變壓器偏磁振動(dòng)噪聲特征分析與抑制

高志新 ，李 磊 ，許 偉 ，伊 鋒 ，馬國慶

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

直流電流流入交流變壓器，將使其處于非正常工作狀態(tài)，直流電流會(huì)在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生直流磁通，與交流磁通疊加會(huì)改變交流設(shè)備鐵芯磁密，使勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，增加交流系統(tǒng)的諧波分量，降低變壓器的有效輸送容量，甚至可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅［1］。在我國電網(wǎng)建設(shè)中，高電壓輸電線路以東西走向?yàn)橹鳎邆溟L距離、大容量等傳輸特點(diǎn)，然而，東西走向的輸電線路易受到磁暴的影響而導(dǎo)致直流偏磁；另外，直流輸電工程中的雙極不平衡運(yùn)行和單極大地回線方式也會(huì)使直流電流流入中性點(diǎn)接地的變壓器繞組中，發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象。因此，大型電力變壓器經(jīng)常受到諸如地磁電流，直流輸電單極運(yùn)行的影響，產(chǎn)生直流偏磁，威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。

直流偏磁導(dǎo)致的變壓器異常振動(dòng)噪聲是人們關(guān)注的主要問題之一。國外開展變壓器振動(dòng)噪聲監(jiān)測研究工作要早于國內(nèi)。20世紀(jì)30年代以來，美國、芬蘭、加拿大、日本等國家相繼開展了直流偏磁噪聲加劇及其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的研究。2001年以來，國內(nèi)高校、電力生產(chǎn)與設(shè)計(jì)等單位結(jié)合江蘇武南、嶺澳核電站等偏磁飽和情況做了大量研究工作。其中，武南變電站受直流偏磁的影響主變壓器噪聲曾增大21 dB，噪聲頻譜中也出現(xiàn)了明顯的奇次諧波［3-4］。借鑒以往的研究，對(duì)某新投運(yùn)變電站2號(hào)和3號(hào)變壓器的噪聲異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述噪聲聲級(jí)增加與直流電流、噪聲頻譜與直流偏磁噪聲典型頻譜關(guān)系，提出整改建議，為后續(xù)的研究工作提供參考。

1 變壓器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原理及特征

1.1 變壓器的振動(dòng)機(jī)理

直流偏磁的振動(dòng)噪聲主要來自鐵芯和繞組的振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)以不同的途徑傳向外殼。其中，鐵芯由硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)引起。振動(dòng)主要通過兩條途徑傳遞給油箱，一條是通過墊腳傳至油箱；另一條是通過絕緣油傳至油箱。繞組的振動(dòng)是由電磁力引起的，主要通過絕緣油傳至油箱；風(fēng)扇等冷卻裝置的振動(dòng)通過固體的途徑也會(huì)傳至變壓器油箱［5］。變壓器箱體的振動(dòng)與噪聲傳遞見圖1。

圖1 變壓器箱體的振動(dòng)與噪聲傳遞

1.2 直流偏磁下變壓器振動(dòng)噪聲的特征

變壓器正常工作時(shí)，勵(lì)磁電流在正負(fù)半周是對(duì)稱的，交流勵(lì)磁磁通在正負(fù)半周是對(duì)稱的，因而磁致伸縮位移在磁通變化的一個(gè)周期內(nèi)也是對(duì)稱的。直流通過交流變壓器時(shí)，過勵(lì)磁狀態(tài)、直流偏磁下內(nèi)部勵(lì)磁電流與勵(lì)磁磁通變化分別如圖2～3所示。

圖2 過勵(lì)磁狀態(tài)下勵(lì)磁電流與勵(lì)磁磁通

圖3 直流偏磁下變壓器勵(lì)磁電流與勵(lì)磁磁通

在直流偏磁的情況下，由于疊加作用，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流呈現(xiàn)出正負(fù)半波不對(duì)稱的形狀。與偏磁方向一致的半個(gè)周波大大增加，另外半個(gè)周波反而減小，出現(xiàn)半波飽和情況［6］，如圖3所示（對(duì)比圖2）。 研究表明，磁致伸縮位移與磁通的平方正相關(guān)［7］，磁通與勵(lì)磁電流正相關(guān)，因此鐵芯磁致伸縮位移在一個(gè)周波內(nèi)將出現(xiàn)不對(duì)稱，不僅含有偶次諧波分量，還出現(xiàn)奇次諧波分量。

變壓器在正常工作時(shí)，繞組的振動(dòng)基本與電流的平方正相關(guān)，因此繞組的振動(dòng)主要由100 Hz的基頻和基頻整數(shù)倍的高次諧波組成。直流偏磁下，由于勵(lì)磁電流的畸變，會(huì)使繞組的振動(dòng)出現(xiàn)大量的奇次和偶次諧波。

綜上所述，直流偏磁情況下，變壓器的振動(dòng)會(huì)變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)一系列高次諧波。

1.3 噪聲與直流偏磁的相關(guān)性

噪聲聲級(jí)隨著直流偏磁增加而明顯上升，噪聲聲級(jí)與直流偏磁電流和空載電流之比相關(guān)［8］，如圖4所示。

圖4 噪聲聲級(jí)與直流偏磁電流與空載電流比關(guān)系

2 實(shí)例分析

以某新投運(yùn)變電站2號(hào)和3號(hào)主變壓器為例，分析其噪聲異常情況。變壓器型號(hào)為SFZ10-180000／220；額定電壓為 230±8×1.25%121／11 kV；額定容量為 180／180／90 MVA；聯(lián)結(jié)組別為 YNyn0d11；主分接阻抗為14%／48%／33%。2號(hào)主變壓器接地，3號(hào)主變壓器不接地。

2.1 運(yùn)行概況和檢測數(shù)據(jù)

投入運(yùn)行后，2號(hào)主變壓器噪聲明顯高于3號(hào)主變壓器。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析，將2號(hào)主變壓器退出運(yùn)行后3號(hào)主變壓器接地，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3號(hào)主變壓器噪聲變大，與2號(hào)主變聲級(jí)接地時(shí)的相同。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 主變壓器監(jiān)測結(jié)果

2.2 噪聲聲級(jí)修正

2號(hào)和3號(hào)變壓器出廠試驗(yàn)噪聲分別為58.2 dB和59.7 dB。現(xiàn)場測量3號(hào)主變壓器的噪聲為68 dB，變壓器室吸聲系數(shù)為0.05。聲壓級(jí)分貝數(shù)的增加值

式中：dbuild-up為噪聲聲級(jí)增加值；α為修正系數(shù)；AT為實(shí)測聲壓；AU為參考聲壓。

計(jì)算可得噪聲聲級(jí)增加10.4 dB。因此3號(hào)主變壓器未接地時(shí)運(yùn)行的噪聲聲級(jí)修正值為68.6 dB。

2.3 直流偏磁引起噪聲聲級(jí)增大原因分析

1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

該站2臺(tái)變壓器均為高阻抗變壓器，其實(shí)現(xiàn)方式為內(nèi)置電抗器結(jié)構(gòu)。該變壓器生產(chǎn)廠家已在19個(gè)變電站數(shù)十臺(tái)高阻抗變壓器中采用了內(nèi)置電抗器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場運(yùn)行良好，結(jié)構(gòu)成熟可靠，能夠滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。由2.2節(jié)中修正結(jié)果可知，3號(hào)主變壓器未接地時(shí)運(yùn)行噪聲符合技術(shù)協(xié)議要求的小于70 dB。3號(hào)主變壓器噪聲增大是在中性點(diǎn)由不接地改為接地運(yùn)行時(shí)發(fā)生的，可以排除變壓器自身原因造成的噪聲增大。

2）噪聲聲級(jí)增加與直流電流間的關(guān)系。

該站通過3號(hào)主變壓器中性點(diǎn)直接接地后，為系統(tǒng)中的直流電流流入地殼提供了一個(gè)低電阻值的途徑，高壓側(cè)中性點(diǎn)直流值為1.10 A，每相直流電流為0.41 A?？蛰d電流出廠值為0.05%，高壓側(cè)額定電流與空載勵(lì)磁電流分別為472.4 A和0.24 A。偏磁直流與空載電流之比為1.5。結(jié)合上文中噪聲聲級(jí)增加與直流電流間的關(guān)系，可知噪聲升級(jí)增加約13 dB。實(shí)際測量結(jié)果，3號(hào)主變壓器在中性點(diǎn)不接地情況下，噪聲為68dB，中性點(diǎn)接地后，其噪聲增加至85 dB，實(shí)際增加17 dB，噪聲聲級(jí)理論計(jì)算值與實(shí)際測量基本相符。

3）噪聲頻譜與直流偏磁噪聲典型頻譜一致。

3號(hào)主變壓器常規(guī)空載試驗(yàn)時(shí)噪聲頻譜如圖5（a）所示，3號(hào)主變壓器直流偏磁作用下噪聲頻譜分析如圖5（b）所示。

圖5 3號(hào)主變壓器頻譜分析儀噪聲幅—頻分析

利用MATLAB仿真分析，3號(hào)主變壓器常規(guī)空載試驗(yàn)時(shí)噪聲頻譜如圖6（a）所示，3號(hào)主變壓器直流偏磁作用下噪聲頻譜分析如圖6（b）所示。

圖6 MATLAB仿真分析圖像

通過圖6幅頻分析可得，主變空載狀態(tài)下的噪聲以100 Hz及其倍頻為主，幅值最高的頻率為300 Hz。3號(hào)主變壓器噪聲頻譜由偶、奇次諧波組成，以偶次為主，由于直流偏磁注入變壓器后，其勵(lì)磁電流飽和，從而使振動(dòng)的諧波分量中包含了奇次分量。

3 限制措施與整改建議

直流偏磁的抑制一般是通過在中性點(diǎn)與地之間加抑制裝置實(shí)現(xiàn)，抑制裝置可以通過加裝直流發(fā)生裝置，向變電站接地網(wǎng)注入一定反向直流電流來降低其電位，對(duì)入地直流進(jìn)行反向補(bǔ)償，減小流過中性點(diǎn)的直流，抑制直流偏磁的影響，此方法的優(yōu)勢是對(duì)繼電保護(hù)、絕緣水平無影響。抑制裝置也可以采用限流電阻或者隔直電容。但本案例中直流偏磁略大于1 A，一般采用小電阻或直流發(fā)生裝置來對(duì)其進(jìn)行抑制，但考慮到加裝小電阻會(huì)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，所以采用直流發(fā)生裝置來進(jìn)行直流抑制。

4 結(jié)語

從變壓器直流偏磁振動(dòng)機(jī)理入手，分析了變壓器偏磁振動(dòng)的噪聲特征，并結(jié)合新投運(yùn)變電站主變振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)闡述。變壓器的振動(dòng)噪聲主要由鐵芯和繞組的振動(dòng)決定，均以兩倍的電源頻率為基頻（100 Hz），并包含有其頻率為其整數(shù)倍的高次諧波。在直流偏磁的作用下，勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，相應(yīng)的噪聲信號(hào)也出現(xiàn)大量奇次波噪聲。主變壓器的噪聲異常是由直流偏磁現(xiàn)象引起時(shí)，在中性點(diǎn)注入反向直流是限制直流偏磁的有效措施。