一種變壓器振動(dòng)噪聲研究的新方法

楊國輝+++桑占良+++葛艷霞

摘 要：近年來，變壓器的振動(dòng)噪聲問題逐漸成為國內(nèi)外專家學(xué)者討論的熱點(diǎn)。文章針對變壓器鐵心振動(dòng)的問題，提出了一種實(shí)驗(yàn)室模擬直流偏磁問題引起電力變壓器振動(dòng)噪聲加劇的新方法，并且通過試驗(yàn)深入研究了變壓鐵心直流偏磁條件下的振動(dòng)特性，得到了一定的結(jié)論，為后續(xù)電力變壓器直流偏磁條件下的振動(dòng)噪聲問題研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：直流偏磁；變壓器；鐵心；振動(dòng)；模態(tài)分析

1 概述

電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行的保障。隨著電網(wǎng)容量和等級的不斷增大，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和輸電可靠性提出了更高的要求，而變壓器作為關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障，將造成巨大的損失。近年來，地磁暴現(xiàn)象及高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）的廣泛應(yīng)用，使得電力變壓器頻繁出現(xiàn)直流偏磁，導(dǎo)致鐵心損耗增大，振動(dòng)噪聲加劇，嚴(yán)重危害其運(yùn)行安全，并且噪聲污染也給人們的生活帶來了一些負(fù)面的影響和干擾[1]。因此，直流偏磁條件下的變壓器振動(dòng)噪聲問題越來越成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

2 變壓器振動(dòng)噪聲的主要來源

變壓器的振動(dòng)主要來源于本體振動(dòng)噪聲和冷卻裝置的振動(dòng)噪聲，本體振動(dòng)噪聲是國內(nèi)外研究與的熱點(diǎn)。

2.1 變壓器的本體振動(dòng)噪聲

2.1.1 磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)

鐵心的振動(dòng)主要來源為硅鋼片的磁致伸縮。磁致伸縮是指硅鋼片的尺寸磁力線方向上增加，而垂直于磁力線方向的硅鋼片的尺寸減小的現(xiàn)象。從微觀上可以解釋為鐵心在磁化過程中，材料從磁化方向各異的多磁疇無序狀態(tài)變成與外磁場同方向的單磁疇有序狀態(tài)，以及介質(zhì)立體晶狀體結(jié)構(gòu)和原子間距發(fā)生相應(yīng)變化的過程[3]。這種伸縮使鐵心隨著勵(lì)磁磁場的變化產(chǎn)生周期性振動(dòng)，且不隨勵(lì)磁磁場方向的改變而改變，故磁致伸縮引起鐵心振動(dòng)的基頻是二倍于電源工頻的。

2.1.2 漏磁場引起的鐵心振動(dòng)

變壓器工作時(shí)鐵心疊片間和接縫處存有漏磁場，產(chǎn)生的電磁吸引力造成鐵心振動(dòng)，不同的疊壓方式和接縫大小產(chǎn)生的漏磁場及振動(dòng)強(qiáng)度都有所不通，該部分振動(dòng)遠(yuǎn)小于鐵心磁致伸縮引起的振動(dòng)。

2.1.3 負(fù)載電流漏磁場引起的繞組振動(dòng)

繞組的負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁場能夠引起繞組的振動(dòng)，常規(guī)運(yùn)行的變壓器，鐵心振動(dòng)主要取決于磁致伸縮現(xiàn)象，只有當(dāng)鐵心磁密低于1.4T時(shí)，電磁力的影響增大，才被加以考慮。

2.2 直流偏磁對變壓器振動(dòng)噪聲的影響

變壓器直流偏磁現(xiàn)象指因某種原因?qū)е轮绷麟姡―C）進(jìn)入變壓器勵(lì)磁繞組中，鐵心中交直流磁通相互疊加，勵(lì)磁時(shí)磁滯洄線發(fā)生偏移，出現(xiàn)半波飽和，并且由此引發(fā)諧波含量增多，損耗增大，振動(dòng)噪聲加劇等一系列問題的電磁效應(yīng)。直流偏磁條件導(dǎo)致變壓器的振動(dòng)加劇，噪聲增強(qiáng)，緊固件容易發(fā)生松動(dòng)，對于長期安全運(yùn)行不利。此外，包含多種高次諧波的噪聲的也嚴(yán)重影響著人們的生活環(huán)境。

國內(nèi)外針對直流偏磁引起的變壓器異常工作的研究主要集中在理論計(jì)算，仿真分析，以及對于故障變壓器的現(xiàn)場監(jiān)測等，實(shí)驗(yàn)研究相對匱乏，并且直流偏磁現(xiàn)象來源于自然界，偏磁電流大小不可控，不利于實(shí)驗(yàn)研究，因此，尋求一種實(shí)驗(yàn)室模擬變壓器直流偏磁現(xiàn)象的方法顯得尤為的重要?；诖宋恼绿岢隽艘环N實(shí)驗(yàn)室模擬變壓器直流偏磁條件下運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)新方法，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真研究了直流偏磁對變壓器鐵心振動(dòng)的影響規(guī)律。

3 直流偏磁下變壓器鐵心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3.1 新型實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)研究直流偏磁條件下變壓器鐵心的振動(dòng)特性，首先必須實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行變壓器的直流偏磁現(xiàn)象，做到有可測直流磁通流過變壓器鐵心，因此制定了以下合理的實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)選用兩臺(tái)規(guī)格相同的單相干式變壓器并聯(lián)（160KVA），低壓側(cè)并聯(lián)通勵(lì)磁電壓（400V，低壓線圈勵(lì)磁電壓在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較容易實(shí)現(xiàn)），高壓側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢（2000V），反相串聯(lián)，恰好能夠抵消掉感應(yīng)電動(dòng)勢，并且串聯(lián)直流電源及滑動(dòng)變阻器，從而實(shí)現(xiàn)為變壓器通入直流，在鐵心中產(chǎn)生直流磁通的目的，串聯(lián)在高壓感應(yīng)回路中的電阻也滿足了施加可控偏磁直流的要求，故該新方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直流偏磁條件下鐵心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路圖

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)主要測量了變壓器不同測點(diǎn)振動(dòng)以及同一測點(diǎn)不同直流偏磁條件下的振動(dòng)情況，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻值的大小來改變高壓回路中來直流電流值，對應(yīng)產(chǎn)生的磁通量Ф由以下公式得到：

H=■ （1）

式中：N為線圈匝數(shù)，I為電流強(qiáng)度（A），l為磁路長度（m）。

B=H？滋 （2）

式中：H為磁場強(qiáng)度（V/m），μ為磁導(dǎo)率。

Ф=BS （3）

式中：Ф為磁通（Wb），B為磁通密度（Wb/m2），S為磁路的截面積（m2）。

考慮到變壓器結(jié)對稱構(gòu)的對稱性，在測點(diǎn)的選取上應(yīng)做到在最大限度的反應(yīng)變壓器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上盡量減少不必要的工作量，因此得到了如圖3所示的測點(diǎn)分布圖。

圖3 測點(diǎn)分布圖

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了盡量準(zhǔn)確的反映變壓器的振動(dòng)特性，設(shè)定采樣頻率為4096HZ，對全部測點(diǎn)分別進(jìn)行空載和直流偏磁條件下振動(dòng)測量，各點(diǎn)位移有效值如圖4所示。從圖中可以看出，通入直流后，變壓器各點(diǎn)的振動(dòng)均有所增大，受到了夾件和拉桿的影響1至8號測點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度明顯低于9至14號測點(diǎn)，這主要是因?yàn)楣桎撈卮帕€方向的位移受到抑制而易于發(fā)生彎曲形變，所以鐵心疊片方向測點(diǎn)的振動(dòng)明顯強(qiáng)于其它測點(diǎn)。通入直流后，位于心柱上方的10號測點(diǎn)受直流偏磁影響較大，振動(dòng)強(qiáng)度約為空載條件下的3倍。由圖中可以看出，9、10、12、13、14號測點(diǎn)的振動(dòng)情況受直流偏磁的影響效果明顯，具有代表性。圖5給出了上述測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度隨偏磁電流的變化趨勢，可以看出隨直流的增大各點(diǎn)的振動(dòng)均增強(qiáng)，并且電流越大，振動(dòng)強(qiáng)度增速越快，Idc=2A時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度平均約為空載時(shí)2.6倍，最大為4倍，可見直流偏磁對變壓器鐵心振動(dòng)的影響很大，極小的偏磁電流就能使鐵心振動(dòng)強(qiáng)度增加數(shù)倍。endprint

圖4 空載和Idc=2A條件下各點(diǎn)位移有效值

圖5 測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動(dòng)和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結(jié)構(gòu)的變壓器，鐵心振動(dòng)與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時(shí)，受到直流偏磁影響后，變壓器振動(dòng)與噪聲的時(shí)域和頻域波形特性也將發(fā)生相應(yīng)的變化。對測點(diǎn)10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動(dòng)的時(shí)域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時(shí)域波形均表現(xiàn)出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動(dòng)強(qiáng)度很大，空載達(dá)到1.5μm，頻率大于600HZ的振動(dòng)幅值已經(jīng)很小。偏磁電流Idc=2.0A時(shí)，由于諧波含量增多，導(dǎo)致時(shí)域波形波動(dòng)較大，且鐵心各頻率段的振動(dòng)強(qiáng)度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動(dòng)強(qiáng)度增大較為明顯，主要因?yàn)橹绷髌艑?dǎo)致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環(huán)偏移，大量高次諧波產(chǎn)生，使得鐵心的高頻振動(dòng)增強(qiáng)。

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖6 空載時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

4 結(jié)束語

文章從實(shí)驗(yàn)的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動(dòng)的新方法，試驗(yàn)選用兩臺(tái)相同規(guī)格的變壓器低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)反向串聯(lián)抵消感應(yīng)電動(dòng)勢，且串聯(lián)直流電源實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)室模擬運(yùn)行變壓器直流偏磁狀態(tài)的目的，得到的試驗(yàn)結(jié)論對后續(xù)研究也有著積極的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]顧曉安，沈密群，朱振江，等.變壓器鐵芯振動(dòng)和噪聲特性的試驗(yàn)研究[J].變壓器，2003，40（4）：l-4.

[2]張軼君.變壓器直流偏磁引起的振動(dòng)噪聲監(jiān)測方法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[3]Andersen D W，Myles M M.Field of sound radiation by power transformers[J].IEEE Trans. Power Appar. & Syst，1981，100（7）：3512-3524.

[4]馬宏彬，何金良，陳青恒.500kV單相電力變壓器的振動(dòng)和噪聲波形分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34（8）：1599-1604.endprint

圖4 空載和Idc=2A條件下各點(diǎn)位移有效值

圖5 測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動(dòng)和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結(jié)構(gòu)的變壓器，鐵心振動(dòng)與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時(shí)，受到直流偏磁影響后，變壓器振動(dòng)與噪聲的時(shí)域和頻域波形特性也將發(fā)生相應(yīng)的變化。對測點(diǎn)10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動(dòng)的時(shí)域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時(shí)域波形均表現(xiàn)出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動(dòng)強(qiáng)度很大，空載達(dá)到1.5μm，頻率大于600HZ的振動(dòng)幅值已經(jīng)很小。偏磁電流Idc=2.0A時(shí)，由于諧波含量增多，導(dǎo)致時(shí)域波形波動(dòng)較大，且鐵心各頻率段的振動(dòng)強(qiáng)度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動(dòng)強(qiáng)度增大較為明顯，主要因?yàn)橹绷髌艑?dǎo)致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環(huán)偏移，大量高次諧波產(chǎn)生，使得鐵心的高頻振動(dòng)增強(qiáng)。

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖6 空載時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

4 結(jié)束語

文章從實(shí)驗(yàn)的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動(dòng)的新方法，試驗(yàn)選用兩臺(tái)相同規(guī)格的變壓器低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)反向串聯(lián)抵消感應(yīng)電動(dòng)勢，且串聯(lián)直流電源實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)室模擬運(yùn)行變壓器直流偏磁狀態(tài)的目的，得到的試驗(yàn)結(jié)論對后續(xù)研究也有著積極的指導(dǎo)意義。

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圖4 空載和Idc=2A條件下各點(diǎn)位移有效值

圖5 測點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動(dòng)和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結(jié)構(gòu)的變壓器，鐵心振動(dòng)與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時(shí)，受到直流偏磁影響后，變壓器振動(dòng)與噪聲的時(shí)域和頻域波形特性也將發(fā)生相應(yīng)的變化。對測點(diǎn)10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動(dòng)的時(shí)域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時(shí)域波形均表現(xiàn)出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動(dòng)強(qiáng)度很大，空載達(dá)到1.5μm，頻率大于600HZ的振動(dòng)幅值已經(jīng)很小。偏磁電流Idc=2.0A時(shí)，由于諧波含量增多，導(dǎo)致時(shí)域波形波動(dòng)較大，且鐵心各頻率段的振動(dòng)強(qiáng)度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動(dòng)強(qiáng)度增大較為明顯，主要因?yàn)橹绷髌艑?dǎo)致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環(huán)偏移，大量高次諧波產(chǎn)生，使得鐵心的高頻振動(dòng)增強(qiáng)。

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖6 空載時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

（a）測點(diǎn)振動(dòng)位移時(shí)域波形

（b）測點(diǎn)振動(dòng)位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時(shí)鐵心振動(dòng)時(shí)域和頻域波形

4 結(jié)束語

文章從實(shí)驗(yàn)的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動(dòng)的新方法，試驗(yàn)選用兩臺(tái)相同規(guī)格的變壓器低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)反向串聯(lián)抵消感應(yīng)電動(dòng)勢，且串聯(lián)直流電源實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)室模擬運(yùn)行變壓器直流偏磁狀態(tài)的目的，得到的試驗(yàn)結(jié)論對后續(xù)研究也有著積極的指導(dǎo)意義。

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