电力变压器有源降噪方法的研究

2024-08-17

电力变压器有源降噪方法的研究（共8篇）

电力变压器有源降噪方法的研究篇1

电力变压器有源降噪方法的研究

1.1 研究背景及意义

随着社会经济的发展，环境问题越来越受到关注。噪声作为环境污染的第三大公害，一直让人们困扰。在日常生活中，人们经常会受到各种噪声的干扰。研究表明，噪声在55～60dB 范围，会让人感觉烦恼；在60～65dB 范围，会使烦恼度大大增加；在65dB 以上时，人体健康有可能受到危害。对于厂矿企业的工作人员，应保证噪声不超过85dB。噪声影响人们的身心健康、损伤听力以及相关的系统、降低工作效率,严重的甚至造成安全事故。为了消除或减少这些危害和污染，必须采取先进有效的噪声控制措施对日益严重的噪声进行控制，由于完全消除噪声是不可能的，而且也是不经济的，所以最佳的控制措施是通过噪声控制技术消除或减少产生噪声的根源。

从策略上讲，噪声控制可以从以下三个方面入手：噪声源、噪声传播途径和噪声接受者。传统的噪声控制技术主要是以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术途径包括隔声处理、吸声处理、使用消声器、振动的隔离、阻尼减振等。这些噪声控制方法的机理是通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，达到降低噪声的目的，属于无源或被动式的控制方法，可称为“无源”噪声控制(passive noise control)。这一方法对控制中、高频噪声较为有效，而对控制低频噪声效果不好。这是由于无源材料的声衰减性能随频率降低而变差，要取得与中、高频同样的降噪效果，就要增加材料的厚度或容重，从而使实际治理趋于庞大化，有时甚至难以实现。为此，需要采用有源噪声控制(active noise control)技术，它对低频噪声的控制效果很好，理论上消声量可达到很高，相对无源噪声控制技术而言，还具有系统小、重量轻、控制易等优点。随着现代控制技术和DSP 技术的迅猛发展，有源噪声控制技术不再仅限于实验室的研究，而是越来越容易实现，已经成为当前乃至今后长期研究的重要课题之一。

本文主要研究的是电力变压器的噪声控制。随着电力事业的发展，城市用电量逐年增加，在各大城市建设的大容量变电站也越来越多，这将不可避免的带来变压器噪声问题，它不仅污染了人们的居住环境和工作环境，而且给人们的生活和身心健康带来了巨大的损害，因而变压器噪声带来的危害也越来越被人们所关注。根据我国城市环境和电力变压器噪声标准，一般中小型电力变压器的噪声基本符合环境噪声的标准,但是大型电力变压器的噪声将会超出环境噪声的标准。在电力变压器噪声问题日益突显的今天，寻求有效降低变压器噪声的措施越来越重要。从电力变压器噪声频谱分析，除有中、高频成分外，主要是以低频为主，其中主要分布在100～500Hz，因此电力变压器低频噪声的控制是极具研究价值的。

目前国内对电力变压器噪声的控制主要是从变压器产生噪声的机理出发，对变压器本体噪声和冷却设备噪声进行控制。一般的方法是对变压器铁心材料进行改进，对冷却设备进行优化，对油箱振动进行抑制，采用减振、吸声、隔声等措施。上述办法对中、高频噪声较为有效，但对低频噪声作用就不明显了。目前，有源噪声控制技术的主要应用有：管道噪声有源控制及有源消声器，有源抗噪声耳罩和送话器，变压器、电站噪声有源控制，车厢内部噪声有源控制和飞行器舱室噪声有源控制等等。因此，在三维空间中，针对电力变压器低频噪声的有源噪声控制技术就显的越来越重要了。

1.2 电力变压器的降噪方法

电力变压器的噪声主要由两部分组成：变压器本体噪声和辅助冷却装置噪声。本体噪声包括铁心、绕组、油箱(包括磁屏蔽等)等产生的噪声；冷却装置噪声包括风扇和油泵噪声。

1.2.1 变压器本体噪声的降低

由于电力变压器的本体噪声主要是由铁心产生的，所以降低电力变压器的本体噪声，就要通过减弱铁心噪声实现。具体的措施是从改进材料和设计入手，即为：(1)选用平整度完好，波浪性小的硅钢片材料；

(2)硅钢片的表面绝缘涂层厚度在50～100 微米范围内为最好；(3)选取磁致伸缩小的高导优质硅钢片作为铁心；(4)铁心采用斜接缝、阶梯接缝或多级接缝；(5)铁心加紧力在0.08～0.12MPa 最为合适；

(6)从铁心的几何尺寸、结构形式和搭接面积方面根据要求合理设计(7)合理设计绕组的安匝数和分布位置,将漏磁面积减到最小。通过对铁心的适当控制，可降低变压器本体噪声5～10dB。

1.2.2 冷却设备噪声的降低

在设计时，只要我们合理的控制冷却系统的噪声，就可以有效地降低电力变压器的噪声，具体措施如下：(1)为了除去风扇和油泵的噪声，在设计时应尽量采用自冷式代替风冷式或强迫油循环风冷式；

(2)加强油箱与散热片之间的结构，将它们焊接在一起来减小振动；

(3)根据负荷大小运用双速风扇, 在负荷较大时开启高速风扇，在负荷较小时开启低速风扇。

1.2.3 传播途径的降低

噪声的产生不可避免，从噪声的传播途径出发，使噪声在传播过程中衰减，从而达到降低噪声的目的，可以通过以下措施实现：(1)在铁心垫脚处和磁屏蔽与箱壁之间加缓冲装置；

(2)在油箱钢板内放置岩棉、玻璃纤维等吸音材料作为隔音层；(3)使用隔声板将油箱做成全封闭式；(4)在油箱中安装隔音围屏；

(5)合理布放加强筋的位置，减小油箱振幅；(6)安装减振装置在油箱底部。

(7)在居民住宅区中可将变压器置于住宅楼半地下室夹层内，夹层与底层住宅间采用隔振措施。控制油箱的振动，并采取隔声、吸声等措施可降低噪声10～20dB。

1.2.4 变压器噪声的有源控制

变压器的噪声主要以低频噪声为主，通常在100～500Hz，同时具有明显的纯音成分，因此可有效地采用有源降噪系统进行控制。在变压器1米以内放置若干个噪声发声器，使它们发出的噪声与变压器发出的噪声互相抵消，利用两个声波相消性干涉或声辐射控制的原理，把变压器的噪声信号转变为电信号，然后放大激励噪声发声器，使得发出的噪声与变压器噪声振幅相等，相位相反，二者作用结果，相互抵消，从而达到降低噪声的目的。这种有源噪声控制系统具有很大的控制矩阵，可配

置许多调节器和传感器，它可将声控装置安装在油箱的任何部位。此声控系统有3个硬件，它们分别是调节器、传感器和电子控制装置。控制器通过专门设计的声音和振动调节器产生数字信号。利用振动调节器可有效停止变压器油箱的噪声传播。声音调节器在100Hz～400Hz范围内具有轻微的谐振，它们位于油箱壁表面，可有效抑制噪声[8]。有源噪声控制系统对变压器噪声的基频降噪量可达15～20dB。

目前许多文献已提出多种有源降噪的方法，有源噪声控制技术在低频降噪方是较易实现的，理论上消声量可达到很高，而且体积小，便于设计和控制。基于以上优点，本论文主要研究针对电力变压器低频噪声的自适应有源降噪方法。

1.3 国内外有源噪声控制技术的发展与成果

有源噪声控制（Active Noise Control，简称为ANC）技术，是指使用人为地、有目的地产生的次级声信号去控制原有噪声的概念和方法。它是利用两列声波相消性干涉或者声辐射控制的原理，通过次级声源产生与初级声源的声波幅值相等、相位相反的声波辐射，二者作用结果，相互抵消，从而达到降低噪声的目的。

有源噪声控制的概念是由德国物理学家Paul Leug(1898-1979)提出的。他在1933 年和1936 年分别向德国和美国的专利局提出了专利申请，此专利名称是“消除声音振荡的过程”。在这项专利中，Leug 利用了人们熟知的声学现象：两列频率相同、相位差固定的声波，叠加后会产生相加性或相消性干涉，从而使声能得到增强或减弱。因此Leug 设想，可以利用声波的相消性干涉来消除噪声。现在，人们一般都认为，Leug 的这项专利是有源噪声控制发展史上的起点[12]。所以，有源噪声控制技术的发展过程可分三个阶段：

第一阶段：继1933 年Paul Leug 提出“电子消声器”专利之后，Harry Olson 在上世纪五十年代初发表两份报告，并做出了一个“电子吸声器”实验装置。随后不断有人进行这方面的尝试，如变压器噪声控制等。这标志着有源降噪的概念已引起人们的重视并试图应用于实际。

第二阶段：从上世纪六十年代未至八十年代中期。这期间人们主要致力于管道有源消声，这主要是由于在管道一阶截止频率下能产生近似的一维平面波，使得理论分析和电路实现都比较简单。管道有源消声主要解决“声反馈”和消声频段扩展问题，电子线路一般仅实现延迟、反相、功率放大等功能。这一时期的成功导致出现管道有源消声器商品投入市场，并引起噪声控制人员对有源噪声控制的极大兴趣。

第三阶段：由于高速数字信号处理芯片的出现以及信号处理技术，如自适应滤波的进步，这一阶段有源消声的发展以自适应，三维空间有源消声为标志，这一发展最终将导致实用的自适应有源降噪系统出现，并有可能使有源降噪成为一种有效的噪声控制手段。关于三维封闭空间或有界空间有源消声，目前人们感兴趣的主要有螺旋桨飞机舱室，汽车驾驶室，各类船舶舱室以及强噪声环境下工作车间等的有源噪声控制。封闭空间有源消声从理论到技术实现上较管道有源消声都要复杂得多。围绕这个问题，近几年来人们的研究兴趣主要集中在两个方面：(1)针对不同的噪声源和消声环境，对一定的消声空间(局部或全空间)，消

声频段，从理论上探讨消声的可能性及可行性；确定消声准则；设计优化消声所必需的传感器阵和次级声源阵；探讨消声机理等。

(2)根据系统设计要求及噪声统计特性，设计并实现符合要求的控制器(包括控制器的结构和算法)。当前有源噪声控制技术一般应用到如下的场合：(1)管道声场；(2)自由声场（如旷野中的变电站噪声、大型电力变压器噪声、交通道路噪声、鼓风机

和抽风机等机械设备向空中辐射的噪声等）；(3)封闭空间声场（如办公室、工作间、汽车车厢、船舶、飞机舱室中的噪声）。因为有源噪声控制技术在低频范围、硬件可行性及成本等方面有着无源噪声控制技术无可比拟的优越性，所以它已经成为噪声控制界的一个研究热点。随着有源降噪技术的日趋成熟，一些工程设计也取得了良好的效果，如管道有源消声器和有源降噪耳罩等。世界各国的公司也纷纷推出自己的产品，如美国DIGSOMX 公司推出的管道有源消声系统，在40～150Hz范围内消声量为12～20dB；BOSS 公司设计的有源抗噪声耳罩在30～1000Hz 范围内获得约25dB 的降噪量。

有源噪声控制研究在20 世纪80 年代中期至90 年代中期达到高潮，其中以英国南安普敦大学声与振动研究所(ISVR)的P.A.Nelson、S.J.Elliott 等人的研究最为出色。他们的研究以抵消螺旋桨飞机舱室噪声为主要应用背景。除此之外，还研究了封闭空间声场中存在结构——声腔耦合的情况下有源控制规律、声波通过弹性结构透射进入声腔的有源控制、双层结构有源隔声、分布声源控制结构声辐射等等。他们在有源噪声控制应用方面最典型范例是：在一架BAe748 双发动机48 座螺旋桨飞机，其巡航速度发动机转速为14200r/min，因而其桨叶通过频率基频为88Hz。为了抵消此飞机的舱室噪声，他们用16 只扬声器做次级声源、32 只传声器作误差传感器，这种次级声源和误差传感器布放有效地将88Hz 的基频噪声降低了13dB。

从国内情况看，从事有源噪声控制技术比较早的单位有南京大学、上海交通大学和中科院声学所。另外，海军工程学院振动与噪声控制室、西北工业大学声学所也在这方面做了大量工作。上海交通大学的孙旭提出了基于FLMS 算法的次级通道模型误差下的性能分析。张玉磷等人在传统的LMS 算法基础上利用小波变换原理提出了小波变换自适应算法(WLMS)对噪声进行控制，这种算法通过仿真实验验证了，它在收敛速度和稳态失调量方面都优于传统的LMS 算法。利用多层神经网络原理，针对三维空间传播的宽频带空调噪声，张菊香等人运用多层感知神经网络的有源降噪控制系统，可以取得良好的降噪效果。从上世纪八十年代就开始研究有源噪声控制技术的陈克安、马远良等人在详细总结归纳了自适应有源噪声控制的基本原理、算法和结构的基础上，提出并推导了滤波-X 型最小均方算法、滤波-X 型最小二乘算法、间歇自适应LMS 算法、间歇自适应RLS 算法和滤波-U 算法。

1.4 自适应有源噪声控制发展的状况

在20 世纪80 年代以前，有源噪声控制系统中的控制电路均采用模拟电路。随着研究的深入以及研究领域的扩大，人们在应用这种电路时碰到了越来越多的困难，主要原因在于：

(l)待抵消的噪声（初级噪声）特性几乎总是时变的；

(2)控制系统（控制器、初级传感器和误差传感器）传递函数、消声空间中的一些非可控参数经常随时间发生变化（以上两点要求控制器传递函数具有时变特性，而模拟电路难以胜任）；

(3)对于复杂的初级声源，以及谋求扩大消声空间时均要求采用多通道系统（指系统中包含多个次级声源和误差传感器），这种控制器的传递函数十分复杂，用模拟电路无法实现。

因此，需要一种具有自动跟踪初级噪声统计特性，控制器特性可随时间而变化的自适应有源噪声控制（Adaptive Active Noise Control，简称为AANC)系统。20 世纪80 年代初，C.F.Ross 和A.Roure 等人提出了具有“自适应”功能的有源控制系统[16~18]，但这种“自适应”与我们目前指称的自适应在基本原理和系统实现上均有

根本差异。真正意义的自适应有源控制是在自适应滤波理论得到充分发展以后提出来的。我们现在所说的自适应有源噪声控制系统一般指的是B.Widrow 等人提出的自适应抵消器(adaptive noise canceller)应用于有源噪声控制时构成的系统。自适应有源噪声控制系统的核心是自适应滤波器和相应的自适应算法。自适应滤波器可以按某种事先设定的准则，由自适应算法调节其本身的系统特性以达到所需要的输出。1981 年，J.C.Burgress 首次将自适应滤波理论应用于有源噪声控制，并对系统的构成及算法作了计算机仿真研究，提出了著名的滤波-X LMS算法。

自适应有源噪声控制主要内容包括：(1)控制方式(前馈控制和反馈控制)的选择；(2)次级声反馈的影响及其解决方法；

(3)次级通道(主要指次级源到误差传感器之间的声传递通道)传递函数对系统性能的影响；

(4)次级通道传递函数的自适应建模；

(5)单通道自适应有源控制算法瞬态和稳态性能分析；(6)多通道自适应算法性能分析及快速实现；(7)不同目标函数下自适应算法的改进；(8)自适应滤波器的硬件实现。

自适应滤波器的结构按单位采样响应时间可以分为：有限脉冲响应(Finiteduration Impulse Response，简称FIR)滤波器和无限脉冲响应(Infiniteduration Impulse Response，简称IIR)滤波器。由于横向滤波器(FIR)的瞬态和稳态误差性能已经得到了充分证实，而且其滤波器的结构仅包含零点，因而是无条件稳定的，并能提供线性相位特性。

自适应有源噪声控制系统的关键在于其控制算法，最为常用的是LMS、FLMS、RLS、滤波-U、多误差LMS 等算法。而FLMS 算法的运算量相对较低、易于系统实现，因而在自适应有源降噪的控制系统实现中得到了广泛应用。但也存在一些不足：采用常数步长，因而收敛较慢，当初级噪声为有色噪声时，算法的收敛性较差；由于收敛较慢，宽带消声效果差，难以跟踪时变噪声。为此提出了很多经典的改进型算法，例如：归一化FLMS 算法、泄露FLMS 算法、FRLS 算法等等。另外，为了消除次级声反馈的影响，改善FLMS 算法的稳定性的收敛性能，许多学者提出了基于不同结构及自适应算法的自适应滤波器，如许多研究者提出了消除次级声反馈的IIR 自适应滤波器。拓宽消声频带改善收敛性能的递推最小二乘法以及格型滤波算法等等。

1.5 本文所作的工作

针对电力变压器的低频噪声问题，本论文首先介绍了的自适应有源噪声控制技术的原理与结构，并对单通道滤波-X LMS 算法和多通道滤波-X LMS 算法进行了研究，其次详细分析比较了三种经典的有源前馈控制算法——归一化FLMS 算法、泄露FLMS 算法和FRLS 算法，并在传统的FLMS 算法基础上提出了改进的FLMS算法。最后在对自适应滤波器结构和算法研究的基础上，基于改进的FLMS 算法运用MATLAB 软件编程和SIMULINK 工具建模，分别对输入初级噪声为单频正弦信号和窄带信号情况下进行仿真分析实验。通过系统的仿真实验，验证了改进的FLMS 算法理论分析、系统结构和算法的可行性与正确性。论文共分五章：

第一章概述了本课题的研究背景和意义以及当前电力变压器的传统降噪方法，评述了针对电力变压器低频噪声的有源噪声控制技术的发展和成果，并对自适应有

源噪声控制发展的状况进行了简要介绍。

第二章主要介绍了有源噪声控制中的自适应滤波原理、结构与算法，在重点研究了自适应有源前馈控制系统模型的基础上对单通道滤波-X LMS 算法的性能进行了详细分析，并对多通道滤波-X LMS 算法做了简要介绍。8

第三章分析比较了三种经典的有源前馈控制算法——归一化FLMS 算法、泄露FLMS 算法和FRLS 算法，并在传统的FLMS 算法基础上提出了改进的FLMS 算法。

第四章主要通过一系列的仿真实验定性定量的分析噪声的频率、滤波器的长度和收敛因子的大小对各种算法的收敛特性和稳态误差特性以及降噪量的影响；运用MATLAB 软件计算机仿真，将对输入信号分别为正弦信号和窄带信号两种情况下进行仿真实验。并针对各种不同的算法将在两种不同输入情况下对不同参数进行计算机仿真实验，从理论上分析验证FLMS 类算法和FLRS 类算法主要参数对算法性能的影响。最后基于改进的FLMS 算法利用SIMULINK 工具建立一个自适应有源噪声控制系统模型，分别对单频噪声和窄带噪声信号激励下自适应有源噪声控制系统的降噪效果进行研究，验证改进的FLMS 算法的可行性与正确性。

第五章概括性的总结了本文所作的主要工作，得出了主要结论，并展望了有源噪声控制技术有待进一步研究和解决的主要问题。

论文大纲

第一章绪论.1.1 研究背景及意义

1.2 电力变压器的降噪方法

1.3 国内外有源噪声控制技术的发展与成果 1.4 自适应有源噪声控制发展的状况 1.5 本文所作的工作

第二章有源噪声控制中的自适应滤波原理与算法.2.1 有源噪声控制原理

有源噪声控制又称反声（antisound）、有源噪声抵消（active noise concellation）、有源降噪（active noise reduction）、有源吸收（active sound absorption）等。以主动产生一个声场来抵消另一个现有声场的技术。1947年奥尔森（H.F.Olosn）就提出有源噪声控制技术，但进展不大，直到80年代以来，由于信号处理技术和电子技术的高度发展才有了明显的进展。现代有源噪声技术是声学、信号处理技术、控制工程学和电子学的交叉综合运用。其基本过程为：用传声器提取现有噪声的信息，经“实时”分析后筹建一反声信号，再用扬声器（次级声源）“实时”播放反声信号。反声信号与现有噪声产生相消干涉，从而使该区域内的噪声得以降低。现有噪声的能量可能被次级声源吸收，也可能仅仅被转移到其它区域。有效噪声控制的效果与“实时”很有关系。对低频噪声做到“实时”较容易，故有源技术对控制低频噪声特别有效。现代有源噪声控制的内容有两个方面：一是噪声源抑制（或全空间消声），二是局部声吸收；二者原理相同，只是次级声源的布置不同。有源噪声控制有局限性，主要是有效频带很窄。但使用自适应技术和高速计算机则可部分克服这些缺点而提高效益。有源噪声控制的应用目前还不广泛，但有潜在前景，可望用于各中风机、汽轮机、内燃机、压缩机的进排气管道噪声、变压器等室外空间噪声源和机舱、燃烧室等封闭噪声场的抑制，还可做成抗噪声送、受话器。

有源噪声控制（ANC）技术依靠现存的初级噪声和由电子控制器产生的反相位次

级噪声间的相互干涉来实现（Nelson and Elliott，1992年；Hansen and Snyder，1997年；Kuo and Morgan，1996年）。简单的自适应有源噪声控制系统通过处理参考信号产生控制信号来驱动次级声源，用误差信号来反映系统控制性能。自适应滤波器需要推算从声场参考传感器和误差传感器（初级反馈）到补偿声源和误差传感器（次级反馈）间的传递函数。由于有源噪声控制系统适用于低频噪声的控制，所以，有源控制方法只能作为传统无源控制的补充。2.2 自适应滤波原理与算法.2.3 自适应有源前馈控制系统模型.2.4 滤波-X LMS 算法.2.5 次级通路自适应建模.2.6 多通道滤波-X LMS 算法.第三章有源前馈控制算法及传统FLMS 算法的改进.3.1 FLMS 类算法

3.2 RLS 类有源控制算法.3.3 基于传统的FLMS 算法的改进算法第四章有源噪声控制系统的仿真实验 4.1 实验条件 4.2 实验方法.4.3 正弦信号激励下有源噪声控制系统的仿真实验.4.4 窄带信号激励下有源噪声控制系统的仿真实验.4.5 基于改进的FLMS 算法的SIMULINK 仿真实验 4.6 本章小结.第五章结论与展望参考文献

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电力变压器有源降噪方法的研究篇2

关键词：电力变压器,有源降噪,关键技术

噪音污染是现阶段全球环境污染的三大公害一直, 随着电力行业的发展和进步, 电力行业噪音污染对人们生活以及身体健康造成了很大的困扰, 随着人们生活水平的提高和对生活质量的要求的提升, 噪音污染逐渐的开始被各界广泛的关注。电力行业的发展对国民经济的贡献十分突出, 作为国民经济的支柱产业, 近些年来发展迅速, 但是随之而来的是电力行业噪音污染问题, 电力变压器噪音污染受到了越来越多的关注, 电力变压降噪措施主要有两种形式, 分别是无缘降噪和有源降噪, 本文主要是针对电力变压器有源降噪关键技术进行分析介绍。

1 电力变压器噪音产生

电力变压器产生的噪音主要是由于本体和冷却系统两个部分造成的, 以下对电力变压器本体以及冷却系统噪音产生的主要原因进行具体分析:

(1) 由于变压器磁致伸缩效应的影响, 变压器铁芯硅钢片会出现不同程度的震动, 在震动的过程中发出噪音;

(2) 变压器铁芯硅钢片接风为之和叠片之间因为存在漏磁现象, 而漏磁现象形成的电磁吸引力会导致铁芯振动发出噪音;

(3) 如果变压器绕组中出现大量的负载电流通过, 那么负载电流在通过的时候也会产生漏磁现象, 进而引起线圈和储油箱壁振动, 从而产生噪音;

(4) 变压器冷却系统中风扇和油泵在变压器运行的过程中会产生不同程度的振动噪音;

(5) 变压器本身在运行的过程中无法避免的会出现振动现象, 在振动的过程中通过绝缘油、套管接头以及其他设备零件将振动效果传递给冷却装置, 进而会加剧冷却装置的振动频率, 产生更大的噪音污染;

(6) 铁芯在加热之后, 谐振频率和机械应力都会发生不同程度的变化, 在这个过程中, 噪音会随之温度的上升而逐渐加大;

(7) 电力变压器运行周围环境会对噪音有不同程度的影响, 例如变压器周围建筑物以及墙壁距离等, 都会对噪音有很大的影响。

所以从上面的变压器噪音产生机制可以看出, 变压器噪音产生的主要原因是铁芯、绕组以及油箱壁的振动。同时铁芯噪音是最主要的组成部分, 通常情况下变压器铁芯噪音频率变化区间保持在100~400Hz, 同时如果变压器的定容量越大, 那么铁芯噪音中基频分量噪声所占的比重也就越大, 倍频和高频分量所占的比重就会减少, 所以说电力变压器的容量不同所产生的铁芯噪音大小也会不同。

2 电力变压器有源降噪系统

首先需要模拟电力变压器声源, 以此来预测变电站周围的声场状况, 变压器点生源发出的噪音声波通常是以球面波的形式进行空间传播, 而球面波在两种介质分界面上的发射和折射能够通过计算得出, 所以变压器尺寸在小于测量点到变压器距离的情况下, 点声源模型就会产生很好的效果, 图1显示的就是变压器噪音辐射预测模型。

从图1来看, 变压器上下表面的噪音辐射对整体噪音辐射水平的影响实际上很小, 实际的噪音可以看做是变压器四个面振动现象所产生的, 所以根据亥姆霍兹积分计算公式:

同时选择一台变压器进行噪声模型研究, 首先在变压器外壳选择200个左右的测量点, 在保证变压器正常运行的过程中, 对每一个测量点基频状态下振动法向加速度进行测量, 然后计算积分求和, 通过这种方法计算出来的噪音辐射和实际声场噪音分布状况的误差非常小, 通常情况下实际测量的数值比计算数值要小10d B以上, 同时频率越高产生的数值误差也会越大。通过对变压器不同位置噪音辐射实际测量和预测数据可以发现, 预测数值比实际测量的数值要偏大, 但是当噪声达到200Hz以上的时候, 误差会有所增加。

电力变压器有源降噪的主要目的是为了让空间中残留的噪音信号最小化, 也就是让空间声能达到最小数值。通常在一定条件下, 空间声能最小值和空间声势能最小值相同, 所以可以将一个封闭空间中总的声势能定义为A, A在达到最小值的时候就是有源降噪的消声标准, 具体的公式如下:

式中:Ap就是平均声势能;p (X→, W) 2计算方便实际噪音测量, 符合实际工程的需求, 所以针对封闭空间有缘降噪的实际过程, 可以通过一系列次级声源的引入来使封闭空间的声势能达到最小化, 然后按照上面的公式进行测量, 同时在进行电力变压器低频噪声控制的过程中, 基频和四次以下的变压器噪音是主要研究方向。

其次电力变压器有源降噪系统的基本工作原理:需要对变压器噪声进行实时监测收集, 同时配合传感器将噪声转换成电信号传送给有源降噪系统, 然后系统会根据噪声驱动变化把噪声源发出和变压器噪声相同的频率值以及相位相反的信号, 通过这种转换来抵消大量的变压器噪音, 当然通常情况下使用的有源降噪技术仅仅是针对变压器噪音中存在的基频和不同次数的噪声分量。

3 电力变压器有源降噪技术优化

本文对于电力变压器有源降噪技术优化模型主要介绍半球声源模型单频率有源降噪次级声源优化模型:

电力变压器在体积相对较小的情况下, 变压器本体结构对于有源降噪的实际效果影响并不是很明显, 所以为了更好地提升有源降噪的实际效果, 可以采用半球声源模型, 这种情况下的噪音辐射次级声源使用点声源模型, 具体的噪音辐射声压公式如下:C0

式中:ρ0是空气的密度;

c0是声音在空气中的实际传播速度;

Q是变压器噪音点生源的强度。

根据相应的声相干原理, 次级声源和初级声源在某一误差传感器位置会出现的声压叠加, 同时为了能够实现有源降噪的最终目的, 需要保证每一个误差传感器位置的声压都尽可能的取最小值, 文章为了方便计算, 将传感器的误差参数设置完全相同的传感器, 将目标函数定义为变压器所有误差传感器位置声压, 具体计算公式如下:

式中:M是误差传感器的数量, 从上面的噪音辐射声压计算公式可以看出, 如果次级声源正好能够抵消初级声源, W就能够得到最小值, 所以最终变压器有源降噪的效果主要取决于次级声源能够抵消初级声源的实际程度, 所以有源降噪的最终效果就是次级声源的参数优化结果。

4 结论

随着近些年用电量的不断增加, 电力变压器数量不断增加, 文章通过对电力变压器有源降噪技术介绍分析, 最终得出以下结论:

(1) 电力变压器的本体噪音主要集中在低频范围, 所以变压器本体噪音属于低频噪音, 通常情况下以100Hz位基频, 所以变压器本体噪音在基频100Hz以及整数倍频率出的噪音数值最大, 通过对变压器声压级数的分析能够得出低频噪音数值通常保持在50~60d B, 因为噪音波形相对稳定, 所以有利于有源降噪的实现;

(2) 有源降噪距离变压器的位置距离也会影响降噪效果, 文章通过对半球声源模型的简单介绍, 针对100Hz频率的本体噪音进行分析研究, 最终得出变压器有源降噪的效果主要取决于次级声源能够抵消初级声源的实际程度, 所以有源降噪的最终效果就是次级声源的参数优化结果。

(3) 电力变压器有源降噪需要考虑两个重要问题, 分别是本体噪音和冷却系统噪音, 文章主要介绍的是针对本体噪音的有源降噪, 同时变压器噪音产生的主要原因是铁芯、绕组以及油箱壁的振动, 铁芯噪音是最主要的组成部分, 通常情况下变压器铁芯噪音频率变化会随着变压器的定容量的增加而变大。

参考文献

[1]邓珺, 杨向宇, 龙巍.变压器的降噪技术[J].变压器, 2013.

[2]刘姜涛, 刘震宇, 李靖.基于广义FIR滤波器的电力设备有源噪声控制[J].电网技术, 2012.

[3]余尤好, 陈宝志.大型电力变压器的噪声分析与控制[J].变压器, 2013.

[4]杨洋.噪声源识别与分离算法研究[D].东北师范大学, 2013.

电力变压器运行维护的方法研究篇3

摘要：电力变压器是电网安全系统中的关键设备。我国现在运行的大多电力变压器都存在着老化和故障的问题，若不及时对其进行检修诊断，就会造成电力事故，从而造成损失。因此，为了保证电力变压器健康顺利的运行，降低电力变压器的故障和施工的发生率，就要做好电力变压器的检修和维护，防患于未然。

关键词：电力；变压器；运行；维护

电力变压器，是将电压值以及电流值进行转换，从而能够实现不同电力系统之间电能的安全输送工作的变压器，在电网的运行当中处于十分重要的位置。电力变压器能否正常工作对电网的安全运行有着决定性的作用，因此在重视电力变压器的制造以及安装环节的基础之上，还应对其日常的检修与维护工作给予重视。

1.电力变压器运行维护中存在的问题

（1）电力变压器油温异常。在电力变压器日常工作的过程中，其内部的损耗将会产生较大的热能，而冷却油的流动过程将会把热量从变压器内部带走，并经过循环后释放到大气。而当变压器处于非正常工作状态时，其内部的热量将会大量的释放，从而引起油温出现迅速升高的情况，甚至会发生超过运行极限温度的现象。

（2）电力变压器声音异常。交流电的电流强度以及电压强度的转换工作是通过电力变压器内部的线圈完成的，转换过程将会在铁质心片周围产生磁场。加之线圈与铁片之间的电磁应力相互影响，进而引起铁片与线圈发生振动，因此电力变压器内部将会有轻微的声响。而当声响过大，甚至出现爆裂的声音时，则说明电力变压器发生故障。

（3）电力变压器油位异常。当电力变压器外部油位的显示正常，而内部的油位已明显变化时，则说明电力变压器已出现故障。而电力变压器的油位低于一定值时，则会使得变压器内部构件加速损坏，从而致使其出现更严重的损坏。

（4）电力变压器构件异常。所谓的电力变压器的构件异常，主要是指电力变压器的部分构件出现物理性质的变化，例如颜色、气味等。而出现该类现象的主要原因在于电力变压器的冷却系统出现故障，热量的排出工作不及时，引起电力变压器内部温度持续升高。相对而言，该类故障在检修的过程中易被发现。

（5）电力变压器表面异常。电力变压器的表面异常主要是指其管路等出现异常情况，该类情况预示着电力变压器的功能出现一定程度的退化。

引起电力变压器故障的原因主要包括以下三个方面：第一，电力变压器绝缘材料失效。在电力变压器运行的过程中，其所使用的绝缘材料的绝缘性能均有一定的时限性。当电力变压器的使用时间较长，或外界环境因素出现变化时，将会使得绝缘材料的性质出现明显下降，这就为电力变压器的安全运行埋下了较大的隐患。第二，电力变压器的绝缘油性质的改变。电力变压器在运行期间，其内部所含有的绝缘油容易受到外界环境的影响，例如受到水蒸气、空气等影响，从而使得油质中出现具有一定腐蚀性质的物质，不仅对绝缘油的性质产生极大的影响，同时也将使得电力变压器有被击穿的可能。第三，电力变压器出现过压现象。引起该类现象的主要原因在于天氣条件的变化，当出现雷雨天气时，电力变压器遭受雷击，将会使得其外部电压过高，进而使得电力变压器的相关参数出现变化，引起电磁振荡，内部电压也将随之提高。而无论是外部高压还是内部高压，都将导致电力变压器出现故障。

2.电力变压器的检修方法分析

2.1日常巡视检查

坚持日常巡视检查，是保证变压器正常工作的必备步骤。变压器的日常检查主要包括检查变压器温度是否正常、附属设备运行是否良好、所用的油料是否合适达标等。现在红外成像仪的应用较广，红外成像仪能主要借助于红外传感器接收被测对象辐射的红外信号，经信号调理并转换成标准的视频信号有监视器显示红外热像图，可有效监测出变压器内部是否过热、缺油等情况。

2.2定期试验

定期的试验是有章可循的步骤，这一步的实行要认真按照相关规程进行。相关规定中常规试验项目有十几项，根据实际情况对设备维修选择好周期和方法。定期试验中要认真依步骤进行，因为有些项目的检查并不是一次就能发现问题，而是要经过持久定期的检查才能发现故障，这样就能在事故发生前采取措施，避免事故的发生。此外，还要对运行设备定期进行预防性试验，常见的变压器预试方法有：泄露电流的测量、直流电阻测量、绝缘电阻和吸收比的测量、介质损失角正切值测量、绕组直流电阻测试、非纯瓷套管试验、变压器变比试验、绕组变形试验、有载分接开关试验等。对电力变压器进行绝缘预防性试验是保证变压器安全远行的重要措施。

2.3在线监测技术

（1）局部放电在线监测技术。局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替，在电极之间放有绝缘物，对它施加交流电压时，在电极之间局部出现的放电现象，可以看成是在导体之间串联放置着2个以上的电容，其中一个发生了火花放电。（2）油中气体的在线分析技术。油内气体的在线分析技术主要是根据所采集的气体浓度的比较值，推测出油的绝缘所处的裂解条件。这个主要反映变压器内部油的特征以及对一氧化碳和氢气等固体绝缘故障的气体进行在线监测。油色谱在线监测一直是判断变压器内部状态的重要手段。

3.电力变压器运行维护的管理方法

3.1正确安装电力变压器

在电网建设期间，是否能够对电力变压器进行正确的安装，是其能否正常工作的先决条件。因此在电网建设设计的过程中，应对电力变压器的安装位置、型号等进行确定，避免因环境因素对电力变压器造成影响，同时应对其所担负的载荷进行精确的测算，防止出现过载的情况，影响用电安全。

3.2严格执行相关操作规程

在对电力变压器进行检修以及维护的过程中，相关人员应合理的进行操作，避免出现人为的原因致使电力变压器出现故障，保证设备运行的安全。在进行相关操作之前，应对电力变压器所处的运行环境进行仔细检查，判断是否满足电力变压器安全运行的条件，同时应对变压器的各个档位进行测定，对其空载以及短路情况进行掌握。操作人员对电力变压器进行维护期间，应严格遵守相关操作规程，禁止出现违章操作的情况，并时刻注意过电压的发生。

3.3监测变压器所在系统

主要监测变压器所在系统是否有过短路、接地的故障，过电、电压的冲击。中型变压器绕组发生变形的可能性较大，应用吊罩检查；大型变压器由于体积过大，内部结构复杂，因此要在放油后进入变压器罩内进行检查。而变压器的短路绕组如果在里面，发生绕组变形的可能性就比较小，只需要在断电时进行变形试验即可。

3.4加强对电力变压器的维护

电力变压器的正确安装以及定期检修对其正常运行有着重要作用，而对电力变压器的维护也是不可或缺的一项工作。维护工作的主要目的在于提升电力变压器的运行安全程度，并延长其使用期限。电力变压器的日常维护工作主要是对变压器上存在的污垢进行彻底的清理，其中包括变压器绝缘管路等部件的污垢清理。还应对各个电气设备的连接情况、开关的完好情况、冷却系统是否存在泄漏以及锈蚀的情况进行仔细的检查。

结束语

变压器故障对电网系统的运行危害极大，其运行、检修和维护的好坏，直接关系到供电企业的经济效益、社会形象，关系到广大用户的电能质量，也关系到整个电网系统的安全运行。为避免事故的发生，应加强日常运行巡视管理和制订有效的维护措施，以确保变压器的安全稳定运行。

参考文献：

[1]许进华，吴玉红.防止运行中变压器异常状况及事故发生的对策[J].科技情报开发与经济.2010（15）.

电力变压器有源降噪方法的研究篇4

摘要：随着非线性负荷广泛使用，电能质量在不断下降。而有源电力滤波技术是解决该问题的有效手段。本文首先介绍有源电力滤波器（APF：Active power filter）的组成和分类，然后论述有源电力滤波器的两个关键性技术，最后对它的发展前景进行分析。关键词：有源滤波技术、电流谐波、电流控制方法

正文：随着电力电子技术不断发展，电网中增加了大量的非线性负载，特别是大容量变流设备的使用，导致大量谐波注入电网，使得电网电压和电流波形发生畸变，电能质量日益下降，电网谐波已成为电网一大公害。

随着电力电子技术及控制技术的不断发展，大功率可关断器件（GTR、GTO、IGBT等）不断使用，以及对非正弦情况下无功功率理论研究深入，使得APF开始在民用设备上使用，且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。APF的组成及分类１．组成

最基本的并联型APF系统主要由两大部分组成——指令电流检测电路与补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。２．分类

从不同角度出发，APF具有不同的分类标准。

根据应用场合不同，APF可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电流、电压谐波；后者则应用于交流电力系统。２）根据逆变器直流侧储能元件不同，ＡＰＦ又分为电流型和电压型。电压型ＡＰＦ效率高，投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，经济性优，适用于电网谐波补偿，因此目前实用装置九成以上是电压型。

３）根据ＡＰＦ与电网连接方式不同，ＡＰＦ可以分为并联型、串联型、混合型和串－并联型。目前并联ＡＰＦ在技术上已经成熟，它是当前应用最广泛的ＡＰＦ拓扑结构。串联型ＡＰＦ与并联型ＡＰＦ相比前者损耗大，且各种保护电路也复杂。因此，很少研究单独使用的串联型ＡＰＦ，而大多数将它作为混合型ＡＰＦ的一部分予以研究。而串－并联型ＡＰＦ组合了串联ＡＰＦ和并联ＡＰＦ的优点，能解决电气发生的大多电能质量问题，所以又称之为万能ＡＰＦ或统一电能质量调节器（ＵＰＱＣ）。但是该类ＡＰＦ尚处在试验阶段，主要问题是控制复杂，造价高。APF的关键技术

指令电流的检测方法和补偿电流的产生是有APF的两个关键技术。１．检测方法

1）瞬时空间矢量法

它是目前ＡＰＦ中应用最广的一种指令电流检测方法。该理论现已包括ｐ—ｑ法，ｉｐ—ｉｑ法以及ｄ—ｐ法等。其中ｐ—ｑ法最早应用，仅适用于对称且无畸变的电网；而ｉｐ—ｉｑ法既对电网电压畸变有效，同时适用不对称三相电网；基于同步旋转变换的ｄ—ｐ法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网。2）自适应检测法

该方法从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频移及电网参数变化有较好的自适应调节能力，缺点是其动态响应较慢。3）基于神经网络控制法

该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。人工神经网络自学功能性强，把进化算法和反向传播用于神经网络的训练，不仅避免了对于给定补偿电流的复杂计算，而且有较广的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性负载系统。

从以上检测方法看，瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已经趋于完善和成熟，目前占主导地位。自适应检测法和基于神经网络控制法是否能应用于工程实际，还需进一步研究验证。

２．补偿电流的产生

补偿电流的产生采用基于PWM的电压源逆变器（VSI），其电流控制方法有以下几种。三角载波线性控制

这是一种最简单的线性控制方法。它以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调制信号，与高频三角载波比较，从而得到逆变器开关器件所需要的控制信号。优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单。缺点是开关损耗大，且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。

滞环比较控制

它是将指令电流值与逆变器实际电流输出值之差输入到具体滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从达到逆变器输出值实时跟踪指令电流值。它具有开关损耗小，动态响应快等特点。缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。无差拍控制

这是一种全数字化的控制技术，利用前一时刻的指令电流和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。优点是动态响应快，易于计算机执行。缺点是计算量大，且对系统参数依赖性大。以上控制方法中，三角载波线性控制法和滞环比较控制法是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，可以通过多重化技术、适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高使用效率。无差拍控制法随着数字信号处理器（ＤＳＰ）运算速度的不断提高，也将在有源电力滤波器中得到广泛的应用。APF的发展动向

APF作为改善电能质量的一项关键技术，在发达国家已经得到高度重视和日益广泛的应用。然而，有源电力滤波器技术目前还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需进一步研究解决:提高装置容量，解决控制系统延时，设备低损耗，高补偿效果及性能，提高性价比等。基于解决这些问题的要求，ＡＰＦ技术近期的研究主要集中在以下二个方面。控制系统的简化和数字化

电力变压器的特点和作用篇5

大家的生活离不开电，那么随处可见的就是人们重要的伙伴，没有了电，生活将寸步难行，因此我们要先了解一下电力变压器的特点：

首先是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。额定容量是它的主要参数。现在较为节能的电力变压器是非晶合金铁心配电变压器，其最大优点是，空载损耗值特低。

其次电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。总之，升压与降压都必须由变压器来完成。在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。利用变压器提高电压，减少了送电损失。

再次变压器是由绕在同一铁芯上的两个或两个以上的线圈绕组组成，绕组之间是通过交变磁场而联系着并按电磁感应原理工作。变压器安装位置应考虑便于运行、检修和运输，同时应选择安全可靠的地方。在使用变压器时必须合理地选用变压器的额定容量。变压器空载运行时，需用较大的无功功率。这些无功功率要由供电系统供给。因此，变压器的额定容量应根据用电负荷的需要进行选择，不宜过大或过小。

电力变压器租赁合同篇6

甲方：（出租方）乙方：（承租方）

根据相关法律法规规定，甲乙双方在平等，自愿的基础上，就乙方租赁甲方电力变压器事宜协商一致达成如下协议：第一条租赁物：名称：电力变压器及其配套附属设施。规格型号：

型号变压器一台及配套设施一套，保证能满足乙方正常用电。第二条租赁起止时间：自电力变压器送电之日起至电力变压器停电终止为退租之日计费终止。

第三条租金计算支付方式：

1租金为每年人民币

元（大写）

支付方式设备安装，调试完毕送电能正常使用后开始计算租期并支付第一年租金，一年期满后再支付第二年租金

元整。

如合同到期后乙方需续租，按本合同继续执行。

4乙方结算时，甲方须提供收款凭证第四条甲方权利及义务：甲方负责提供合格的，满足乙方需要的变压器，协议期间内甲方不得允许其他人使用。甲方负责配电房之外的所有用电设施的安装及拆除并保证乙方直接使用配电柜的供电。

甲方保证乙方施工期间的正常用电，如遇高压线路检修或临时停电应提前通知乙方以免造成乙方不必要的损失。

正常使用中，租赁用电设备突然出现故障，由甲方负责维修或调换。如遇不可抗因素导致断电，物品及配套设施损坏，甲方须24小时内免费维修并保障及时供电，未及时维修给乙方造成损失的，甲方应当赔偿。

乙方租赁甲方变压器所需手续及地方关系的处理由甲方负责并承担相关费用第五条

乙方权利及义务

租赁期间乙方有权对预制表以下的电路进行安装，拆除，且不得向第三方供电。及时缴纳租费。

电费按照国家规定电价向乙方缴纳。

第六条

本合同自双方签字盖章起生效，合同履行完毕即失效，本合同一式两份，甲乙各持一份，具有同等法律效力。

甲

方：

乙

方：

签约代表：

日

期：

日

有源电力滤波器谐波检测方法研究篇7

近年来,随着各种带非线性电路的电力电子装置被广泛应用,其所产生的谐波使公用电网受到了严重的污染,威胁着电网和电气设备的安全运行与正常使用。目前,解决日益严重的谐波污染问题的重要途径是采用有源电力滤波器APF(Active Power Filter)装置。

如何准确、实时地检测谐波分量是决定有源电力滤波器补偿性能的重要环节。目前,已有多种用于谐波检测的方法, 主要有快速傅里叶变换(FFT)处理算法、小波变换法以及基于瞬时无功的p-q和ip-iq方法等[1]。FFT运算量大,实时性不好。小波变换则比较复杂,目前应用不广。而基于瞬时无功的p-q算法和ip-iq 算法唯一的差别在于p-q算法中需要检测三相电压信号,而ip-iq只需用到与A相电网电压同相位的正弦信号和相对应的余弦信号,实现电路简单,延迟少,所以得到广泛应用[2]。在ip-iq算法中需要对有功、无功电流进行低通滤波以得到其相应的直流分量,但是常用低通滤波器LPF(Low Pass Filter)的参数和类型会对算法的检测精度和响应速度产生较大的影响[3],并最终影响有源电力滤波器的谐波补偿性能。

数学形态滤波器是一种非线性滤波器, 在数字图像处理与识别领域应用很广,由于其具有计算量小、速度快、信号处理幅值不偏移、相位不衰减、易于实现等优点,近年来在电力系统中也得到一定的应用[4]。参考文献[5]将数学形态滤波器和低通滤波器进行了对比,证明数学形态滤波器在精度和实时性上都有一定的优势。本文对数学形态学原理进行了研究,构造出非线性的低通形态滤波器,在ip-iq算法的基础上将其应用到谐波检测中,代替常用的数字低通滤波器,并进行仿真对比,验证了改进检测方法的检测效果。

1 谐波检测原理

基于瞬时无功功率理论的ip - iq谐波检测算法原理如图1所示,三相电流ia、ib、ic通过三相至α-β 两相坐标变换得到iα、iβ,将它们在电流合成矢量i和电压合成矢量u及其法线上投影,得到瞬时有功电流ip 和瞬时无功电流iq。经低通滤波器得到ip、iq 的直流分量 $\bar{i_{p}}$ 、 $\bar{i_{q}} ‚$ 再根据两相到三相坐标变换由 $\bar{i_{p}}$ 、 $\bar{i_{q}}$ 得到三相电流基波分量iaf、ibf、icf,通过与原三相电流ia、ib、ic相比较,差值就是三相电流的谐波分量iah、ibh、ich。

A相电压ua通过锁相环PLL和正、余弦函数发生器得到正、余弦信号,然后得到变换矩阵C。

基于瞬时无功理论的谐波检测方法是通过数学变换使负载电流的基波成分转换为直流分量,谐波成分的频率也相应降低,通过低通滤波器使交、直流分量分离。低通滤波器的存在,使检测延时达到一个电源周期,其性能的好坏将直接影响检测方法的检测效果,进而影响了APF的补偿性能。参考文献[6]对常用的数字滤波器Butterworth、Chebychew、Bessel等进行仿真研究,结果发现,同样阶次的滤波器,当截止频率较低时,Butterworth的检测精度最高。但是常用的数字低通滤波器很难在滤波效果和实时性两方面同时兼顾[5],因此,改进措施之一就是设计选择更合适的检测滤波器。

2 谐波检测的改进措施

针对上述情况,本文对常用的谐波检测方法进行了改进,对数学形态学原理进行了研究,构造出非线性的低通形态滤波器,替代ip-iq算法中常用的低通滤波器。数学形态滤波器的基本思想是利用作为“探针”的结构元素对信号进行“探测”,保留信号的主要形状,删除不相干形状。形态滤波器采用的计算主要为布尔运算和少量的加减运算,计算时间少,易于实现,具有更快的动态响应时间。

3 形态滤波器原理

数学形态学是一种在时域内进行的非线性信号处理和分析的工具。基于数学形态学的形态滤波器,利用结构元素在信号中不断移动,考察信号各部分之间的相互关系,提取有用特征。其基本运算包括膨胀、腐蚀以及由此引出的开、闭运算等。电力信号一般为一维,以下给出一维信号的数学形态变换。

设待处理信号f(n)是定义域在D[f]={0,1,2,…,N}上的离散函数,s(x)为结构元素序列,其定义域为D[s]={0,1,2,…,P},且N ≥ P。用结构元素s(x)对信号f (n)进行膨胀和腐蚀运算:

(fΘs)(n)=min{f(n+x)-s(x):x∈D[s]} (1)

(f⊕s)(n)=max{f(n-x)+s(x):x∈D[s]} (2)

式中:Θ为腐蚀运算;⊕为膨胀运算;n=1,2,…,N。

膨胀运算是一个扩张过程,增大(添满)了谷值且增大了序列的最大值;作为对偶,不难理解腐蚀运算是一种收缩变换,减小了(平滑)峰值并且增大了序列的最小值。膨胀和腐蚀运算是不可逆运算,它们都对信号进行了初步的平滑处理,在式(1)、式(2)定义的基础上又定义了形态开、闭运算。开运算定义为先对信号序列进行腐蚀变换然后再进行膨胀变换,闭运算刚好相反。两者的表达式为

$\begin{array}{l} (f ˚ s) (n) = [(f Θ s) \oplus s] (n) (3) \\ (f \cdot s) (n) = [(f \oplus s) Θ s] (n) (4) \end{array}$

开、闭运算都具有低通滤波器的特性,开运算可以抑制信号中的峰值噪声, 而闭运算可以抑制信号中的低谷噪声,为了同时去除信号中的正、负2种噪声,往往采用开运算、闭运算的级联形式。为此,在式(3)、式(4)的基础上,Maragos采用相同的结构元素定义了形态开-闭和闭-开的级联形式滤波器,如式(5)、式(6)所示:

$\begin{array}{l} Ο c (f (n)) = (f ˚ s \cdot s) (n) (5) \\ C o (f (n)) = (f \cdot s ˚ s) (n) (6) \end{array}$

4 形态滤波器设计

形态滤波器的设计主要包括滤波器算法构建和结构元素选取。

(1) 算法构建

式(5)、式(6)中的一系列形态变换均采用同一结构元素。由于采用同一结构元素对信号进行开或闭运算后,信号几何特征已经发生改变,这必然导致这个结构元素在后续形态运算中的匹配程度有所下降,而使运算效果减弱,影响到低通滤波的效果。并且开运算的扩张性和闭运算的反扩张性(收缩性),使开-闭和闭-开滤波器均存在统计偏倚现象,即经开-闭滤波后的信号输出幅度偏小,相反经闭-开滤波后的信号输出幅度偏大,单独使用上述2种滤波器均不能取得理想的滤波效果。综合考虑上述因素,设计了如下形态滤波器:

$\begin{array}{l} Ο c^{'} (f (n)) = (f ˚ s_{1} \cdot s_{2}) (n) (7) \\ C o^{'} (f (n)) = (f \cdot s_{1} ˚ s_{2}) (n) (8) \end{array}$

式中:s1、s2为结构元素,且s1⊆s2,由于结构元素s2的长度大于s1,故后继运算的匹配程度有所提高,滤波效果得以改善。为了解决统计偏倚现象,本文采用广义开-闭和广义闭-开2种滤波器平均组合形式,即:

$Y (n) = {Ο c^{'} (f (n)) + C o^{'} (f (n))} / 2 (9)$

(2) 结构元素选取

在ip - iq算法中直流分量是要被提取出来的,交流分量要被滤除,因此,需要根据要处理的信号特征,选取合适的结构元素。常用的结构元素有直线、曲线(如二次、三次曲线)、圆形、三角形和其它多边形,或者上述图形的组合。结构元素应尽量接近滤波后信号的形状,按照这一原则,考虑到直流分量是需要提取出来的,因此,选用直线形结构元素。3次谐波对检测精度影响较大(一般不考虑偶次谐波), 主要是因为3次谐波的周期T最大, 变换后周期为0.01 s, 由形态运算特性可得,要想消去波峰和填充波谷,只需结构元素的长度超过波峰和波谷的宽度即可。因此,结构元素的的长度必须大于50个采样点(采样频率为10 kHz),结构元素的长度决定滤波效果,本文综合考虑滤波效果和计算时间将结构元素s1长度取为55,s2长度取为60。对于直线形结构元素,不同的结构元素值对滤波后信号会产生一个直流偏移量,为了减少形态运算的计算量并减少偏移量,结构元素的值选择为0。

5 仿真实验结果及分析

为了验证改进的谐波检测方法,利用Matlab7.9/Simulink对系统进行仿真。图2为三相负载电流经过图1所示检测方法得到的瞬时有功电流ip和无功电流iq的波形。然后需要经过低通滤波器得到ip和iq的直流分量 $\bar{i_{p}}$ 和 $\bar{i_{q}}$ ,图3(a)为谐波电流检测中常用的Butterworth的滤波效果,滤波器的截止频率一般取为40 Hz,由图可见采用这种方法,系统延时至少超过10 ms,影响了谐波检测方法的实时性。图3(b)为采用形态滤波器滤波得到的 $\bar{i_{p}}$ 和 $\bar{i_{q}}$ 波形,由图可见系统延时不超过5 ms,且滤波效果良好,能够满足APF谐波电流快速检测的要求。图4进一步对2种方法检测出的基波信号进行比较,其中曲线1是经过形态滤波器滤波得到的 $\bar{i_{p}}$ 和 $\bar{i_{q}}$ ,通过逆变换得到的基波信号;曲线2是经Butterworth滤波得到的 $\bar{i_{p}}$ 和 $\bar{i_{q}}$ 。通过逆变换得到的基波信号。图5为2种方法检测出的谐波信号对比,其中曲线1为本文提出的改进检测方法的检测结果,即使用形态滤波器替代常用滤波器后的检测结果,曲线2为常用谐波检测方法的检测结果。从图4和图5可看出,本文提出的谐波检测改进方法,在实时性方面要明显优于常用检测方法,具有一定的参考、实用价值。

6 结语

APF能够高性能补偿谐波的前提条件是谐波检测方法必须要检测精度高、实时性好,但是常用的低通滤波器对检测方法的动态响应速度却造成很大的影响。改进的谐波检测方法采用形态滤波器代替常用的低通滤波器,原理简单,物理意义清晰。仿真结果表明,在保证检测精度的情况下,该改进方法的实时性要明显好于现在常用的谐波检测方法,具有一定的参考、实用价值。

参考文献

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电力变压器有源降噪方法的研究篇8

关键词：变压器振动橡胶隔振器噪声

一、变压器振动和噪声的传播途径

1.变压器振动和噪声产生机理

变压器在运行中矽钢片组将因交变电流的电磁激励和负荷的变化产生磁致伸缩，磁致伸缩使铁芯随着激磁频率和变化产生周期性的振动，铁芯振动通过变压器的钢架底脚传至支承的基础，并通过基础向四周传播。

2.变压器振动和噪声传播途径

变压器的振动对办公楼或居住楼内环境的影响将不可忽视。一是办公楼或居住楼的内环境对噪声振动控制有较高的要求；二是变压器安装在建筑物的结构上如地下室的楼板上，楼层结构的刚度低，变压器的振动易引起建筑结构的微振动并产生二次结构噪声；三是沿变压器底脚—基础—建筑结构传递的固体噪声影响问题。因此对变压器应采取必要的隔振措施，即把变压器安装在弹性支承也就是隔振器上。

二、隔振器的选择

选用橡胶隔振器。因为橡胶隔振器的尺寸比金属隔振器的尺寸小得多，同时橡胶隔振器的多向隔振效果好，而金属隔振器只是单向隔振效果好。橡胶隔振器唯一的缺点是性能易受温度影响，寿命较短。此外，在橡胶减振器使用一段时间后，应检查它是否老化使弹性变坏，如果已损坏应及时更换。

如干式变压器的质量是3.57吨，选用上海青浦变压器厂的JSD-1300隔振器，能承重1300kN，使用四个JSD-1300隔振器对称布置。

JSD型橡胶隔振器由金属件及橡胶体黏结而成，其弹性体采用轴对称环状剪切型结构，轴向承受额定载荷从10～1280kg，阻尼比大于0.05。该隔振器外形美观，结构紧凑，与同类型相规格隔振器相比结构尺寸小、重量轻，安装更换方便，工作安全可靠，能在-5℃～+50℃范围内保持正常工作。

三、橡胶隔振器安装使用注意事项

一是隔振器作为支撑点应对称于隔振体系重心布置，以防止产生振动耦合。

二是使用隔振器应以竖向压缩力为主。严禁拉伸受力或水平方向（切向）受力过大，致使隔振器损坏失效。

三是隔振体系安装地面基础要求承载能力为隔振体系重量2～3倍即可。安装隔振器的地面基础应有高于地面5～10cm的平台，以避免隔振器受水油等侵蚀。

四是在隔振体系与地面之间采取隔振器弹性支撑时，其他与外界连接的部位也应采取隔振方式，不得有其他刚性支撑或刚性连接形式。

五是在运输、安装、使用过程中，严禁在隔振器内插入、漏入任何异物，在内外橡胶面上均不得受割、刺等破坏。

六是在隔振器安装后应检查隔振器是否水平，隔振器压缩变形是否一致。如水平和变形偏差较大（视具体情况而定），应及时移动隔振器位置，使隔振器承受载荷均匀，隔振体系平稳。

七是在隔振器安装后是否需要固定，应视情况而定。当设备重心较低、隔振器布点均匀、压缩变形量一致、设备运行平稳振幅小并且其运行时产生的作用力或反作用力不会引起设备自身的移动时，可不用固定隔振器。