一起220kV變壓器異常聲響分析

段 劍,魏東亮,何曉陽,武 坤

(國網河北省電力公司,石家莊 050000)

一起220kV變壓器異常聲響分析

段 劍,魏東亮,何曉陽,武 坤

(國網河北省電力公司,石家莊 050000)

針對一起220kV變電壓投運后異常聲響問題,分析常規試驗數據,認為變壓器噪聲增大的主要原因是電網系統中的直流分量,通過噪聲聲級增加值和直流偏磁電流關系曲線和噪聲頻譜分析驗證了這一結論,并提出了后續解決措施。

變壓器;異常聲響;直流分量

1 故障情況

國網河北省電力公司某220kV變電站2015年2月1日投入運行,其中包含2號、3號兩臺主變壓器,2月2日運行人員在進行投運后例行巡視時發現2號主變壓器噪聲明顯高于3號主變壓器(投運后運行方式2號主變壓器中性點直接接地, 3號主變壓器中性點不接地)。2月12日晚2號主變壓器退出運行,3號主變壓器中性點經隔離刀直接接地,發現3號主變壓器噪聲變大,與2號主變壓器噪聲聲級一致。

2 故障檢測

2.1 2臺220kV變壓器基本參數

型號:SFSZ10-180000/220;

額定電壓:230±8×1.25%/121/11kV;

額定容量:180/180/90 MVA;

聯結組別:YNyn0d11;

主分接阻抗:14%/48%/33%。

2.2 相關檢測結果

對2號主變壓器、2號主變壓器的油色譜分析和鐵心夾件接地電流進行檢測,結果均無異常。

測量2臺變壓器平均噪聲,2號主變壓器為81 dB(室內測量未修正,后同),3號主變壓器為69 dB。

測量2號主變壓器退出運行后3號主變壓器高壓中性點的直流電流,檢測到直流電流1.16 A (DC),測量3號主變壓器噪聲聲級變為85.1 dB。

2.3 噪聲聲級修正

2臺變壓器出廠試驗噪聲聲級分別為59.2 dB和59.4 dB,該變電站變壓器室為混凝土室,其吸聲系數α為0.05。寬12 m,長15 m,高16 m,聲反射表面積AU為1 044 m2。主變壓器外形尺寸為寬3 m,長11.6 m,高3.47 m,發聲表面積AT為136.1 m2。

依據《電力變壓器聲級測量應用導則》,聲壓級分貝數的增加值近似計算公式:

計算可得主變壓器在變壓器室內運行,可測噪聲聲級增加了10.4dB。3號主變壓器中性點未直接接地運行時的噪聲修正為58.6dB,與出廠試驗數值基本一致。

3 噪聲聲級增大的原因分析

從現場檢測數據看,3號主變壓器未直接接地運行時的噪聲聲級為69dB,中性點經隔離刀直接接地后主變噪聲聲級變為85.1dB。

變壓器的噪聲主要來自變壓器鐵心的磁滯伸縮,磁滯伸縮率越大,噪聲越大。該變電站在進行相關檢測時3號主變壓器近乎空載,噪聲明顯是由鐵心的磁滯伸縮所引起的電磁噪聲。通過檢測到的直流電流綜合分析,推測電網系統中存在直流分量,直流電流經變壓器繞組流入地殼,鐵心中產生直流磁通分量,與交流磁通疊加導致磁通發生半波飽和,半波磁滯伸縮峰值增大,加劇了鐵心振動噪聲,是造成變壓器噪聲聲級增大的原因。為驗證這一推測,進行了以下驗證。

3.1 噪聲聲級增加值與直流電流間的關系

在《電力變壓器聲級測量應用導則》中明確指出直流偏磁可以導致噪聲聲級明顯增加,噪聲聲級增加值和直流偏磁電流與空載電流之比相關,并給出大型電力變壓器關系曲線,見圖1。

圖1 電力變壓器噪聲聲級增加值和直流偏磁電流與空載電流之比關系曲線

圖中,X軸代表直流偏磁電流與空載電流的比值; Y軸代表總聲級的增加量(dB)。

該變電站3號主變壓器可測中性點直流電流1.16A,每相直流電流0.39A,出廠試驗中空載電流標幺值是0.05%,高壓側額定電流為472.4A,高壓側空載勵磁電流0.24A,直流偏磁電流與空載電流之比為1.6,查圖1可知,噪聲聲級增加約為13dB。實際測量結果,中性點不接地運行時噪聲為69dB,中性點接地后噪聲增加到85dB,實際增加16dB,噪聲聲級的理論增加值與實際增加值基本一致。

3.2 噪聲頻譜分析

變壓器的噪聲與鐵心的振動速度有關及與磁滯伸縮的時間導數有關。由于磁滯伸縮的變化周期是勵磁電源變化的半個周期,所以振動噪聲是以2倍的勵磁電源頻率為其基波頻率的即100 Hz。又因為磁滯伸縮的非線性和多級鐵心、鐵軛等原因,使磁通飽和含有高次諧波分量。所以常規電力變壓器噪聲頻譜中除了基波頻率100Hz噪聲外,還包含有基頻整數倍的高頻噪聲,也就是說正常噪聲以偶數倍勵磁電源頻率為主,且其基頻波不是噪聲聲波的最主要分量。

變壓器在直流偏磁下,鐵心在半個周波內急劇飽和,勵磁電流出現奇次和偶次波,相應的噪聲頻譜會同時含有奇次和偶次波分量。因此,測試變壓器噪聲頻譜,根據噪聲頻譜中的奇次波組分,可以分析噪聲的來源是由直流偏磁引起。

利用頻譜分析儀Spectrumanalyzer測量分析。三相220kV電力變壓器常規空載試驗時噪聲頻譜如圖2所示,該站3號主變壓器噪聲頻譜分析如圖3所示。

圖2 常規空載試驗噪聲幅-頻分析

圖3 該變電站主變噪聲幅-頻分析

利用MATLAB仿真分析,三相220kV電力變壓器常規空載試驗時噪聲頻譜如圖4所示,該

站3號主變壓器噪聲頻譜分析如圖5所示。

圖4 常規空載試驗噪聲幅-頻分析

圖5 該站主變噪聲幅-頻分析

分析以上頻譜可知,電力變壓器常規試驗狀態下空載噪聲主要以50Hz的偶數倍頻率為主,其中300Hz是主要頻率。該變電站3號主變壓器噪聲頻譜明顯包含偶次波和奇次波噪聲,這是因為在直流偏磁作用下,勵磁電流發生半波飽和,不僅含有偶次諧波還出現奇次諧波分量,對應半個周波的鐵心過度飽和,明顯產生了奇次波和偶次波噪聲,符合直流偏磁狀態下變壓器噪聲頻譜特征。

4 直流偏磁對變壓器的影響

變壓器的勵磁特性曲線呈現典型的非線性,在正常條件下,變壓器主要運行在該特性曲線的飽和點附近[1]。當變壓器繞組中流經直流電流時,就會在鐵心中產生直流磁勢,導致磁滯工作回線單方向偏離坐標原點,鐵心中出現直流磁通分量,勵磁磁通向某一側偏移,主變鐵心工作點進入勵磁特性曲線的飽和段,發生半波飽和。

在直流偏磁下運行,變壓器鐵心片的磁致伸縮力增加,加劇變壓器鐵心片的振動,本體噪聲和振動明顯增大,振動嚴重時,導致變壓器有關部件的松動,引起發熱、放電或部件脫落,危及變壓器的安全運行[2]。對變壓器運行性能和使用壽命產生嚴重影響。

變壓器內部出現大量的漏磁通,可能會導致變壓器鐵芯、夾件、拉板局部溫度偏高,變壓器損耗增加。同時變壓器勵磁電流發生畸變,將產生大量諧波。

5 結束語

直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態。國內外學者對高緯度運行地區進行了一些試驗研究[3],對中低緯度地區研究較少,目前,還缺少數據支持。

針對該變電站主變壓器出現的由于直流偏磁引起的異常聲響,后續工作一是監督變壓器運行狀態,重點監測油中氣體組分和鐵心、夾件接地電流,明確變壓器油中特征氣體和鐵心、夾件接地電流不超出注意值,二是通過測試該變電站所在地區其它變電站的變壓器的直流分量情況,判斷該地區直流分量的來源及特性,通過在變壓器中性點串限流電阻、中性點串電容器和改變系統的直流電流分布等措施,逐步限制和消除變壓器中性點直流電流[4]。

[1] 劉 康,溫定筠,胡春江,等.變壓器直流偏磁產生機理及偏磁電流實測研究[J].電工電氣,2014,175(12):26-30.

[2] 汪金剛,毛 凱,段 旭,等.直流偏磁下的變壓器振動仿真與試驗[J].電機與控制學報,2015,70(1):58-67.

[3] AndersonPM,AgrawalBL,VanNessJE.Subsynchronous resonanceinpowersystem[M].NewYork:IEEEPress, 1990:35-68

[4] 朱藝穎,蔣衛平,曾昭華,等.抑制變壓器中性點直流電流的措施研究[J].中國電機工程學報,2005,(13):1-7.

本文責任編輯:靳書海

Analysis of Some 220kV Transformer Abnormal Noise

Duan Jian,Wei Dongliang,He Xiaoyang,Wu Kun
(State Grid Hebei Electric Power Company,Shijiazhuang 050000,China)

Based on a problem of abnormal noise in a 220kV transformer operation,laboratory experiment shows no fault exist. The main cause of abnormal noise is suggested that it come from direct current components.By calculating the relationship curve of noise sound level and direct biasing current,and the spectrum analysis also proves the conclusion,some countermeasures are presented according to the conclusion.

transformer;abnormal noise;direct current components

TM407

B

1000-7229(2016)04-0056-03

2016-06-15

段 劍(1982-),男,高級工程師,主要從事電網建設工程管理、變電一次設備運維檢修方面的研究工作。