HVDC單極運行對500 kV交流變壓器的振動影響分析研究

丁登偉,張星海,蘭新生

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都　610072)

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HVDC單極運行對500 kV交流變壓器的振動影響分析研究

丁登偉,張星海,蘭新生

(國網四川省電力公司電力科學研究院，成都610072)

當特高壓直流系統單極大地回路運行時，直流電流將經中性點接地線流入接地極附近的變壓器，使得變壓器振動加強。在賓金特高壓直流系統調試時，研究人員采用振動測試系統檢測了宜賓接地極附近的瀘州站500 kV變壓器振動信號。利用小波時頻變換，分析變壓器振動信號的頻譜分布特征，提取了變壓器振動聲學指紋和三個典型特征參數，包括頻譜能量分布百分比、奇偶諧波能量比和波形畸變比。當直流系統的電流從0 A增至5 000 A時，通過分析瀘州站500 kV變壓器的振動聲學指紋和三個典型特征參數的變化，研究直流偏磁對500 kV變壓器運行狀態的影響。測試分析發現變壓器振動信號的奇偶諧波能量比隨電流增大而明顯變小，此外頻譜能量分布百分比和振動聲學指紋也變化顯著，有利于準確評估直流偏磁對變壓器的運行影響。

特高壓直流；直流偏磁；變壓器振動；小波時頻變換；振動聲學指紋

電力變壓器的正常穩定運行是保障電力系統安全可靠的前提。研究表明電力變壓器的繞組及鐵芯是發生故障最多的部件之一[1-4]。振動特性檢測是評價變壓器繞組及鐵芯運行狀況和診斷運行故障的有效方法[5]。變壓器的繞組在通過負載電流時，繞組間、線餅及線匝間將產生電動力，使繞組發生振動，振動頻率為2倍工頻，即100 Hz[6]。在通過磁力線時鐵芯由于磁致伸縮效應也將產生振動，頻率也為100 Hz[7]。繞組和鐵芯的振動通過變壓器內部緊固件和絕緣油傳遞到變壓器油箱壁，使變壓器油箱表面產生振動，因此通過檢測變壓器油箱表面的振動信號，可實時監測變壓器繞組及鐵芯的機械結構狀況[8]。

當HVDC系統采用單級大地回路運行時，由于接地極附近直流電壓分布梯度將導致部分直流電流通過500 kV變壓器的中性點接地端流入變壓器繞組，使變壓器出現直流偏磁[9-11]。當變壓器鐵芯中出現直流分量，將使變壓器達到飽和，勵磁電流發生嚴重畸變，使得在正常變壓器正常磁通Ba上疊加一個直流分量Bd[12-14]。由于磁致伸縮位移是磁通的函數，因此HVDC系統采用單級大地回路運行時，直流偏磁將使變壓器嚴重影響鐵芯的振動。此外直流偏磁將使鐵心磁阻增加，使得繞組漏磁場增大，繞組振動增加[15-17]。

本文采用振動檢測系統檢測在HVDC系統調試時接地極附近的500 kV變壓器振動特性變化。利用振動信號的頻譜分布及振動聲學指紋研究500 kV變壓器振動隨HVDC系統負荷電流的變化特征，準確評估HVDC單級大地回路運行對附近變壓器運行狀態的影響。

1　變壓器振動的現場測試

±800 kV賓金特高壓直流輸電系統，西起四川宜賓換流站，東至浙江金華換流站，額定電流5 kA。瀘州500 kV變電站距離宜賓側接地極約160 km，站內的1號主變為三相一體式500 kV變壓器，型號OSFPS-750000/500(聯接方式為YN/Δ)。

圖1　振動檢測系統的三個測點分布Fig.1　The location of the three vibration measuring point

利用自主研制的振動檢測系統在變壓器側面下三分之一處分別布置三個PCB 356A16振動傳感器，避開變壓器外殼的加強筋，傳感器的有效工作頻段為0.5 Hz～4.5 kHz，測點位置如圖1所示。利用NI 9234數據采集卡，采集振動信號，采樣率25.6 kS/s，每個振動樣本采集時長1 s。

在調試期間，采用單極大地回路運行，系統直流電流從0 A穩定升至額定電流。在電流為0 A，1 kA,3 kA和5 kA時，分別檢測500 kV瀘州變電站1號主變的振動信號。

2　變壓器振動信號特征參數提取

利用振動檢測系統測得的振動信號進行頻譜分析，求取頻譜能量分布百分比、奇偶諧波能量比和波形畸變比，提取500 kV變壓器的振動聲學指紋。圖2為HVDC系統電流為3 kA時變壓器0.1 s內的振動時域信號，圖3是該振動信號在1 kHz以下的頻譜分布。

圖2　HVDC系統電流為3 kA時變壓器的振動時域信號Fig.2　The vibration signal of 500 kV transformer when the DC current of the HVDC system is 3 kA

圖3　HVDC系統電流為3 kA時變壓器的振動信號的頻譜分布Fig.3　The spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer when the DC current of the HVDC system is 3 kA

采集記錄變壓器殼體1 s內的振動信號設為v(t)(0≤t≤1 s)。將v(t)進行功率譜分析，得到振動信號的功率譜P(f)，其求取步驟如下：

(1)

式中:τ為位移變量，0≤τ≤1 s。

由于變壓器振動信號的改變很大程度體現在高次諧波分量的出現，為了分析直流分量對變壓器振動信號的影響，采用頻譜能量分布百分比α(f)來表示振動信號的頻譜能量分布特征。根據振動信號的功率譜P(f)，求得振動信號的頻譜能量分布百分比α(f)，由于系統采樣率為25.6 kS/s，所以分析頻率最高為12.8 kHz，由于變壓器振動頻率分量主要集中在2 kHz以下，所以本文主要求取2 kHz以下的頻譜能量分布百分比α(f)，其求取步驟：

(2)

式中：fmin=0 Hz,fmax=12.8 kHz，f1=2 kHz

由于當直流注入變壓器中性點時，變壓器振動信號的工頻奇數次諧波分量將增大，因此為了研究直流分量對變壓器振動的影響程度，利用振動信號的功率譜求取振動信號的奇偶諧波能量比Re/o，由于現場所測振動信號的頻譜分量未必剛好全部分布在工頻奇偶諧波分量處(如100 Hz或150 Hz)，因此在求取奇偶諧波能量時，將求取范圍擴展為工頻奇偶諧波點的前后5 Hz以內(如95 Hz～105 Hz或145 Hz～155 Hz)，其求取步驟如下：

(3)

(4)

式中：f1=2 kHz,f2=5 Hz。

波形畸變比THDweight是描述高次諧波對時域波形影響嚴重程度的常用參數，因此本文也用此來描述工頻高次諧波分量對變壓器振動基波分量的影響。利用振動信號的功率譜求得振動信號的波形畸變比THDweight，其求取步驟如下：

(5)

(6)

式中：pk=k，k=2,3,4，…

最后采用小波變換處理變壓器的振動信號，通過獲得的小波脊構造振動聲學指紋，所得特征指紋受變壓器的運行交流負荷影響較小，能真實反應變壓器內部結構參數變化[18-19]。因此本文首先利用連續小波變換對變壓器振動信號進行時頻分析。將變壓器1 s內的振動信號v(t)進行解析小波變換，得到振動信號的小波變換系數CWTv(a,τ)，其求取步驟如下：

(7)

(8)

式中：τ為位移變量，0≤τ≤1 s，a為尺度變量，σ為母小波函數φ(t)高斯包絡的標準偏差。

(9)

滿足式(9)的點(a0,τ0)即構成振動信號的小波脊(a0(i),τ0(i))(i=1,2,…,N)。根據式(10)將(a0(i),τ0(i))轉換成(t0(i),f0(i))(i=1,2,…，N)。

f0(i)=a0(i)×fm;t0(i)=τ0(i)

(10)

式中：fm為母小波函數φ(t)的中心頻率，0≤t0(i)≤1 s。

根據求得的振動信號小波脊(t0(i),f0(i))(i=1,2,…，N)，經角化變換得到變壓器振動聲學指紋(φ0(i),f0(i))，用極坐標圖展示變壓器振動聲學指紋，以振動聲學指紋來反映直流電流分量對變壓器繞組的影響。角化變換如下：

φ0(i)=t0(i)×360°

(11)

式中0≤φ0(i)≤360°。

3　HVDC系統電流對變壓器振動特性影響分析

HVDC系統電流為0 kA、1 kA、3 kA和5 kA時，利用布置在變壓器三個位置的振動傳感器檢測變壓器振動信號的變化。根據上文提取的頻譜能量分布百分比、奇偶諧波能量比和波形畸變比，以及運用分析小波變換和小波脊分析求得的變壓器振動聲學指紋，分析HVDC系統電流對變壓器運行狀態的影響。

3.1變壓器振動信號頻譜分布變化

當HVDC系統電流從0 kA增大至5 kA時，500 kV瀘州變電站1號變壓器上三個測點所測振動信號的頻譜分布變化如圖4～圖6所示。

圖4　當HVDC系統電流增大時測點1處振動信號頻譜分布的變化Fig.4　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

圖5　當HVDC系統電流增大時測點2處振動信號頻譜分布的變化Fig.5　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

圖6　當HVDC系統電流增大時測點3處振動信號頻譜分布的變化Fig.6　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

圖中同一變壓器，不同測點所測得振動信號的頻譜分布不同。測點1處變壓器振動信號的主要頻點為100 Hz、200 Hz和400 Hz，其中200 Hz最大；測點2處振動信號的主頻點為100 Hz、200 Hz和300 Hz，其中300 Hz最大；測點3處振動信號的主頻點為300 Hz。

在變壓器中性點未流入直流電流時，振動信號中只有50 Hz的偶數次諧波分量。當HVDC系統電流增大時，變壓器振動信號開始出現奇數次諧波分量。振動測點不同，所測振動信號出現的奇數次諧波分量也有差異。當直流電流為1 kA時，測點1出現了250 Hz諧波分量；測點2出現了250 Hz和350 Hz諧波分量；測點3出現了350 Hz諧波分量。當直流電流增大至3 kA時，三個測點均出現了250 Hz和350 Hz諧波分量。此外，隨著直流電流增大，奇數次和偶數次諧波分量幅值均隨之增長。

3.2變壓器振動信號頻譜能量分布百分比變化

圖7　當HVDC系統電流增大時測點1處振動信號α(f)的變化Fig.7　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

當HVDC系統電流從0 kA增大至5 kA時，500 kV瀘州變電站1號變壓器上三個測點所測振動信號的頻譜能量百分比變化如圖7～圖9所示。圖中可見在測點1處，變壓器振動信號的主要能量分布在200 Hz～500 Hz；測點2處振動信號的主要能量分布在250 Hz～400 Hz；測點3處振動信號的主要能量分布在300 Hz～450 Hz。變壓器振動信號的頻譜能量分布曲線隨直流電流增大變換顯著，直流電流越大，頻譜能量百分比曲線變化臺階越多。

圖8　當HVDC系統電流增大時測點2處振動信號α(f)的變化Fig.8　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

圖9　當HVDC系統電流增大時測點3處振動信號α(f)的變化Fig.9　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

3.3變壓器振動信號奇偶諧波能量比變化

當HVDC系統電流從0 kA增大至5 kA時，500 kV瀘州變電站1號變壓器上三個測點所測振動信號的奇偶諧波能量比Re/o變化如圖10所示。圖中可見當沒有直流電流時，三個測點的振動信號Re/o分別大約為50 dB、40 dB和60 dB；直流電流為1 kA時，分別大約為4 dB、6 dB和10 dB；直流電流為3 kA時，分別大約為1.5 dB、4 dB和8 dB；直流電流為5 kA時，分別大約為0 dB、2.5 dB和7 dB。可見隨著直流電流增大，三個測點的振動信號奇偶次諧波能量比均一致減小，可用于評估HVDC系統電流對變壓器運行狀態的影響。

圖10　當HVDC系統電流增大時三測點振動信號Re/o的變化Fig.10 The change of the Re/oof the vibration signal of 500 kV transformer at the three measuring points when the DC current of the HVDC system increased

圖11　當HVDC系統電流增大時三測點振動信號THDweight的變化Fig.11 The change of the THDweight of the vibration signal of 500 kV transformer at the three measuring points when the DC current of the HVDC system increased

3.4變壓器振動信號波形畸變比變化

500 kV瀘州變電站1號變壓器上三個測點所測振動信號的波形畸變比THDweight隨著HVDC系統電流增大的變化趨勢如圖11所示。圖中可見測點1處的振動信號隨著直流電流增大，THDweight逐步從32 dB增大至55 dB；在直流電流為0 kA時，測點2處的振動信號THDweight為17 dB，當直流電流從1 kA增大至5 kA時，THDweight從40 dB逐漸較小至25 dB；當直流電流從0 kA增大至3 kA時，測點3處的振動信號THDweight從50 dB增大至60 dB，但當直流電流增大至5 kA時，THDweight卻減小至50 dB。可見測點不同，振動信號的THDweight變化趨勢不一致。

3.5變壓器振動聲學指紋變化

500 kV瀘州變電站1號變壓器上三個測點所測變壓器的振動聲學指紋隨著HVDC系統電流增大的變化趨勢如圖12～圖14所示。

圖12　當HVDC系統電流增大時測點1處變壓器振動聲學指紋的變化Fig.12 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

圖13　當HVDC系統電流增大時測點2處變壓器振動聲學指紋的變化Fig.13 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

圖14　當HVDC系統電流增大時測點3處變壓器振動聲學指紋的變化Fig.14 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

圖中可見當直流電流為0 kA時，測點1的振動聲學指紋較為分散，有三圈特征紋路，當出現直流電流時，變壓器的特征指紋變為一圈特征紋路，隨著直流電流增大，振動聲學指紋的特征紋路向外擴張，并逐步增粗。測點2處的變壓器振動聲學指紋在沒有直流電流時，只有很細的一圈特征紋路，當出現直流電流時，特征紋路增粗，隨直流電流增大變化不明顯。測點3處的變壓器振動聲學指紋在直流電流為0 kA時，也只有很細的一圈特征紋路，當直流電流增大時，特征紋路逐漸增粗。

4　結　論

在±800 kV賓金特高壓直流輸電系統單極大地回路調試時，本文采用振動檢測系統檢測接地極附近的500 kV瀘州變電站1號主變三個位置的振動變化。通過本文提出的頻譜能量分布百分比、奇偶諧波能量比和波形畸變比及振動聲學指紋研究HVDC系統負荷電流對變壓器振動特性的影響，得到以下結論。

(1)當500 kV變壓器中性點流入直流電流時，變壓器各位置的振動信號將出現50 Hz的奇數次諧波分量，位置不同，出現的奇數次諧波次數不同。此外各諧波分量幅值均隨直流電流增長而變大。

(2)當變壓器出現直流偏磁時，變壓器振動信號的頻譜能量分布百分比曲線變化明顯，不同位置變化趨勢存在差異；振動信號的奇偶諧波能量比隨著直流電流增大，逐步減小，不同測點變化趨勢一致；變壓器不同位置的振動信號波形畸變比隨直流電流增大的變化趨勢不同。

(3)通過分析小波變換和小波脊處理得到的變壓器振動聲學指紋在出現直流偏磁時，變化相當顯著，并隨直流電流增大，指紋中的特征紋路將逐漸增粗。不同振動測點，振動聲學指紋變化規律基本一致。

通過本文的研究發現變壓器振動信號的奇偶諧波能量比和變壓器振動聲學指紋能準確反映HVDC系統直流電流對500 kV變壓器振動特性的影響，可用來評估直流偏磁對變壓器運行狀態的影響。

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Effects of HVDC monopole operation on vibration of a 500 kV AC transformer

DING Dengwei,ZHANG Xinhai,LAN Xinsheng

(Sichuan Electric Power Research Institute,Chengdu 610072,China)

When a HVDC system works with a monopole ground return mode,DC current flows into an AC power transformer near the grounded neutral,pole through the ransformer’s neutral ground wire vibration.In debugging Yibin-Jinhua high voltage direct current (HVDC)system,a vibration testing system was applied to detect vibration signals of a 500kV AC transformer of Luzhou substation near Yibin grounded pole.The spectral distribution features for the transformer’s vibration signals were analyzed by means of the wavelet transformation,the vibration acoustic fingerprint and three typical characteristic parameters including the percentage of spectral energy distribution,the energy radio of odd and even harmonics and the waveform distortion radio were extracted,respectively.When the current of the HVDC system increased from 0 A to 5 000 A,the effects of DC bias on the operation status of the 500 kV AC transformer were investigated through analyzing the variation of the vibration acoustic fingerprint and three characteristic parameters of the transformer.The results showed that the energy radio of odd and even harmonics of the transformer vibration signals decreases significantly with increase in DC current; in addition,the percentage of spectral energy distribution and the vibration acoustic fingerprint vary obviously; these results are beneficial to evalute correctly the effects of DC bias on the operation of the transformer.

HVDC; DC bias; vibration of a transformer; wavelet transformation; vibration acoustic fingerprint

2015-06-23修改稿收到日期：2015-08-21

丁登偉 男，博士，工程師，1985年7月生

張星海 男，博士，高級工程師，1963年12月生

E-mail:Zhangxh1@163.com

TE855

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.17.034