變壓器偏磁效應(yīng)噪聲特性的多場(chǎng)耦合分析與抑制

潘 超 安景革 劉 闖 蔡國(guó)偉 孫正龍 羅遠(yuǎn)翔

變壓器偏磁效應(yīng)噪聲特性的多場(chǎng)耦合分析與抑制

潘 超 安景革 劉 闖 蔡國(guó)偉 孫正龍 羅遠(yuǎn)翔

（現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)） 吉林 132012）

針對(duì)變壓器在直流擾動(dòng)下的噪聲問(wèn)題，提出一種電磁-機(jī)械-聲的多物理場(chǎng)耦合方法。構(gòu)建三相變壓器三維電磁模型，求解三相變壓器在偏磁效應(yīng)下的內(nèi)部構(gòu)件磁場(chǎng)與受力情況。利用電磁-機(jī)械耦合原理計(jì)算鐵心和線圈的振動(dòng)加速度，并基于機(jī)械-聲耦合原理進(jìn)一步建立聲學(xué)波動(dòng)模型，計(jì)算空間聲壓分布。以Yd接線三相三柱式變壓器為例，仿真研究多種交直流混雜模式下的電磁、振動(dòng)及噪聲狀態(tài)，總結(jié)其模-態(tài)特征及變化規(guī)律。搭建變壓器偏磁動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量振動(dòng)噪聲參數(shù)，并與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證所提方法與結(jié)論的正確性和有效性。通過(guò)分析變壓器偏磁效應(yīng)噪聲特性，為基于信息物理融合的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障辨識(shí)提供新思路。

直流擾動(dòng) 有限元法 多場(chǎng)耦合 噪聲

0 引言

大量電力電子裝置的應(yīng)用、高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行、地球磁暴等均可能產(chǎn)生直流分量，導(dǎo)致變壓器等電磁設(shè)備發(fā)生偏磁現(xiàn)象[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多次發(fā)生由于變壓器遭受直流擾動(dòng)而導(dǎo)致的大規(guī)模停電事故，變壓器在直流擾動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)勵(lì)磁飽和、電流畸變、諧波增加[3]，并伴隨振動(dòng)噪聲等異?；蚬收蟍4]，進(jìn)而影響設(shè)備和周邊環(huán)境，甚至危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行[5]。文獻(xiàn)[6]采用有限元分析變壓器的振動(dòng)噪聲，結(jié)果表明其噪聲聲壓級(jí)主要集中于100Hz和200Hz頻段。文獻(xiàn)[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量擬合變壓器硅鋼片的磁致伸縮特性，利用有限元方法計(jì)算偏磁條件下的振動(dòng)及噪聲。文獻(xiàn)[8]分析變壓器直流偏磁的振動(dòng)及噪聲機(jī)理，研究500kV變壓器振動(dòng)噪聲的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[9]闡述了變壓器繞組及鐵心的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題，并提供了可行的控制措施。

綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)多針對(duì)變壓器的機(jī)械穩(wěn)定與構(gòu)件噪聲問(wèn)題展開(kāi)初步研究，但未深入挖掘變壓器直流偏磁時(shí)電磁、振動(dòng)及聲波協(xié)同耦合傳播演變的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；另一方面，利用可觀測(cè)電氣信息表征不可（難）觀測(cè)的異常物理特征，是智能電網(wǎng)提高設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)水平的關(guān)鍵，也是基于信息物理融合的全生命周期設(shè)備運(yùn)維主旨。

本文基于多物理場(chǎng)耦合重點(diǎn)研究變壓器直流偏磁噪聲特性。以電磁為基礎(chǔ)，分析磁場(chǎng)-力場(chǎng)-聲場(chǎng)信息傳播路徑，構(gòu)建多物理場(chǎng)順序耦合模型。利用電磁原理求解磁場(chǎng)及受力情況，利用電磁-機(jī)械耦合原理計(jì)算繞組、鐵心振動(dòng)加速度，利用機(jī)械-聲波耦合原理模擬變壓器空間聲壓分布。以三相變壓器為例，仿真計(jì)算鐵心-繞組磁通、受力、振動(dòng)加速度及聲壓等特征參量在直流擾動(dòng)下的分布與變化。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量繞組、鐵心振動(dòng)加速度及噪聲數(shù)據(jù)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估偏磁效應(yīng)下的變壓器工況，進(jìn)一步設(shè)計(jì)變壓器噪聲抑制方案。

1 變壓器偏磁效應(yīng)電磁-機(jī)械-聲學(xué)模型

1.1 電磁模型

變壓器直流擾動(dòng)電路模型見(jiàn)附圖1。若已知繞組勵(lì)磁電流，利用Galerkin余量對(duì)磁場(chǎng)模型求解[10]。

式中，為磁阻率；為矢量磁位；為電流密度；a為Galerkin余量（計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附錄）；m為權(quán)函數(shù)序列，基函數(shù)與權(quán)函數(shù)相同；為法向分量。

離散化a方程得到代數(shù)方程組，計(jì)算并進(jìn)一步求解繞組和鐵心的磁通密度及磁場(chǎng)能量dm等場(chǎng)域參數(shù)。

式中，為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由電磁模型計(jì)算磁通密度及磁場(chǎng)能量等場(chǎng)域參數(shù)，可得出構(gòu)件在運(yùn)行中受到的電磁力[11]。

式中，為磁導(dǎo)率；m為構(gòu)件磁場(chǎng)能量；為線圈或鐵心在坐標(biāo)方向承受的電磁力，∈{,,}。

1.2 機(jī)械-聲學(xué)波動(dòng)模型

1.2.1 繞組的機(jī)械模型

變壓器繞組所受電磁力可分解為徑向分量及軸向分量[12]，本文主要研究變壓器繞組所受軸向電磁力的振動(dòng)特性。構(gòu)建變壓器繞組受力機(jī)械振動(dòng)彈性模型[13]，其質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 繞組質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)

圖1中以剛體質(zhì)量塊替代繞組線餅，以阻尼器代表線圈阻尼，以彈簧器表示墊片，首末端墊片預(yù)緊力設(shè)定為，繞組軸向機(jī)械振動(dòng)數(shù)學(xué)模型[14]為

式中，為線餅編號(hào)；為對(duì)應(yīng)的線餅質(zhì)量；為阻尼系數(shù)；f、、e分別為首、中、末端墊片剛度系數(shù)；、、分別為節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移、速度及加速度矢量；w、w分別為變壓器繞組受力及重力?？紤]絕緣墊片和繞組線餅剛度特性，當(dāng)預(yù)緊力為定值時(shí)，其材料參數(shù)可視為線性[15]。

1.2.2 鐵心的機(jī)械模型

變壓器運(yùn)行時(shí)鐵心磁路中存在交變磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)中由于鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)，磁疇的排列方式會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致變壓器鐵心發(fā)生振動(dòng)[16]。因此，鐵心振動(dòng)的主要原因是芯體的磁致伸縮效應(yīng)。

磁致伸縮效應(yīng)下相對(duì)磁導(dǎo)率、應(yīng)力和磁通密度之間的關(guān)系描述為

圖2 鐵心振動(dòng)原理等效模型

圖2b為鐵心柱等效模型的理想質(zhì)量單元，其中表示鐵心的軸向位移，+d表示芯柱微小單元橫截面上的受力。由于鐵心柱可認(rèn)為是橫截面積相等，經(jīng)過(guò)受力分析及推導(dǎo)后得到鐵心柱體振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程[18]。

式中，為楊氏模量；為軸向應(yīng)變；()為該質(zhì)量單元所受的磁致伸縮力，是位置和時(shí)間的函數(shù)；為鐵心密度；為橫截面積。

1.2.3 聲學(xué)波動(dòng)模型

通過(guò)機(jī)械模型計(jì)算變壓器繞組和鐵心振動(dòng)加速度，作為聲場(chǎng)模型的激勵(lì)輸入，實(shí)現(xiàn)力場(chǎng)與聲場(chǎng)的順序耦合。

基于聲學(xué)波動(dòng)原理求解變壓器附近聲場(chǎng)變化：

式中，為聲速；為單極域源。

在此基礎(chǔ)上，分析聲壓變化，并求解聲壓級(jí)p為

式中，為聲壓有效值；ref為參考聲壓，一般取20 μPa。

1.3 多場(chǎng)耦合原理

電磁-機(jī)械-聲場(chǎng)傳播耦合原理如圖3所示，求解步驟如下：

（1）電磁耦合建模仿真。構(gòu)建多物理場(chǎng)虛擬仿真動(dòng)態(tài)信息庫(kù)，以電磁耦合為基礎(chǔ)。設(shè)定時(shí)間為鏈接標(biāo)簽，在電磁子信息庫(kù)中檢索t時(shí)刻電磁信息，以t時(shí)刻繞組電流為激勵(lì)設(shè)置載流激勵(lì)域和磁場(chǎng)連通域，求解繞組電磁時(shí)空分布并獲得電磁場(chǎng)特征參數(shù)，如漏磁等。

（2）信息獲取迭代過(guò)程判據(jù)。若絕對(duì)收斂范數(shù)小于準(zhǔn)則值，或耦合循環(huán)達(dá)到最大約束次數(shù)時(shí)結(jié)束。根據(jù)時(shí)間點(diǎn)索引建立鏈接，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)于全局多場(chǎng)信息庫(kù)。反之，將耦合電流參數(shù)i+1輸入磁場(chǎng)模型，求解下一時(shí)刻磁場(chǎng)時(shí)域參數(shù)。

（3）電磁-機(jī)械耦合建模仿真。在多場(chǎng)信息庫(kù)中檢索t時(shí)刻電磁信息，獲取鐵心及繞組電磁力時(shí)空分布并以t為標(biāo)簽動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。以t時(shí)刻電磁力為激勵(lì)設(shè)置機(jī)械應(yīng)力域，求解繞組和鐵心振動(dòng)分布情況并獲得機(jī)械場(chǎng)特征參數(shù)振動(dòng)加速度。然后進(jìn)入下一時(shí)刻g1的計(jì)算。

（5）以時(shí)間點(diǎn)為索引合并電磁、機(jī)械信息、聲信息形成多場(chǎng)特征信息庫(kù)。

圖3 電磁-機(jī)械-聲耦合原理

2 算例仿真

2.1 三相變壓器有限元仿真

依照三相三柱式變壓器BSS-1000V·A建立有限元模型，變壓器具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三相變壓器參數(shù)

Tab.1 Three-phase transformer parameters

（續(xù)）

基于多物理場(chǎng)順序耦合進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，變壓器仿真模型載流激勵(lì)域中對(duì)載流線圈施加環(huán)形電流激勵(lì)，激勵(lì)源數(shù)據(jù)信息通過(guò)實(shí)測(cè)獲??；磁場(chǎng)連通域施加磁力線平行外邊界條件，其他設(shè)置為自然邊界條件。機(jī)械應(yīng)力域根據(jù)實(shí)驗(yàn)變壓器的具體結(jié)構(gòu)尺寸，以恒均布荷載施加預(yù)緊力，并設(shè)置繞組底座為固定約束，繞組其余部分設(shè)置為輥支撐，即只考慮繞組振動(dòng)的軸向分量。在鐵心中施加磁致伸縮效應(yīng)。聲壓傳播域中設(shè)置背景聲壓為0Pa，并設(shè)置聲傳播邊界為完美匹配層，即設(shè)定環(huán)境噪聲與變壓器內(nèi)聲壓無(wú)交互影響。

結(jié)合變壓器參數(shù)設(shè)置不同運(yùn)行模式。在一次側(cè)設(shè)置直流電流源，使其輸出的直流電流DC為空載電流0的倍（DC=0，其中取值分別為0、0.5、1.0、1.5），以表征不同直流擾動(dòng)模式。結(jié)合動(dòng)模實(shí)驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)，仿真分析變壓器繞組不同負(fù)載模式下（負(fù)載率取0、25%、50%、75%、100%）構(gòu)件遭受不同直流擾動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)、振動(dòng)、聲的變化情況（部分負(fù)載模式的繞組電流結(jié)果見(jiàn)附錄）。

考慮到三相變壓器鐵心與繞組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且為了方便與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以A相為例選取①～④測(cè)試點(diǎn)，鐵心選取⑤、⑥測(cè)試點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 三相變壓器仿真測(cè)試點(diǎn)分布

仿真分析不同直流擾動(dòng)模式下繞組漏磁、受力、加速度的變化情況，各測(cè)點(diǎn)信息如圖5～圖7所示，電流、主磁通部分結(jié)果詳見(jiàn)附錄。

由圖5可知，繞組的4個(gè)測(cè)點(diǎn)漏磁具有相似的變化過(guò)程，繞組首端漏磁大于中部，A、B相間繞組漏磁大于A相正面漏磁?？蛰d時(shí)各測(cè)點(diǎn)漏磁出現(xiàn)“半波增強(qiáng)，半波衰減”現(xiàn)象；負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載率的增大各測(cè)點(diǎn)漏磁增大。分析原因，漏磁主要由繞組交變電流產(chǎn)生，所以漏磁變化情況與電流變化情況基本一致；負(fù)載時(shí)，由于直流擾動(dòng)對(duì)繞組電流影響較小，所以繞組漏磁受直流擾動(dòng)的影響也很小。以繞組漏磁為基礎(chǔ)分析繞組電磁力的變化，提取測(cè)試點(diǎn)的軸向洛倫茲力信息，結(jié)果如圖6所示。

圖6中各點(diǎn)的洛倫茲力波動(dòng)周期為工頻激勵(lì)或磁場(chǎng)周期的0.5倍，這與電磁力（矩）原理一致。不難看出，各測(cè)試點(diǎn)電磁力具有相似的變化過(guò)程，繞組首端受力大于中部，且A、B相間繞組受力大于A相正面。繞組的受力規(guī)律與漏磁相符，隨著負(fù)載率的升高，繞組受力加劇。

各測(cè)試點(diǎn)軸向振動(dòng)加速度變化情況如圖7所示。由圖7可知，繞組端部振動(dòng)加速度大于中部，相間振動(dòng)強(qiáng)于A相正面振動(dòng)；隨著負(fù)載率的升高，繞組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加劇。相同負(fù)載下，不同的直流擾動(dòng)程度對(duì)繞組振動(dòng)加速度影響很小。分析其原因，變壓器繞組振動(dòng)是繞組在漏磁場(chǎng)中受到周期作用力而產(chǎn)生的受迫振動(dòng)，并且繞組漏磁與繞組電流在負(fù)載情況下受直流擾動(dòng)的影響很小，由此可得，負(fù)載情況下，繞組受力和振動(dòng)與直流擾動(dòng)水平關(guān)系不大。另外，通過(guò)比較圖5～圖7可知，繞組漏磁、洛倫茲力、振動(dòng)加速度與繞組電流有相似的變化過(guò)程。

考慮三相變壓器鐵心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選?、?、⑥兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。仿真分析不同直流擾動(dòng)下三相變壓器鐵心的振動(dòng)變化情況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 變壓器鐵心測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度

重點(diǎn)考慮負(fù)載模式與直流擾動(dòng)模式對(duì)鐵心振動(dòng)的影響。圖8結(jié)果可以看出，鐵心振動(dòng)比繞組振動(dòng)更為復(fù)雜和劇烈，相同負(fù)載模式下，直流水平升高時(shí)，鐵心振動(dòng)加?。幌嗤绷鲾_動(dòng)模式下，負(fù)載率升高時(shí)，鐵心振動(dòng)加劇。相同負(fù)載或直流擾動(dòng)模式下，兩測(cè)試點(diǎn)對(duì)比表明，B相鐵心振動(dòng)比A相劇烈。

比較圖5～圖8可得，直流擾動(dòng)對(duì)于繞組的電流、漏磁影響較小，但是對(duì)鐵心振動(dòng)的影響卻很大。究其原因，直流流入變壓器后在鐵心中產(chǎn)生直流磁通，導(dǎo)致變壓器鐵心主磁通半周飽和、勵(lì)磁電流嚴(yán)重畸變、消耗大量無(wú)功功率，使得三相變壓器鐵心振動(dòng)更加劇烈。

三相變壓器表面的最大聲壓級(jí)見(jiàn)表2。

表2 三相變壓器表面噪聲仿真結(jié)果

Tab.2 Simulatedsurface noise of three-phase transformer

由表2可知，三相變壓器噪聲隨著的升高而變大，且越大，噪聲增長(zhǎng)越大；并且三相變壓器負(fù)載率越高，噪聲也越大，這與振動(dòng)變化規(guī)律相符。當(dāng)三相變壓器半載運(yùn)行且直流擾動(dòng)水平=0.5時(shí)，其內(nèi)部構(gòu)件表面聲壓級(jí)接近30dB。以空載運(yùn)行為例，不同直流擾動(dòng)下變壓器表面最大聲壓級(jí)的空間分布如圖9所示。

如圖9所示，隨著的升高，三相變壓器部件振動(dòng)加劇，進(jìn)而產(chǎn)生了更嚴(yán)重的噪聲。此外，鐵心的聲壓明顯大于繞組聲壓。在其他負(fù)載模式下也出現(xiàn)了上述現(xiàn)象，但由于篇幅限制，本文不再贅述。

在此過(guò)程中，變壓器表面聲壓的時(shí)序變化過(guò)程如圖10所示，其中=20ms, 25ms分別為增強(qiáng)半波周期內(nèi)主磁通最小及最大時(shí)刻，=30ms, 35ms分別為衰減半波周期主磁通最小及最大時(shí)刻。

圖10中=20ms與=30ms的最大表面聲壓大小相近，而=25ms的最大表面聲壓大于=35ms，這與直流擾動(dòng)下主磁通的變化規(guī)律一致。

通過(guò)仿真可以歸納變壓器偏磁效應(yīng)變化規(guī)律：

（1）在直流擾動(dòng)下，變壓器繞組的漏磁、洛倫茲力、振動(dòng)加速度、聲壓與電流均存在一定的變化規(guī)律：空載時(shí)變化顯著，并呈現(xiàn)“半波增強(qiáng)，半波衰減”的不對(duì)稱變化特點(diǎn)；而負(fù)載時(shí)波動(dòng)較小。隨著直流擾動(dòng)的增大，鐵心振動(dòng)加速度及聲壓均明顯增加。隨著負(fù)載率的升高，各物理場(chǎng)特征信息也隨之增大。

（2）在理想的仿真環(huán)境中，鐵心與繞組的振動(dòng)和傳播互不干擾。相同直流擾動(dòng)或相同負(fù)載情況下，鐵心的振動(dòng)加速度、噪聲聲壓遠(yuǎn)大于繞組的振動(dòng)加速度、噪聲聲壓。鐵心振動(dòng)和噪聲受直流擾動(dòng)的影響較大，而繞組的振動(dòng)、噪聲受直流擾動(dòng)的影響相對(duì)較小。結(jié)果表明，變壓器偏磁效應(yīng)的振動(dòng)與噪聲主要來(lái)源于鐵心。

3 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

搭建動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，實(shí)驗(yàn)變壓器參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）變壓器一次側(cè)與調(diào)壓器T1及直流電源相連，其中支路開(kāi)關(guān)S為斷開(kāi)狀態(tài)，二次側(cè)連接可調(diào)負(fù)載，并接入電信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、噪聲監(jiān)測(cè)模塊采集電、振動(dòng)及聲信號(hào)，由于實(shí)際接線限制，選取三相變壓器振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)與仿真測(cè)試點(diǎn)①、③、⑤、⑥位置保持一致。

（2）閉合支路開(kāi)關(guān)S，使用電壓調(diào)節(jié)模塊的調(diào)壓器T1，使輸入激勵(lì)達(dá)到變壓器一次側(cè)額定電壓。

（3）為實(shí)驗(yàn)變壓器通入直流電壓源，使用滑動(dòng)變阻器d控制直流擾動(dòng)水平。

（4）通過(guò)電信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊采集一次及二次電壓與電流參數(shù)。使用振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊傳感器（JF2100-T）記錄各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)。使用噪聲監(jiān)測(cè)模塊聲級(jí)計(jì)（HS5671D+）依照噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變壓器噪聲進(jìn)行測(cè)量。

3.1 三相變壓器動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

選取三相變壓器繞組不同模式下①、③號(hào)測(cè)試點(diǎn)的部分實(shí)驗(yàn)振動(dòng)結(jié)果，如圖12所示。

圖12 變壓器繞組振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖12中實(shí)驗(yàn)量測(cè)的繞組振動(dòng)加速度變化規(guī)律與仿真基本一致，繞組首端的振動(dòng)比中部更為劇烈；負(fù)載率越高，其振動(dòng)越嚴(yán)重。

三相變壓器鐵心不同工況下⑤、⑥號(hào)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)振動(dòng)情況如圖13所示。

由圖13可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布變化比仿真結(jié)果更為復(fù)雜，B相振動(dòng)比A相振動(dòng)更為劇烈，并且隨著負(fù)載率的增大，三相變壓器鐵心振動(dòng)加劇。分析其原因，一方面仿真分析是理想化的物理模擬，鐵心和繞組等其他構(gòu)件在仿真時(shí)互不干涉，而振動(dòng)實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的鐵心加速度還受到繞組振動(dòng)的影響，并且還包含了變壓器其他構(gòu)件的一些振動(dòng)信號(hào)；另一方面由于鐵心材料的非線性電磁特性以及磁致伸縮效應(yīng)，鐵心振動(dòng)信號(hào)中包含大量的高頻分量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)劇烈波動(dòng)。另外，實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差也是造成該現(xiàn)象的部分因素。

三相變壓器噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 變壓器實(shí)驗(yàn)噪聲

Tab.3 Experimental noise of transformer

對(duì)比表2和表3，實(shí)驗(yàn)噪聲與仿真噪聲具有相同的變化趨勢(shì)，但是實(shí)驗(yàn)噪聲比仿真噪聲更為劇烈，分析其原因，實(shí)驗(yàn)噪聲結(jié)果包含變壓器噪聲及環(huán)境噪聲，并且由于鐵心非線性勵(lì)磁與磁滯伸縮特性，導(dǎo)致本體實(shí)驗(yàn)噪聲信號(hào)比仿真更加劇烈。結(jié)果表明，噪聲信號(hào)在直流擾動(dòng)下的變化規(guī)律與振動(dòng)相符。值得注意的是，當(dāng)直流水平=1.0時(shí)，鐵心已發(fā)生明顯的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題；當(dāng)直流擾動(dòng)達(dá)到2.0時(shí)，構(gòu)件振動(dòng)嚴(yán)重，并伴隨出現(xiàn)絕緣燒毀的現(xiàn)象。

3.2 變壓器偏磁噪聲的抑制

當(dāng)0＜≤0.5時(shí)，直流擾動(dòng)對(duì)變壓器運(yùn)行影響較小，未超出其抗直流擾動(dòng)能力范圍；當(dāng)0.5＜≤1.5時(shí)，直流擾動(dòng)對(duì)變壓器的電磁兼容性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均產(chǎn)生了較為明顯的影響，應(yīng)予以重視并采取相關(guān)抑制措施；當(dāng)≥2.0時(shí)，直流擾動(dòng)對(duì)變壓器造成嚴(yán)重影響，其內(nèi)部電磁與機(jī)械環(huán)境已出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行處理。實(shí)際工程中，變壓器運(yùn)行負(fù)載率普遍低于75%，在直流擾動(dòng)下的電流參數(shù)并未達(dá)到預(yù)警，但內(nèi)部已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的偏磁振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，并伴隨其他安全隱患。

針對(duì)變壓器直流偏磁的噪聲問(wèn)題，采取一定的直流偏磁抑制措施，在變壓器中性點(diǎn)接地處加上開(kāi)關(guān)S如圖14所示，DC模擬直流源，接入噪聲監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器振動(dòng)噪聲大小，當(dāng)變壓器振動(dòng)噪聲超過(guò)設(shè)定值，噪聲監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，避免直流對(duì)變壓器的影響。另一種措施為電容隔直策略，通過(guò)在對(duì)應(yīng)線路接入電容器件隔斷直流擾動(dòng)，但需考慮非線性參數(shù)振蕩問(wèn)題，此處不再贅述。

圖14 變壓器偏磁噪聲抑制策略

針對(duì)變壓器的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，工程中一般通過(guò)箱體傳感的監(jiān)測(cè)手段，由于振動(dòng)噪聲的傳播過(guò)程遭受屏蔽、干擾及衰變等因素，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。本文基于多場(chǎng)耦合研究變壓器偏磁噪聲問(wèn)題，通過(guò)虛擬仿真與物理實(shí)驗(yàn)，獲取變壓器在偏磁效應(yīng)中的磁場(chǎng)、力場(chǎng)及聲場(chǎng)的關(guān)鍵特征信息，結(jié)果驗(yàn)證了多場(chǎng)域物理特征的時(shí)空一致性，并論證了利用直流擾動(dòng)電氣參數(shù)有效表征振動(dòng)噪聲異常特征的可行性。

4 結(jié)論

基于多物理場(chǎng)耦合研究變壓器直流偏磁的電磁-振動(dòng)-噪聲特性，得出以下結(jié)論：

1）直流擾動(dòng)下變壓器鐵心的振動(dòng)及聲壓變化顯著，波動(dòng)周期為工頻激勵(lì)或磁場(chǎng)周期的0.5倍，且都隨著負(fù)載率和直流擾動(dòng)程度的增加而加?。欢儔浩骼@組在負(fù)載狀態(tài)下受直流擾動(dòng)的影響較小，空載時(shí)各特征參數(shù)受直流擾動(dòng)呈現(xiàn)“半波增強(qiáng)，半波衰減”的不對(duì)稱變化特點(diǎn)。變壓器偏磁效應(yīng)噪聲異常主要源自鐵心，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證了該方法的正確性。

2）將變壓器偏磁效應(yīng)物理過(guò)程與振動(dòng)噪聲異常特征信息融合，從多維、多時(shí)空尺度、多場(chǎng)信息的角度分析變壓器偏磁效應(yīng)的振動(dòng)噪聲形態(tài)特征，通過(guò)可量測(cè)電氣信息辨識(shí)關(guān)鍵電磁參數(shù)，以反映其他不可（難）量測(cè)的物理特征。

三相三柱式Y(jié)d變壓器遭受直流擾動(dòng)模型如附圖1所示。其中，A、B、C為一次電流，a、b、c為三角形聯(lián)結(jié)二次側(cè)三相電流，a1、b1、c1分別為二次側(cè)端口三相繞組電流；1、2分別為一次側(cè)和二次側(cè)電阻，A、B、C分別為一次側(cè)三相電壓，a、b、c分別為二次側(cè)三相電壓，DC為直流源，cn為二次側(cè)環(huán)流。部分繞組電流數(shù)據(jù)如附圖2所示。

附圖1 變壓器直流擾動(dòng)電路模型

App.Fig.1 DC disturbance circuit model of transformer

a計(jì)算過(guò)程如下。

附圖2 部分主磁通和電流數(shù)據(jù)

App. Fig.2 Partial main flux and current data

[1] Chen Dezhi, Feng Zhiyu, Wang Qingpeng, et al. Study of analysis and experiment for ability to withstand DC bias in power transformers[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(11): 1-6.

[2] Tanaka S, Murata H, Oishi T, et al. Imaging of magnetic nanoparticles using a second harmonic of magnetization with DC bias field[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, 51(2): 1-4.

[3] Liu Chunming, Li Xiaohan, Li Xinjie. Simulating the vibration increase of the transformer iron core due to the DC bias[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2017, 55(3): 423-433.

[4] 張冰, 劉連光, 肖湘寧. 地磁感應(yīng)電流對(duì)變壓器振動(dòng)、噪聲的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(4): 900-904. Zhang Bing, Liu Lianguang, Xiao Xiangning. Effects of geomagnetically induced current on the vibration and noise of transformers[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(4): 900-904.

[5] 尹項(xiàng)根, 張哲, 王友懷, 等. 變壓器間及其與電流互感器暫態(tài)交互作用分析和保護(hù)對(duì)策[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2016, 44(23): 1-9. Yin Xianggen, Zhang Zhe, Wang Youhuai, et al. Multiple transformers and CTs interactive effect and its impact on the protective relay[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(23): 1-9.

[6] 胡靜竹, 劉滌塵, 廖清芬, 等. 基于有限元法的變壓器電磁振動(dòng)噪聲分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(15): 81-88. Hu Jingzhu, Liu Dichen, Liao Qingfen, et al. Analysis of transformer electromagnetic vibration noise based on finite element method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(15): 81-88.

[7] 王佳音, 白保東, 劉宏亮, 等. 直流偏磁對(duì)變壓器振動(dòng)噪聲的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8): 56-61. Wang Jiayin, Bai Baodong, Liu Hongliang, et al. Research on vibration and noise of transformers under DC bias[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(8): 56-61.

[8] 李冰, 王澤忠, 劉海波, 等. 直流偏磁下500kV單相變壓器振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(13): 2801-2811. Li Bing, Wang Zezhong, Liu Haibo, et al. Experiment on vibro-acoustic characteristic of 500 kV single-phase transformer under DC-bias[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(13): 2801-2811.

[9] 汲勝昌, 師愉航, 張凡, 等. 電力變壓器振動(dòng)與噪聲及其控制措施研究現(xiàn)狀與展望[J]. 高壓電器, 2019, 55(11): 1-17. Ji Shengchang, Shi Yuhang, Zhang Fan, et al. Review on vibration and noise of power transformer and its control measures[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 55(11): 1-17.

[10] 潘超, 蘇昊, 蔡國(guó)偉, 等. 變壓器直流偏磁下異常電流表征振動(dòng)特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(9):1868-1879. Pan Chao, Su Hao, Cai Guowei, et al. Research on characterization of core vibration by abnormal current of DC bias transformer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1868-1879.

[11] Ahmad A, Javed I, Nazar W, et al. Short circuit stress analysis using FEM in power transformer on H-V winding displaced vertically & horizontally[J]. Alexandria Engineering Journal, 2018, 57(1): 147-157.

[12] 潘超, 楊如月, 陳祥. 變壓器不平衡運(yùn)行繞組振動(dòng)電磁-機(jī)械耦合分析[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 40(6): 52-60. Pan Chao, Yang Ruyue, Chen Xiang. Electromagnetic-mechanical coupling analysis of vibration of unbalanced operation windings of transformers[J]. Journal of Northeast Dianli University (Natural Science Edition), 2020, 40(6): 52-60.

[13] 張鵬寧, 李琳, 聶京凱, 等. 考慮鐵心磁致伸縮與繞組受力的高壓并聯(lián)電抗器振動(dòng)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(13):3130-3139. Zhang Pengning, Li Lin, Nie Jingkai, et al. Study on the vibration of high voltage shunt reactor considering of magnetostriction and winding force[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3130-3139.

[14] Bakshi A, Kulkarni S V. Coupled electromagnetic- structural analysis of the spiraling phenomenon in a helical winding of a power transformer[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(1): 235-240.

[15] 潘超, 陳祥, 蔡國(guó)偉, 等. 基于電磁-機(jī)械耦合原理的變壓器三相不平衡運(yùn)行繞組振動(dòng)模–態(tài)特征[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(14): 4695-4707, 29. Pan Chao, Chen Xiang, Cai Guowei, et al. Mode-state characteristics of three-phase unbalanced operation winding vibration of transformer based on electromagnetic mechanical coupling principle[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(14): 4695-4707, 29.

[16] 張黎, 王國(guó)政, 董攀婷, 等. 基于磁致伸縮本征特性的晶粒取向性變壓器鐵心振動(dòng)模型[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(14): 3990-4000. Zhang Li, Wang Guozheng, Dong Panting, et al. Study on the vibration of grain-oriented transformer core based on the magnetostrictive intrinsic characteristics[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(14): 3990-4000.

[17] 祝麗花, 楊慶新, 閆榮格, 等. 考慮磁致伸縮效應(yīng)電力變壓器振動(dòng)噪聲的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(4): 1-6, 19. Zhu Lihua, Yang Qingxin, Yan Rongge, et al. Research on vibration and noise of power transformer cores including magnetostriction effects[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(4): 1-6, 19.

[18] 劉行謀. 變壓器直流偏磁電-磁-力特性及振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻特征分析研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2017.

Multi-Field Coupling Analysis and Suppression for Biased Magnetic Noise in Transformer

Pan Chao An Jingge Liu Chuang Cai Guowei Sun Zhenglong Luo Yuanxiang

（Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control & Renewable Energy TechnologyMinistry of Education Northeast Electric Power University Jilin 132012 China）

In view of the noise problem when the transformer is subject to DC disturbance, the existing scholars have carried out preliminary research on this problem, but have not deeply explored the internal correlation of electromagnetic, vibration and acoustic wave cooperative coupling propagation evolution when the transformer is subject to DC magnetic bias. Based on the coupling of multiple physical fields, this paper focuses on the DC bias noise characteristics of transformer. Based on electromagnetism, the information transmission path of magnetic field force field sound field is analyzed, and a sequential coupling model of multiple physical fields is constructed.

Firstly, the electromagnetic mechanical acoustic model of transformer magnetic bias effect is established. Based on electromagnetic coupling, a dynamic information base for virtual simulation of multiple physical fields is established. According to the time point index, the vibration acceleration of transformer winding and iron core is calculated with electromagnetic information as excitation; The sound pressure and sound pressure level of the winding and iron core are calculated by taking the vibration acceleration as the excitation and substituting it into the sound field propagation domain. Establish dynamic multi field physical information base.

The simulation model of three-phase transformer is established, and different measuring points are selected. Based on the sequential coupling of multiple physical fields, the changes of winding magnetic leakage, Lorentz force, acceleration, noise, core vibration and noise under different DC disturbance modes are simulated and analyzed. The simulation results show that: firstly, under the DC disturbance, the magnetic flux leakage, Lorentz force, vibration acceleration, sound pressure and current of the transformer winding have similar change laws, showing the asymmetric change characteristics of "half wave enhancement and half wave attenuation"; Secondly, the vibration and noise of transformer magnetic bias effect mainly come from the iron core.

A three-phase transformer dynamic simulation test platform is built, and the test points consistent with the simulation are selected to measure the vibration and noise of the transformer under different modes. The experimental results show that the experimental noise has the same trend as the simulated noise. Aiming at the vibration and noise problems of transformer, the magnetic bias noise suppression measures are proposed from the aspects of physical information monitoring and capacitance isolation.

Through the comparison between simulation and experiment, the following conclusions are drawn: (1) Under DC disturbance, the vibration and sound pressure of iron core and winding change obviously; The noise increases with the increase of DC interference. The abnormal noise of transformer magnetic bias effect mainly comes from the iron core. The consistency between simulation results and experimental data verifies the correctness of this method. (2) The physical process of transformer magnetic bias effect and abnormal feature information of vibration and noise are fused, and the morphological characteristics of vibration and noise of transformer magnetic bias effect are analyzed from the perspective of multi-dimensional, multi temporal and spatial scales and multi field information. The key electromagnetic parameters are identified through measurable electrical information to reflect other unmeasurable physical characteristics.

DC disturbance, finite element method, multi-field coupling, noise

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220731

TM41

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021YFB2400802）。

2022-04-27

2022-08-28

潘 超 男，1981年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與電磁兼容。E-mail: 31563018@qq.com

安景革 男，2000年生，博士，主要研究方向?yàn)樽儔浩鲀?nèi)部故障辨識(shí)。E-mail: 1125462364@qq.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）