±660kV銀東直流輸電對變壓器噪聲影響分析與對策

張 冰，張玉磊 ，閆廣鑫，王小波

（1.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001；2.山東壽光市供電公司，山東 壽光 262700；3.吉林省送變電工程公司，吉林 長春 130031）

0 引言

銀東直流是世界上首回±660 kV直流輸電工程，具有重要的實(shí)驗(yàn)示范意義，也是山東實(shí)施外電入魯?shù)闹匾獦?biāo)志性輸電工程，正?？上蛏綎|電網(wǎng)輸送功率4 000 MW。銀東直流輸電工程于2010年10月28日開始進(jìn)入單極運(yùn)行調(diào)試階段。 銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，山東電網(wǎng)交流系統(tǒng)多臺(tái)變壓器出現(xiàn)振動(dòng)噪聲增大的現(xiàn)象，一時(shí)對機(jī)理及解決方案不明，急需進(jìn)行深入分析。

大型電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出較大的噪聲，主要包括變壓器本體噪聲和輔助冷卻裝置噪聲兩部分。本體噪聲包括鐵心、繞組、油箱（包括磁屏蔽等）等產(chǎn)生的噪聲。輔助冷卻裝置噪聲包括風(fēng)扇和油泵噪聲。變壓器的噪聲過大不但污染環(huán)境、危害人類健康，而且也影響變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命。 變壓器的噪聲與其電氣性能和機(jī)械性能一樣，都是變壓器極為重要的技術(shù)參數(shù)。

近年來，隨著我國電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)的增加，高壓直流輸電單極運(yùn)行時(shí)，接地極附近的交流變壓器多次發(fā)生了振動(dòng)噪聲異常的事件［1-3］。通過對山東電網(wǎng)交流系統(tǒng)多臺(tái)變壓器振動(dòng)噪聲異常原因的分析和變壓器中性點(diǎn)電流實(shí)測數(shù)據(jù)的比較，證明了銀東直流單極大地運(yùn)行會(huì)引起山東電網(wǎng)變壓器振動(dòng)噪聲增大，對變壓器的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。

1 變壓器振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象

2010年11月8日銀東直流單極大地滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，日照電廠3號(hào)主變（中性點(diǎn)接地運(yùn)行）、黃島電廠5號(hào)主變（中性點(diǎn)接地運(yùn)行）振動(dòng)噪聲明顯增大。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，日照電廠3號(hào)主變噪聲比4號(hào)主變（中性點(diǎn)不接地運(yùn)行）高15～20 dB，3號(hào)主變的振動(dòng)位移平均值為13.3 um，而4號(hào)主變的振動(dòng)位移平均值為4.4 um。

2010年11月12日上午，日照電廠3號(hào)主變、黃島電廠5號(hào)主變噪聲和振動(dòng)明顯增強(qiáng)。11月12日10時(shí)左右，銀東直流由單極大地運(yùn)行（GR）轉(zhuǎn)單極金屬回線運(yùn)行（MR）方式，日照、黃島電廠主變振動(dòng)噪聲恢復(fù)正常。11月12日16時(shí)，銀東直流由金屬回線轉(zhuǎn)單極大地運(yùn)行方式，實(shí)測日照電廠3號(hào)主變噪聲由78 dB增加到95 dB；黃島電廠5主變噪聲由77 dB增加到87 dB。 期間，濰坊電廠反映3號(hào)主變振動(dòng)噪聲明顯增強(qiáng)。

另外，銀東直流單極大地運(yùn)行期間，500 kV嶗山站、大澤站、密州站均反映變壓器都有一定程度的噪聲增大、振動(dòng)增強(qiáng)的現(xiàn)象。

2 變壓器振動(dòng)噪聲異常原因分析

大型電力變壓器振動(dòng)噪聲異常原因通常有以下幾種：風(fēng)扇、油泵等輔助設(shè)備運(yùn)行不正常；變壓器本身某些部件的松動(dòng)；變壓器鐵心磁滯伸縮不正常。

日照電廠、黃島電廠等相關(guān)廠站運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)變壓器振動(dòng)噪聲異常時(shí)，主變風(fēng)扇、油泵等輔設(shè)備運(yùn)行正常。 同時(shí)主變的振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象不具有連續(xù)性，所以主變出現(xiàn)的振動(dòng)噪聲異常不是主變零部件的松動(dòng)引起的。 因此，可以初步判斷變壓器鐵心磁滯伸縮不正常是導(dǎo)致此次變壓器振動(dòng)噪聲異常的原因。

導(dǎo)致變壓器磁滯伸縮不正常的可能原因主要有：

1）變壓器本身的缺陷。主要包括：鐵心松弛；磁屏蔽松動(dòng)；繞組松散或存在匝間短路、開路；鐵心接地。

2）交流電源異常。主要包括：電源中含有諧波且超出允許范圍；系統(tǒng)頻率不正常，偏差較大；系統(tǒng)電壓波動(dòng)過大。

3）直流偏磁。 直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，是指在變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了直流分量，會(huì)引起變壓器鐵心飽和，改變變壓器鐵心磁通的磁路，從而導(dǎo)致變壓器磁致伸縮的不正常。

經(jīng)過相關(guān)廠站現(xiàn)場運(yùn)行人員檢查，主變噪聲異常發(fā)生時(shí)，交流電源未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。同時(shí)考慮到主變噪聲異常發(fā)生的不連續(xù)性，可排除主變本身缺陷導(dǎo)致變壓器磁致伸縮的不正常。 可能導(dǎo)致變壓器直流偏磁的起因主要有以下兩種情況。

1）直流輸電單極運(yùn)行時(shí)，會(huì)引起接地極附近的交流變壓器直流偏磁［4-5］。

2）磁暴發(fā)生時(shí)，地磁場變化在地面感應(yīng)電勢（ESP），ESP會(huì)在輸電線路、中性點(diǎn)接地變壓器，以及與大地形成的回路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（GIC），GIC的頻率為0.001～0.1 Hz，這種準(zhǔn)直流同樣會(huì)使變壓器直流偏磁飽和［5-6］。

通過地磁臺(tái)相關(guān)地磁場數(shù)據(jù)的分析，此次山東電網(wǎng)多臺(tái)變壓器出現(xiàn)振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象時(shí)，未發(fā)生地磁暴現(xiàn)象，因此可排除磁暴的影響。

通過以上的分析可以初步認(rèn)為，銀東直流單極大地運(yùn)行可能是導(dǎo)致此次多臺(tái)變壓器振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象的原因。

3 影響機(jī)理及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，大地作為回流電路，會(huì)有高達(dá)上千安直流電流通過接地極進(jìn)入大地，造成接地極附近出現(xiàn)較高的地表電勢。 隨著距離銀東直流接地極距離的增大，地表電勢逐漸降低，從而造成不同地點(diǎn)間的地表電勢不同。 在超高壓電網(wǎng)運(yùn)行中，為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，大型電力變壓器高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)采用接地的運(yùn)行方式。 銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，地表電勢差作用于兩個(gè)變壓器接地中性點(diǎn)之間，從而在中性點(diǎn)接地變壓器、輸電線路和大地構(gòu)成的回路中產(chǎn)生直流電流，如圖1所示。

圖1 變壓器中性點(diǎn)直流產(chǎn)生原理圖

大型電力變壓器的鐵芯一般由硅鋼片疊加而成，硅鋼片的磁導(dǎo)率具有非線性，圖2為硅鋼片的B-H曲線。為了減小變壓器的體積和節(jié)約鐵芯材料，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)往往將額定運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)設(shè)置在鐵芯線性區(qū)和飽和區(qū)分界處的拐點(diǎn)位置附近，如圖2中的位置a。直流電流流過變壓器繞組時(shí)會(huì)在變壓器鐵芯中產(chǎn)生直流偏置磁通，導(dǎo)致變壓器工作點(diǎn)進(jìn)入到飽和區(qū)內(nèi)，如圖2中位置b，從而使得變壓器發(fā)生半波飽和，這種現(xiàn)象稱之為變壓器直流偏磁。

圖2 鐵芯材料B-H曲線

變壓器半波飽和引起鐵芯材料的磁化強(qiáng)度增加，從而導(dǎo)致變壓器鐵心磁滯伸縮加劇，造成變壓器振動(dòng)噪聲增大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證山東電網(wǎng)多臺(tái)變壓器振動(dòng)噪聲異常是由銀東直流單極大地運(yùn)行引起的，相關(guān)工作人員分別監(jiān)測了銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，日照電廠3號(hào)主變、黃島電廠5號(hào)主變中性點(diǎn)直流電流及噪聲情況。監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器中性點(diǎn)直流電流及噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測到了10 A左右的直流電流流入了日照電廠3號(hào)主變和黃島電廠5號(hào)主變接地中性點(diǎn)，變壓器的噪聲比正常運(yùn)行時(shí)增大了10 dB以上，日照電廠3號(hào)主變甚至增大了接近20 dB。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以證明山東電網(wǎng)多臺(tái)變壓器振動(dòng)噪聲異常的現(xiàn)象是由銀東直流單極大地運(yùn)行引起的變壓器直流偏磁造成的。

4 變壓器直流偏磁的危害

變壓器直流偏磁導(dǎo)致變壓器振動(dòng)噪聲增大，會(huì)造成變壓器內(nèi)部緊固件的松動(dòng)，對變壓器的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

同時(shí)，由于變壓器鐵芯材料的非線性，直流偏磁會(huì)導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流增大和諧波電流增加，并由此導(dǎo)致了變壓器消耗的無功增加。 變壓器直流偏磁引起的無功變化和產(chǎn)生的高次諧波可能造成系統(tǒng)電壓跌落、無功波動(dòng)、繼電保護(hù)誤動(dòng)和SVC過載跳閘等事故，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅［7-8］。變壓器勵(lì)磁電流的增大還將導(dǎo)致變壓器繞組損耗和溫升的增加，不利于變壓器的安全運(yùn)行。

另外，變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，磁通主要通過鐵芯主磁路閉合，脫離鐵芯主磁路的漏磁通較少。變壓器半波飽和時(shí)，鐵芯的工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)域，導(dǎo)致了鐵芯磁導(dǎo)率減小，從而使得大量的漏磁通進(jìn)入到油箱壁、鐵心夾件等變壓器金屬構(gòu)件中，導(dǎo)致了變壓器損耗和溫升的增加，對變壓器的安全運(yùn)行造成不利影響［9-12］。變壓器溫升的增加會(huì)加速變壓器絕緣材料性能降低和變壓器使用壽命下降，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致油浸式變壓器中甲烷、乙烷等有害氣體的增加。

5 結(jié)語

銀東直流單極大地運(yùn)行是引起山東電網(wǎng)多臺(tái)變壓器發(fā)生振動(dòng)噪聲異?，F(xiàn)象的主要原因。 除引起變壓器振動(dòng)噪聲增大之外，還可能引起變壓器局部過熱等威脅變壓器安全運(yùn)行的現(xiàn)象。

1）在日照電廠、黃島電廠等銀東直流單極大地運(yùn)行影響較大的廠站安裝變壓器中性點(diǎn)直流、噪聲與振動(dòng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2）根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的詳細(xì)實(shí)測數(shù)據(jù)，對所監(jiān)測的變壓器進(jìn)行振動(dòng)與噪聲特性研究，確定偏磁條件下噪聲的限值，作為控制變壓器耐受直流電流的措施。

3）對受銀東直流影響較大的變壓器安裝直流偏磁抑制裝置。

4）對受銀東直流影響較大的變壓器安裝換流變BOX-IN降噪裝置，改善站內(nèi)及站區(qū)周圍的環(huán)境噪聲。

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