城市軌道交通引起的變壓器直流偏磁噪聲與振動特性*

吳曉文，周年光，胡勝，彭繼文，盧鈴

（國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙410007）

0 引 言

隨著我國城市化進程的不斷推進以及城市建設規模的不斷擴大，各大城市軌道交通的應用逐漸普遍。城市軌道交通（Urban Mass Transit System，UMTS）采用直流供電，直流電流由接觸網流入機車內部并經由鋼軌回流至牽引變電站。一般而言，直流電流不會進入交流電力系統。然而，由于土壤結構、施工工藝、排流網導流能力等因素的影響，仍可能有一部分直流雜散電流通過變壓器中性點流入交流電力系統，造成交流系統變壓器的直流偏磁現象。直流偏磁容易引起變壓器局部過熱、噪聲與振動加劇等問題，嚴重威脅了電力變壓器的安全運行［1-5］。

關于變壓器直流偏磁問題的研究已有許多成果報道，主要集中在直流偏磁產生機理、直流偏磁對變壓器的影響、直流偏磁模擬以及直流偏磁控制措施等方面［6-8］。文獻［9-12］對500 kV變壓器直流偏磁條件下的噪聲與振動信號進行了測量與分析，分析了直流偏磁對變壓器噪聲與振動特性的影響；文獻［13-15］研究了變壓器直流偏磁仿真模型；文獻［16-18］分析了電容隔直與電阻隔直等直流偏磁控制措施。上述研究成果均以特高壓直流輸電工程帶來的直流偏磁問題為研究背景，而關于城市軌道交通引起的變壓器直流偏磁問題較少涉及。

分析了城市軌道交通引起變壓器直流偏磁的原因，詳細測量了某220 kV變壓器直流偏磁前后的噪聲與振動信號，研究了信號時頻域特性的變化規律，從中提取出能夠反映變壓器直流偏磁狀態的特征參數，并將該特征參數與直流偏磁前后變壓器噪聲與振動信號變化趨勢進行對比驗證。

1 UMTS引起變壓器直流偏磁的機理

直流偏磁發生前后，變壓器勵磁特性曲線及勵磁電流變化如圖1所示。圖中實線表示直流偏磁發生前變壓器勵磁特性曲線，虛線表示發生直流偏磁時變壓器勵磁特性曲線。正常情況下變壓器磁通隨外加電壓按正弦規律變化，此時鐵心磁通未飽和，變壓器磁化電流為正弦波且幅值較小。出現直流偏磁時，變壓器磁通發生整體偏移，與偏移方向一致的磁通大幅增加，與平移方向相反的磁通幅值減小，即出現半飽和現象［19-20］。鐵心磁通飽和時，對應磁化電流幅值相對更高。因此，發生直流偏磁時，勵磁電流曲線出現嚴重畸變及正負半軸不對稱現象，且直流偏磁程度越大，該特征越明顯。直流偏磁電流達到2 A以上時，變壓器噪聲與振動信號出現顯著變化，信號幅值顯著增加，波形發生明顯畸變［11］。

圖1 直流偏磁原理圖Fig.1 Principle diagram of DC bias

除了地磁暴與特高壓換流站單極運行外，UMTS也是造成交流變壓器直流偏磁現象的重要原因。理論上，UMTS鋼軌對地絕緣性能良好，絕大部分牽引電流通過鋼軌返回牽引變電站。然而，實際中鋼軌并非完全對地絕緣，加之鋼軌自身存在電阻，牽引電流流過時產生電位梯度，部分雜散電流（迷流）經過土壤流入軌道附近交流變壓器的接地中性點，導致變壓器產生直流偏磁現象，如圖2所示。UMTS引起的變壓器直流偏磁其嚴重程度與氣象條件、土壤環境、列車數量、運行工況等諸多因素有關［21-22］。與特高壓換流站單極運行時產生的直流偏磁不同，UMTS引起直流偏磁時，主變中性點直流分量具有變化快、短期無明顯變化規律等特點，因此產生的無規異常噪聲與振動對主變運行的影響較大，更容易造成繞組與鐵心松動等問題。

圖2 UMTS雜散電流傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of the UMTS stray current transmission process

2 變壓器直流偏磁噪聲與振動測量與分析

對長沙地區某220 kV三相油浸式有載調壓自冷變壓器進行直流偏磁前后噪聲與振動檢測，變壓器型號為SSZ10-K-180000/220，采用某公司4189型自由場傳聲器與4534型加速度傳感器測量噪聲與振動信號，利用12通道3053型采集模塊進行同步信號采集，采樣頻率設置為65 536 Hz。

2.1 正常運行主變噪聲與振動特性

直流偏磁發生前，主變噪聲與振動時域波形如圖3所示?？梢钥闯?，正常運行條件下，主變噪聲與振動信號較為平穩，波形無明顯波動，且具有明顯的周期性，聲壓 p最大幅值為0.32 Pa，等效聲壓級LAeq為68.2 dB（A），振動加速度a最大幅值為4.0 m/s2。與圖3對應的變壓器噪聲與振動信號頻譜如圖4所示。由圖可見，變壓器噪聲信號頻譜主要集中在600 Hz以內，信號能量主要集中在200 Hz與300 Hz，其中主頻200 Hz信號幅值為0.12 Pa；由于振動信號不易受外界環境因素的干擾，中高頻諧波含量較少，變壓器振動加速度頻譜主要集中在300 Hz頻率范圍內，且50 Hz奇數倍諧波頻率含量較低，300 Hz主頻信號幅值為1.8 m/s2。

圖3 正常運行主變噪聲與振動時域波形Fig.3 Time-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

圖4 正常運行主變噪聲與振動頻域波形Fig.4 Frequency-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

2.2 主變直流偏磁噪聲與振動特性

變壓器直流偏磁條件下短時間范圍內時域噪聲與振動信號如圖5所示。假設0.2 s時間范圍內變壓器噪聲與振動信號相對穩定，與圖3相比，此時噪聲與振動信號幅值大幅增加，且發生較為明顯的畸變，波形復雜度顯著增加，振動信號波形表現尤為明顯。0.2 s內，變壓器聲壓最大值為0.94 Pa，平均等效聲壓級為80.4 dB（A），較正常情況增大了12.2 dB（A）；振動加速度最大值為9.4 m/s2，較正常情況增加了約2.3倍。圖6給出了與圖5相應的噪聲與振動信號頻譜，可以看出發生直流偏磁時，變壓器噪聲與振動信號頻譜分布較正常情況發生了顯著變化，出現了較多高次諧波，噪聲與振動信號頻譜范圍分別增加至850 Hz與1.4 kHz，且包含較多的50 Hz奇數倍諧波頻率。噪聲信號主頻由200 Hz變為300 Hz，振動加速度信號出現幅值較高的500 Hz頻率分量，信號幅值為3.0 m/s2，原本能量比重較高的100 Hz與200 Hz頻率分量幅值顯著減小。由此可見，直流偏磁對于變壓器噪聲與振動特性具有十分重要的影響。

圖5 主變直流偏磁噪聲與振動時域波形Fig.5 Time-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

圖6 主變直流偏磁噪聲與振動頻域波形Fig.6 Frequency-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

為了研究主變中性點直流I與變壓器噪聲與振動信號的對應關系，以及UMTS引起變壓器直流偏磁的變化規律。設計了直流偏磁多狀態量監測裝置，對24 h內主變中性點直流、振動加速度以及聲壓級幅值進行測試，測量結果如圖7所示。

圖7 中性點直流、振動加速度以及聲壓級變化關系Fig.7 Relationship of neutral point DC，vibration acceleration and sound pressure level versus time

圖中，橫坐標具體起始時刻為3月11日12時30分。由圖中可以看出，變壓器振動加速度、聲壓級與其中性點直流具有完全相同的變化趨勢，中性點直流越大，變壓器振動加速度與聲壓級越高。24 h內該變壓器中性點直流、振動加速度以及聲壓級最大值分別為28.2 A、12.0 m/s2以及 85.4 dB（A）。次日0時30分時，地鐵入庫完畢，軌道上無車輛運行，變壓器中性點直流、振動加速度以及聲壓級迅速恢復至正常水平。5時10分左右，地鐵開始調試，軌道上有直流流過，變壓器中性點直流、振動加速度以及聲壓級開始增大，經過1 h后，地鐵正式投入運行，變壓器中性點直流、振動加速度以及聲壓級始終保持較高水平。由此可見，地鐵運行狀態與該變壓器直流偏磁情況密切相關，并且造成該變壓器振動與噪聲急劇增加。在長期運行過程中，周期性的反復振動沖擊容易造成變壓器繞組與鐵心松動，導致設備絕緣受損，不利于變壓器的安全與穩定運行。因此，開展變壓器直流偏磁狀態監測具有實際意義。

3 直流偏磁噪聲與振動信號特征分析

對比圖4與圖6可以看出，變壓器出現直流偏磁時，噪聲信號頻譜中50 Hz奇次諧頻與偶次諧頻含量發生較為明顯的變化。盡管噪聲與振動信號幅值可作為直流偏磁狀態的輔助判斷依據，但當直流電流較小時，該判據評價效果較差。為了提高直流偏磁狀態判斷的準確性，可以從噪聲與振動信號頻譜分布中提取變壓器直流偏磁特征參數，用于直流偏磁狀態評價。

變壓器噪聲與振動信號基本處于2 kHz范圍內，可定義噪聲與振動信號的奇偶次諧波比為：頻譜2 kHz范圍內，變壓器噪聲與振動信號50 Hz奇次諧頻幅值的均方根值與50 Hz偶次諧頻幅值的均方根值的比值，即：

式中 A2i為信號50 Hz偶次諧波幅值；A2i－1為信號50 Hz奇次諧波幅值；N為2 kHz范圍內信號50 Hz諧頻數量。

測量直流偏磁前后1 h內變壓器的噪聲與振動信號變化過程，并計算相應特征參數。變壓器噪聲與振動信號奇偶次諧波比特征隨時間變化過程如圖8所示。

圖8 主變噪聲、振動信號與特征量對應關系Fig.8 Corresponding relationship of transformer noise，vibration signals and characteristic parameter versus time

圖中，實線為特征參數變化曲線，虛線為實際噪聲與振動信號變化曲線。由圖中可以看出，前30min未發生直流偏磁時，特征參數值一直處于較低水平，30 min后變壓器噪聲、振動以及特征參數均急劇增大，此時地鐵運行導致直流偏磁現象產生，并且在30 min～40 min之間噪聲與振動水平尚且較低時，特征參數已開始出現顯著變化。與噪聲信號相比，振動信號不受外界因素干擾，其特征參數變化與直流偏磁狀態具有更好的一致性。由此可以看出，所提取的特征參數與變壓器噪聲及振動信號除部分細節外具有相同的變化趨勢，能夠準確地反映出直流偏磁的變化過程。

4 結束語

分析了UMTS引起的變壓器直流偏磁產生機理，對比分析了直流偏磁前后變壓器噪聲與振動特性，并提取出變壓器直流偏磁噪聲與振動特征參數，主要得出如下結論：

（1）發生直流偏磁時，變壓器噪聲與振動信號幅值大幅增加，頻譜特性更為復雜，頻帶范圍更寬，并且出現較多50 Hz奇數倍諧頻；

（2）UMTS引起變壓器直流偏磁現象的產生及變化與其運行方式有關，變壓器中性點電流、噪聲與振動信號具有相同的變化過程；

（3）以變壓器噪聲與振動信號的奇偶次諧波比為特征參數均能反映出變壓器的直流偏磁狀態，但振動信號奇偶次諧波比特征與直流偏磁狀態具有更好的一致性。