- 頭條科研簡報：直流偏磁對變壓器振動噪聲有怎樣的影響？2022-02-20 作者：李冰、王澤忠 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語直流偏磁是電力變壓器的一種非正常工作狀態，直流流入變壓器后將在鐵心中產生直流磁通，導致變壓器鐵心出現半波飽和、勵磁電流嚴重畸變、局部過熱、振動噪聲增加等一系列問題，并且大容量單相自耦變壓器更易受到直流偏磁的影響，對電網的安全穩定運行產生了嚴重的威脅。 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室（華北電力大學）、電網環境保護國家重點實驗室（中國電力科學研究院武漢分院）、國網內蒙古東部電力有限公司的研究人員李冰、王澤忠、劉海波、李海明、劉健犇，在2021年第13期《電工技術學報》上撰文，利用兩臺參數一致的250MV?A/500kV變壓器分別進行了空載和負載直流偏磁試驗，對變壓器直流偏磁下的電壓畸變率、勵磁電流、振動和噪聲進行測量，并分析研究其直流偏磁下的變化趨勢、分布規律和頻譜特征。試驗結果為大型變壓器在實際運行情況下的直流偏磁耐受能力評估及直流偏磁下的振動噪聲特性研究提供參考依據。
為了解決能源供應、生態環境和電網安全等問題，我國大力建設特高壓骨干網架，在“四交五直”的基礎上，先是加快建設“五交八直”特高壓工程，接著又于2018年開工建設“十交兩直”，不斷進行特高壓網架的加強和完善工程。特高壓變壓器是特高壓工程的關鍵設備之一，然而采用由單相自耦變壓器組成的大容量變壓器更容易受到偏磁直流電流的影響。
變壓器直流偏磁現象主要是由高壓直流輸電單極大地回路運行侵入交流系統中的直流電流、太陽磁暴引起的地磁感應電流和由逆變器、控制器等電力電子器件帶來的流入電網中的直流分量等導致變壓器繞組中流入了直流電流。
直流流入變壓器后將在鐵心中產生直流磁通，導致變壓器鐵心半周飽和、勵磁電流嚴重畸變、消耗大量無功功率、振動噪聲增加等一系列問題。其中，貴廣直流輸電線路中，在進行單極大地回線運行時，春城站主變壓器中性點流入直流達34.5A，噪聲由采用單極金屬回線時（直流不足0.5A）的74.5dB升至93.9dB。
由直流偏磁造成的振動噪聲問題逐漸引起人們的重視，變壓器的振動噪聲嚴重影響了人們的正常生活及身心健康。機械振動性能也是評估變壓器工作狀態的技術指標之一，長期異常振動下的變壓器會導致其結構松動、機械強度下降，嚴重時還會造成結構件磨損和絕緣強度降低，埋下安全隱患。
然而，目前直流偏磁的研究主要集中在直流偏磁下的電磁特性研究上，如直流偏磁時鐵磁材料磁特性的測量、勵磁電流的計算、變壓器的飽和特性研究和直流偏磁的抑制等，而對直流偏磁下的振動噪聲特性的研究還相對較少。
變壓器的振動主要來源于硅鋼片磁致伸縮帶來的鐵心振動、硅鋼片接縫處和疊片處因漏磁產生的電磁力引起的鐵心振動、繞組中由電流通過時產生的電磁力造成的繞組振動和冷卻裝置振動。其中，在空載以及輕微負載情況下，變壓器的振動主要來自鐵心的磁致伸縮。國內外許多學者都對磁致伸縮的特性及建模進行了廣泛的研究。
然而變壓器結構件復雜，在振動傳遞過程中，難以通過現有的模型準確地對變壓器的振動狀態進行評估，尤其是大型變壓器，其結構更為復雜，溫度變化更大，精確的直流偏磁振動特性的評估光靠小容量變壓器試驗以及仿真分析難以實現。因此進行大型變壓器的直流偏磁試驗具有重要的意義，現場采集的振動噪聲數據對大型變壓器直流偏磁下的振動噪聲研究起重要作用。
然而關于大容量變壓器的直流偏磁試驗主要集中在電磁特性方面，對振動噪聲的研究還相對較少，關于變壓器直流偏磁下的振動噪聲機制分析比較匱乏，作為特高壓變壓器在直流偏磁程度下的電氣及振動特征，仍需進行更深的探究。
華北電力大學等單位的研究人員首先研究了磁致伸縮特性與磁化強度和直流偏置電流之間的關系。并利用兩臺相同參數的250MV?A/500kV單相三柱式變壓器構成直流偏磁試驗回路，分別進行空載和負載下的直流偏磁試驗，對變壓器直流偏磁下的電氣量、振動和噪聲進行了測量，分析研究直流偏磁下振動與噪聲的變化趨勢、分布規律和頻譜特征。分別對比了空載和負載運行時不同直流偏置電流下的振動噪聲特性。
圖1 變壓器直流偏磁試驗接線圖
通過分析試驗數據，科研人員得出以下關于直流偏磁對變壓器振動噪聲影響的結論：
1）直流偏磁致使變壓器鐵心飽和，導致勵磁電流幅值大幅增加，空載運行時，當注入直流為3A時，勵磁電流峰值增幅達32倍。負載運行時，當注入直流偏置電流為2.25A時，低壓繞組電流中產生了大量的2次、3次、4次、5次諧波，其占基波的比值分別從無直流時的1.40%、0.39%、0.57%、0.46%增加至注入2.25A直流后的5.76%、5.59%、2.40%、2.16%。
2）隨著直流偏置電流的增加，變壓器振動加劇，空載運行時，油箱表面中部偏上區域受直流偏磁影響較大，其中側面振動加速度峰值從無直流時的1.5m/s2上升到3A直流時的22.6m/s2，增幅達15倍。而負載運行時，同測點的振動加速度峰值從無直流時的0.1m/s2增加到2.25A直流時的10.3m/s2。通過對比不同區域測點發現，變壓器油箱上部區域振動程度明顯大于下部區域；鐵心主柱附近區域振動程度明顯大于鐵心旁柱附近區域；變壓器油箱正表面和側表面振動程度相差不大。
3）變壓器噪聲水平隨著直流偏置電流的增加而上升。空載情況，從無直流偏磁時的66.1dB到3A直流時的83.8dB，增加了17.2dB，噪聲聲壓級隨著直流偏置電流增加呈先快速增加后逐漸飽和的趨勢。在50%額定電壓的負載情況下，噪聲從無直流時的39.7d增加至2.25A的77.5dB，增加了37.8dB，還未出現飽和趨勢。根據我國機械行業標準JB/T 10088—1999中對變壓器噪聲水平的要求，針對容量為240MV?A，冷卻方式為油浸風冷式ONAF類型噪聲水平應不超過87dB，本試驗中直流偏磁程度所達到的噪聲水平未超過行業標準中的規定。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“直流偏磁下500kV單相變壓器振動噪聲的試驗研究”，作者為李冰、王澤忠 等。
