电力变压器强磁振动发生传播机理与有源降噪研究

随着电力工业的发展，电力变压器的等级逐渐提高，相应的振动噪声问题日益严重。变压器在运行中产生的振动不但会影响电力设备的正常运行及使用寿命，亦会对周边人们的工作和生活产生不良影响，因此科学并合理的解决电力变压器的振动噪声问题已经成为变压器制造业与使用部门亟需解决的问题。本课题从变压器振动机理、变压器有源降噪和交直流叠加配电网中变压器噪声抑制三个方面进行研究并取得了相应的成果。 机理研究方面，从变压器硅钢片的微观磁畴结构变化出发，基于Gibbs自由能的展开，并利用晶粒取向性硅钢片磁致伸缩的物理发生机理进行简化，从物理本质上建立晶粒取向性硅钢片磁致伸缩的本质模型；基于磁致伸缩本质模型，考虑磁场和结构场之间的耦合作用，建立变压器铁芯 n 利用大型通用有限元软件ANSYS，建立10kV/400V三相三柱式变压器铁芯的仿真模型，分析了磁致伸缩对变压器铁芯振动的影响。 有源降噪方面以实地采集不同运行状态的电力变压器噪声为基础，分析得出变压器噪声的一般规律，据此抽象出大功率电力变压器智能化有源降噪系统的数学模型；有源降噪系统的核心控制部分是采用LMS算法的自适应滤波器，该算法具有良好的收敛性和稳定性；基于LabVIEW编写了自适应算法的仿真程序，探究收敛系数、滤波阶数、系统采样率和次级通道延迟对算法收敛性和稳态误差性能的影响，并设计了完整的大功率电力变压器智能化有源降噪系统的软硬件系统。实测中发现该系统可以使噪声下降5~10dB左右，尤其是低频噪声幅值下降明显。 如今分布式发电的并网方式一直是研究的热点，交直流电能配送方式相对于传统的直流并网具有灵活性强、可靠性高、控制方便、节约投资等众多优势。但由于交直流的耦合使得电力变压器铁芯饱和，造成电压、电流波形发生畸变，使变压器铁芯振动加强，产生严重的噪声。为配合分布式发电的新潮流，利用Z型变压器实现分布式发电的并网与解耦，从理论和仿真分析Z型变压器避免直流接入导致铁芯饱和现象发生的机理，分析发现采用Z变压器后能够避免直流偏磁现象，很好的抑制噪声，并在在一定程度上提高了系统的稳定性和电能质量。 基于上述研究提出了一种新型变压器铁芯振动模型，建立了一种普遍适用的有源降噪系统，并提出了一种Z型变压器在交直流叠加配电网中变压器噪声抑制新方法。这对于变压器噪声的抑制具有重要的指导意义。

本申请项目重点针对电力变压器强磁振动发生传播机理与有源降噪研究存在的难点问题，开展理论探索与技术创新研究。建立强磁环境下包含力磁耦合关系并可用于数值计算的磁致伸缩本构模型；考虑力磁耦合效应，建立精确的可应用于数值计算的铁芯振动数学模型，揭示铁芯强磁振动发生机理；获取铁芯与箱体之间的振动传播特性，分析变压器多重介质对振动传播特性的影响，明确变压器铁芯与箱体之间的振动传播机理；提出变压器箱体振动单元划分方法，提高远场辐射噪声计算准确性；将变压器箱体作为初级声源，分析有源降噪系统次级声源各参数的相互影响，提出有效的次级声源参数优化策略。本项目研究结果将丰富发展变压器振动机理与有源降噪研究的基础理论与分析方法，具有重要的理论意义与应用价值。

有源降噪系统在理想的条件下所能达到的降噪效果。但环境中的噪声频率的成分很复杂且强度随时间起伏，往往在某些频段和位置上的噪声被抵销,而在另外一些频段和位置上却有所增加,难以达到理想的效果。

利用电子线路和扩声设备产生与噪声的相位相反的声音──反声，来抵销原有的噪声而达到降噪目的的技术，也称为反声技术。用于有源降噪的仪器设备称为电子吸声器或电子消声器。有源降噪技术和利用吸声材料将声能转变为热能的降噪技术相比，其原理截然不同。

从本质上来讲，有源降噪相当于在原系统中引入了一部分负反馈的电路（开环或者闭环都有），从而在实际输出时可以大幅削弱原来噪声信号的幅度、功率与分贝，达到实际降噪的目的。原理核心思想就是反馈与系统的自稳定原理。

有源降噪技术自1947年H.F.奥尔森首次提出后，引起很多人的兴趣。除在较小范围内用于降低低频噪声（如机床旁工人耳边、飞机座舱驾驶员头部附近等），或在较大范围内用于降低简单声源（如大变压器站、大加压站等）的噪声以外，并未普遍应用。把有源降噪技术应用到较大范围内的问题尚在探讨。例如，有人利用惠更斯原理，在噪声源的近场区产生惠更斯子波，以期在远场区达到降声的目的 。

负反馈的原理不但可用来控制噪声，还可用于控制振动和混响。