基于高次電流諧波對主變運行異響研究

張 隆，楊志平，黃偉華，葉運棲，林松輝

(廣東電網公司 河源供電局，廣東 河源 517000)

0 引 言

隨著電網建設規模的不斷增大和直流輸電、特高壓輸電的興起，電網的運行方式變得多樣且復雜[1]。同時，隨著供電負荷容量越來越大及種類越來越多，變壓器的運行噪聲問題變得更加嚴重，變壓器噪聲異響問題越來越突出[2]。

運行中變壓器振動主要包括鐵心和繞組的振動，多個振動源共同作用產生異響[2-4]。磁致伸縮力和疊片間交變電磁力共同作用引起鐵心振動，交變的電磁力導致繞組振動,振動通過變壓器油、夾件、墊木衰減傳播至外殼，產生噪聲[5-7]。變壓器鐵心的噪聲和振動特性試驗發現，磁密在1.3～1.9 T范圍內時，噪聲大小和磁感應強度成正比關系[8-9]。在交變磁場中，垂直于磁場方向的鐵磁材料尺寸相應減小，平行于磁場方向的鐵磁材料尺寸相應增加，即稱為磁致伸縮[10-11]。在交變磁場作用下，磁通飽和的鐵磁材料產生磁致伸縮，周期性變化的磁場導致鐵心周期性的振動[12-13]。隨著供電負荷容量越來越大及電能質量問題的凸顯，高次諧波電流對其他用戶電氣設備的正常運行產生影響，同時，高次諧波電流注入電網，加速變壓器磁屏蔽回路飽和，產生磁致伸縮噪聲，給變壓器運維帶來不確定因素[14]。

1 異響機理

導磁性材料在磁通變化的作用下形狀和體積的改變稱為磁致伸縮。當導磁性材料磁通量還未達到飽和時，形狀的改變量主要體現在長度的變化上，稱為線磁致伸縮；當導磁性材料磁通達到飽和后，其形狀的改變主要體現在體積的變化上，稱為體積磁致伸縮。典型鐵材料的磁致特性如圖1所示。

圖1 鐵的磁化曲線和磁致伸縮曲線

圖2為變壓器的三相五柱鐵心結構，空載運行時的變壓器，一次繞組在電壓源u=u0sinωt的激勵下，鐵心中產生交變的主磁通φ0，磁通密度表達式為

圖2 主變鐵心結構

式中：A為鐵心磁通截面積；Bs為鐵心飽和磁通密度；Hc為矯頑力。

變壓器鐵心磁通量未飽和之前，磁場強度和磁通密度關式為B=μH，磁場強度為

(1)

式中:μ為介質磁導率。

在交變磁場作用下，硅鋼片微小形變可滿足以下條件：

(2)

通過式(1)、(2)可推導出鐵心磁致伸縮率計算式為

(3)

對式(3)求二次導數，可得磁致伸縮引起鐵心振動的加速度為

在線性、各向同性的鐵磁媒質中，體積力密度計算式[2,15]為

(4)

根據能量守恒，由式(4)可推導出磁場力計算式為

式中：λZ為Z方向的磁致伸縮率；ΔlZ為Z方向的形變；E為彈性模量。

變壓器鐵心所受的磁場力和勵磁電流的頻率呈正比關系，電網高次電流諧波加速變壓器主磁路飽和，導致磁致伸縮率增大，使變壓器在正常運行中振動幅度增大，導致主變運行聲音分貝增大，產生不規律的異響。

2 案例分析

110 kV某變電站3號主變于2016年7月擴建投運，目前3號主變主供負荷為35 kV側的鋼鐵廠，主變長期存在過負荷運行情況。巡視期間發現主變本體運行中發出較大的間斷性異響，異響類似從變壓器本體內部傳出的金屬摩擦聲。

為了判斷3號主變是否健康運行和分析引起主變異響原因，對主變進行停電檢修預試。經過檢查分析，初步排除外部夾件及螺絲松動造成的異響。

采用頻率響應分析法對主變繞組進行變形試驗，圖3～5分別為低壓繞組頻率響應特征曲線、中壓繞組頻率響應特征曲線和高壓繞組頻率響應特征曲線。

圖3 低壓繞組頻率響應特征曲線

圖4 中壓繞組頻率響應特征曲線

圖5 高壓繞組頻率響應特征曲線

圖3～5結果顯示，在0.01～1 000 Hz全頻段中，變高、變中和變低三側在中頻率段和低頻率段相間符合性比較好，在高頻率段符合性偏差。中、低頻段不易受外界干擾，可以作為繞組變形的主要判據。同時，在高壓場地，高頻信號源眾多，測試設備在高頻段容易受外界干擾，影響測量精確性，只能作為輔助判斷。

綜合繞組變形測試結果，可以判斷繞組變形測試結果合格，主變未發生繞組變形。

表1為主變油樣測試結果，各項氣體測試含量均在合格范圍內，三比值法結果顯示主變狀態正常，不存在放電等高溫過熱現象，可以排除內部螺絲夾件等松動導致主變異響。

表1 主變本體油色譜結果

綜合檢修試驗和化學油樣測試結果，可以初步判斷主變本體不存在異常，運行中的異響不是構件松動導致。

為了進一步研究主變異響原因，2018年11月9日11：30—15：30在110 kV某站監測3號主變異響發出時間、負荷特性及各項電能質量參數。圖6為35 kV側荷特性曲線、三相電流有效值、三相電流總諧波畸變率曲線，現場主變異響信息采集時間點如表2所示。

圖6 負荷、電流諧波畸變率及異響對應關系

表2 現場異響采集時間點

圖7～10分別為35 kV母線負荷諧波電流95%概率直方圖、電流總諧波畸變率、電流3次諧波畸變率、電流5次諧波畸變率。

圖7 諧波電流95%概率直方圖

對3號主變35 kV母線進行負荷和電能質量監測分析，同時記錄現場主變異響發生時間段。通過對比分析負荷特性曲線、電流總諧波畸變率曲線和主變異響時間記錄表，發現主變發生異響的時間和電流總諧波畸變率曲線存在相對應關系，當電流總諧波畸變率小時，主變不存在異響,對應關系如圖3所示，電流總諧波畸變率大時，主變存在異響。

為了進一步驗證所供負荷諧波電流造成3號主變異響，申請對主變停電預試，在3號主變停電預試期間，把3號主變之前所供負荷轉供給2號主變(2號主變通常供的是居民負荷，不存在高次諧波超標問題，運行無異響)，由2號主變供鋼鐵負荷，2號主變運行期間發出同樣的異響聲音，驗證了3號主變運行異響是諧波電流引起的。

圖8 電流總諧波畸變率

圖9 電流3次諧波畸變率

圖10 電流5次諧波畸變率

3 結 語

針對用戶引起電網諧波污染問題，分析了高次諧波電流導致主變異響機理，推導出高次諧波電流和主變振動的關系。變壓器鐵心所受的磁場力和勵磁電流的頻率呈正比關系，電網高次電流諧波加速變壓器主磁路飽和，導致磁致伸縮率增大，使變壓器在正常運行中振動幅度增大，產生不規律的異響；同時，磁屏蔽邊緣的電磁吸力引起磁屏蔽邊緣振動，產生噪聲。

在實際運行案例中，通過對電能質量、主變聲響的監測及負荷的調換，驗證了主變異響是由高次諧波電流引起的。