電力變壓器強(qiáng)磁振動(dòng)發(fā)生傳播機(jī)理與有源降噪研究

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力變壓器的等級(jí)逐漸提高，相應(yīng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題日益嚴(yán)重。變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)不但會(huì)影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行及使用壽命，亦會(huì)對(duì)周邊人們的工作和生活產(chǎn)生不良影響，因此科學(xué)并合理的解決電力變壓器的振動(dòng)噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為變壓器制造業(yè)與使用部門亟需解決的問(wèn)題。本課題從變壓器振動(dòng)機(jī)理、變壓器有源降噪和交直流疊加配電網(wǎng)中變壓器噪聲抑制三個(gè)方面進(jìn)行研究并取得了相應(yīng)的成果。 機(jī)理研究方面，從變壓器硅鋼片的微觀磁疇結(jié)構(gòu)變化出發(fā)，基于Gibbs自由能的展開，并利用晶粒取向性硅鋼片磁致伸縮的物理發(fā)生機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，從物理本質(zhì)上建立晶粒取向性硅鋼片磁致伸縮的本質(zhì)模型；基于磁致伸縮本質(zhì)模型，考慮磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的耦合作用，建立變壓器鐵芯 n 利用大型通用有限元軟件ANSYS，建立10kV/400V三相三柱式變壓器鐵芯的仿真模型，分析了磁致伸縮對(duì)變壓器鐵芯振動(dòng)的影響。 有源降噪方面以實(shí)地采集不同運(yùn)行狀態(tài)的電力變壓器噪聲為基礎(chǔ)，分析得出變壓器噪聲的一般規(guī)律，據(jù)此抽象出大功率電力變壓器智能化有源降噪系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；有源降噪系統(tǒng)的核心控制部分是采用LMS算法的自適應(yīng)濾波器，該算法具有良好的收斂性和穩(wěn)定性；基于LabVIEW編寫了自適應(yīng)算法的仿真程序，探究收斂系數(shù)、濾波階數(shù)、系統(tǒng)采樣率和次級(jí)通道延遲對(duì)算法收斂性和穩(wěn)態(tài)誤差性能的影響，并設(shè)計(jì)了完整的大功率電力變壓器智能化有源降噪系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以使噪聲下降5~10dB左右，尤其是低頻噪聲幅值下降明顯。 如今分布式發(fā)電的并網(wǎng)方式一直是研究的熱點(diǎn)，交直流電能配送方式相對(duì)于傳統(tǒng)的直流并網(wǎng)具有靈活性強(qiáng)、可靠性高、控制方便、節(jié)約投資等眾多優(yōu)勢(shì)。但由于交直流的耦合使得電力變壓器鐵芯飽和，造成電壓、電流波形發(fā)生畸變，使變壓器鐵芯振動(dòng)加強(qiáng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲。為配合分布式發(fā)電的新潮流，利用Z型變壓器實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電的并網(wǎng)與解耦，從理論和仿真分析Z型變壓器避免直流接入導(dǎo)致鐵芯飽和現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，分析發(fā)現(xiàn)采用Z變壓器后能夠避免直流偏磁現(xiàn)象，很好的抑制噪聲，并在在一定程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。 基于上述研究提出了一種新型變壓器鐵芯振動(dòng)模型，建立了一種普遍適用的有源降噪系統(tǒng)，并提出了一種Z型變壓器在交直流疊加配電網(wǎng)中變壓器噪聲抑制新方法。這對(duì)于變壓器噪聲的抑制具有重要的指導(dǎo)意義。

本申請(qǐng)項(xiàng)目重點(diǎn)針對(duì)電力變壓器強(qiáng)磁振動(dòng)發(fā)生傳播機(jī)理與有源降噪研究存在的難點(diǎn)問(wèn)題，開展理論探索與技術(shù)創(chuàng)新研究。建立強(qiáng)磁環(huán)境下包含力磁耦合關(guān)系并可用于數(shù)值計(jì)算的磁致伸縮本構(gòu)模型；考慮力磁耦合效應(yīng)，建立精確的可應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算的鐵芯振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，揭示鐵芯強(qiáng)磁振動(dòng)發(fā)生機(jī)理；獲取鐵芯與箱體之間的振動(dòng)傳播特性，分析變壓器多重介質(zhì)對(duì)振動(dòng)傳播特性的影響，明確變壓器鐵芯與箱體之間的振動(dòng)傳播機(jī)理；提出變壓器箱體振動(dòng)單元?jiǎng)澐址椒ǎ岣哌h(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲計(jì)算準(zhǔn)確性；將變壓器箱體作為初級(jí)聲源，分析有源降噪系統(tǒng)次級(jí)聲源各參數(shù)的相互影響，提出有效的次級(jí)聲源參數(shù)優(yōu)化策略。本項(xiàng)目研究結(jié)果將豐富發(fā)展變壓器振動(dòng)機(jī)理與有源降噪研究的基礎(chǔ)理論與分析方法，具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

有源降噪系統(tǒng)在理想的條件下所能達(dá)到的降噪效果。但環(huán)境中的噪聲頻率的成分很復(fù)雜且強(qiáng)度隨時(shí)間起伏，往往在某些頻段和位置上的噪聲被抵銷,而在另外一些頻段和位置上卻有所增加,難以達(dá)到理想的效果。

利用電子線路和擴(kuò)聲設(shè)備產(chǎn)生與噪聲的相位相反的聲音──反聲，來(lái)抵銷原有的噪聲而達(dá)到降噪目的的技術(shù)，也稱為反聲技術(shù)。用于有源降噪的儀器設(shè)備稱為電子吸聲器或電子消聲器。有源降噪技術(shù)和利用吸聲材料將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿慕翟爰夹g(shù)相比，其原理截然不同。

從本質(zhì)上來(lái)講，有源降噪相當(dāng)于在原系統(tǒng)中引入了一部分負(fù)反饋的電路（開環(huán)或者閉環(huán)都有），從而在實(shí)際輸出時(shí)可以大幅削弱原來(lái)噪聲信號(hào)的幅度、功率與分貝，達(dá)到實(shí)際降噪的目的。原理核心思想就是反饋與系統(tǒng)的自穩(wěn)定原理。

有源降噪技術(shù)自1947年H.F.奧爾森首次提出后，引起很多人的興趣。除在較小范圍內(nèi)用于降低低頻噪聲（如機(jī)床旁工人耳邊、飛機(jī)座艙駕駛員頭部附近等），或在較大范圍內(nèi)用于降低簡(jiǎn)單聲源（如大變壓器站、大加壓站等）的噪聲以外，并未普遍應(yīng)用。把有源降噪技術(shù)應(yīng)用到較大范圍內(nèi)的問(wèn)題尚在探討。例如，有人利用惠更斯原理，在噪聲源的近場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生惠更斯子波，以期在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)達(dá)到降聲的目的 。

負(fù)反饋的原理不但可用來(lái)控制噪聲，還可用于控制振動(dòng)和混響。