由变压器直流偏磁引起的振动信号频谱分析

刘明利，付江永，王新阳

（山东核电有限公司，山东 海阳 265116）

0 引言

2016年1月，某电站500 kV主变，噪声明显增大，油箱壳体振动明显。通过钳形电流表对中性点进行了跟踪测量，并通过振动采集仪表对主变3个油箱壁进行振动信号采集。发现主变噪声以及油箱振动与中性点电流大小有密切关系。本文通过对油箱振动数据进行连续采集和频谱分析，研究了变压器偏磁振动的程度和频谱之间的关系，总结了偏磁振动时振动频谱分布的特性［1］。

1 原理

在直流输电系统中，直流电流通过大地为回路运行，变压器中性点接地，从而使变压器绕组和输电线路在电力系统中形成回路，这样就有直流电流通过变压器。中性点电流的大小在一定程度上反映变压器的偏磁情况，较大的直流会使变压器偏磁较为严重。变压器发生直流偏磁时，由于励磁电流幅值和谐波分量的增加，使得变压器振动、噪音增大和局部过热，危害变压器的正常运行［2］。

变压器本体振动是由电力变压器铁心、绕组的振动及冷却装置的振动所引起的。硅钢片的磁致伸缩引起的铁心周期性振动，以及绕组中负载电流产生的绕组匝间电动力引起的振动是主要的本体振动。

变压器铁心及绕组本身的在线监测一般不能实现，但是变压器油箱表面的振动又与其绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，因而通过对变压器的油箱进行振动测量可以一定程度反映绕组和铁心的振动状况［3］。

变压器磁致伸缩的变化周期是工频电源周期的一半，因此引起变压器本体的振动频率是两倍电源频率［2］。同时，考虑到涡流损耗、铁心磁滞损耗及沿铁心内框和外框的磁路长度不同，硅钢片磁致伸缩率与磁感应强度具有非线性关系，从而导致磁通出现较为明显的畸变，偏离了正弦形状，存在高次谐波的磁通分量。这样就会使得铁心的振动频谱中除了基频振动之外，还包含有频率为基频整数倍的高频振动。相应地，铁心和箱体振动引起的噪声频谱中，除了基频噪声之外，也包含有频率为基频整数倍的高频噪声。另外，绕组内电流的畸变也将导致匝间振动力出现高频分量。但考虑到该电流的畸变程度比磁通的畸变程度要低，故绕组引起的附加振动比磁滞伸缩在频率上要低一些，以100 Hz的基频为主。同时，变压器油箱振动的频率分布具有非连续性。图1为某电厂厂用电变压器正常运行时的频谱。

图1 某电厂变压器正常运行时的频谱图

2 直流偏磁的振动信号频谱分析［3］

2016年1月，某电站500 kV主变，噪声增大，油箱壳体振动明显。通过钳形电流表对中性点进行了跟踪测量，电流值和振动值的变化趋势如图2所示。从趋势图上可以清楚看出，从1月2日到1月7日，电流的变化趋势和油箱上3个测点的振动烈度的变化趋势相同。

利用振动频谱分析仪分别对2016年1月2日下午14点30分（变压器振动值较大）、2016年1月3日上午10点25分（变压器振动值降低）、2016年1月6日上午10点30分（变压器振动值增大）3个时间段的变压器油箱3个相同位置进行了振动测量分析，U 相振动信号的频谱图分别如下图3中（a）-（c），（V相、W相振动信号的频谱号略）。

图2 主变振动烈度与中性点电流变化趋势图

图3 3个时间段主变U相振动频谱图

1）对振动信号频谱中工频分量的分解。将1月2日14点30分、1月3日10点25分、1月6日10点30分变压器U、V、W三相的工频分量分解出来，如表1所示。

表1 振动信号频谱中工频分量

由于各种变压器机械结构不同，其振动频谱频率分布存在较大差异，但铁心磁致伸缩位移和磁通的关系是相似的，在一定的磁通范围内，位移和磁通的平方近似成正比。直流偏磁振动的频谱中工频分量可在一定程度上反映变压器偏磁程度。

图4 变压器三相工频分量的变化趋势

如图4所示，变压器U、V、W三相当中性点直流电流在不同时间变化，主变分别经历了振动大、振动减弱，振动再增大，频谱信号中工频分量也随之发生了较大、减小、再增大的过程，这种工频分量变化趋势和变压器振动的大小有一致的变化趋势，这种变化和中性点直流电的变化趋势也是一样的，某种程度上反映了存在中性点直流电流前后，变压器的偏磁振动在工频频谱中的反映。

2）在中性点直流电流较小时，振动值较小，在频谱的成分中，U、W相主要以100 Hz为振动的主要成分，V相以200 Hz为主要成分。当中性点直流分量的增加，铁心内直流磁通分量增加，振动值增大，铁心振动和绕组振动高次谐波分量增加，U、V、W三相都表现为奇次谐波频率350 Hz成分最高。将U相100 Hz、V相100 Hz、W 相 200 Hz、 以及三相 350 Hz频率成分进行分解计算，如表2所示。

表2 不同频率成分分解计算结果

数据表明，在中性点电流增大导致振动增大时，350 Hz成分增大至最大，但是100 Hz、200 Hz谐波成分尽管也随着发生变化，但是变化值相对350 Hz频率的变化值而言比较小，趋势变化曲线如图5所示。通过图5，在中性点电流增大引起的直流偏磁振动中，导致振动增大的主要成分并不是工频成分100 Hz，而是是谐波 350 Hz。

3）图1表示中性点不存在中性点电流的频谱图，图3表现了中性点电流不同大小时的频谱图。通过对比不难发现，没有直流偏磁时，变压器油箱壁振动频谱基本集中在900 Hz以内，900 Hz以上的谐波成分可以忽略不计；当存在较小中性点电流，油箱壁振动较小，存在较弱的直流偏磁时，900 Hz以内的谐波成分稳定增加，同时出现了900 Hz以上的谐波成分；当存在较大中性点电流，油箱壁振动较大，直流偏磁加剧，900 Hz以内的谐波成分增加，同时900 Hz以上的谐波成分增加明显。

图5 变压器三相100／200／350 Hz谐波分量趋势

3 结论

经过对变压器在中性点直流电流变化的3种工况下，采集振动信号进行频谱分析，再结合分解频谱成分，可以得出偏磁振动的频谱中工频分量可在一定程度上反映变压器偏磁程度；同时中性点直流电流引起振动和噪声增大时最主要谐波集中在高频奇次谐波350 Hz，并且直流偏磁振动时的频谱范围更宽。尽管如此，不同的变压器，或者不同的运行工况，也会引起噪声、振动的高次谐波也会是不同的，通过此次试验分析，可以建立变压器振动信号的长期或者定期的频谱分析数据，可以更好的为变压器的偏磁振动识别提供一定的依据和判断。