基于直流偏磁影響下變壓器本體振動與噪聲的在線監(jiān)測

馬 海 周力行

（長沙理工大學，長沙 410114）

由于我國“西電東送”的電源與負荷中心相距較遠，在今后的若干年，將是我國直流輸電工程大量建設(shè)的時期。然而出于經(jīng)濟性考慮或者檢修、調(diào)試需要，高壓直流輸電（HVDC）會較多地采用單極大地回流的運行方式，高達上千安培電流入地。大部分直流線路的落點選在廣東、江浙和華北等負荷集中地區(qū)，而這些地方交流輸電網(wǎng)絡(luò)密集，如果不采取措施，直流以大地為回路運行時將會對交流系統(tǒng)造成更大影響。

原因是直流輸電系統(tǒng)有時必須以大地為回路運行，此時地中直流電流通過中性點接地變壓器繞組和輸電線路在交流系統(tǒng)中構(gòu)成回路，從而有直流電流流過變壓器，過大的直流會造成變壓器偏磁。當電力變壓器發(fā)生直流偏磁時，由于勵磁電流幅值和諧波分量的增加，所在電力系統(tǒng)電能質(zhì)量將受到一定的影響，整個系統(tǒng)的無功消耗也將出現(xiàn)不同程度的增加。而長時間的大量無功損失會使得系統(tǒng)電壓出現(xiàn)跌落，無功補償裝置過負荷，嚴重時還有可能引發(fā)保護性跳閘，造成系統(tǒng)電壓崩潰。與此同時，在電力變壓器內(nèi)部，大量磁鏈在過飽和的鐵心外閉合，變壓器本身會出現(xiàn)振動加劇、噪聲升高、局部過熱甚至絕緣受損等現(xiàn)象[1-2]。如2003年12月起，大亞灣核電站主變不時出現(xiàn)噪聲異常情況，通過與調(diào)試負荷情況進行跟蹤和對比分析，發(fā)現(xiàn)主變噪聲增大與地中回路電流之間存在著明顯相關(guān)性[3]。

因此，為了能給出變壓器直流偏磁電流耐受值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，就必須對直流偏磁下變壓器的噪聲和振動進行在線監(jiān)測，用來監(jiān)測變壓器中性點流過的直流電流和變壓器的振動情況，以便及時反映變壓器受到的直流偏磁影響情況，保護變壓器安全運行。本文所引述的監(jiān)測系統(tǒng)具有測試頻帶寬、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，可適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境，甚至可以在 120℃的高溫條件下進行工作，并可連續(xù)示波和采集，可進行三維采樣，即同時進行示波、采樣和實時頻譜分析。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

本文所引用的變壓器振動與噪聲實時監(jiān)測系統(tǒng)由前置部分的信號采集模塊與后臺處理部分模塊所組成（圖1）。前置機由振動傳感器與噪聲探頭組成，采得的實時信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集和濾波，形成數(shù)字信號由后臺計算機進行顯示、儲存和分析。該系統(tǒng)選用了靈敏度高、穩(wěn)定性高、工頻范圍寬、外形靈巧并能適用于強磁場環(huán)境下進行測量的加速度振動傳感器測量振動[4]。傳感器的頻率范圍大約是 0.2Hz～1.5kHz，靈敏度為100pc/ms2，加速度范圍大概為200G，工作溫度適用于常溫；它通過磁力座吸附在變壓器壁上，與噪聲傳感器類似，將瞬時振動加速度信號和瞬時聲壓信號成正比關(guān)系轉(zhuǎn)換為電壓信號，再利用數(shù)據(jù)采集儀與數(shù)值濾波技術(shù)，通過計算機控制實現(xiàn)對振動和噪聲數(shù)據(jù)的采集和分析。將現(xiàn)場的工控機與主控室的主機進行聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)支持長時間大容量定時自動采樣，可自由設(shè)置采樣間隔和采樣長度，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測功能（圖2）。并且設(shè)置了原始文件保存的閾值，可自動剔除不重要的測試數(shù)據(jù)，大大減小了數(shù)據(jù)量。此外還可以進行時域波形的分析，瀏覽時也可滾動回放，應(yīng)用4種方式快速定位到波形任何位置，同時針對各個測點的全程波形進行若干種時域指標的統(tǒng)計頻譜分析，并對采集到的原始數(shù)據(jù)文件進行 FFT分析。

圖2 信號采集系統(tǒng)顯示界面

2 監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測原理

基于直流偏磁對變壓器噪聲的影響和變壓器本體振動與噪聲間的關(guān)系[2-5]，本方案是通過測量變壓器油箱表面的振動信號來反映出變壓器繞組及鐵心的狀況，這是由于變壓器繞組及鐵心的振動與繞組、鐵心的壓緊狀況，繞組的位移和變形密切相關(guān)[6]?；蛘咭部梢酝ㄟ^在電力變壓器表面進行瞬時聲壓測量來實現(xiàn)對電力變壓器運行狀態(tài)的監(jiān)測。

本方案還能及時反映出直流偏磁給變壓器運行帶來的影響。其機理是直流磁通分量使得鐵心勵磁工作點在半個周期進入勵磁特性曲線的飽和區(qū)間，造成鐵心高度飽和。進而導致變壓器勵磁電流峰值急劇增加以至整個電流波形的嚴重畸變，比平均磁通相對應(yīng)的電流大幾十倍甚至幾百倍。因此勵磁電流諧波分量增大，導致漏磁通增加，匝間電動力變強，最終導致變壓器振動增大，噪聲增大。假若長期連續(xù)的過大振動以及由于漏磁增加導致的局部機件的過熱，可能對變壓器的緊固件等產(chǎn)生不利影響[7]。

2.2 監(jiān)測方案

1）傳感器和測點的選擇

首先本文選擇的是壓電晶體加速度傳感器與聲壓探頭，具有性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)特性好等特點，并能適用于復雜的現(xiàn)場環(huán)境。然后是對于測點的選擇，應(yīng)在實際的監(jiān)測前通過不斷的嘗試，選擇那些可以清楚地反映出變壓器器身振動幅值的變化，具有非常清晰的頻譜的測點進行傳感器的安裝。同時，在變壓器側(cè)面約中點處布置噪聲傳感器，因為這面截面積最大，相應(yīng)的噪聲測量起來也最為明顯。所以，本方案選擇了8個位置不同的測點（圖3）。

圖3 探究性監(jiān)測布點位置示意圖

點1布置在變壓器長度方向表面箱壁的正中間，可直接反映出變壓器內(nèi)部振動。

點2布置在突出殼體上，與1對比有更大振幅，可反映殼體對振動幅值和頻譜的影響。

點3與點1的監(jiān)測結(jié)果進行對比，觀察變壓器本體振動對表面不同位置的影響。

點4布置在變壓器的下部，部分地反映出變壓器箱體上部上下方向的振動。

點5布置在變壓器中上部，部分反映變壓器箱體上部上下方向的振動情況，相比于點4，變壓器上部受振動沖擊的響應(yīng)幅度要大于變壓器下部。

點6布置在變壓器寬度方向平面上突出的殼體上，考查該方向上箱體表面的振動，用來反映另外一個方向變壓器本體振動。

點7考查該平面上非殼體部分的振動，考察殼體對于振動的影響，也可形成類似點1和點2類似的對比。

點8布置在冷卻系統(tǒng)上，用來考察冷卻系統(tǒng)的振動頻率。

2）監(jiān)測步驟

在確定傳感器位置后，進行3～10天的無直流偏磁條件下的振動與噪聲的監(jiān)測，得到無直流偏磁條件下變壓器振動波峰的最大值和最小值，了解鐵心引起的振動范圍的上限，以及繞組和鐵心振動疊加后引起的上限，為故障時的判斷打下良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。不過在線監(jiān)測時不建議大量采樣，以避免數(shù)據(jù)處理時速度過慢和不易處理的情況。所以建議每3～5min采樣一次，每次采樣時間為0.2s，盡量縮小長度。然而又考慮到變壓器出現(xiàn)故障的表現(xiàn)為振動增大，結(jié)合國外采用的20%變化判斷準則[8]，設(shè)定每路信號常規(guī)監(jiān)測最大值的120%為數(shù)據(jù)采樣的閾值。再通過一段較長時間的監(jiān)測，就可確定測點振動的波峰最大值最小值，以及各次頻譜的基本信息。

3 信號的采集與分析

在湖南衡陽變壓器廠開展了240MVA/500kV大型電力變壓器的直流偏磁試驗，對不同直流偏磁電流作用下的噪聲、振動進行了全面的波形的在線監(jiān)測。為盡可能真實的反應(yīng)出頻譜圖，設(shè)定了高采樣頻率，但由于篇幅所限，下面例舉了其中3個測點的波形圖，都由時域圖和頻域圖組成見下圖 4，測量參數(shù)為振動加速度a，單位m/s2。

3.1 常規(guī)條件下振動波形監(jiān)測

圖4 其中3個測點振動時域波形與頻譜分析

在測點1，油箱壁振動的時域波形清晰穩(wěn)定且表現(xiàn)出了非常明顯的周期性。峰值在10m/s2左右，油箱壁振動頻譜基本集中在 1kHz以內(nèi)，在 200～500Hz的頻率范圍內(nèi)最為明顯，而1kHz以上的高頻分量則基本可以忽略。

測點2振動峰值接近25m/s2，明顯大于緊貼在油箱壁上的測點1的振動幅值，而波形也更加規(guī)律而穩(wěn)定，在400Hz的頻率上幅值占有絕對的優(yōu)勢。

測點3與測點1距離很近，但是在頻譜上還是有了一定的變化，300Hz突出出來，但1kHz的頻帶范圍仍然符合的很好。

測點4測量變壓器本體上下方向的振動。從所得波形看，上下方向振動幅值與點1監(jiān)測結(jié)果類似，峰值在5m/s2左右，以50Hz的頻率為主。反映出了變壓器殼體的復雜結(jié)構(gòu)對于油箱壁的振動形式存在著影響。

測點5仍是50Hz為主，但幅值較點4小很多，受箱體表面機械結(jié)構(gòu)影響較大。

測點6頻譜在150～400Hz頻段內(nèi)集中了很多。這個是另外一個方向的振動情況。幅值上也相應(yīng)增大了些。但明顯不規(guī)律了很多，說明不同位置在反映變壓器本體振動時受與鐵心及繞組距離和箱體表面的接卸結(jié)構(gòu)有關(guān)。

測點7反映出殼體的振動波形規(guī)律性更為明顯，且頻譜相對集中度較高，大概在400Hz左右，而這部分的振動對于噪聲的貢獻也最大。

測點8為冷卻裝置的振動波形，振動幅值在7m/s2左右，50Hz基頻對應(yīng)的幅值占據(jù)絕對優(yōu)勢。

噪聲的頻譜與振動頻譜在頻率范圍內(nèi)有很好的契合，明確了振動與由其引發(fā)的噪聲在頻率上的對應(yīng)關(guān)系。另外，測點1和測點2的振動位置對噪聲的貢獻最大，這在400Hz附近的頻率范圍內(nèi)反映非常明顯。

3.2 直流偏磁條件下振動波形監(jiān)測

本文以測點3為例，對比其在有無直流偏磁情況下的波形圖。圖5左邊是無直流偏磁時振動時域及頻譜曲線，沒有直流偏磁時，波形相對規(guī)律、平緩，上下對稱性好。

圖5右邊是直流偏磁出現(xiàn)時，波形變得雜亂，且受變壓器結(jié)構(gòu)影響較大，上下波形出現(xiàn)了明顯的不對稱。而且高頻分量大幅增加，500～1000Hz諧波有均勻而穩(wěn)定的增大，甚至在原本可以忽略的1～1.5kHz的頻段也出現(xiàn)了相應(yīng)的高次諧波。

圖5 有無直流偏磁時振動時域及頻譜曲線

并且隨著流入交流變壓器中性點的直流偏磁電流的增加，交流變壓器的振動呈線性增加趨勢如圖6所示。直流電流每增加1A，振動幅值增加1.2g左右，在直流偏磁為0時，振動幅值在2.1g左右。由于噪聲與振動是同步變化的[9]，因此噪聲的變化趨勢與振動類似（圖7），在某種程度上也肯定了將噪聲監(jiān)測作為振動輔助監(jiān)測的手段。

圖6 直流偏磁電流對變壓器的振動的影響曲線

圖7 直流偏磁電流對變壓器的噪聲的影響曲線

4 結(jié)論

1）直流偏磁時，出現(xiàn)580～1.5kHz頻率范圍內(nèi)的高次諧波，振動幅值也有明顯的上升。振動幅值與偏磁電流呈線性增加趨勢。

2）從測點選擇方法、監(jiān)測思路及監(jiān)測結(jié)果評價等多方面系統(tǒng)研究了變壓器振動與噪聲監(jiān)測方法，為系統(tǒng)開展變壓器振動和噪聲的研究，分析變壓器可能存在的故障提供了依據(jù)。

3）直流偏磁使變壓器的振動波形變得非常不規(guī)律，另外箱體表面不同位置處振動幅值和頻譜相差很大，從而要求在監(jiān)測點確認時需要有更多的考慮和設(shè)計。

4）不同情況下直流偏磁及其產(chǎn)生的振動噪聲異常均不同，包括變壓器的容量結(jié)構(gòu)、運行方式、甚至地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、磁暴發(fā)生情況、地區(qū)土壤電阻率的差異等原因。所以需要在測點建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，長期積累監(jiān)測數(shù)據(jù)，才能夠準確有效地分析直流偏磁對電網(wǎng)設(shè)備及其運行的影響。

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