一種變壓器振動噪聲研究的新方法

楊國輝+++桑占良+++葛艷霞

摘 要：近年來，變壓器的振動噪聲問題逐漸成為國內外專家學者討論的熱點。文章針對變壓器鐵心振動的問題，提出了一種實驗室模擬直流偏磁問題引起電力變壓器振動噪聲加劇的新方法，并且通過試驗深入研究了變壓鐵心直流偏磁條件下的振動特性，得到了一定的結論，為后續電力變壓器直流偏磁條件下的振動噪聲問題研究提供了參考。

關鍵詞：直流偏磁；變壓器；鐵心；振動；模態分析

1 概述

電力變壓器是電力系統的重要組成部分，也是整個電網安全運行的保障。隨著電網容量和等級的不斷增大，對電力系統的安全運行和輸電可靠性提出了更高的要求，而變壓器作為關鍵設備，一旦發生故障，將造成巨大的損失。近年來，地磁暴現象及高壓直流輸電系統（HVDC）的廣泛應用，使得電力變壓器頻繁出現直流偏磁，導致鐵心損耗增大，振動噪聲加劇，嚴重危害其運行安全，并且噪聲污染也給人們的生活帶來了一些負面的影響和干擾[1]。因此，直流偏磁條件下的變壓器振動噪聲問題越來越成為人們關注和研究的熱點。

2 變壓器振動噪聲的主要來源

變壓器的振動主要來源于本體振動噪聲和冷卻裝置的振動噪聲，本體振動噪聲是國內外研究與的熱點。

2.1 變壓器的本體振動噪聲

2.1.1 磁致伸縮引起的鐵心振動

鐵心的振動主要來源為硅鋼片的磁致伸縮。磁致伸縮是指硅鋼片的尺寸磁力線方向上增加，而垂直于磁力線方向的硅鋼片的尺寸減小的現象。從微觀上可以解釋為鐵心在磁化過程中，材料從磁化方向各異的多磁疇無序狀態變成與外磁場同方向的單磁疇有序狀態，以及介質立體晶狀體結構和原子間距發生相應變化的過程[3]。這種伸縮使鐵心隨著勵磁磁場的變化產生周期性振動，且不隨勵磁磁場方向的改變而改變，故磁致伸縮引起鐵心振動的基頻是二倍于電源工頻的。

2.1.2 漏磁場引起的鐵心振動

變壓器工作時鐵心疊片間和接縫處存有漏磁場，產生的電磁吸引力造成鐵心振動，不同的疊壓方式和接縫大小產生的漏磁場及振動強度都有所不通，該部分振動遠小于鐵心磁致伸縮引起的振動。

2.1.3 負載電流漏磁場引起的繞組振動

繞組的負載電流產生的漏磁場能夠引起繞組的振動，常規運行的變壓器，鐵心振動主要取決于磁致伸縮現象，只有當鐵心磁密低于1.4T時，電磁力的影響增大，才被加以考慮。

2.2 直流偏磁對變壓器振動噪聲的影響

變壓器直流偏磁現象指因某種原因導致直流電（DC）進入變壓器勵磁繞組中，鐵心中交直流磁通相互疊加，勵磁時磁滯洄線發生偏移，出現半波飽和，并且由此引發諧波含量增多，損耗增大，振動噪聲加劇等一系列問題的電磁效應。直流偏磁條件導致變壓器的振動加劇，噪聲增強，緊固件容易發生松動，對于長期安全運行不利。此外，包含多種高次諧波的噪聲的也嚴重影響著人們的生活環境。

國內外針對直流偏磁引起的變壓器異常工作的研究主要集中在理論計算，仿真分析，以及對于故障變壓器的現場監測等，實驗研究相對匱乏，并且直流偏磁現象來源于自然界，偏磁電流大小不可控，不利于實驗研究，因此，尋求一種實驗室模擬變壓器直流偏磁現象的方法顯得尤為的重要。基于此文章提出了一種實驗室模擬變壓器直流偏磁條件下運行的實驗新方法，并通過實驗結合仿真研究了直流偏磁對變壓器鐵心振動的影響規律。

3 直流偏磁下變壓器鐵心振動實驗

3.1 新型實驗方法

實驗研究直流偏磁條件下變壓器鐵心的振動特性，首先必須實現在實驗室模擬實際并網運行變壓器的直流偏磁現象，做到有可測直流磁通流過變壓器鐵心，因此制定了以下合理的實驗方法：實驗選用兩臺規格相同的單相干式變壓器并聯（160KVA），低壓側并聯通勵磁電壓（400V，低壓線圈勵磁電壓在實驗室內較容易實現），高壓側產生感應電動勢（2000V），反相串聯，恰好能夠抵消掉感應電動勢，并且串聯直流電源及滑動變阻器，從而實現為變壓器通入直流，在鐵心中產生直流磁通的目的，串聯在高壓感應回路中的電阻也滿足了施加可控偏磁直流的要求，故該新方法能夠很好的實現實驗室內直流偏磁條件下鐵心振動實驗研究。實驗電路圖如圖1所示，實驗現場圖如圖2所示。

圖1 實驗電路圖

圖2 實驗現場圖

3.2 實驗內容

實驗主要測量了變壓器不同測點振動以及同一測點不同直流偏磁條件下的振動情況，通過調節串聯電阻值的大小來改變高壓回路中來直流電流值，對應產生的磁通量Ф由以下公式得到：

H=■ （1）

式中：N為線圈匝數，I為電流強度（A），l為磁路長度（m）。

B=H？滋 （2）

式中：H為磁場強度（V/m），μ為磁導率。

Ф=BS （3）

式中：Ф為磁通（Wb），B為磁通密度（Wb/m2），S為磁路的截面積（m2）。

考慮到變壓器結對稱構的對稱性，在測點的選取上應做到在最大限度的反應變壓器實際運行狀態的基礎上盡量減少不必要的工作量，因此得到了如圖3所示的測點分布圖。

圖3 測點分布圖

3.3 實驗數據分析

為了盡量準確的反映變壓器的振動特性，設定采樣頻率為4096HZ，對全部測點分別進行空載和直流偏磁條件下振動測量，各點位移有效值如圖4所示。從圖中可以看出，通入直流后，變壓器各點的振動均有所增大，受到了夾件和拉桿的影響1至8號測點的振動強度明顯低于9至14號測點，這主要是因為硅鋼片沿磁力線方向的位移受到抑制而易于發生彎曲形變，所以鐵心疊片方向測點的振動明顯強于其它測點。通入直流后，位于心柱上方的10號測點受直流偏磁影響較大，振動強度約為空載條件下的3倍。由圖中可以看出，9、10、12、13、14號測點的振動情況受直流偏磁的影響效果明顯，具有代表性。圖5給出了上述測點振動強度隨偏磁電流的變化趨勢，可以看出隨直流的增大各點的振動均增強，并且電流越大，振動強度增速越快，Idc=2A時振動強度平均約為空載時2.6倍，最大為4倍，可見直流偏磁對變壓器鐵心振動的影響很大，極小的偏磁電流就能使鐵心振動強度增加數倍。endprint

圖4 空載和Idc=2A條件下各點位移有效值

圖5 測點振動強度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結構的變壓器，鐵心振動與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時，受到直流偏磁影響后，變壓器振動與噪聲的時域和頻域波形特性也將發生相應的變化。對測點10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動的時域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時域波形均表現出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動強度很大，空載達到1.5μm，頻率大于600HZ的振動幅值已經很小。偏磁電流Idc=2.0A時，由于諧波含量增多，導致時域波形波動較大，且鐵心各頻率段的振動強度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動強度增大較為明顯，主要因為直流偏磁導致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環偏移，大量高次諧波產生，使得鐵心的高頻振動增強。

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖6 空載時鐵心振動時域和頻域波形

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時鐵心振動時域和頻域波形

4 結束語

文章從實驗的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動的新方法，試驗選用兩臺相同規格的變壓器低壓側并聯，高壓側反向串聯抵消感應電動勢，且串聯直流電源實現了試驗室模擬運行變壓器直流偏磁狀態的目的，得到的試驗結論對后續研究也有著積極的指導意義。

參考文獻

[1]顧曉安，沈密群，朱振江，等.變壓器鐵芯振動和噪聲特性的試驗研究[J].變壓器，2003，40（4）：l-4.

[2]張軼君.變壓器直流偏磁引起的振動噪聲監測方法研究[D].北京：華北電力大學，2008.

[3]Andersen D W，Myles M M.Field of sound radiation by power transformers[J].IEEE Trans. Power Appar. & Syst，1981，100（7）：3512-3524.

[4]馬宏彬，何金良，陳青恒.500kV單相電力變壓器的振動和噪聲波形分析[J].高電壓技術，2008，34（8）：1599-1604.endprint

圖4 空載和Idc=2A條件下各點位移有效值

圖5 測點振動強度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結構的變壓器，鐵心振動與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時，受到直流偏磁影響后，變壓器振動與噪聲的時域和頻域波形特性也將發生相應的變化。對測點10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動的時域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時域波形均表現出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動強度很大，空載達到1.5μm，頻率大于600HZ的振動幅值已經很小。偏磁電流Idc=2.0A時，由于諧波含量增多，導致時域波形波動較大，且鐵心各頻率段的振動強度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動強度增大較為明顯，主要因為直流偏磁導致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環偏移，大量高次諧波產生，使得鐵心的高頻振動增強。

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖6 空載時鐵心振動時域和頻域波形

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時鐵心振動時域和頻域波形

4 結束語

文章從實驗的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動的新方法，試驗選用兩臺相同規格的變壓器低壓側并聯，高壓側反向串聯抵消感應電動勢，且串聯直流電源實現了試驗室模擬運行變壓器直流偏磁狀態的目的，得到的試驗結論對后續研究也有著積極的指導意義。

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圖4 空載和Idc=2A條件下各點位移有效值

圖5 測點振動強度隨偏磁電流的變化趨勢

電力變壓器的鐵心振動和噪聲的頻譜范圍通常為100～1000HZ，但對于不同容量、不同結構的變壓器，鐵心振動與噪聲的頻譜有所不同[4]。同時，受到直流偏磁影響后，變壓器振動與噪聲的時域和頻域波形特性也將發生相應的變化。對測點10分析，空載和直流偏磁條件下鐵心振動的時域及頻域波形分別如圖6、圖7所示，兩種工況下時域波形均表現出了良好的周期性，受磁致伸縮的影響，其基頻100HZ振動強度很大，空載達到1.5μm，頻率大于600HZ的振動幅值已經很小。偏磁電流Idc=2.0A時，由于諧波含量增多，導致時域波形波動較大，且鐵心各頻率段的振動強度均有不同程度的變化，200HZ和300HZ的振動強度增大較為明顯，主要因為直流偏磁導致鐵心磁通飽和，以及磁滯回環偏移，大量高次諧波產生，使得鐵心的高頻振動增強。

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖6 空載時鐵心振動時域和頻域波形

（a）測點振動位移時域波形

（b）測點振動位移頻譜分析

圖7 Idc=2.0A時鐵心振動時域和頻域波形

4 結束語

文章從實驗的角度給出了一種研究直流偏磁下變壓器鐵心振動的新方法，試驗選用兩臺相同規格的變壓器低壓側并聯，高壓側反向串聯抵消感應電動勢，且串聯直流電源實現了試驗室模擬運行變壓器直流偏磁狀態的目的，得到的試驗結論對后續研究也有著積極的指導意義。

參考文獻

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[4]馬宏彬，何金良，陳青恒.500kV單相電力變壓器的振動和噪聲波形分析[J].高電壓技術，2008，34（8）：1599-1604.endprint