2023电力变压器 第101部分:声级测定应用导则.pdf
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1、电力变压器第1 0 1部分:声级测定 应用导则目 次前言引言1 范围12 规范性引用文件13 术语和定义14 声的物理基础15 变压器和电抗器的噪声源及其特点46 测量原理1 27 声级测量的注意事项2 08 工厂试验与现场声级测量的差异2 2附录A(资料性)因绕组中谐波电流引起的声级2 5参考文献3 0图1 近场中不同测量距离d的空间平均声强级(实线)和声压级(虚线)模拟3图2 某牌号铁芯钢片施加5 0H z交流时最大磁感应强度Bm a x从1.2T1.9T之间变化时完整循环状态下叠片长度的相对变化曲线4图3 无直流偏磁条件下施加峰值磁密1.8T、频率5 0H z交流时的磁密随时间变化的函数
2、曲线(光滑线)和叠片长度随时间相对变化的曲线(点划线)5图4 施加5 0H z完整交流周波、峰值磁密达到1.8T、直流偏磁0.1T时叠片长度的相对变化曲线示例5图5 施加峰值磁密1.8T、频率5 0H z交流、直流偏磁0.1T时磁密随时间变化的曲线(光滑线)和叠片长度随时间相对变化的曲线(点划线)6图6 声级增加值与绕组中直流偏磁电流的关系6图7 负载电流引起的典型声谱7图8 3 1.5MVA变压器的1 0 0H z声压场(彩色)及沿测量路径的声强矢量仿真1 1图9 由函数A(f)导出的A计权图1 2图1 0 试验环境中影响声压的干扰分布图1 4图1 1 传声器布置1 5图1 2 穿过试验区域
3、的背景噪声和试品发射的噪声示意图1 6图1 3 5 0H z和6 0H z系统中1/1倍频程和1/3倍频程的变压器音调1 7图1 4 声压沿测量路径的空间变化记录1 9图1 5 试验环境2 0图A.1 表A.2中给出的星结和角结绕组的电流频谱的电流波形2 6表1 1次1 5次变压器音调的A计权值1 3表A.1 谐波电流引起的绕组电动力的分量2 5表A.2 B 6换流引起的电流频谱2 6表A.3 试验电流和力分量计算2 7表A.4 谐波力及试验电流汇总2 8G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3本文件是G B/T1 0 9 4 电力变压器 的第1 0 1部分。G B/T1 0 9 4
4、已经发布了以下部分:第1部分:总则;第2部分:液浸式变压器的温升;第3部分:绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙;第4部分:电力变压器和电抗器的雷电冲击和操作冲击试验导则;第5部分:承受短路的能力;第6部分:电抗器;第7部分:油浸式电力变压器负载导则;第1 0部分:声级测定;第1 0 1部分:声级测定 应用导则;第1 1部分:干式变压器;第1 2部分:干式电力变压器负载导则;第1 4部分:采用高温绝缘材料的液浸式电力变压器;第1 5部分:充气式电力变压器;第1 6部分:风力发电用变压器;第1 8部分:频率响应测量;第2 3部分:直流偏磁抑制装置。本文件代替G B/T1 0 9 4.1 0 12
5、0 0 8 电力变压 器 第1 0.1部分:声级测 定 应用 导则,与G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 0 8相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下:增加了更多的声场的信息(见第4章);增加了对绕组电流谐波影响方面的考虑(见5.2);增加了A计权的说明(见6.2);增加了声压测量法和声强测量法的信息(见6.3.2和6.3.3);增加了频段的信息(见6.4);增加了测量距离的背景信息(见6.6);增加了步行移动测量方式和逐点测量方式的支持信息(见6.7);增加了绕组谐波电流引起的附加噪声(见附录A)。电力变压器第1 0 1部分:声级测定 应用导则1 范围本文件向制造方及用户就
6、如何使用G B/T1 0 9 4.1 0所规定的测量技术提供了指导。除基本的声学原理外,本文件还阐述了变压器和电抗器的噪声源和特性,给出了进行测量的实际指南,讨论了可能影响测量方法准确度的各种因素,也阐明了工厂测量值与现场测量值不同的原因。本文件适用于变压器和电抗器及其相关的辅助冷却设备。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。G B/T1 0 9 4.1 02 0 2 2 电力变压器 第1 0部分:声级测定(I E C6 0 0 7
7、 6-1 0:2 0 1 6,MO D)注:G B/T1 0 9 4.1 02 0 2 2被引用的内容与I E C6 0 0 7 6-1 0:2 0 1 6被引用的内容没有技术上的差异。G B/T2 9 0 0.9 5 电工术语 变压器、调压器和电抗器(G B/T2 9 0 0.9 52 0 1 5,I E C6 0 0 5 0-4 2 1:1 9 9 0,N E Q)G B/T3 7 6 82 0 1 7 声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 采用反射面上方包络测量面的简易法(I S O3 7 4 6:2 0 1 0,I D T)3 术语和定义G B/T2 9 0 0.9 5和G B/T
8、1 0 9 4.1 02 0 2 2界定的术语和定义适用于本文件。4 声的物理基础4.1 现象声音为人耳能感受到的(在空气、水或其他弹性媒质中的)压力变化波。此压力变化波通过媒质(本文件指空气)从声源传递到听者的耳朵内。每秒发生周期性压力变化的次数称为声音的频率,其测量值的单位为赫兹(H z)。声音的特定频率感知为独特的声调或音高。变压器的嗡嗡声基本上是1 0 0H z或1 2 0H z的低频声,而汽笛声则是高频声,其典型频率值超过3k H z。健康青年人的正常听力范围约为2 0H z 2 0k H z。4.2 声压p在特定位置和给定时间间隔的瞬时声压的方均根值称为声压,其测量值的单位为帕斯卡
9、(P a)。声压是标量,只用其幅值表示其特征。健康人耳能感受到的最弱声压与频率有明显关系。一般在1k H z下为2 0P a。可感受到痛阈对应于该值的百万倍,甚至更高,如2 0P a。由于范围太大,为了避免使用很大的数值,因此采用分贝(d B)1G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3作为标度。分贝的标度是对数,2 0P a作为基准值,对应于0d B;2 0P a是痛阈,对应1 2 0d B。另一个实用观点是,与线性刻度的帕斯卡值相比,分贝标度更接近人的听力感受。这是因为人耳是按对数形式对声音做出反映的。在声音领域普遍接受的观点是:1d B的变化感觉不到;3d B的变化可感觉到;1
10、0d B的变化感觉到声音大了两倍。人类听觉依赖频率。在较低或较高的频率下灵敏度会降低。一种名为“A计权”的国际化标准滤波器能够确保测量的声音反映出在整个听力范围中人耳感受到的声音(见6.2)。4.3 速度u在指定位置和给定时间间隔的瞬时速度的方均根值称为速度,其测量值用米每秒(m/s)表示。该量描述了传递声波的媒质的振荡速度。它既有幅值又有方向,因此是一个矢量。4.4 声强I声强是表示某一指定位置处声压与质点速度乘积的时间平均值,见公式(1):I=1TT(p(t)u(t)dt(1)声强的单位用瓦特每平方米(W/m2)来表示。声强是描述单位面积声功率流入量的既有大小又有方向的矢量。而法向声强是法
11、向单位面积声功率的流入量,即在垂直于指定单位面积方向的量值。声功率流的方向取决于指定位置速度的相角。4.5 声功率W声功率是单位时间内从声源辐射出的声能,单位用瓦特(W)表示。声源向周围空气辐射声能,从而形成声场。声功率标识了声源的发射特征。声压和质点速度标识了指定位置声音的特性。用传声器测到的或听到的声压取决于与声源的距离和周边声学环境的性质。因此声源的声功率不能简单量化为测量的声压或声强。声功率确定取决于整个包络表面上声强或声压的积分。声功率或多或少独立于环境,是标识声源特性的唯一表述。4.6 声场4.6.1 概述声场是传播声波的区域。按照声波传播的方式进行分类。当声压与速度相位相同时,相
12、应的声场为有功场。当声压与速度之间呈9 0 相位角时,相应的声场为无功场。在有功场中,声能完全从声源向外传播,如同在远场(见4.6.5)传播。在无功场中,声能也是向外传播,但在稍后的瞬间,能量又会返回,能量好像在弹簧中那样可贮存。无功场的例子如混响室的扩散场(见4.6.3)和驻波(见4.6.6)。尽管存在声压和速度,无功场在一个周波内平均的净传输能量为零,因此测得的声强等于零。实际声场具有有功和无功两个分量。4.6.2 自由场在均匀各向同性媒质中,边界对声波的影响可不计的声场称为自由场。这是一个理想的自由空间,声能在其中传播不受干扰。2G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3在离地面
13、和墙壁足够远的露天环境,或者在一个当声音到达墙壁、天花板或地面时都被完全吸收的消声室,就可视为具备自由场的条件。声音从自由场中某个理想点源向四周传播,当沿声音传播方向到声源的距离加倍时,其声压级和声强级便降低6d B。当距面源的距离足够大,以致于可把面源看做理想点源时,上述规律也近似正确。当测量电力变压器声级时,除了地面的反射,测量场所要接近自由场的条件。G B/T1 0 9 4.1 02 0 2 2要求所有声级测量应在一个反射面(地面)上方进行,因此不允许在完全消声室内进行测量。4.6.3 扩散场在扩散场中,声音经过多次反射导致声场中声音的方向和幅值都相同,因此所有位置的声压级相同,且声强接
14、近于零。混响室便是近似的扩散场,按照能量守恒定律,当混响室边界吸收或传递的声功率等于声源发出的声功率时,便处于平衡状态。因此,在声音吸收或传递特性低的环境中便有可能出现声压级非常高的情况。扩散场的实例如变压器隔声罩内的区域。4.6.4 近场近场是指与声源振动表面相邻的区域,一般规定为拟测频率的声音波长的1/4距离以内。此区域存在有功分量和无功分量。无功分量随测点与声源振动表面的距离呈指数衰减。如果振动结构的弯曲波长比声源的波长短,就会产生无功分量。此时,声发射呈现为在临近的过压与欠压区之间的声学上的短路状态。在此声学短路状态下,空气就像一个质量弹簧系统在一个周波内储存和释放能量。结果是部分声功
15、率一直循环,不是所有的能量都发射至远场(见4.6.5)。近场效果随频率增加而减小。由于近场中声压与速度之间固有的相位差(见4.6.1),因此近场中进行声压测量会引起系统性高估(见图1)。结果是,通常空间平均声压级比相应声强级高2d B5d B,且某些点测量的差值可高达1 5d B。图1 近场中不同测量距离d的空间平均声强级(实线)和声压级(虚线)模拟4.6.5 远场远离声源一定距离后,由声源大小和形状等带来的固有干扰以及其他干扰变得不明显,此时的声场称为远场。在这种场中声源可被视为理论上的点源,接近于自由场存在的条件。34.6.6 驻波驻波是向相反方向传播的两个相同频率声波间干涉的结果。驻波的
16、形成是由于声源与不连续结构(如声场边界)之间的反射,而且重点在于反射墙是平行的并且此时声音频率与距离之间满足一定的条件。频率为fv的驻波的出现取决于反射墙之间的距离d,见公式(2)。fv=vc2d(2)式中:c 声音在空气中的速度,单位为米每秒(m/s)(2 0时,c=3 4 3m/s);v 其值为1、2、3、驻波不向远场传播能量,这是一个无功场的例子。在驻波的区域内:所测声压在很小的距离内会发生较大变化,声压有被高估的趋势;声强测量值趋向不准确,实际声强被低估。5 变压器和电抗器的噪声源及其特点5.1 概述变压器和电抗器的噪声有几个固有的物理来源。这些噪声来源与设备的设计和运行条件有密切的关
17、系。设计将影响产生噪声的振动,并影响由声源到变压器油箱或外壳表面的传播以及最终声音发射到空气中。5.2 声源5.2.1 铁芯磁致伸缩是铁磁材料在磁密(磁感应强度)变化时观察到的尺寸变化。在电工钢铁芯中,当磁密为典型值时,其每米长度下的尺寸变化为0.1m1 0m。图2表示某牌号铁芯片在五种不同的磁密下的磁致伸缩与磁密的关系曲线。图中每个回环曲线表示为5 0H z时尺寸的变化与磁密Bm a x的对应关系。图2 某牌号铁芯钢片施加5 0H z交流时最大磁感应强度Bm a x从1.2T1.9T之间变化时完整循环状态下叠片长度的相对变化曲线 注:铁芯片机械应力对磁致伸缩有严重影响。4G B/T1 0 9
18、 4.1 0 12 0 2 3这种尺寸变化与磁密的极性无关,只与其幅值和其材料结晶轴之间的相对方向有关。因此在正弦磁通励磁下,尺寸变化的基波频率是励磁频率的两倍。尤其是在磁密值接近饱和的情况下,这种效果很明显是非线性的。非线性将在铁芯振动频谱中引起明显的谐波分量。图3表示当Bm a x=1.8T、频率为5 0H z的磁致伸缩曲线。尺寸变化的频率是励磁频率的两倍,在5m s和1 5m s处的峰值难以区分。变压器铁芯发出的声音与振动的速度有关,即与磁致伸缩(图3中的点划线)变化的速率有关。这导致了频率为两倍励磁频率的基波中谐波(畸变)的放大。在频谱中将会看到一些等于励磁频率偶数倍的频率。此时,两倍
19、于励磁频率的基波分量成分很少作为A计权声波最重要的频率分量。图3 无直流偏磁条件下施加峰值磁密1.8T、频率5 0H z交流时的磁密随时间变化的函数曲线(光滑线)和叠片长度随时间相对变化的曲线(点划线)如果磁通中有直流偏磁,例如在此前测量绕组电阻时残留了剩磁,或在电流中含有直流分量,则这些都会导致磁致伸缩的明显的非线性,从而引起振动幅度显著增大。由于励磁中有直流偏磁,因此与正负峰值磁密对应的磁致伸缩峰值有明显差异,见图4的磁致伸缩回环曲线。图4 施加5 0H z完整交流周波、峰值磁密达到1.8T、直流偏磁0.1T时叠片长度的相对变化曲线示例振动模式每个周期(5 0H z系统中即2 0m s)就
20、会重复,在励磁频率下显示出磁致伸缩(见图5)。声谱中奇次谐波的出现明显地表明了励磁中直流偏磁的存在。5G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3图5 施加峰值磁密1.8T、频率5 0H z交流、直流偏磁0.1T时磁密随时间变化的曲线(光滑线)和叠片长度随时间相对变化的曲线(点划线)磁化过程中的直流偏磁会严重影响变压器的声级,因此在进行变压器声级试验前应通电消磁,直到励磁涌流和剩磁效应消失且声级稳定。直流偏磁电流与空载电流方均根之比,对于预测因直流偏磁电流导致的声功率增加是一个重要的参数。在许多大型电力变压器上已经对直流偏磁电流与空载电流方均根之比与声级增加的关系进行了测量。图6列出了其
21、中的一组数据。标引序号说明:X轴 直流偏磁电流,用以交流空载电流(方均根值)为基准的标幺值来表示;Y轴 总声级增加值,单位为d B(A)。图6 声级增加值与绕组中直流偏磁电流的关系注:图6所示的是某种设计结构的大型电力变压器的结果,其铁芯用高导磁电工钢片制成。其他结构的变压器(例如铁芯采用不同的型式或不同牌号的材料),尽管曲线有细微的差别,但曲线向上变化的趋势不变。5.2.2 绕组变压器和电抗器绕组的负载电流产生以励磁频率振荡的磁场。其结果是产生作用在绕组的轴向和6G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3辐向上的电磁力。这些力的幅值取决于负载电流和磁场的幅值,而磁场本身是负载电流的函
22、数。因此绕组中的电磁力与负载电流的平方成正比,同时其频率是励磁频率的两倍。绕组振动的幅值取决于导体与电气绝缘材料的弹性特性以及机械本征频率(绕组固有频率)与振动频率的接近程度。在绕组卷制紧密而又紧固良好的情况下,在正常运行电流产生的位移范围内绝缘材料的弹性特性几乎是线性的。而金属材料本身具有良好的线性特性。因此谐波振动通常是很小的,绕组的振动频谱(见图7)主要是基波频率(两倍于励磁频率)的。绕组位移及其振动速度与电磁力成正比,而电磁力与负载电流的平方成正比。振动体发射的声功率与振动速度的平方成正比(见5.4)。因此,绕组振动产生的声功率随负载电流的四次方而变化。由负载电流谐波引起的声谱是:两倍
23、的各电频率分量、任意两个电频率之和分量以及任意两个电频率之差分量的合成。这些谐波电流下的声谱对变压器和电抗器的声级有明显的影响,见5.2.5。图7 负载电流引起的典型声谱5.2.3 杂散磁通控制措施运行中变压器的杂散磁通与绕组及其相连的引线有关。应通过控制杂散磁通来减少涡流损耗,以避免油箱等固定金属结构件出现过热。有以下三个可行的途径控制杂散磁通:采用电工钢叠片制作的磁屏蔽将漏磁通导引入可控路径,这些导引部件通常称为磁分路或油箱磁分路;采用铜屏蔽或铝屏蔽,通过屏蔽中的涡流回路抑制杂散磁通;优化油箱尺寸,这样就无需控制杂散磁通。由于电磁力和磁致伸缩,造成上述杂散磁通的控制措施以及油箱本身也是振动
24、的振源,它们会影响总的声功率级。杂散磁通控制措施的安装方法可能会影响声功率级。5.2.4 电抗器声源单相电抗器和三相电抗器有多种类型,一般在设计上采用两种不同的技术。在空心电抗器中,绕组中因负载电流产生的声功率占主导,流过绕组的电流与其磁场相互作用7G B/T1 0 9 4.1 0 12 0 2 3引起绕组振动力。尽管可明确地定义电动力,但绕组结构的振动响应是复杂的。其振动幅值、声发射面积的大小和发射效率决定了声功率。声功率由绕组辐向振动的幅值决定(因绕组代表了发射面的主要部分)。绕组轴向振动和其他部分对总的声功率的影响通常较小。在带磁屏蔽的电抗器(有或无间隙铁芯)中,随着磁通量增大,铁轭间磁
25、场力倾向于缩小间隙;产生的周期性位移是主要的噪声源。这种力机械地作用于整个电抗器磁回路,导致噪声频谱主要是两倍励磁频率及其前几个低次谐波。磁致伸缩、绕组振动和杂散磁通控制措施也是造成声功率的原因。注:不同类型电抗器的定义见G B/T1 0 9 4.6。5.2.5 变压器和电抗器绕组中谐波电流的影响5.2.5.1 通则正如8.6所指出的,电力电子设备是一个谐波电流源。其对总的声功率级的影响是明显的。谐波电流频谱(辐值和相位)应由电力电子设备的用户或制造方确定,以预估设备实际运行的声功率级。如果相位难以得到,也可采用统计方法。由绕组中的谐波电流产生的附加噪声的理论和工程实践的详细信息参见附录A。变
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