新型HVDC換流變壓器繞組振動(dòng)抑制研究

邵鵬飛 李勇 肖華

摘?要：針對(duì)高壓直流輸電（HVDC）換流變壓器的閥側(cè)換流器產(chǎn)生大量諧波電流，導(dǎo)致過量諧波電流流過換流變壓器繞組，使鐵心由于諧波磁通過大而過飽和，引發(fā)換流變壓器的鐵心和繞組劇烈振動(dòng)問題，對(duì)新型換流變壓器繞組在諧波條件下的電磁振動(dòng)進(jìn)行理論研究。首先，基于三繞組變壓器理論并考慮特征次諧波，求解新型換流變壓器各繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系;然后，利用虛位移法求解繞組受到的電磁力，建立繞組及相應(yīng)鐵心的3-D有限元（FEM）模型，通過瞬態(tài)求解最終得到其電磁振動(dòng)特性。最后，測(cè)試變壓器的繞組振動(dòng)，通過對(duì)比實(shí)測(cè)振動(dòng)和有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。研究結(jié)果顯示，感應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)繞組電磁振動(dòng)的抑制效果顯著。

關(guān)鍵詞：繞組振動(dòng);電磁力;換流變壓器;諧波抑制;高壓直流輸電

中圖分類號(hào)：TM 761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）07-0087-11

Abstract：Nonlinear loads in valve side of highvoltage direct current（HVDC） converter transformer produces a mass of harmonic currents， and DC magnetic bias phenomena also affects the converter transformer. As a result， harmonic currents in the windings and harmonic flux in the core of converter transformer increases， which leads to more serious vibration of windings and core. It has become a new problem in HVDC project. Winding electromagnetic vibration of a new converter transformer considering harmonic currents was studied. Transformation matrices from load currents to windings′ currents were proposed and the electromagnetic forces of windings were calculated by Lagrange′s theorem. The 3-D finite element method（FEM） model of windings and core was established. Finally， the windings′ vibration characteristics were determined by computing the FEM model with transient dynamic analysis method. Finally， the windings′ vibration was tested， and the experimental data verified the correctness of the FEM simulation. The result reveals that the new HVDC converter transformer can suppress the windings′ vibration.

Keywords：winding vibration; electromagnetic forces; converter transformer; harmonic suppression; highvoltage direct current transmission

0?引?言

特高壓電網(wǎng)是我國智能電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架，輸變電工程能否保證環(huán)境友好越來越受到關(guān)注。隨著高壓直流輸電（highvoltage direct current， HVDC）工程的大力建設(shè)，振動(dòng)噪音過大的問題開始凸顯[1-2]。實(shí)踐表明，換流變壓器、濾波器組和平波電抗器是直流輸電換流站的噪音來源，而換流變壓器的繞組和鐵心發(fā)出的噪音尤為嚴(yán)重。目前廣泛采用三種方法來降低換流變壓器噪音[3-4]：1）采用新型的鐵心材料，使鐵心運(yùn)行在低磁通量之下，降低鐵心過飽和的可能。在油箱內(nèi)部裝設(shè)阻尼裝置，避免發(fā)生共振。合理設(shè)計(jì)繞組使其阻抗公差降低、裝配過程中嚴(yán)控制造誤差、使用低噪聲風(fēng)扇散熱等;2）采用組裝可移動(dòng)式通風(fēng)降噪裝置，裝置放置于換流變壓器前方，在裝置頂部朝噪音源方向配置小角度的挑檐式隔音吸音遮板。該隔音吸音遮板同樣也裝設(shè)于兩側(cè)防火墻頂部。此外在閥廳廠房墻和防火墻的墻體上配置吸音體。該方案可有效降低噪音量10～20 dB;3）采取“Boxin”方案。利用防火墻和閥廳廠房墻體，在換流變壓器四周和頂部搭建隔音吸音遮板，這樣隔音吸音遮板可完全將換流變壓器密閉在隔音吸音屏障內(nèi)部。此方案效果較好，噪音量可降低30 dB以上，但治理成本和帶來的副作用也是很大的。

換流變壓器造價(jià)不菲，制造工藝繁復(fù)，是直流輸電系統(tǒng)中換流的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)換流站的可靠運(yùn)行。值得注意的是，換流變壓器與大型電力變壓器的結(jié)構(gòu)基本相同，但是同等容量換流變壓器的噪音要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力變壓器的噪音[5-6]，二者主要差別在于換流變壓器繞組電流和鐵心磁通有較大的諧波和直流含量。換流變壓器噪聲嚴(yán)重超標(biāo)的主要原因是由換流器產(chǎn)生大量諧波電流以及直流偏磁現(xiàn)象引起的直流偏置[7-8]。如果能對(duì)換流變壓器繞組的諧波電流進(jìn)行抑制，則可有效減弱繞組的電磁振動(dòng)，達(dá)到對(duì)噪聲源削弱的作用。

傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中交流濾波器并聯(lián)于網(wǎng)側(cè)母線，換流器產(chǎn)生的諧波電流必須流經(jīng)換流變壓器的二次和一次繞組傳送到網(wǎng)側(cè)交流濾波器的補(bǔ)償和分流電路。而基于感應(yīng)濾波技術(shù)的新型換流變壓器利用電磁感應(yīng)和安匝平衡的原理，在閥側(cè)公共繞組接入感應(yīng)濾波全調(diào)諧裝置，將特征次諧波就近抑制于閥側(cè)繞組，對(duì)網(wǎng)側(cè)繞組起著諧波屏蔽作用[9]。

由于換流變壓器的繞組振動(dòng)跟繞組諧波電流含量直接相關(guān)，從理論上分析，新型換流變壓器由于具有優(yōu)良的諧波抑制特性對(duì)降低繞組振動(dòng)具有積極的意義。針對(duì)這個(gè)問題，本文將對(duì)新型換流變壓器繞組在諧波條件下的電磁振動(dòng)進(jìn)行理論計(jì)算研究，在新型換流變壓器是否投入感應(yīng)濾波支路的2種情況下，對(duì)計(jì)及特征次諧波的各繞組電流與負(fù)載電流的變換矩陣進(jìn)行了推導(dǎo);利用拉格朗日定理（虛位移法）求解繞組受到的電磁力;搭建繞組及相應(yīng)鐵心的有限元振動(dòng)模型，采用瞬態(tài)求解，得到各個(gè)繞組的電磁振動(dòng)特性;通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析得出新型換流變壓器對(duì)于繞組電磁振動(dòng)的影響。

1?新型換流變壓器繞組電流計(jì)算

1.1?新型換流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型換流變壓器原理樣機(jī)實(shí)物圖如圖1所示。在直流輸電工程中，換流變壓器的容量巨大，受限于運(yùn)輸體積與重量，換流變壓器大多為三相組式。因此，為與換流變壓器的電磁運(yùn)行特性保持一致，新型換流變壓器樣機(jī)也采用了三相組式結(jié)構(gòu)（如圖1（a）所示），并通過2組三相組式樣機(jī)構(gòu)成12脈波直流輸電的新型換流變壓器（如圖1（b）所示）。

新型換流變壓器及其感應(yīng)濾波裝置如圖2所示，變壓器共3個(gè)繞組，與電網(wǎng)連接的一次側(cè)繞組為原邊繞組，二次側(cè)繞組通過中間抽頭的方式分為兩段，其中直接與換流閥連接的繞組為延邊繞組，另一段為公共繞組。二次側(cè)公共繞組為感應(yīng)濾波繞組，在設(shè)計(jì)時(shí)該繞組的等值阻抗接近于零阻抗，并且濾波繞組外接的濾波裝置對(duì)特征次諧波（主要為含量很高的5/7和11/13次諧波）全調(diào)諧，進(jìn)而利用變壓器的安匝平衡實(shí)現(xiàn)對(duì)特征次諧波的感應(yīng)濾波[9-11]。

該種濾波技術(shù)的特點(diǎn)是，能在靠近諧波發(fā)生源（換流閥組）的閥側(cè)將含量較高的特征次諧波電流就近濾除，使其無法流竄至原邊繞組及交流網(wǎng)側(cè)，有效降低原邊繞組的諧波電流含量，以及變壓器內(nèi)部的諧波磁勢(shì)。

1.2?新型換流變壓器各繞組電流與負(fù)載電流的矩陣變換關(guān)系

由于換流變壓器勵(lì)磁電流和高次諧波電流的含量較低，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，可以忽略，所以本文繞組電流計(jì)算主要針對(duì)基波和低次5、7、11、13次特征諧波。在理想情況下，假設(shè)感應(yīng)濾波裝置作用能完全濾除特征次諧波電流（接近實(shí)際效果），并且換流閥接于三相理想交流系統(tǒng)，等間隔觸發(fā)，此時(shí)閥側(cè)電流的基波和各次諧波電流有效值[12]可表示為：

式中：n=6k±1，k=1，2，3，…。換流閥由換流變壓器連接至交流網(wǎng)側(cè)，所以式（1）也就是換流變壓器閥側(cè)繞組的負(fù)載電流。

1.2.1?未投入感應(yīng)濾波裝置條件下各繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系

上橋與下橋可采用相同的計(jì)算方法，限于篇幅，僅計(jì)算上橋換流變壓器繞組電流。感應(yīng)濾波全調(diào)諧裝置未投入時(shí)，上橋換流變壓器繞組接線圖如圖3所示。

根據(jù)多繞組變壓器理論，結(jié)合磁勢(shì)平衡方程、基爾霍夫電壓、電流定律和回路電壓、電流方程可求得各個(gè)繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系[13]。

1）延邊繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系為

式中延邊繞組電流與負(fù)載電流為一一對(duì)應(yīng)。

2）公共繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系為

3）原邊繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系為

1.2.2?投入感應(yīng)濾波裝置條件下各繞組電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系

新型換流變壓器接入感應(yīng)濾波裝置后的繞組接線如圖4所示。由于感應(yīng)濾波裝置在基頻下和特征次諧波下具有不同的阻抗值，所以公共繞組（濾波繞組）中的基波電流和各特征次諧波電流與負(fù)載電流的變換關(guān)系需滿足不同的變換關(guān)系。

1.2.3?繞組電流計(jì)算波形與實(shí)測(cè)波形對(duì)比

根據(jù)式（1）和前述繞組電流變換關(guān)系，在投入和未投入感應(yīng)濾波裝置兩種情況下，感應(yīng)濾波換流變壓器各繞組的電流經(jīng)計(jì)算可得理論波形如圖5所示。為驗(yàn)證計(jì)算，對(duì)新型換流變壓器的原邊繞組和延邊繞組電流進(jìn)行實(shí)測(cè)。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)研究平臺(tái)運(yùn)行在額定工況時(shí)，測(cè)得電流波形如圖6所示。

計(jì)算波形只計(jì)及了含量較大的5、7、11和13次諧波電流，而沒有計(jì)及含量較小的高次諧波電流，并且計(jì)算中還忽略了勵(lì)磁電流。加之計(jì)算參數(shù)與實(shí)際值相比存在一定的誤差，所以計(jì)算波形與實(shí)際波形將有較小的偏差。通過觀察圖5和圖6，能看出計(jì)算波形與實(shí)測(cè)波形大體一致，但是二者有微小的偏差，驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性。

觀察圖6中實(shí)測(cè)波形，投入感應(yīng)濾波裝置前，原邊繞組電流波形畸變嚴(yán)重，投入感應(yīng)濾波裝置后電流波形大大改善，較接近于理想的正弦波，表明原邊繞組中僅有少量諧波流通，大部分特征次諧波電流被感應(yīng)濾波裝置和公共繞組構(gòu)成的的濾波支路濾除，從而實(shí)現(xiàn)了良好的濾波效果。

2?新型換流變壓器繞組電磁力計(jì)算

2.1?新型換流變壓器繞組布置

已建立如圖1所示的新型直流輸電動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在對(duì)感應(yīng)濾波換流變壓器本體和相應(yīng)的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試研究。

系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電源為220/380 V工頻交流電;額定輸電電壓為直流1 000 V;額定輸電電流為直流100 A。其中，新型換流變壓器由3個(gè)完全對(duì)稱的單相模型變壓器共同組成，其繞組布置如圖7所示。

圖7中：b1、b2、b3分別表示原邊繞組、公共繞組、延邊繞組的輻向厚度;H表示繞組的軸向高度;δ12表示原邊繞組和公共繞組之間的漏磁空道寬度;τ12表示原邊繞組和公共繞組各層及二者之間漏磁空道的寬度之和;R表示鐵心半徑;D1和D2分別表示原邊繞組和公共繞組的平均直徑;D12表示原邊繞組和公共繞組之間漏磁空道的平均直徑。

為滿足感應(yīng)濾波的技術(shù)要求，在不改變變壓器額定電氣參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以采用調(diào)整繞組與鐵心間、繞組與繞組間的絕緣間距，以及調(diào)整各繞組的軸向高度和徑向?qū)挾鹊姆绞绞沟霉怖@組（濾波繞組）的等值阻抗近似為0。表1給出了感應(yīng)濾波換流變壓器基本的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2?繞組電磁力的計(jì)算

磁勢(shì)均勻分布的等高度繞組，可以利用拉格朗日定理來計(jì)算電磁力[13]。圖8為新型換流變壓器繞組所受電磁力的示意圖，作用在變壓器繞組上的電磁力由2個(gè)分量組成，分別為軸向內(nèi)力和徑向外力。

式中：L1-2、L1-3、L2-1、L2-3、L3-1、L3-2是繞組的兩兩短路電感，前一個(gè)腳注表示折算至的繞組序號(hào);i1、i2、i3是對(duì)應(yīng)序號(hào)繞組的電流值;原邊、公共邊和延邊繞組編號(hào)分別為1、2、3。式中的正負(fù)符號(hào)取決于電流的方向和繞組間的相互位置。

根據(jù)漏磁場(chǎng)能量與電路電抗的關(guān)系，可以推導(dǎo)出式（9）和式（10）中L1-2的值為

式中：ρ12為洛果夫斯基系數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)系數(shù);其他符號(hào)如圖7所示。L2-3和L3-1可以類似求得。

圖9和圖10給出了由上述公式求得的在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)額定狀態(tài)下新型換流變壓器的各個(gè)繞組在未投和投入兩種情況下的電磁力。對(duì)投入感應(yīng)濾波裝置前后繞組電磁力大小做詳細(xì)對(duì)比，統(tǒng)計(jì)了繞組電磁力的有效值，表2列出了3個(gè)繞組在感應(yīng)濾波裝置前后的軸向電磁力和徑向電磁力的有效值。

觀察圖9、圖10以及表2，各繞組電磁力符合如下規(guī)律：

1）投入感應(yīng)濾波裝置前后，軸向和徑向電磁力基頻均為工頻2倍（100 Hz）。計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，變壓器的振動(dòng)基頻一般為2倍工頻[8]。

2）無論是否投入感應(yīng)濾波裝置，3個(gè)繞組受到的軸向電磁力都較小，遠(yuǎn)小于徑向電磁力，說明繞組的振動(dòng)主要由徑向電磁力決定。

3）對(duì)于受到的徑向電磁力，原邊繞組總是最大，公共繞組次之，延邊繞組最小，并且與感應(yīng)濾波裝置無關(guān)。這顯示了在繞組整體振動(dòng)中，原邊繞組的主導(dǎo)地位。

4）原邊繞組的徑向電磁力在濾波裝置全投入后，其幅值有明顯下降。而徑向力遠(yuǎn)大于軸向力，所以徑向力很大程度上決定了它的振動(dòng)強(qiáng)弱。投入感應(yīng)濾波裝置后徑向力的幅值受到削減，這對(duì)繞組的振動(dòng)抑制有積極意義。

5）在濾波裝置投入后，與其他2個(gè)繞組相反，延邊繞組的徑向電磁力有所增加。但與其他繞組比較，此時(shí)其幅值仍然較小。

3?繞組振動(dòng)有限元計(jì)算、測(cè)試與分析

為得到新型換流變壓器的振動(dòng)特性，對(duì)直流輸電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的單相模型變壓器的繞組及其相應(yīng)鐵心進(jìn)行有限元建模與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化的載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法。可以用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變應(yīng)力及力。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)方程為

式中：M、C、K、a、v、u和F（t）分別表示質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、節(jié)點(diǎn)加速度向量、節(jié)點(diǎn)速度向量、節(jié)點(diǎn)位移向量和隨時(shí)間變化的載荷力。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典內(nèi)容，其理論和方法都非常成熟，目前有多種數(shù)值計(jì)算軟件可用于分析計(jì)算。采用支持多核運(yùn)算的64位12.1版Ansys對(duì)感應(yīng)濾波型換流變壓器繞組振動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1?繞組有限元模型

繞組線圈體主要由金屬導(dǎo)體、絕緣材料和支撐件等構(gòu)成，在有限元建模時(shí)對(duì)繞組做以下處理：忽略繞線實(shí)際結(jié)構(gòu)和段間絕緣，由于導(dǎo)體層間排列緊密，將繞組線圈體看成整體的一層，3個(gè)繞組之間的支撐部件對(duì)繞組的振動(dòng)有較大影響，予以保留，繞組線圈體用實(shí)體層來模擬。

繞組振動(dòng)有限元模型主要包含了各個(gè)繞組及其繞組間的絕緣件，然而通過絕緣件與繞組接觸的部分鐵心也不可忽略。原因是這部分鐵心的固定方式和剛度等特性能顯著影響到繞組的電磁振動(dòng)[9]。感應(yīng)濾波換流變壓器繞組及相關(guān)鐵心振動(dòng)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)3-D有限元模型如圖11所示。

為得到比四面體元素更高的劃分精度，繞組振動(dòng)有限元模型采取了二十節(jié)點(diǎn)的六面體solid95元素進(jìn)行剖分。基于模型主要目標(biāo)是對(duì)繞組振動(dòng)的分析，3個(gè)繞組全部采用了掃掠方式劃分網(wǎng)格，這保證了在徑向和軸向上繞組節(jié)點(diǎn)分布都滿足對(duì)稱性，并且與繞組的實(shí)際受力和振動(dòng)的性質(zhì)相對(duì)應(yīng)。與繞組接觸的鐵心部分則采用了自由劃分網(wǎng)格的方式。

有限元模型中繞組、鐵心和絕緣撐條的材料屬性如表3所示[14-15]。

3.2?仿真結(jié)果

分析各繞組的邊界條件，跟繞組接觸的部分鐵心對(duì)繞組振動(dòng)的影響需要另外考慮。實(shí)際中鐵心在交流磁通的作用下發(fā)生磁致伸縮，也就是說鐵心本身也是存在振動(dòng)的。若計(jì)及鐵心振動(dòng)的作用，計(jì)算將會(huì)變得復(fù)雜。進(jìn)一步分析，繞組與鐵心通過絕緣件相互作用，二者并不是直接接觸，并且絕緣件的彈性系數(shù)較小，所以對(duì)繞組和鐵心有很好的緩沖作用。這種情況下鐵心振動(dòng)對(duì)繞組的影響很小，可對(duì)問題作合理簡(jiǎn)化，體現(xiàn)為在振動(dòng)模型中對(duì)鐵心施加位移約束，忽略鐵心振動(dòng)的影響。

對(duì)圖11所示的3-D有限元模型加載未投和投入感應(yīng)濾波裝置2種情況下的徑向和軸向時(shí)變電磁激振力載荷，并對(duì)鐵心截面施加位移約束，分別進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，可得到繞組2種情況下的振動(dòng)特性，繞組位移云圖如圖12所示。

由于繞組結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且投入濾波器前后和電磁力激勵(lì)在徑向和軸向上亦完全對(duì)稱，所以繞組的振動(dòng)云圖也完全對(duì)稱，相同時(shí)間點(diǎn)不同工況下繞組的振動(dòng)位移發(fā)生變化，投入濾波器后，繞組的最大位移分別由0.351×10-6 m下降到0.296×10-6 m。從最大振幅考慮，可認(rèn)為感應(yīng)濾波器能較好的降低繞組振動(dòng)。

對(duì)繞組振動(dòng)模型進(jìn)行處理，取各繞組振動(dòng)最強(qiáng)烈的節(jié)點(diǎn)，得到投入濾波器前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可繪出繞組振動(dòng)—時(shí)間歷程波形如圖13所示，在時(shí)域觀察繞組振動(dòng)。圖13中，繞組振動(dòng)的方式為在一個(gè)固定的位移附近做來回往復(fù)的振動(dòng)，且觀察到投入濾波裝置后位移波形幅值明顯下降。

考慮投入感應(yīng)濾波裝置前后各繞組中振動(dòng)最強(qiáng)烈節(jié)點(diǎn)，對(duì)其振動(dòng)位移和速度做詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，得到電磁振動(dòng)在一個(gè)完整工頻周期內(nèi)的均值如表4所示。

其中振動(dòng)位移取算術(shù)平均值，振動(dòng)速度取均方根值。這是由于振動(dòng)位移在同一方向，不存在幅值的極性變化，而振動(dòng)方向往復(fù)來回，速度方向有正負(fù)的變化。

3.3?振動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元計(jì)算的正確性，采用電磁式振動(dòng)速度傳感器對(duì)單相感應(yīng)濾波變壓器繞組的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。由于變壓器樣機(jī)采用油浸式，按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT1540-2016油浸式交流電抗器（變壓器）運(yùn)行振動(dòng)測(cè)量方法，測(cè)量點(diǎn)位選擇以油箱壁上為主，振動(dòng)測(cè)量量可以是振動(dòng)位移、速度或者加速度。然而油箱壁上的振動(dòng)測(cè)量只能間接反映繞組振動(dòng)[8]（鐵心振動(dòng)和繞組振動(dòng)通過變壓器油傳遞至油箱壁），且無法區(qū)分繞組和鐵心振動(dòng)的作用。為直接測(cè)得繞組振動(dòng)與計(jì)算值對(duì)應(yīng)，使傳感器通過安全閥對(duì)油箱內(nèi)部繞組振動(dòng)進(jìn)行直接測(cè)量，此時(shí)可直接測(cè)量外層繞組，即原邊繞組的振動(dòng)。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，原邊繞組在3個(gè)繞組中振動(dòng)最劇烈，所以對(duì)原邊繞組的振動(dòng)也具有實(shí)際工程意義。原邊繞組在額定工況下，分別測(cè)試感應(yīng)濾波換流變壓器在未投入和投入濾波裝置時(shí)原邊繞組的振動(dòng)特性，測(cè)試波形如圖14所示。

由圖14可以看出，投入感應(yīng)濾波器后，原邊繞組的振動(dòng)速度幅值確有明顯降低。整理后具體振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5的測(cè)試結(jié)果與表4中有限元計(jì)算的結(jié)果非常接近，均表明在投入感應(yīng)濾波裝置后原邊繞組的振動(dòng)會(huì)有明顯的下降，這也驗(yàn)證了理論分析和有限元計(jì)算的正確性。考慮到繞組振動(dòng)與繞組諧波電流含量有密切聯(lián)系，對(duì)原邊繞組振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，如圖15所示。

由圖15可以看出，在未投入感應(yīng)濾波裝置時(shí)，原邊繞組振動(dòng)信號(hào)頻譜主要集中在100 Hz、500 Hz、700 Hz和1 100 Hz，即工頻和主要特征次（5、7、11次）諧波的2倍頻頻率，而投入感應(yīng)濾波裝置后，主要特征次諧波頻率的2倍頻分量顯著降低，分析其原因在于原邊繞組特征次諧波電流的有效濾除。

3.4?繞組振動(dòng)抑制分析

由圖12、圖13以及表4可以得到各繞組的振動(dòng)有如下規(guī)律：

1）圖12表明，投入感應(yīng)濾波裝置前后繞組振型相同，圖13表明，振動(dòng)在初始時(shí)刻出現(xiàn)振蕩過程，經(jīng)過約一個(gè)工頻周期（0.02 s）后振動(dòng)趨于穩(wěn)定。其振動(dòng)方式為繞組整體偏向一側(cè)，在該側(cè)一固定位移附近做往復(fù)來回振動(dòng);

2）表4表明，各繞組的振動(dòng)程度（位移和速度）原邊繞組的最嚴(yán)重，公共繞組次之，延邊繞組最弱。如果能減弱原邊繞組的振動(dòng)，繞組整體的振動(dòng)將得到有效抑制。

3）表4和圖13顯示，投入感應(yīng)濾波裝置后，原邊繞組的振動(dòng)程度（位移和速度）有顯著的減弱，這表明采用了感應(yīng)濾波裝置的新型換流變壓器能較好的抑制繞組電磁振動(dòng)。

4）在投入感應(yīng)濾波裝置后，延邊繞組和公共繞組的振動(dòng)程度也有減弱，不過其下降幅度與原邊繞組相比較小。

5）原邊繞組在投入感應(yīng)濾波裝置后，振動(dòng)信號(hào)頻譜中的主要特征次諧波頻率的2倍頻分量得到顯著的抑制。

經(jīng)計(jì)算和實(shí)測(cè)，采用了感應(yīng)濾波技術(shù)的新型換流變壓器，各繞組的振動(dòng)都有不同程度的減弱，其中原邊繞組尤為顯著。感應(yīng)濾波技術(shù)抑制繞組電磁振動(dòng)的機(jī)理是，利用公共繞組的零阻抗設(shè)計(jì)和特征次諧波全調(diào)諧濾波器構(gòu)成諧波短路環(huán)，極大地減少了流竄至網(wǎng)側(cè)繞組的諧波電流，使變壓器的漏磁場(chǎng)和繞組受到的電磁力改變，促成了對(duì)繞組電磁振動(dòng)的良好抑制作用。

4?結(jié)?論

本文根據(jù)高壓直流輸電工程中的實(shí)際問題，計(jì)算了一種新型換流變壓器的繞組電流，利用虛位移法求解各繞組受到的的電磁力。建立了繞組及鐵心的3-D有限元振動(dòng)模型，通過瞬態(tài)求解最終得到了繞組在諧波條件下的電磁振動(dòng)特性。最后通過繞組的振動(dòng)測(cè)試對(duì)有限元計(jì)算的正確性做了驗(yàn)證。分析結(jié)果顯示采用感應(yīng)濾波技術(shù)后，特征次諧波電流無法流竄至換流變壓器原邊繞組，使得繞組電磁振動(dòng)得到抑制。這與理論分析相符，揭示了基于感應(yīng)濾波的新型換流變壓器改善繞組振動(dòng)的機(jī)理，對(duì)進(jìn)一步深入研究新型換流變壓器的電磁振動(dòng)與噪聲問題具有重要的理論和工程參考價(jià)值。

新型換流變壓器鐵心振動(dòng)的機(jī)理以及與繞組振動(dòng)之間的相互影響還需要后續(xù)展開研究，為方便獲取更多測(cè)量信息，也需考慮研制干式實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，這些將是下一步研究的重點(diǎn)。

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（編輯：邱赫男）