一种用于对单相油浸式变压器噪声进行预估的系统及方法与流程

本发明涉及噪声预估领域，更具体地，涉及一种用于对单相油浸式变压器噪声进行预估的系统及方法。

背景技术：

随着城市的快速发展尤其是人民群众生活水平的提高，人均用电量大幅上升，用电需求呈逐年快速上升的态势，电力供应日益紧缺，变电站建设数量需求逐年增加。而城市人口密集地区其实就是负荷极高的地区，因此多数变电站的选址必须深入负荷中心，从而导致居民生活区、学校、医院等环境敏感区噪声值超标，严重影响了周边居民的工作和生活。变电站运行噪声对周边环境的影响就成为日益严重的环境问题。

电力变压器是变电站的主要噪声源，从产品设计、生产出厂、招标采购、规划设计及安装，直至投入运行各个环节均应考虑变压器的辐射噪声限值。此外对既有变电站噪声控制及治理同样需要对变压器的噪声进行预估和测试。现有技术没有对变压器噪声进行预估的系统或方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种系统，用于对单相油浸式变压器的噪声进行预估，该系统包括：

变压器构件有限元单元，根据单相油浸式变压器的铁芯参数、绕组参数以及箱体参数，确定与固体相关的固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S；

流体声学有限元单元，根据箱体外部空气参数和变压器内部流体场的 油体参数，建立流体声学有限元方程，而获得与流体相关的声学参数，其中将变压器内部封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元；

固体和流体耦合单元，建立固体和流体的耦合接触面，以进行固体和流体之间的力传导，根据固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程以及根据声学参数建立耦合后的流体声学方程，将所述耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程和耦合后的流体声学方程进行合并运算，从而建立固体和流体耦合动力方程；

测试单元，所述测试单元包括光纤加速度计、采集仪和声级计，所述测试单元安装在所述铁芯和绕组的外侧，所述光纤加速度计用于测试所述变压器构件有限元单元的铁芯、绕组以及箱体表面的振动参数，所述声级计用于测量所述箱体外部的声压级；

电磁激励模拟输入单元，在所述电磁激励模拟输入单元中施加固体结构多种谐波分量的激励向量；

数据修正单元，将所述固体和流体耦合动力方程作为预估模型，利用声学模态和差值计算耦合动力方程以得到敏感点的声压；所述预估模型通过所述光纤测试单元中所述光纤加速度计和所述声级计测试的数据进行参数修正，以提高所述预估模型的精确度。

优选地，所述流体声学有限元方程为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}＝{F_fi}，

式中K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量，j为复数表示，ω为圆频率。

优选地，所述流体声学有限元模型将封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元，根据公式计算所述小声场单元长度L：

式中c为声音在液体介质中的传授速度，f_max为计算模型的关心频率最大值。

优选地，所述箱体外部空气参数基于所述油箱外表面的最长边二分之一长度范围内空气流体。

优选地，所述建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程为：

(K_s+jωC_s-ω²μM_s)·{u_i}+K_c{p_i}＝{F_si}，

式中，K_s为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，C_s为接触面阻尼矩阵，M_s为所述绕组和所述铁芯的组合质量矩阵，K_c为耦合刚度矩阵；F_si为荷载激励向量，μ为变压器所述绕组和所述铁芯的质量比，u_i为结构单元位移，p_i为第i小声场单元的声压，j为复数表示，ω为圆频率。

优选地，所述建立耦合后的流体声学方程包括：所述绕组和所述铁芯结构振动速度可以作为声压的附加速度输入，流体声学方程变为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}-ω²M_c{u_i}＝{F_fi}，

K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量，j为复数表示，ω为圆频率，w²为圆频率平方，M_c为耦合质量矩阵，u_i为结构单元位移。

优选地，所述建立固体和流体耦合动力方程为：

式中p₀为流体初始声压，Ks为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，K_f为声学刚度矩阵，Kc为耦合刚度矩阵，j为复数表示，w为圆频率，Cs为接触面阻尼矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，w²为圆频率平方，u为变压器所述绕组和所述铁芯的质量比，Ms为所述绕组和所述铁芯的组合质量矩阵，M_c为耦合质量矩阵，M_f为声学质量矩阵，u_i为结构单元位移，p_i为第i流体微元 体的声压，F_si为荷载激励向量，F_fi为声学激励向量。

优选地，所述测试单元，同时采用声级计测试变压器外部A计权声压级。

优选地，在所述电磁激励模拟输入模型中施加固体结构多种谐波分量的激励向量为：

式中F_si为荷载激励向量，n为选取的倍频次数，m为单元质量，f_50n为谐波频率，t为时间，∑A_50n为谐波分量幅值。

优选地，用于对单相油浸式变压器噪声进行预估，该方法包括：

建立变压器构件有限元单元，根据单相油浸式变压器的铁芯参数、绕组参数以及箱体参数，确定与固体相关的固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_s以及质量矩阵M_S；

建立流体声学有限元单元，根据箱体外部空气参数和变压器内部流体场的油体参数，建立流体声学有限元方程，而获得与流体相关的声学参数，其中将变压器内部封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元；

建立固体和流体耦合单元，建立固体和流体的耦合接触面，以进行固体和流体之间的力传导，根据固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程以及根据声学参数建立耦合后的流体声学方程，将所述耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程和耦合后的流体声学方程进行合并运算，从而建立固体和流体耦合动力方程；

建立测试单元，所述测试单元包括光纤加速度计、采集仪和声级计，所述测试单元安装在所述铁芯和绕组的外侧，所述光纤加速度计用于测试所述变压器构件有限元单元的铁芯、绕组以及箱体表面的振动参数，所述声级计用于测量所述箱体外部的声压级；

建立电磁激励模拟输入单元，在所述电磁激励模拟输入单元中施加固体单元多种谐波分量的激励向量；

建立数据修正单元，将所述固体和流体耦合动力方程作为预估模型，利用声学模态和差值计算耦合动力方程以得到敏感点的声压；所述预估模型通过所述测试单元中所述光纤加速度计和所述声级计测试的数据进行参数修正，以提高所述预估模型的精确度。

本发明为一种单相油浸式变压器噪声预估系统及方法。使用本发明可以建立单相油浸式变压器噪声预估系统，分析得到变压器内外部辐射声场的分布，准确预估变压器的辐射噪声，从而为新建变电站噪声设计及降噪技术应用提供精准的预估结果。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的噪声预估系统的结构示意图；以及

图2为根据本发明实施方式的噪声预估方法的流程示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的噪声预估系统的结构示意图。本发明为一种单相油浸式变压器噪声预估系统，用于预估单相油浸式变压器噪声，分析得到变压器内外部辐射声场的分布，准确预估变压器的辐射噪声。油浸式变压器主要由铁芯、夹件、绕组、油体、箱体及内外部多种附属部件 组成。变压器噪声主要由铁芯的磁致伸缩及绕组电动力引起，通过变压器油体的耦合传播至箱体，进而产生外部箱体的辐射噪声。本发明基于固体和流体耦合传播理论，建立了声场在固体及流体间的耦合方程，使用声学有限元的方法得到变压器内外部各单元节点的声压值，经插值计算得到所有敏感点的准确辐射噪声，计算所需参数可利于光纤传感技术在变压器绕组、铁芯及油箱壁上安装光纤加速度传感器计测得，变压器辐射噪声采用声级计测得，最终通过模型修正得到准确的单相油浸式变压器噪声预估系统，从而为新建变电站噪声设计及降噪技术应用提供精准的预估结果。

如图1所示，用于对单相油浸式变压器的噪声进行预估的系统包括：变压器构件有限元单元101、2流体声学有限元单元102、3固体和流体耦合单元103、4测试单元104、5电磁激励模拟输入单元105以及6数据修正单元106。本发明的系统可以得到准确的油浸式变压器噪声预估值。

优选地，变压器构件有限元单元101，根据单相油浸式变压器的铁芯参数、绕组参数以及箱体参数，确定与固体相关的固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S。单相油浸式变压器主要由铁芯、夹件、油体、箱体及内外部多种附属构件组成。在建立变压器构件有限元单元时可忽略内部走线、开关、小套管等附属部件，将变压器构件单元简化，固体单元确定为铁芯、绕组和箱体三个构件，划分为有限元单元，确定固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S。

优选地，流体声学有限元单元102，根据箱体外部空气参数和变压器内部流体场的油体参数，建立流体声学有限元方程，而获得与流体相关的声学参数，其中将变压器内部封闭空间中的流体声场离散成一定数量的小声场单元。本发明根据根据声学Helmholtz波动方程，将封闭空间中的声场离散成一定数量的小声场单元。通过形函数和边界条件差值计算得到所有场点的声压分布。流体声学有限元方程可转化为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}＝{F_fi}，

式中K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量；j为复数表示，ω为圆频 率。本发明采用声学模态法求解流体声学有限元方程。优选地，箱体外部空气参数基于所述油箱外表面的最长边二分之一长度范围内空气流体。优选地，流体声学有限元模型将封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元，根据公式计算所述小声场单元长度L：

式中c为声音在液体介质中的传授速度，f_max为计算模型的关心频率最大值，本发明在计算过程中，选取输入的声音参数会有各种频率，并且范围很广，本发明在计算过程中，选取关心频率范围为50Hz至2000Hz，优选地，关心频率选取范围集中接近1000Hz。

优选地，固体和流体耦合单元103，建立固体和流体的耦合接触面，以进行固体和流体之间的力传导。在耦合边界处，固体表面法线方向的振动速度与流体的振动速度相等，声音作用在内部铁心绕组等固体结构上的声压荷载可作为附加的法向面荷载，建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程为：

(K_s+jωC_s-ω²μM_s)·{u_i}+K_c{p_i}＝{F_si}，

式中，K_s为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，C_s为接触面阻尼矩阵，M_s为绕组和铁芯的组合质量矩阵，K_c为耦合刚度矩阵；F_si为荷载激励向量，μ为变压器绕组和铁芯的质量比，u_i为结构单元位移，p_i为第i小声场单元的声压，j为复数表示，ω为圆频率。

优选地，绕组和铁芯的振动速度作为声压的附加速度输入，流体声学方程变为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}-ω²M_c{u_i}＝{F_fi}，

K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量，j为复数表示，ω为圆频率，w²为圆频率平方，M_c为耦合质量矩阵，u_i为结构单元位移。

将耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程和耦合后的流体声学方程进行合并运算，从而建立固体和流体耦合动力方程为：

式中p₀为流体初始声压，Ks为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，K_f为声学刚度矩阵，Kc为耦合刚度矩阵，j为复数表示，ω为圆频率，Cs为接触面阻尼矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，w²为圆频率平方，u为变压器所述绕组和所述铁芯的质量比，Ms为所述绕组和所述铁芯的组合质量矩阵，M_c为耦合质量矩阵，M_f为声学质量矩阵，u_i为结构单元位移，p_i为第i流体微元体的声压，F_si为荷载激励向量，F_fi为声学激励向量。

优选地，测试单元104，测试单元包括光纤加速度计、光纤采集仪和声级计，测试单元安装在铁芯和绕组的外侧，光纤加速度计、和光纤采集仪相配合使用，用于测试变压器构件有限元单元的铁芯、绕组以及箱体表面的振动参数，声级计用于测量所述箱体外部的声压级，本发明中，声压级主要用于测量变压器附近区域的环境噪声。本发明实施例选取的测试环境为安静的环境，声压计输入参数为0。

优选地，电磁激励模拟输入单元105，在电磁激励模拟输入单元中施加固体结构多种谐波分量的激励向量。变压器噪声主要由铁芯硅钢片的磁致伸缩及负载电流引起的绕组振动所产生，本发明为了简化电磁激振，在单相油浸式变压器的噪声预估系统中施加固体结构多种谐波分量的激励向量为：

式中F_si为荷载激励向量，n为选取的倍频次数， m为单元质量，f_50n为谐波频率，t为时间，ΣA_50n为谐波分量幅值。

本发明实施例选取的测试环境为安静的环境，声压计输入参数为0。声学激励向量F_fi为0。

优选地，数据修正单元106，将固体和流体耦合动力方程作为预估模型，利用声学模态和差值计算耦合动力方程以得到敏感点的声压。预估模型通过光纤测试单元中所述光纤加速度计和所述声级计测试的数据进行参数修正，以提高所述预估模型的精确度。

图2为根据本发明的又一实施例，本发明提供一种预估方法，用于对单相油浸式变压器噪声进行预估，该方法包括：

在步骤201，建立变压器构件有限元单元，根据单相油浸式变压器的铁芯参数、绕组参数以及箱体参数，确定与固体相关的固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_s以及质量矩阵M_S；

在步骤202，建立流体声学有限元单元，根据箱体外部空气参数和变压器内部流体场的油体参数，建立流体声学有限元方程，而获得与流体相关的声学参数，其中将变压器内部封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元；

在步骤203，建立固体和流体耦合单元，建立固体和流体的耦合接触面，以进行固体和流体之间的力传导，根据固体单元刚度矩阵K_S、阻尼矩阵C_S以及质量矩阵M_S建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程以及根据声学参数建立耦合后的流体声学方程，将所述耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程和耦合后的流体声学方程进行合并运算，从而建立固体和流体耦合动力方程；

在步骤204，建立测试单元，所述测试单元包括光纤加速度计、采集仪和声级计，所述测试单元安装在所述铁芯和绕组的外侧，所述光纤加速度计用于测试所述变压器构件有限元单元的铁芯、绕组以及箱体表面的振动参数，所述声级计用于测量所述箱体外部的声压级；

在步骤205，建立电磁激励模拟输入单元，在所述电磁激励模拟输入单元中施加固体单元多种谐波分量的激励向量；

在步骤206，建立数据修正单元，将所述固体和流体耦合动力方程作为预估模型，利用声学模态和差值计算耦合动力方程以得到敏感点的声压；所述预估模型通过所述测试单元中所述光纤加速度计和所述声级计测试的数据进行参数修正，以提高所述预估模型的精确度。

优选地，所述流体声学有限元方程为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}＝{F_fi}，

式中K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量，j为复数表示，ω为圆频率。

优选地，所述流体声学有限元模型将封闭空间中的声场离散成多于一个的小声场单元，根据公式计算所述小声场单元长度L：

式中c为声音在液体介质中的传授速度，f_max为计算模型的关心频率最大值。

优选地，所述箱体外部空气参数基于所述油箱外表面的最长边二分之一长度范围内空气流体。

优选地，所述建立耦合后的固体变压器构件有限元的动力学方程为：

(K_s+jωC_s-ω²μM_s)·{u_i}+K_c{p_i}＝{F_si}，

式中，K_s为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，C_s为接触面阻尼矩阵，M_s为所述绕组和所述铁芯的组合质量矩阵，K_c为耦合刚度矩阵；F_si为荷载激励向量，μ为变压器所述绕组和所述铁芯的质量比，u_i为结构单元位移，p_i为第i小声场单元的声压，j为复数表示，ω为圆频率。

优选地，所述建立耦合后的流体声学方程包括：所述绕组和所述铁芯结构振动速度可以作为声压的附加速度输入，流体声学方程变为：

(K_f+jωC_f-ω²M_f)·{p_i}-ω²M_c{u_i}＝{F_fi}，

K_f为声学刚度矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，M_f为声学质量矩阵；p_i为第i小声场单元的声压，F_fi为声学激励向量，j为复数表示，ω为圆频率，w²为圆频率平方，M_c为耦合质量矩阵，u_i为结构单元位移。

优选地，所述建立固体和流体耦合动力方程为：

式中p₀为流体初始声压，Ks为所述绕组和所述铁芯的刚度矩阵，K_f为声学刚度矩阵，Kc为耦合刚度矩阵，j为复数表示，w为圆频率，Cs为接触面阻尼矩阵，C_f为声学阻尼矩阵，w²为圆频率平方，u为变压器所述绕组和所述铁芯的质量比，Ms为所述绕组和所述铁芯的组合质量矩阵，M_c为耦合质量矩阵，M_f为声学质量矩阵，u_i为结构单元位移，p_i为第i流体微元体的声压，F_si为荷载激励向量，F_fi为声学激励向量。

优选地，所述测试单元，同时采用声级计测试变压器外部A计权声压级。

优选地，在所述电磁激励模拟输入模型中施加固体结构多种谐波分量的激励向量为：

式中F_si为荷载激励向量，n为选取的倍频次数，m为单元质量，f_50n为谐波频率，t为时间，∑A_50n为谐波分量幅值。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他 的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。