CN110569526A - 一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法，包括用电磁耦合、电磁—机械耦合和机械—声学耦合三组耦合方程描述变压器振动噪声产生和传递的过程，根据多个物理场的耦合机理，建立电力变压器全尺寸的三维声辐射有限元计算模型，分别对电力变压器多种运行状态进行远场分析和方向性分析，根据远场分析和方向性分析结果，可绘制三维空间声压级分布图，使得现场电力变压器的空间声辐射特性可视化；本发明计算结果具有较高的计算精度，可为变电站内电力变压器降噪工程提供数据支持，并为优化变电站周边城市空间布局提供声学指导。

Description

一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法

技术领域

本发明涉及一种电力变压器噪声辐射特性分析方法，尤其是是涉及一种分析电力变压器在多种运行状态下噪声辐射特性的方法。

背景技术

随着城市扩张，城市电力负荷逐渐增加，而最初位于郊区的变电站逐渐被新建筑围绕。由于电力变压器噪声会影响附近居民基本活动，噪声排放水平面临更严格的环境噪声标准，因此，评估电力变压器噪声水平、降低噪声影响的理论方法和实际措施引起了人们的普遍关注。由于安全原因，对运行中的电力变压器周围全方位声场测量是无法实现的，这意味着现场电力变压器的空间声辐射特性及其对周围待建的建筑物的噪声影响目前是模糊的。

油浸式电力变压器的噪声水平与铁芯和绕组的振动幅度、夹具和紧固件的工作状态有关，在振动和噪声传递过程中，绝缘油降低了铁芯结构的低频响应，而变压器油箱的在线振动受到从内部结构到油箱的传输路径的影响。电力变压器非线性振动系统的识别结果与传输路径的特征有关，可用于估计时域振动波形。研究油箱外空气中噪声传播过程的主要目的是对噪声进行无源或有源噪声控制。

目前对于电力变压器振动噪声产生和传递机理的研究主要集中在理论分析和实验研究方面，对变压器振动声学的仿真研究还不够深入，多数研究用有限元算法对变压器的铁心进行建模，计算变压器铁心所产生的振动结果，但是模型相对简单，未考虑绕组的影响且没有计算变压器的噪声数据，因而未能全面反映电力变压器振动及噪声在空间中的相关特性。

发明内容

鉴于上述技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于分析电力变压器在运行时的空间声辐射特性的方法。

本发明提供的1、一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用电—磁耦合、电磁—机械耦合、机械—声耦合三组耦合方程来描述电力变压器振动噪声产生、传递的整个过程，具体包括：

(1)电磁耦合；由于频率较低，忽略位移电流，由麦克斯韦方程导出的一个偏微分方程可以描述电磁过程，即位于时变、低频磁场内绕组的电流密度可推导为：

式中，σ为介质的电导率，μ为微分磁导率，A表示磁势；

(2)电磁—机械耦合；在负载下的电力变压器内部，载流绕组的杂散磁场与其他绕组的总电流相互作用，因此磁场和固体机械场之间的主要耦合基于洛伦兹力，该电磁力f_V可以用总电流密度J和磁通密度B表示：f_V＝J×B；

其中，磁通密度B＝▽×A，总电流密度J应该加上在磁场中以速度w移动的导电体内的感应涡流密度，即σw×(▽×A)，速度w为机械位移的时间导数，则总电流密度J的表达式为：

因此，电磁力f_V的表达式为：

用该等式可描述磁场与固体机械场的主要耦合过程；

(3)机械—声耦合；对于电力变压器的工作条件，声速和密度通常可能与空间有关，但只是随时间缓慢变化；因此，我们可以使用标量波方程来描述电力变压器振动引起的声场变化：

式中，ρ为流体密度，c为声速，p_t为绝对声压，q_d为偶极源，Q_m为单极源；

对于薄型结构，如油箱壁，每侧都有绝缘油和空气，数学上外部边界的条件为：

L_A＝p_tn，

式中，u_t为结构加速度，n为表面法线，L_A为结构所承受的载荷(每单位面积的受的力)；

步骤2、根据多个物理场的耦合机理，建立电力变压器全尺寸的三维声辐射有限元计算模型；

步骤3、在电力变压器多种运行状态下进行水平面声压级远场分析，具体是设置五种状态：包括：

其一，三相负载平衡，负载率为65％；其二，三相负载平衡，负载率为95％；其三，三相负载平衡，负载率为35％；其四，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、65％；其五，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、35％；

步骤4、在电力变压器多种运行状态下进行垂直平面的方向性分析，具体是选择地面以上1620mm高度的水平面作为绘图平面，在该平面中，X轴正方向设定为参考方向，极坐标中极角逆时针增加为正，选择垂直平面中Z轴正方向作为法线方向；结合110kV变电站的实际尺寸和电力变压器与周围建筑物之间的一般距离，将远场声环境的计算距离设定为20m，分别计算频率为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz时电力变压器的远场声压级；

步骤5、根据水平面的远场声压级分布与垂直平面的方向性声压级分析绘制三维远场声压级图，使得电力变压器空间声辐射特性可视化，具体是选择YZ平面和ZX平面为绘图平面，在YZ平面中，X轴正方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，在ZX平面中，Y轴负方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，考虑到变电站电力变压器下方的沙坑中有鹅卵石和沙子，只选择油箱上方的区域作为计算区域，计算距离设为20m，分别在YZ平面和ZX平面内计算电力变压器五种不同运行状态下的声压级分布。

本发明利用COMSOL有限元软件进行建模仿真，对电力变压器的振动噪声的产生、传播和分布特点进行多物理场耦合计算，其计算精度较高，直观显示噪声信号的传播过程和空间分布特点，分析结果可为变电站内可听降噪工程提供数据支持，并为优化变电站周边城市空间布局提供声学指导。

附图说明

图1为电力变压器噪声声辐射特性分析框图。

图2为电力变压器噪声和振动传递机理涉及的多物理场作用域。

图3为电力变压器有限元剖分的网格图。

图4为不同频率的远场分析结果。

图5为不同频率的方向性分析结果。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明提供的一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法做进一步更详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例提供的一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1、用电—磁耦合、电磁—机械耦合、机械—声耦合三组耦合方程来描述电力变压器振动噪声产生、传递的整个过程：

(1)电磁耦合。由于频率较低，忽略位移电流，由麦克斯韦方程导出的一个偏微分方程可以描述电磁过程，即位于时变、低频磁场内绕组的电流密度可推导为：

式中，σ为介质的电导率，μ为微分磁导率，A表示磁势。

(2)电磁—机械耦合。在负载下的电力变压器内部，载流绕组的杂散磁场与其他绕组的总电流相互作用，因此磁场和固体机械场之间的主要耦合基于洛伦兹力，该电磁力f_V可以用总电流密度J和磁通密度B表示：f_V＝J×B。

其中，磁通密度B＝▽×A，总电流密度J应该加上在磁场中以速度w移动的导电体内的感应涡流密度，即σw×(▽×A)，速度w为机械位移的时间导数，则总电流密度J的表达式为：

因此，电磁力f_V的表达式为：

用该等式可描述磁场与固体机械场的主要耦合过程。

(3)机械—声耦合。对于电力变压器的工作条件，声速和密度通常可能与空间有关，但只是随时间缓慢变化。因此，我们可以使用标量波方程来描述电力变压器振动引起的声场变化：

式中，ρ为流体密度，c为声速，p_t为绝对声压，q_d为偶极源，Q_m为单极源。

对于薄型结构，如油箱壁，每侧都有绝缘油和空气，数学上外部边界的条件为：

L_A＝p_tn，

式中，u_t为结构加速度，n为表面法线，L_A为结构所承受的载荷(每单位面积的受的力)。

因此，声负载由薄结构上的压降给出，这种耦合包括罐壁上的流体载荷和流体所承受的结构加速度。

2、根据三组物理场的耦合机理，建立电力变压器全尺寸的三维声辐射有限元计算模型，油箱内关键部件的有限元剖分网格图如图3所示；

3、设置电力变压器五种不同的运行状态，其一，三相负载平衡，负载率为65％；其二，三相负载平衡，负载率为95％；其三，三相负载平衡，负载率为35％；其四，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、65％；其五，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、35％；

4、在电力变压器多种运行状态下进行水平面声压级远场分析，计算结果如图4所示。选择地面以上1620mm高度的水平面作为绘图平面，在该平面中，X轴正方向设定为参考方向，极坐标中极角逆时针增加为正，选择垂直平面中Z轴正方向作为法线方向。结合110kV变电站的实际尺寸和电力变压器与周围建筑物之间的一般距离，将远场声环境的计算距离设定为20m，分别计算频率为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz时电力变压器的远场声压级。

参考图4，通过比较分析可以得到如下结论：

(1)在一定频率下，随着极角增大，在不同负荷率下声压级的变化趋势几乎一致，同时存在一定角度的微小差异。例如，在200Hz的频率下，极角为55°，123°，237°和305°时，电力变压器负荷率为35％时的声压级值略小于其他四种负荷率情况的对应值。

(2)与电力变压器的尺寸相比，随着频率的增加波长逐渐变小，这使得声压级响应逐渐不均匀，但始终沿0°到180°轴几乎对称。

(3)X轴两侧的45°扇形区域中的最大声压级小于Y轴两侧相应区域的最大声压级，在频率为100Hz和200Hz的情况下，差异尤其明显，其中差值甚至大于20dB。

(4)在远场图中，X轴正方向两侧的45°扇形区域中的声压水平总体上大于沿X轴负方向的相应值，这两个值在相同直径上的差值至少大于3dB。

5、在电力变压器多种运行状态下进行垂直平面的方向性分析，计算结果如图5所示。选择YZ平面和ZX平面为绘图平面，在YZ平面中，X轴正方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，在ZX平面中，Y轴负方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，考虑到变电站电力变压器下方的沙坑中有鹅卵石和沙子，只选择油箱上方的区域作为计算区域，计算距离设为20m，分别在YZ平面和ZX平面内计算电力变压器五种不同运行状态下的声压级分布。

参考图5，通过比较分析可以得到如下结论：

(1)通过比较轮廓值可以观察到负载率变化对特定垂直平面系列中远场声压级的影响并不明显。例如，在五个ZX平面方向性图中，当角度为0°，频率为100Hz时，电力变压器在五种不同负荷率条件下的声压级分别为49.66dB、49.81dB、50.94dB、50.03dB和47.93dB，差值在3.1dB以内；

(2)随频率增加，0°相邻区域的声压级增加，YZ平面中0°轴±20°区域的声压级大于ZX平面中的相应区域的声压级，其他区域的声压级随频率增加而减小；

(3)YZ平面中的方向性图一般具有轴向对称性，但在ZX平面中，方向性图是不对称的，特别是在相同频率下，60°～90°范围内的声压级大于-60°～-90°范围内相应的值。

6、结合水平面的远场声压级分布与垂直平面的方向性声压级分析绘制三维远场声压级图，使得电力变压器空间声辐射特性可视化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种多运行状态下电力变压器声辐射特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用电—磁耦合、电磁—机械耦合、机械—声耦合三组耦合方程来描述电力变压器振动噪声产生、传递的整个过程，具体包括：

(1)电磁耦合；由于频率较低，忽略位移电流，由麦克斯韦方程导出的一个偏微分方程可以描述电磁过程，即位于时变、低频磁场内绕组的电流密度可推导为：

式中，σ为介质的电导率，μ为微分磁导率，A表示磁势；

(2)电磁—机械耦合；在负载下的电力变压器内部，载流绕组的杂散磁场与其他绕组的总电流相互作用，因此磁场和固体机械场之间的主要耦合基于洛伦兹力，该电磁力f_V可以用总电流密度J和磁通密度B表示：f_V＝J×B；

其中，磁通密度B＝▽×A，总电流密度J应该加上在磁场中以速度w移动的导电体内的感应涡流密度，即σw×(▽×A)，速度w为机械位移的时间导数，则总电流密度J的表达式为：

因此，电磁力f_V的表达式为：

用该等式可描述磁场与固体机械场的主要耦合过程；

(3)机械—声耦合；对于电力变压器的工作条件，声速和密度通常可能与空间有关，但只是随时间缓慢变化；因此，我们可以使用标量波方程来描述电力变压器振动引起的声场变化：

式中，ρ为流体密度，c为声速，p_t为绝对声压，q_d为偶极源，Q_m为单极源；

对于薄型结构，如油箱壁，每侧都有绝缘油和空气，数学上外部边界的条件为：

L_A＝p_tn，

式中，u_t为结构加速度，n为表面法线，L_A为结构所承受的载荷(每单位面积的受的力)；

步骤2、根据多个物理场的耦合机理，建立电力变压器全尺寸的三维声辐射有限元计算模型；

步骤3、在电力变压器多种运行状态下进行水平面声压级远场分析，具体是设置五种状态：包括：

其一，三相负载平衡，负载率为65％；其二，三相负载平衡，负载率为95％；其三，三相负载平衡，负载率为35％；其四，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、65％；其五，三相负载不平衡，三相负载负荷率分别为65％、95％、35％；

步骤4、在电力变压器多种运行状态下进行垂直平面的方向性分析，具体是选择地面以上1620mm高度的水平面作为绘图平面，在该平面中，X轴正方向设定为参考方向，极坐标中极角逆时针增加为正，选择垂直平面中Z轴正方向作为法线方向；结合110kV变电站的实际尺寸和电力变压器与周围建筑物之间的一般距离，将远场声环境的计算距离设定为20m，分别计算频率为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、600Hz时电力变压器的远场声压级；

步骤5、根据水平面的远场声压级分布与垂直平面的方向性声压级分析绘制三维远场声压级图，使得电力变压器空间声辐射特性可视化，具体是选择YZ平面和ZX平面为绘图平面，在YZ平面中，X轴正方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，在ZX平面中，Y轴负方向为法线方向，Z轴正方向为参考方向，考虑到变电站电力变压器下方的沙坑中有鹅卵石和沙子，只选择油箱上方的区域作为计算区域，计算距离设为20m，分别在YZ平面和ZX平面内计算电力变压器五种不同运行状态下的声压级分布。