空载状态下500 kV单相变压器直流偏磁噪声研究分析

杨晓滨，吕守国，姜建平，冯迎春

(国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118)

0 引 言

当前伴随超高压直流输电系统在我国使用率日益增大，同时变压器出现直流偏磁的问题也显现出来，如果直流输电系统用双极不平衡方式或者单极大地回线这两种方式运动时，大量直流电流会流入大地，另一端就会受到从大地流入的全部电流[1]。电位差就是在巨大的直流电流在大地里流经过程中产生的，电位差还会随两个变电站之间的地质条件而发生改变，如二者相差悬殊，电阻也会相差很多，电位差随之变大，假设交流变压器相距较近，直流电流可以经过变压器中性接地点和输电线路构成的通路经过变压器绕组两侧，这种流经变压器绕组的直流电流作为励磁电流，会在铁心中形成大量的直流磁通，产生谐波和直流偏磁，进而引发过热、震动以及噪声等缺点[2]，会严重妨碍对接地极附近中性点接地变压器的日常工作，进而可能会造成变压器的破损以及产生的错误保护动作。

相关研究如文献[3]在考虑换流变压器编组运行方式和接收端等因素的基础上，建立了直流偏置电流的计算模型。并采用比较分析法和节点电压法，对换流变压器直流偏置电流进行了计算，分析了不同换流变压器编组和接收端网架结构对换流变压器直流偏磁的影响。文献[4]考虑了15千伏SiC绝缘栅双极晶体管和10千伏SiC，寻找不同的转换器拓扑结构的中压配电网接口。提出了无变压器智能变电站设备应用，并研究了高频变压器的损耗数据。

一般情况下，用户关注的焦点一直是直流偏磁条件下引起的变压器噪声和震动问题，也是偏磁现象的明显特点。目前直流偏磁环境中变压器铁心、绕组、变压器偏磁情况中的噪声以及箱体震动机理的研究和计算机仿真仍难以攻破，还没有对此类项目实施工程应用研究[5]。文章以实际产品为目标，对空载状态下500 kV单相直流偏磁噪声实施试验研究，提高变压器产品自身耐受直流偏磁性能，确保电力系统的稳定运行。

1 空载状态下500 kV单相变压器直流偏磁噪声试验研究

1.1 500 kV单相变压器直流偏磁现象

500 kV变压器是电力主干网络的关键部分，其可确保电网的稳定性运行。如果变压器近区直流电流采用接地点向变压器中注入，则确保变压器铁心被直流磁化，导致磁工作点偏移，用图1描述。文章对500 kV单相变压器直流偏磁试验方法，对产品在空载状态下的直流偏磁噪声实验实施研究，描述产品在直流偏磁下噪声波动规律，对电力系统采用有效的控制方法[6]，增强系统的安全稳定性，提高变压器产品自身耐受直流偏磁性能。

图1 变压器的直流偏磁现象

1.2 试验环境以及噪声点部署

表1所展示的是某实验型号为DSP-223000/550的单相发电机变压器的具体参数，铁心形式是单相三柱，主柱带高压和低压绕组，冷却方式采用OWAF。

表1 试验变压器参数

本文在空载试验的基础上研究直流偏磁下500 kV变压器的噪声特点。

本文设计的空载状态下500 kV单相变压器直流偏磁噪声试验研究的接线图，用图2描述，发电机是G，两台同一型号的T1和T2都是500 kV的试验变压器，中间变是B1，直流电源是E，可调电阻是R，电感是L，保护电容是C放电间隙是g。试验实施时，两台试验变压器高压侧相联[7]，T2低压侧空载，运行电压是100%UN(UN即额定电压)直流电流通过两台变压器中性点注入到试验变压器，一台是0.1A另外一台是1.75A。

图2 空载直流偏磁试验接线图

本文用单相三绕组自耦变压器做例进行演示，低压并连接中间变压器施加额定电压，高压空载或并联，两个贿赂由中性点连接，电容回路流交流。

在进行空载试验和负载试验时，针对不同直流电流下试验变电器T2的振动和噪声进行测试[8]，表2为测试所用设备。

表2 振动与噪声测试设备

依照国标GB/T1094.101—2008《电力变压器 第10.1部分：声级测定 应用导则》的规定[9]来选择噪声测试地点，要在变压器结构外沿0.3 m的轮廓处安放噪声监测点，测点高度是油箱高度的1/2。噪声测点位置示意图如图3，其中，试验变压器为T1和T2，变压器0.3轮廓线以虚线表示，两台变压器中间是1号噪声测点，和低压侧位置比较接近。从1号噪声测点开始运行，顺时针旋转，间隔一米安放噪声测点，共安放噪声测点37个。本文进行空载试验时候通过禁用试验用变压器冷却装置，避免了冷却装置的噪声影响。

图3 噪声测点位置平面示意图

1.3 直流偏磁噪声同振动信号特征分析

变压器产生直流偏磁过程中，噪声信号频率内50 Hz奇次谐频同偶次谐频含量存在显著波动现象。基于噪声和振动信号幅值可分析直流偏磁状态[9]，如果直流电流低，则无法进行准确分析。因此为增强直流偏磁状态分析的精度，应从噪声同振动信号频频排列内采集变压器直流偏磁特征参数，进而实现直流偏磁状态的准确分析[10]。

变压器噪声同振动信号都低于2 kHz，设置噪声同振动信号的奇偶次谐波波是：频频2 kHz区间中，变压器噪声同振动信号50 Hz奇次谐频幅值的均方根同50 Hz偶次谐频幅值的均方根值的比例是：

(1)

其中，信号50 Hz偶次以及奇次谐波幅值是A2i和A2i-1，2 kHz区间中信号50 Hz谐频数量是N。

检测直流偏磁前后1 h中变压器的噪声同振动信号波动过程[11]，运算相关特征参数。变压器噪声同振动信号奇偶次谐波比特征的波动情况用图4描述。

图4 主变噪声、振动信号同特征量对应关系

从上图中能够看出，前30 min没有产生直流偏磁现象，特征参数值较低，30 min后变压器噪声、振动和特征参数都出现现在提升，说明形成直流偏磁现象，30 min～40 min间噪声同振动水平较低的情况下，特征参数呈现出明显的波动趋势[12]。同噪声信号对比，振动信号不受外界因素影响，其特征参数波动同直流偏磁状态相同。最终能够得出，采集的特征参数同变压器噪声和振动信号可对直流偏磁波动情况实施准确描述。

2 实验分析

2.1 空载实验结果分析

实验对处于空载直流和直流为1.75 A时的500 kV单相变压器直流偏磁噪声测试点的熵值和声压实施计算，得到结果如表3所示，由表3分析可得，对不同的噪声测试点测量出的奇异谱熵、功率谱熵以及声压级各不相同[13]，结果说明，每个测量点上携带的噪声信号有所不同。

表3 空载无直流和直流为1.75 A时噪声信号的熵值与声压级

依照表3的测试结果对空载无直流偏磁时的500 kV单相变压器附近的噪声点实施分析，实验重点对变压器中的低压侧、高压侧和侧面的奇异谱熵和功率谱熵中的第10个噪声点实施分析，该噪声点所对应的时域曲线和频谱分布曲线如图5所示，分析该图可得，无论时间变化还是频率变化声压级均在0.5 Pa以内。从频谱分布结果可以看出该噪声点的频谱分布主要为100 Hz以及100 Hz的整数倍，在200 Hz处的幅度最高。

图5 空载无直流偏磁时第10个噪声检测点的时域和频谱分布结果

由表3分析还可得出，空载直流外加电流1.75A后，除去噪声检测编号为1、6、8、9、15、30、32、34 以外，所有的噪声检测点的奇异谱熵均有所增大，但增加的幅度大小不同，以上说明噪信号的复杂度较高。此外空载直流外加电流后所有噪声检测点在直流偏磁下的功率谱熵相比空载无电流状态下的功率谱熵值高，与奇异谱熵的增加类似[14]，功率谱熵的减少或增加的幅度也无规律可寻，其中编号为2、4、6、7、11、12、13、18、22、27、28、31、37的噪声检测点的功率谱熵值在外加电流的影响下有所增加。

空载直流外加1.75 A电流后的500 kV单相变压器附近噪声点实施分析，为保持实验的一致性，仍选取上述实验采用的第10个噪声点进行分析，图6为该噪声在空载直流外加电流后的时域和频谱分布曲线，分析图6可得，该噪声点的时域幅值继续增加，幅值最大处为450 Hz。其频谱分布结果与其振动的图像相似，但各个频率下分布差值较大。

图6 空载直流为1.75A时第10个噪声检测点的时域和频谱分布结果

2.2 偏磁环境下的噪声试验结果分析

试验选取ODFS—250000/500 变压器为试验研究设备，通过对变压器在无负载时施加直流电后的噪声进行检测，图7为变压器在不同的直流电流条件下在噪声随直流电流的变化曲线，从图中可以看出，在直流偏磁增加的同时，噪声的大小也有所增加，图8是将一定的磁通条件下不同直流电检测出的噪声增加量绘制成的柱形图，从图7中11可以发现变压器噪声的大小随着直流偏磁电流的增加而增加，从图8中得出变压器噪声的大小与磁通密度成反比例关系，磁通密度越大，噪声的增加量就越小。

图7 不同直流电流条件下噪声变化曲线

图8 不同直流电流条件下变压器噪声增量的变化规律

实验选取变压器的额定磁通密度为1.73 T，直流电流Io为0.83 A，实验为正确的将噪声与直流电的关系表述出来，现将处于磁通密度为1.73 T和1.92 T的噪声点随直流电流的变化曲线用图9进行描述。

图9 不同直流电流下变压器的噪声变化规律

图9中的(a)磁通密度B=1.73 T，其存在0≤Idc≤100%Io，得到：

N=8.11I+73.7

(2)

若磁通密度B=1.73 T，但100%Io≤Idc≤480%Io，则有：

N=2.55I+78.9

(3)

(b)图中磁通密度B=1.92，0≤Idc≤480%Io则有：

N=0.5I+88.3

(4)

其中，N均表示噪声；I为直流电流。

实际测量得出变压器产生的最大噪声值在90 dB 左右，高于额定值17 dB左右误差较小，因此对空载状态下的500 kV单相变压器直流偏磁噪声计算可以采用上述公式。

3 结 语

本文对空载状态下500 kV单相变压器直流偏磁噪声进行试验研究，得出在空载条件下向500 kV单相变压器中施加直流偏磁电流，随着电流的增加噪声的分贝也逐渐增大，当施加的直流偏磁电流达到一定数值后，产生的噪声呈现饱和状态，实验测量得到实际噪声在90 dB左右，相较与额定值高17 dB。变压器噪声的大小随着直流偏磁电流的增加而增加，变压器噪声的大小与磁通密度成反比例关系。当直流偏磁电流持续增加时，变压器产生的噪声很低，可以得出直流偏磁电流对噪声的产生有一定程度的影响，该影响在一定范围内。