变压器偏磁振动噪声特征分析与抑制

高志新 ，李 磊 ，许 伟 ，伊 锋 ，马国庆

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东电力设备有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

直流电流流入交流变压器，将使其处于非正常工作状态，直流电流会在变压器内部产生直流磁通，与交流磁通叠加会改变交流设备铁芯磁密，使励磁电流发生畸变，增加交流系统的谐波分量，降低变压器的有效输送容量，甚至可能会导致保护系统发生误动，对电网安全稳定运行构成威胁［1］。在我国电网建设中，高电压输电线路以东西走向为主，具备长距离、大容量等传输特点，然而，东西走向的输电线路易受到磁暴的影响而导致直流偏磁；另外，直流输电工程中的双极不平衡运行和单极大地回线方式也会使直流电流流入中性点接地的变压器绕组中，发生直流偏磁现象。因此，大型电力变压器经常受到诸如地磁电流，直流输电单极运行的影响，产生直流偏磁，威胁着电网的安全稳定运行［2］。

直流偏磁导致的变压器异常振动噪声是人们关注的主要问题之一。国外开展变压器振动噪声监测研究工作要早于国内。20世纪30年代以来，美国、芬兰、加拿大、日本等国家相继开展了直流偏磁噪声加剧及其对电网运行影响的研究。2001年以来，国内高校、电力生产与设计等单位结合江苏武南、岭澳核电站等偏磁饱和情况做了大量研究工作。其中，武南变电站受直流偏磁的影响主变压器噪声曾增大21 dB，噪声频谱中也出现了明显的奇次谐波［3-4］。借鉴以往的研究，对某新投运变电站2号和3号变压器的噪声异常现象进行分析，详细阐述噪声声级增加与直流电流、噪声频谱与直流偏磁噪声典型频谱关系，提出整改建议，为后续的研究工作提供参考。

1 变压器振动噪声产生原理及特征

1.1 变压器的振动机理

直流偏磁的振动噪声主要来自铁芯和绕组的振动，振动信号以不同的途径传向外壳。其中，铁芯由硅钢片的磁致伸缩效应引起。振动主要通过两条途径传递给油箱，一条是通过垫脚传至油箱；另一条是通过绝缘油传至油箱。绕组的振动是由电磁力引起的，主要通过绝缘油传至油箱；风扇等冷却装置的振动通过固体的途径也会传至变压器油箱［5］。变压器箱体的振动与噪声传递见图1。

图1 变压器箱体的振动与噪声传递

1.2 直流偏磁下变压器振动噪声的特征

变压器正常工作时，励磁电流在正负半周是对称的，交流励磁磁通在正负半周是对称的，因而磁致伸缩位移在磁通变化的一个周期内也是对称的。直流通过交流变压器时，过励磁状态、直流偏磁下内部励磁电流与励磁磁通变化分别如图2～3所示。

图2 过励磁状态下励磁电流与励磁磁通

图3 直流偏磁下变压器励磁电流与励磁磁通

在直流偏磁的情况下，由于叠加作用，对应的励磁电流呈现出正负半波不对称的形状。与偏磁方向一致的半个周波大大增加，另外半个周波反而减小，出现半波饱和情况［6］，如图3所示（对比图2）。 研究表明，磁致伸缩位移与磁通的平方正相关［7］，磁通与励磁电流正相关，因此铁芯磁致伸缩位移在一个周波内将出现不对称，不仅含有偶次谐波分量，还出现奇次谐波分量。

变压器在正常工作时，绕组的振动基本与电流的平方正相关，因此绕组的振动主要由100 Hz的基频和基频整数倍的高次谐波组成。直流偏磁下，由于励磁电流的畸变，会使绕组的振动出现大量的奇次和偶次谐波。

综上所述，直流偏磁情况下，变压器的振动会变得更加复杂，出现一系列高次谐波。

1.3 噪声与直流偏磁的相关性

噪声声级随着直流偏磁增加而明显上升，噪声声级与直流偏磁电流和空载电流之比相关［8］，如图4所示。

图4 噪声声级与直流偏磁电流与空载电流比关系

2 实例分析

以某新投运变电站2号和3号主变压器为例，分析其噪声异常情况。变压器型号为SFZ10-180000／220；额定电压为 230±8×1.25%121／11 kV；额定容量为 180／180／90 MVA；联结组别为 YNyn0d11；主分接阻抗为14%／48%／33%。2号主变压器接地，3号主变压器不接地。

2.1 运行概况和检测数据

投入运行后，2号主变压器噪声明显高于3号主变压器。经过现场调研分析，将2号主变压器退出运行后3号主变压器接地，结果发现3号主变压器噪声变大，与2号主变声级接地时的相同。检测结果如表1所示。

表1 主变压器监测结果

2.2 噪声声级修正

2号和3号变压器出厂试验噪声分别为58.2 dB和59.7 dB。现场测量3号主变压器的噪声为68 dB，变压器室吸声系数为0.05。声压级分贝数的增加值

式中：dbuild-up为噪声声级增加值；α为修正系数；AT为实测声压；AU为参考声压。

计算可得噪声声级增加10.4 dB。因此3号主变压器未接地时运行的噪声声级修正值为68.6 dB。

2.3 直流偏磁引起噪声声级增大原因分析

1）设计结构。

该站2台变压器均为高阻抗变压器，其实现方式为内置电抗器结构。该变压器生产厂家已在19个变电站数十台高阻抗变压器中采用了内置电抗器结构，现场运行良好，结构成熟可靠，能够满足现场运行要求。由2.2节中修正结果可知，3号主变压器未接地时运行噪声符合技术协议要求的小于70 dB。3号主变压器噪声增大是在中性点由不接地改为接地运行时发生的，可以排除变压器自身原因造成的噪声增大。

2）噪声声级增加与直流电流间的关系。

该站通过3号主变压器中性点直接接地后，为系统中的直流电流流入地壳提供了一个低电阻值的途径，高压侧中性点直流值为1.10 A，每相直流电流为0.41 A。空载电流出厂值为0.05%，高压侧额定电流与空载励磁电流分别为472.4 A和0.24 A。偏磁直流与空载电流之比为1.5。结合上文中噪声声级增加与直流电流间的关系，可知噪声升级增加约13 dB。实际测量结果，3号主变压器在中性点不接地情况下，噪声为68dB，中性点接地后，其噪声增加至85 dB，实际增加17 dB，噪声声级理论计算值与实际测量基本相符。

3）噪声频谱与直流偏磁噪声典型频谱一致。

3号主变压器常规空载试验时噪声频谱如图5（a）所示，3号主变压器直流偏磁作用下噪声频谱分析如图5（b）所示。

图5 3号主变压器频谱分析仪噪声幅—频分析

利用MATLAB仿真分析，3号主变压器常规空载试验时噪声频谱如图6（a）所示，3号主变压器直流偏磁作用下噪声频谱分析如图6（b）所示。

图6 MATLAB仿真分析图像

通过图6幅频分析可得，主变空载状态下的噪声以100 Hz及其倍频为主，幅值最高的频率为300 Hz。3号主变压器噪声频谱由偶、奇次谐波组成，以偶次为主，由于直流偏磁注入变压器后，其励磁电流饱和，从而使振动的谐波分量中包含了奇次分量。

3 限制措施与整改建议

直流偏磁的抑制一般是通过在中性点与地之间加抑制装置实现，抑制装置可以通过加装直流发生装置，向变电站接地网注入一定反向直流电流来降低其电位，对入地直流进行反向补偿，减小流过中性点的直流，抑制直流偏磁的影响，此方法的优势是对继电保护、绝缘水平无影响。抑制装置也可以采用限流电阻或者隔直电容。但本案例中直流偏磁略大于1 A，一般采用小电阻或直流发生装置来对其进行抑制，但考虑到加装小电阻会对系统结构产生一定影响，所以采用直流发生装置来进行直流抑制。

4 结语

从变压器直流偏磁振动机理入手，分析了变压器偏磁振动的噪声特征，并结合新投运变电站主变振动噪声异常现象进行详细阐述。变压器的振动噪声主要由铁芯和绕组的振动决定，均以两倍的电源频率为基频（100 Hz），并包含有其频率为其整数倍的高次谐波。在直流偏磁的作用下，励磁电流发生畸变，相应的噪声信号也出现大量奇次波噪声。主变压器的噪声异常是由直流偏磁现象引起时，在中性点注入反向直流是限制直流偏磁的有效措施。