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2.声强测量法(简称声强法)
美国的R.P.Kindig 等人在美国中央电力研究所的资助下，通过一系列的试验研究，于1991年提出了一种称之为/声强测量法0的噪声测量的新方法。声称采用这种新方法，变压器噪声的测量可以不必在专门的测试室中进行，即使在背景噪声及声反射较大的生产车间内，也同样能够进行测量工作。
所谓声强就是指每秒钟通过垂直于声波发射方向单位有效面积的声能(如W/cm 2
)，声强也用级来表示，称为声强级，声强级的单位也是分贝(dB)。声强的绝对值(W/cm 2)与声强级(dB)的关系如表5所列。
声强测量法即使在背景噪声及声反射较大时，也能够精确地测量出变压器噪声的声功率级。这种测量方法的基本原理是，根据两个邻近放置的压敏微音器之间中点处的声压梯度的变化，用有限差分法近似求得该处声波质点的振动速度，瞬时声压和它相对应的瞬时质点速度之积的时间平均值，便是该处的声强。将空间平均声强乘以相应的面积，便可求得变压器噪声的输出功率。
声强测量法的突出特点是：它只测量和记录来自变压器本身的噪声，而不受测量环境内其它声源的干扰和影响。
为了验证声强测量法的准确性，首先对额定声功率为94.3dB(A)的标准噪声发生源，分别在工厂测试室和生产车间，同时用声强法和
标准法这两种不同的测量方法进行了对比测量。从表6的测量数据可以看出，声强法与标准法的测量结果是相当一致的。
表6 对额定声功率为94.3dB(A)的标准
噪声发生源的测量结果
场所
测量方法
测量声强法dB(A)标准法dB(A)声功率误差$声功率误差$测试室94.6+0.394.9+0.6生产车间
94.3
97.7
+3.4
接着用声强法和标准法对西屋公司生产的一台450MVA 的油浸电力变压器的噪声也进行了对比测量。根据用户的要求，该产品的声功率级为49.5dB(A)。对比试验是在油浸自冷和油浸风冷两种运行状态下，分别在工厂的噪声测试室、生产车间和运行现场进行的。
先在专门的测试室中测量了两种运行状态下变压器的噪声；然后在背景噪声为73dB(A)的生产车间，重复测量了两种运行状态下变压器的噪声；待该产品在变电站安装通电以后，在变电站的背景噪声分别为62dB(A)(油浸风冷时)、49dB(A)(油浸自冷时)的情况下，又对两种运行状态下变压器的噪声进行了测量，其测量结果列于表7。由表中所列数据不难看出:
(1)无论是在油浸自冷还是在油浸风冷的运行状态下，不管是在工厂测试室、生产车间，还是在变电站的运行现场，使用声强法都能够得到比较准确的测量数据，其误差的绝对值不
表5 声强绝对值(W/cm 2)与声强级(dB)的关系
超过1dB(A)。
2)油浸自冷运行状态下，声强
7中未列出，是因为车间的
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37#1995年第12期
变压器
表7 450MVA 变压器声强法和标准法的测量结果
场所测量
方法
测量
声强法dB(A)标准法dB(A)声功率误差$声功率误差$
油
浸自
冷工厂测试室49.0-0.549.50.0工厂生产车间))))))72.9+23.4变电站运行现场49.2-0.359.7+10.2
油
浸风
冷工厂测试室62.8-0.162.90.0工厂生产车间61.9-1.073.8+10.9变电站运行现场
63.7
+0.8
65.5
+2.6凯膜过滤技术
背景噪声为73dB(A)，而该产品用声强法在测试室中测得的本体噪声仅为49dB(A)，远远低于73dB(A)，
因此未能测出。进一步的试验结果表明，目前当背景噪声不超过被测变压器噪声11dB(A)时，用声强法仍能对变压器的噪声进行准确的测量。对该台产品而言，当生产车间的背景噪声低于49.0+11.0=60dB(A)时，仍能够用声强法在生产车间对该变压器的噪声进行测量。
(3)标准法只有在专门的测试室中才能得到准确的测量结果。在生产车间和运行现场，标准法的测量误差都比声强法的测量误差大。(4)当背景噪声远远高于被测变压器的噪声时，无论是标准法还是声强法，都不能够准确地测出在该背景噪声下变压器的噪声水平。
综上所述，声强法能够对真实负载条件下实际运行的变压器进行噪声测量。制造厂用声强法测量变压器的噪声，不必在专门的测试室中进行，在生产车间内便可进行测量，从而降低了附加的试验成本，缩短了试验周期。另外，用户在验收变压器时便可对额定负载下的噪声值进行验证，从而可避免用标准法在现场测量的噪声值与出厂时测量值的不一致，使用户能够辨别出是正常的运行噪声还是非正常的故障噪声。可见声强法对制造厂和用户都是可行的。
虽然声强法目前尚未得到实际应用，但据5Electra 6(1992,No 144)报导，已经将声强法纳入了IEC551)))1976/变压器和电抗器的声级测定0的附录之中。随着声强法的不断充实和完善，无疑，声强法必将得到推广和应用。
六、影响噪声的各种因素
如前所述，铁心励磁时硅钢片产生的磁致伸缩，是变压器本体噪声最主要的根源。各国的试验研究结果均证明，变压器本体噪声的大小直接取决于铁心所用硅钢片磁致伸缩的大小。变压器若用磁致伸缩大的硅钢片叠积铁心，其噪声水平肯定高。因此，研究与磁致伸缩有关的各种因素，从而采取有效的技术措施来控制和减小硅钢片的磁致伸缩，是降低变压器噪声最根本、最有效的方法。
磁致伸缩通常以E 表示，它等于励磁时硅钢片片长的增量$l 与片长l 之比，即
E =$l
l (8)国内外通过大量的试验研究得知，硅钢片的磁致伸缩E 主要与以下各种因素有关。
(1)E 与硅钢片的材质有关
磁致伸缩E 的大小主要取决于励磁时硅钢片中晶粒转动的情况。晶粒取向冷轧硅钢片能使97%的晶粒有最佳方向，因此它们的E 值较小。H i-B 硅钢片和激光照射控制磁畴的硅钢片，由于更加提高了结晶方位的完整度，故具有超取向的导磁性能，因此它们的E 值比普通的晶粒取向冷轧硅钢片还要小。
(2)E 与硅钢片表面的绝缘涂层有关
冷轧硅钢片表面通常都带有绝缘涂层，这种涂层在硅钢片表面形成一种张力，从而使E 减小。研究结果表明，硅钢片越薄，绝缘涂层越厚，涂层与硅钢片之间的反应层越深，涂层的张力就越大，硅钢片的E 就越小。日本的试验数据是，磷酸盐涂层的张力为2~5MPa 。若在磷酸盐涂层上面喷涂一层玻璃质，然后再烧结，这时涂层的张力可达10M Pa 以上。涂层的这种张力与变压器铁心成型过程中硅钢片产生的压缩应力互相抵消，从而有效地防止了外部应力造成的E 值的升高。玻璃质涂层对E 的影响如图7所示。
(3)E 与硅钢片的含硅量有关
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38# 变压器
1995年第12期
图7绝缘涂层对E的影响
通常使用的硅钢片其含硅量为2%~3%。国外的研究结果表明，当含硅量为6.5%时，硅钢片的E似乎为零。但是由于含硅量一旦超过
3.5%时，硅钢片将会变得很脆，加工十分困难，故迟迟没能得到实际应用。日本最近研制开发了一种特殊的制造工艺，生产出了含硅量为6.5%的硅钢片，并在1989年前后用这种硅钢片制造了多台高频变压器，在降低噪声方面取得了明显的效果。
(4)E与A角(磁力线与硅钢睛压延方向的夹角)有关
磁力线与硅钢片压处方向的夹角A对E影响很大。试验结果表明，当A=50b~60b时E最小(见图8)，因此冷轧硅钢片的铁心采用斜接缝，对于减小E 是有好处的。
图8A角对E的影响
(5)E与励磁时的磁密B有关
通常磁密B 的值越高,E值就越大。尤其是当硅钢片表面有绝缘涂层时,E随B 增大的效果更为明显。图9为两
台采用不同牌号硅钢片的三相电力变压器(图中分别用1、2表示),B对E和噪声影响的测量结果。
(6)E与硅钢片所受到的应力有关
米勒板
除了在生产硅钢片的过程中残留在硅钢片中的内应力之外，硅钢片在剪切、搬运、叠积铁心等过程中，都不可避免地要受到外力的作用。这些外力在硅钢片中或产生压缩应力，或产生拉伸应力，或产生弯曲应力。研究结果表明，晶粒取向冷轧硅钢片的E值随压缩应力的增加而增大，而在拉伸应力增大时,E值的变化却很
图9磁密B对E和噪声的影响
小。硅钢片在剪
切过程中，剪切力
使切口处的部分
晶粒偏离了最佳
取向，从而使得E
值增大。另外，用
平整度不好的硅
钢片叠积铁心时,
硅钢片将产弹性
弯曲。弯曲应力
也将使硅钢片的
E值增大。当硅
钢片承受弹性极限范围以内的弯曲应力时,E值将明显增大。
(7)E与硅钢片的退火温度及退火工艺有关
试验研究结果表明,E与硅钢片的退火温度有关。硅钢片的E若为正值，退火以后其E 值将减小；硅钢片的E若为负值，退火以后其E 的绝对值将增大；有时退火处理会使得E由正值变为负值。由于硅钢片在加工和叠装过程中其E值会逐渐增大，因此硅钢片一开始就具有较小的甚至于负的E值，对降低变压器的噪声是非常有利的。退火工艺不同，对E值的影响程度也不相同。图10为晶粒取向冷轧硅钢片退火处理以后其E值的变化情况。
(8)E与硅钢片的温度有关
试验结果表明,E值随着硅钢片温度的升高而增大(见图11)。前苏联的测试结果是，当硅钢片的温度由20e升高到100e时，硅钢片的磁致伸缩噪声将增大4dB(A)。
综上所述，为了降低变压器的噪声，必须选用E小的硅钢片来叠积铁心，而对E小的硅钢片的具体要求就是，硅钢片具有极高的结晶方位的完整度，晶粒排列要好；充分利用硅钢片表面涂层的张力；沿硅钢片的压延方向施加拉伸力；硅钢片的平整度要好；硅钢片的剪切及退火工艺要先进(如采用高精度的数控剪床及垂直悬吊退火工艺)等等。
21铁心的几何尺寸对噪声的影响
#
39
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1995年第12期变压器
图10退火处理对E的影响
视觉定位系统
铁心励磁时产生的噪声除了与硅钢片的E值密切相关以外，还与铁心的结构型式(如心式或壳式，叠片式或卷铁心等)、几何尺寸及其重量有关，也与转
角部位的接缝方式、
图11温度对E的影响
接缝式的搭接面积
及铁心的制造工艺
等因素有关。
由于铁心中磁
记忆辅助密分布的不均匀性
和冷轧硅钢片磁性
能的各向异性，使得楔形塞尺
铁心不同区段的磁
致伸缩是不均匀的。研究结果表明，在磁通转向
的区段内磁致伸缩将显著增加。铁心磁致伸缩
的这种不均匀性与铁心的几何尺寸密切相关。
前苏联的研究结果表明，铁心的几何尺寸
对电力变压器噪声的影响，可由铁心尺寸关系
的比例系数K p.c来评价。对于三心柱叠片式
铁心(见图12)，其尺寸关系的比例关系K p.c可
由下式求出:
K p.c=0.96@
3d(5d+h+2b)
(h+b)(3h+6d+4b)
(9)
式中d)))心柱和铁轭的直径,cm
h)))铁心的窗口高度,cm
b)))铁心的窗口宽度,cm
前苏联的生产实践表明，对于额定电压为
10、35、100、200、330kV级，额定容量为400~
200000kVA的三相电力变压器而言，按式(9)
图12铁心尺寸示意图
计算出的K p.c通常在0.20~0.45范围内。当
磁密不变时，铁心的噪
声水平(亦即变压器的
本体噪声水平)随着
K p.c的增大而升高。
因此，我们根据式(9)
不仅能够分析出铁心
几何尺寸对变压器本体噪声的影响，并且能够
从噪声的观点来确定铁心基本尺寸(d、h、b)之
间的最佳关系。
图13接缝方式对噪声的影响
图13表示铁
心的接缝方式2对
变压器噪声(L P A)
的影响。由图可
知，在K p.c=0.20
~0.45范围内，用
斜接缝(搭接面积
为5%)代替直接
缝时，变压器的噪
声水平能够降低3~5dB(A)。
值得提及的是，当评价采用斜接缝对降低
变压器噪声的效果时，必须考虑接缝区搭接面
积S(%)对噪声的影响。虽然增大搭接面积可
使片间的摩擦力增加，从而提高铁心的机械强
度，但却使磁通经过硅钢片非轧制方向的区域
增大，从而使噪声升高。国内外的试验结果表
明，搭接面积每增加1%,45b斜接缝的效果就
减小0.3%。因此，必须在满足铁心机械强度
要求的前提下，选择最小的搭接面积以降低铁
心的噪声。前苏联的实践经验表明，在K p.c=
0.20~0.45范围内，可用式(10)估算搭接面积
对变压器噪声的影响。
$L P A U0.5S,dB(A)(10)
式中$L P A)))变压器噪声的变化量,dB(A)
S)))接缝区的搭接面积,%
式(10)的计算结果，也可以用图14的曲线
来表达。
综上所述可知，利用式(9)、式(10)及图
图14接缝区搭接面积S
对噪声的影响
文丘里混合器
12、图13、图14,
我们就能够在设
计变压器时估算
出铁心的几何尺
寸及接缝方式、搭
接面积等对变压
器噪声的影响。
3.铁心的装
配工艺对噪声的#
40
#变压器1995年第12期
1995年第12期变压器#加1#
影响
试验研究结果表明，变压器的噪声与铁心的夹紧力和铁心的拉伸力密切相关(见图15)。大量的试验数据表明，铁心的夹紧力有一个最佳值。铁心在最佳夹紧力时变压器的噪声最低。当铁心的夹紧力低于
最佳值时，由于夹紧力不够大，硅钢片的自重将使铁心产生弯曲变形，致使磁致伸缩增大，从而使变压器的噪声水平增高；当铁心的夹紧力高于最佳值时，由于夹紧力过大，致使磁致伸缩增大，也使得变压器的噪声水平增高。试验结果表明，改变铁心的夹紧力能够使变压器的噪声变化5dB (A )左
右。
图15 噪声水平与铁心夹紧力、铁心拉伸力的关系
(B =1.5T,f =50Hz)
在铁心夹紧力不变的情况下，变压器的噪声水平与铁心中的磁通密度和铁心所处的状态(是水平放置还是竖直放置)有关。铁心的夹紧力P 、铁心的磁通密度B 、铁心的放置状态等与变压器噪声的变化量$L PA 之间的关系如图16所示。
铁心在竖直状态下，变压器噪声的变化量$L P A 与铁心夹紧力P 、心柱(或铁轭)的弯曲挠度D 、磁通密度B 之间的关系，可用式(11)来表示:
$L PA =15(P -0.08)+180(D -0.20)
+
350(B -1.5)2
+55(B -1.5),dB(A)
(11)
式(11)在下述条件下成立：夹紧力P =
0.08~0.40MPa ；相对挠度D =0.2%~3%;
磁通密度B =1.5~1.7T 。
前苏联曾用630/35和6300/110两台电力
图16 噪声变化量与夹紧力的关系
(a)铁心水平放置(b)铁心竖直放置
变压器对式(11)的准确性进行了试验验证。结果表明，式(11)的计算值与实测值的误差不超
过?1dB(A)。计算值与实测值如表8所列。
表8 变压器的噪声水平与装配工艺因素(P 、D )
及磁密B 的关系
变压器的型式夹紧力P (M Pa )相对挠度D (%)磁密B (T )噪声变化量$L PA 计算值dB(A)实测值dB(A)T M -630/35
0.10
0.150.250.30 1.50
5.70
6.30
TM H-6300/110
0.080.110.301.10 1.54 1.90 1.50
0.100.16
0.351.40
1.70
2.80
3.00
前苏联的生产实践表明，为了降低电力变压器的噪声，铁心的夹紧力应在0.08~0.12
M Pa，心柱的相对挠度应[0.2%。
4.谐振对噪声的影响
变压器可视为一个由各种结构件组成的弹性振动系统。该系统有许多固有振动频率。当铁心、绕组、油箱及其它结构件的固有频率接近或等于磁致伸缩振动的基频及二、三、四次高频的频率(对于50Hz 电源而言，系指100H z 、200Hz 、300H z 、400H z)时，将会产生谐振，从而使噪声显著增大。
(待续)
董志刚
(保定变压器厂)
(收修改稿日期:1995-10-12)
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