(y1,N),Y2＝fft(y2,N),Y3＝fft(y3,N),Y4＝fft(y4,N)；％对4组数据做fft变换

mag1＝abs(Y1),mag2＝abs(Y2),mag3＝abs(Y3),mag4＝abs(Y4)；％求fft变换后的幅值

mag1＝mag1/(N/2),mag2＝mag2/(N/2),mag2＝mag2/(N/2),mag2＝mag2/(N/2)；％换算成实际幅值

％画出声压频谱图

subplot(5,1,2),plot(f(1:N/2),mag1(1:N/2))；

xlabel('声压频率/Hz')；

ylabel('幅值')；

title('声压频域')；

hold on；

％画出声强频谱图

subplot(5,1,3),plot(f(1:N/2),mag2(1:N/2))；

xlabel('声强频率/Hz')；

ylabel('幅值')；

title('声强频域')；

hold on；

％画出电流频谱图

subplot(5,1,4),plot(f(1:N/2),mag3(1:N/2))；

xlabel('电流频率/Hz')；

ylabel('幅值')；

title('声压频域')；

hold on；

％画出声压频谱图

subplot(5,1,5),plot(f(1:N/2),mag4(1:N/2))；

xlabel('电流频率/Hz')；

ylabel('幅值')；

title('声压频域')；

通过上述程序分别得到声压/声强及电流/电压的频谱图，将声压/声强的频谱分别与电流/电压的频谱进行对比分析：找出声压/声强频谱图中若干个主要波峰所对应的频率值，以及电流/电压频谱图中若干个主要波峰所对应的频率值，分析它们的频率之间的关联性，找出电流/电压与噪声相关的主要谐波频率。从而可以通过在变压器输出电路中加装相应的谐波滤波电路，进而改善降低变压器的噪声。

本发明采用的数据相关性分析方法如下：

将采集的时域上的噪声信号和电流信号通过相关性分析方法进行分析。相关性分析可以用来验证两个变量间的线性关系，可采用相关系数r衡量两个变量是否呈线性关系或线性关系的强弱，以及是正相关还是负相关。相关性分析的前提是两个变量的元素之间需要存在一定的联系，负载电流通过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生电磁力引起绕组的振动，当绕组的固有频率接近或者等于硅钢片磁致伸缩振动的基频(2倍的电源频率)及其整数倍时，将会产生谐振，使变压器噪声显著增大，所以电能质量与噪声之间存在一定的联系。为此，这里采用相关系数r对测得的噪声数据和电流数据进行相关性分析。分别截取一段时间内的电流数据和噪声数据作为样本，设为电压/电流数据为X，设噪声数据为Y，通过定义式：

其中，Cov(X,Y)为X与Y的协方差，Var[X]为X的方差，Var[Y]为Y的方差。r的绝对值小于等于1，当r的绝对值越接近1或者等于1时，数据X与Y相关度就越高。通过以上方法获取r(X,Y)的值，则可以得到变压器噪声与电流之间的相互关系。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置的试验方法，其特征在于，该方法通过变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置实现，该装置包括：可控交流变频电源(1)、单相变压器(2)、功率因数可调负载(3)、电流传感器(4)、噪声 声压传感器(5)、声强传感器(6)、电压传感器(7)、数据采集单元(8)和主控计算机(9)；其中：

可控交流变频电源(1)通过一个控制开关与单相变压器(2)的原边相连，单相变压器(2)的副边与功率因数可调负载(3)相连；

电流传感器(4)和电压传感器(7)的数据采集端与功率因数可调负载(3)相连，电流传感器(4)用于检测负载端电流，电压传感器(7)用于检测负载端电压；

噪声声压传感器(5)和声强传感器(6)分别设置在单相变压器(2)的两侧，噪声声压传感器(5)和声强传感器(6)分别检测单相变压器(2)不同方位的声压信号和声强信号；

电流传感器(4)、噪声声压传感器(5)、声强传感器(6)和电压传感器(7)的输出端均连接数据采集单元(8)，数据采集单元(8)与主控计算机(9)相连，主控计算机(9)对数据进行处理后，进行时域分析、频域分析和相关性分析，并对分析结果进行显示；

噪声声压传感器(5)和声强传感器(6)均设置有不少于3个，分别布置在单相变压器(2)周围空间的各个角落，用于从不同方位同步采集单相变压器(2)噪声的声压信号和声强信号；

主控计算机(9)具有数据存储和数据分析功能，用于对采集的声压、声强和电流/电压信号进行时域分析、频谱分析和相关性分析；

该方法包括以下步骤：

S1、调节可控交流变频电源的频率，分别设定其频率为某一值；

S2、噪声 声压传感器、声强传感器、电流传感器和电压传感器采集的数据，通过数据采集单元后，同步传输到主控计算机上进行数据的时域分析、频谱分析和相关性分析；

S3、调节功率因数可调负载的功率等级，分别设定为不同的功率等级，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率等级下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析；

S4、调节功率因数可调负载的功率因数，分别设定为不同的功率因数，然后重复执行步骤S2的操作，以获得不同负载功率因数下的声压/声强和电流/电压数据，进行分析；

该方法中主控计算机进行分析的方法具体为：

在主控计算机上对获得的数据进行时域对比分析，并将数据运用matlab软件通过傅里叶变换后，进行频谱对比分析，找出与噪声相关的主要谐波频率，从而通过在变压器输出电路中加装谐波滤波电路，进而降低变压器的噪声。

2.根据权利要求1所述的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置的试验方法，其特征在于，可控交流变频电源(1)的输出为频率可变的交流电。

3.根据权利要求1所述的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置的试验方法，其特征在于，功率因数可调负载(3)能实现功率等级、功率因数及投切状态的改变。

4.根据权利要求1所述的变压器噪声与电能质量关联性分析试验装置的试验方法，其特征在于，数据采集单元(8)采用高采样率和高分辨率的多通道同步采集单元。

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