直流輸電導致變壓器噪聲異常的測試及分析

蔣 偉，蘭新生，周易謙

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

直流輸電導致變壓器噪聲異常的測試及分析

蔣 偉，蘭新生，周易謙

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

變壓器噪聲增大可能由于變壓器內部故障，或非正常運行工況引起。針對220 kV某變電站主變壓器噪聲異常的情況，通過分析運行工況，對噪聲振動、中性點直流量進行測試及分析，以及將主變壓器噪聲異常時的時間與德陽換流站切換單極大地回路運行的時間進行對比，發現該主變壓器噪聲異常的原因是德陽換流站直流接地極電流導致其發生直流偏磁，直流接地極電流導致單相三柱式變壓器噪聲異常的距離可達到300 km。介紹了特高壓直流接地極電流對四川電網變壓器的影響情況，并提出了變壓器直流偏磁的防護建議。

噪聲；磁滯伸縮；變壓器中性點；直流偏磁；單極運行

0 引 言

變壓器的噪聲源來自鐵心硅鋼片磁滯伸縮振動、散熱器風扇轉動、線圈導線或線圈電磁力對變壓器殼體及磁性材料的作用等。變壓器噪聲增大可能由于變壓器內部故障引起，或者由于非正常運行工況引起，如諧波、直流偏磁、負荷異常增加等[1-2]。

2013年10月10日7：30，2號主變壓器響聲比平常聲音大而均勻，變壓器本體振動加劇，油溫、負荷以及主變壓器本體無其他異常情況。幸福站2臺主變壓器并聯運行，變壓器中性點采用部分接地方式，其中1號主變壓器中性點不接地，2號主變壓器中性點接地。該站2臺主變壓器均為同一變壓器公司的產品，為三相鐵心獨立、油路相通的組式變壓器(見圖1)，其主要參數如下。

1)型號：SFSZ10-H-180000/220；

2)額定容量：180000/180000/90000 kVA；

3)額定電壓：(230±8×1.25%)/115/38.5 kV；

4)連接組標號：YNyn0D11。

圖1 幸福站2號主變壓器

1 噪聲增大變壓器運行工況

10月10日7:30，幸福站2號主變壓器出現噪聲、振動異常，7:40該站Ⅰ母、Ⅱ母三相電壓正常(見圖2)。

為了分析潮流和負荷是否是引起該站中性點接地變壓器噪聲增大的原因，以下分別列出了噪聲增大前(7:00)、噪聲增大后(8:00)2號主變壓器最大負荷及最大電流。

圖2 7:40 2號主變壓器錄波圖

1) 2號主變壓器7:00運行工況

①潮流及負荷

220 kVⅡ母：UAB=230.18 kV，UA=133.07 kV，UB=132.86 kV，UC=132.79 kV

110 kVⅡ母：Uab=111.36 kV，Ua=64.352 kV，Ub=64.346 kV，Uc=64.368 kV

②主變壓器電流及有功

高壓側：IA=185.820 A，P高= -75.724 MW

中壓側：Ia=390.791A，P中= -75.756 MW

2)2號主變壓器8:00 運行工況

①潮流及負荷

220 kVⅡ母：UAB=230.69 kV，UA=133.2 kV，UB=133.1 kV，UC=133.098 kV

110 kVⅡ母：Uab=111.405 kV，Ua=64.365

kV，Ub=64.297 kV，Uc= 64.273 kV

②主變壓器電流及有功

高壓側：IA= 170.176 A，P高= -69.250 MW

中壓側：Ia= 358.945 A，P中= -69.684 MW

2號主變壓器噪聲增大前后潮流、負荷、電流和有功均未出現異常情況。

2 紅外及油溫測試

10月10日幸福站2號主變壓器出現噪聲增大的現象，10月11日該變壓器噪聲仍未減小，運行人員對2號主變壓器進行了紅外測溫和油溫測試。圖3為10月11日該主變壓器紅外測溫圖片(本體及A、B、C相)。

2號主變壓器油溫測試結果如表1所示。

表1 2號主變壓器油溫測試結果

圖3 2號主變壓器紅外測溫圖

可以看出10月11日測得的2號主變壓器紅外測溫最高溫度為46.3℃，變壓器油溫和繞組溫度均在正常范圍內。

3 噪聲振動測試及分析

10月12日，對220 kV 幸福站2臺主變壓器噪聲和振動進行了測試。

3.1 噪聲測試及分析

為分析變壓器中性點接地方式是否與其噪聲異常相關，主變壓器噪聲測試按照2號主變壓器接地、1號主變壓器不接地和1號主變壓器接地、2號主變壓器不接地兩種方式進行。

主變壓器噪聲測試時，噪聲測試儀器位于油池邊緣豎直高度1.2 m處，每臺變壓器各測11個點，測點位置見圖4。

圖4 2號變壓器噪聲測點位置示意圖

測試結果見表2。

從表中數據可以看出，變壓器中性點接地時比不接地時等效聲級最大差達13.7 dB。

圖5為中性點在不同接地方式下的噪聲頻譜分布圖。從圖5可知，變壓器中性點接地時200～800 Hz聲級數值比變壓器中性點未接地時顯著增大。2號主變壓器接地、1號主變壓器不接地方式時，2號主變壓器最高噪聲比1號主變壓器高約10 dB；改變2臺主變壓器的接地方式，即2號主變壓器不接地、1號主變壓器接地后，2號主變壓器噪聲隨即下降至正常值，1號主變壓器噪聲增大約10 dB。

表2 幸福站主變壓器噪聲測試結果 單位：等效聲級dB(A)

備注：A為網絡計權的一種。

圖5 變壓器中性點噪聲頻譜分布圖

圖6 變壓器中性點振動瀑布圖

由此可知，可以排除幸福站2臺主變壓器內部故障引起噪聲增大；變壓器接地方式是引起噪音增大的原因(中性點接地的變壓器會噪聲增大，而中性點不接地的變壓器不受影響)。

3.2 振動測試及分析

主變壓器振動測試是在變壓器噪聲增大時測試本體油箱壁，圖6為變壓器中性點未接地和接地時的測試結果。

由圖6可知，變壓器中性點未接地時，振動加速度主要以100 Hz為主，200～500 Hz有少量分布；變壓器中性點接地時振動加速度增大，主要頻率以500 Hz為主，同時250～700 Hz加速度均明顯增大。

4 變壓器中性點電流測試及分析

為分析中性點電流對變壓器噪聲增大的影響，分別按以下兩種運行工況測試了幸福站主變壓器中性點電流。

1)1號主變壓器中性點接地，2號主變壓器中性點不接地。

測試1號主變壓器中性點電流，測試結果見表3。

表3 中性點電流測試結果1

表4 中性點電流測試結果2

2)1號主變壓器220 kV側中性點接地，110 kV中性點不接地，2號主變壓器110 kV側中性點接地，220 kV中性點不接地。

該方式可判斷直流量的主要路徑，測得變壓器中性點電流見表4。

測得的變壓器中性點交流電流是由于三相不平衡引起，數值未超過變壓器零序電流保護整定值，其最大值為6.6 A。

變壓器噪聲增大時，有約0.9 A的直流量流入變壓器繞組，會導致變壓器勵磁電流畸變，鐵心半周磁飽和，引起變壓器噪聲增大、振動加劇。220 kV側流入的直流量比110 kV側大，直流量的主要路徑是直流接地極與幸福站之間的220 kV線路和大地形成的回路。

5 超/特高壓直流偏磁電流對變壓器的影響及防護建議

5.1 直流偏磁問題介紹

直流偏磁是指在變壓器勵磁電流中出現了直流分量,導致變壓器鐵心半周磁飽和以及由此引起的一系列電磁效應。鐵心的高度飽和會使漏磁增加，引起金屬結構件和油箱過熱，破壞絕緣，影響變壓器的壽命；同時，直流偏磁還會導致鐵心磁致伸縮更加嚴重，從而使變壓器振動加劇、噪音加大，影響變壓器的正常運行[3-4]。

對于遠距離輸電的雙端直流系統，通常采用雙極運行方式。但當直流輸電建設初期，為提高經濟效益，往往建好一極后即投運，這種直流輸電單極運行方式是以大地作為回流電路，此時高達幾千安培的電流從直流接地極注入大地，特高壓直流輸電接地極注入大地的電流甚至更大(達4 kA)[5-6]。

5.2 直流偏磁電流對幸福站變壓器的影響

2013年10月10日6：54，德陽換流站采用單極(極Ⅱ)大地回路方式運行，10月10日7：30，距離德陽換流站300 km的220 kV幸福變電站2號主變壓器(中性點接地)出現噪聲增大現象，10月15日18：52，恢復雙極運行方式后，幸福站主變壓器噪聲減小。10月16日7：11，當德陽換流站極Ⅱ停運，采用單極(極Ⅰ)大地回路方式運行后,幸福站中性點接地主變壓器噪聲隨即增大。相距約100 km的220 kV 榆林站主變壓器也出現類似現象，且中性點接地變壓器噪聲變化與德陽換流站運行方式轉換時間一致。10月21日17：30，德陽換流站恢復雙極運行方式后，幸福站和榆林站主變壓器噪聲恢復正常。

測試及分析表明：當德陽換流站采用單極大地回路方式運行時，地電流流入幸福站和榆林站中性點接地主變壓器繞組，導致變壓器發生直流偏磁，引起噪聲增大、振動加劇。

5.3 四川電網變壓器直流偏磁情況

目前，四川電網已投運1座±500 kV超高壓換流站，3座±800 kV特高壓換流站。當換流站單極大地回路運行時，多個變電站主變壓器遭受過直流偏磁電流的影響，如500 kV譚家灣、尖山、瀘州、敘府變電站，220 kV幸福、榆林、九嶺、桑棗、高橋、百勝等變電站及方山電廠，其中桑棗站主變壓器中性點直流量達8 A，譚家灣站主變壓器中性點直流量達9 A。

2014年6月18日，特高壓賓金直流單極大地回線運行期間，對直流近區500 kV瀘州站、500 kV敘府站和220 kV納溪站、楊橋站、玉觀站、林莊站、高石站、龍頭站、江南站、城南站等變電站變壓器中性點的直流電流做了檢測，同時對瀘州站主變壓器進行噪聲、振動檢測。測試結果表明：500 kV瀘州變電站單臺主變壓器中性點直流電流最大約為10.2 A，500 kV敘府變電站單臺主變壓器中性點直流電流最大約為6.6 A，兩站主變壓器噪聲較正常方式下增大13 dB，振動有明顯增加。220 kV龍頭變電站、220 kV納溪變電站、220 kV高石變電站中性點直流電流相比其他站點較大，分別達到4.79 A、4.01 A、2.7 A，主變壓器噪聲、振動較正常方式明顯加強，但是均未超過變壓器廠家提供的主變壓器抗偏磁電流能力。其余220 kV測量站點中性點直流電流均未超過1 A，噪聲、振動不明顯。

5.4 變壓器直流偏磁防護建議

1)盡量避免長時間直流單極大地回路運行方式，不能避免時應降低直流輸送功率或采用單極金屬回線運行方式。

2)在變壓器設計階段，對于承受直流偏磁能力較差的單相三柱和三相五柱式鐵心的變壓器，建議廠家從結構和材料上增強變壓器設備對直流偏磁的耐受能力。

3)在變壓器采購階段，應將變壓器抗直流偏磁能力納入技術條件，在易出現直流偏磁現象的區域，應避免采購或使用單相三柱鐵心結構的變壓器。

4)在變壓器運行維護階段，應按直流偏磁影響程度的不同有針對性地制定防護措施。對受影響嚴重的變壓器，應制定治理方案，并加強常規檢測和其他試驗檢測，避免慢性損傷的累計效應導致變壓器事故。

6 結 論

針對幸福站主變壓器噪聲增大的情況，進行了紅外測溫、噪聲振動和中性點直流量測試及分析，并對比了主變壓器噪聲異常時間與某換流站切換單極大地回路運行時間。發現了幸福站主變壓器噪聲異常的原因是德陽換流站單極大地回路運行時導致該變壓器產生直流偏磁現象引起的。目前，四川電網已投運4座超/特高壓換流站，直流接地極電流已導致多臺變壓器發生直流偏磁現象，直流接地極電流導致單相三柱式變壓器噪聲異常的距離達到300 km，應加強對區內變壓器直流偏磁電流的監測和防護。

[1] Heywood R J, Emsley A M, Ali M. Degradation of Cellulosic Insulation in Power Transformers.Part 1: Factors Affecting the Measurement of the Average Viscometric Degree of Polymerisation of New and Aged Electrical Papers[J]. IEE Proceedings: Science, Measurement and Technology, 2000, 147(2): 86-90.

[2] 廣東省電力試驗研究所. 貴廣直流單極大地方式對變壓器的影響測試簡報[M]. 廣州：廣東省電力試驗研究所，2004.

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[4] 曾連生．直流輸電接地極電流對電力變壓器的影響[J]. 高電壓技術，2005，31(4)：57-58.

[5] 王明新，張強．直流輸電系統接地極電流對交流電網的影響分析[J]. 電網技術，2005，29(3)：9-15.

[6] Wei Jiang, Guangning Wu, Hongliang Wang. Calculation of DC Ground Current Distribution by UHVDC Mono-polar Operation with Ground Return[C].2008 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition, Chicago, USA, 2008: 1-5.

The increase of transformer noise can be caused by its internal fault or abnormal operating conditions. Based on a main transformer in a 220 kV substation, the reason of its abnormal noise is found out. Through analyzing the operating conditions, testing noise and vibration, measuring DC of the neutral point and comparing the time of abnormal noise with the time of monopole ground return operation switched by Deyang converter station, the results show that the transformer abnormal noise is caused by its DC bias which is due to the current of DC grounding pole in Deyang converter station. And its affecting distances are up to 300 km. The protection measures for UHV DC bias current of transformers in Sichuan power grid are introduced.

noise; magnetostrictive;transformer neutral point; DC bias;monopole operation

TM41

B

1003-6954(2017)01-0058-05

2016-10-03)

蔣 偉(1979)，博士，主要從事高電壓與絕緣技術方面的研究。