換流變壓器原理樣機電磁振動與噪聲研究

趙亮，臧英，樊紀超，代雙寅，張民，孫建濤，金兆偉，羅隆福?

（1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082；2.山東電工電氣集團有限公司山東電力設備有限公司，山東濟南 250022；3.國網經濟技術研究院有限公司，北京 102209；4.河南省電力科學研究院，河南鄭州 450052；5.國家電網公司，北京 100031；6.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

隨著我國（特）高壓直流輸電的快速發展，換流站的環境噪聲影響已受到公眾、環保部門及電網公司的廣泛關注.晶閘管換流器在運行時會產生大量的諧波，而這些諧波會在換流變壓器產生諧波交變磁通，引起鐵芯諧波磁通增大，從而導致換流變壓器振動和噪聲增大，因此換流變壓器是換流站主要噪聲源之一[1-2].現場中的換流變壓器的噪聲水平大大高于普通電力變壓器，可超過110 dB.換流變壓器本體噪聲主要由繞組振動及鐵芯振動引起[3]，其中，繞組振動是繞組在交變磁場中受洛倫茲力引起的[4-5]，鐵芯振動產生的主要原因是鐵芯硅鋼片的磁致伸縮效應[6-7].換流變壓器屬于高壓電力設備，其運行工作環境較為復雜，如何準確測量它的噪聲并實時反映它的聲學和振動特性尤其重要[8].

目前，國內外學者已對變壓器振動和噪聲進行了大量研究[9-13]，文獻[14]采用一臺精度為10 nm/m的磁致伸縮測量裝置測量基波疊加三次諧波磁場下的單片電工鋼片磁致伸縮特性，得出加大磁場三次諧波比重，會導致磁致伸縮的四、六次諧波分量的增加，進而導致振動噪聲值增加.文獻[15]通過增加開關頻率降低了三相三柱變壓器鐵芯在正弦和不同頻率相同調制系數的PWM 電壓激勵下的振動和噪聲.文獻[16]在高次諧波的正弦磁化條件下，對硅鋼片的磁致伸縮性能進行了測試，給出了磁致伸縮行為的宏觀描述.文獻[17]通過“磁-機械”耦合場理論得到了變壓器繞組在電磁力激勵下正常與松動狀態下的振動特性.多數文章集中研究硅鋼片磁致伸縮特性或傳統電力變壓器的振動和噪聲特性[18-20]，研究換流變壓器的振動和噪聲特性相對較少.

本文通過12 脈波整流原理樣機實驗系統研究換流變壓器器身的電磁振動與噪聲，詳細分析了各工況下換流變壓器振動和噪聲特性，確認了是換流變壓器閥側繞組諧波電壓導致了換流變壓器電磁噪聲顯著增加；在此基礎上，提出了換流變壓器閥側繞組并聯電容的方案，該方案能夠顯著降低換流變壓器電磁噪聲.

1 實驗系統簡介

圖1 給出測量換流變壓器振動和噪聲的實驗系統.圖1（a）為實驗系統原理圖，它由供電電源、調壓器、6 臺單相四柱式變壓器、12 脈波整流裝置及電容器組成，10 kV 調壓器可以實現電壓0～1.2 倍額定電壓的無級調壓，單相四柱式變壓器具體參數如表1 所示.同時給出了10 個振動傳感器和5 個聲音傳感器測量單相四柱式變壓器振動和噪聲的具體實測位置.

表1 換流變壓器參數Tab.1 Parameters of converter transformer

圖1（b）給出半消聲室示意圖，實驗環境的背景噪聲為18 dB.聲音傳感器和振動傳感器型號分別為B&K2270-B-000 和B&K4534-B-001，測量精度高.6臺單相四柱式變壓器連接成Y/y 和Y/d 組成2 組三相變壓器，兩個6 脈波整流橋，共12 個晶閘管，其觸發角可以單個調節.直流電壓、直流電流大小可以閉環調節；可以完成變壓器直接短路、直流母線短路等實驗.在空載運行、短路、直接帶電阻負載運行、整流系統帶負載運行以及直流偏磁下，測量Y/y 接線三相變壓器a 相的振動和噪聲數據.

測得換流變壓器5 個位置的A 計權噪聲值后，其平均值由下式計算得出[21]：

式中：LpAi為各測點A 計權噪聲值.

2 實驗數據分析

2.1 多種工況下的換流變壓器噪聲水平

為了研究電壓與電流對換流變壓器振動與噪聲的影響，進行了如下實驗.

2.1.1 空載運行的噪聲水平

空載運行時，換流變壓器振動主要體現在鐵芯振動，其振動加速度可用下式表示：

式中：ε 為磁致伸縮率，l 為鐵芯等效長度，α 為磁致伸縮系數，U 為勵磁電壓，N 為繞組匝數，S 為鐵芯等效截面積.

在空載運行時，實測換流變壓器噪聲水平，如表2 所示.噪聲變化趨勢，如圖2 所示.

由表2 和圖2 可知，當空載電壓在92.26 V 以下時，5 個實測位置的噪聲在25 dB 以下，此時換流變壓器噪聲很小.

表2 空載運行換流變壓器噪聲水平Tab.2 Noise level of converter transformer under no-load condition

圖2 空載運行換流變壓器各位置噪聲變化趨勢Fig.2 The noise variation trend at various positions of converter transformer under no-load condition

當空載電壓調到229.98 V（約100%Un）時，5 個實測位置的噪聲達到55 dB 左右，從而說明隨著電壓的升高，噪聲也隨之顯著增加；當空載電壓調到252.13 V 時，5 個實測位置的噪聲達到57 dB 左右，此時換流變壓器硅鋼片磁通密度為1.731 T，并未超過硅鋼片飽和磁通密度1.85 T，故可排除硅鋼片磁通密度飽和對換流變壓器振動和噪聲的影響.可以得出：電壓對換流變壓器噪聲的影響較大，當電壓接近額定值時噪聲顯著增加，之后增加趨勢放緩；各實測位置點的噪聲變化趨勢大致相同，噪聲均隨著電壓的升高而單調增加.

2.1.2 短路時換流變壓器噪聲水平

換流變壓器短路時，由于勵磁電壓很低，此時由硅鋼片磁致伸縮引起的鐵芯振動相對較小，可排除鐵芯振動對繞組振動的影響.理論分析可知，繞組電動力與電流的平方成正比[22]：

式中：θ 為初始相位；K 為電磁力系數，常數；I 為繞組電流有效值.

采用質量-彈簧-阻尼系統分析繞組軸向電動力，每層線餅等效為質量塊m，繞組線餅之間的絕緣墊塊等效為彈簧k，阻尼c 由變壓器油產生.洛倫茲力f 作用下的繞組振動位移x 的微分方程為：

設初始狀態為零，解得：

換流變壓器短路時，實測換流變壓器噪聲水平如表3 所示.噪聲變化趨勢，如圖3 所示.

表3 短路時換流變壓器噪聲水平Tab.3 Noise level of converter transformer under short circuit

由表3 可知，短路時換流變壓器噪聲平均值在18.33～21.68 dB 之間，明顯低于額定電壓空載運行時的噪聲水平，說明短路電流的大小對噪聲的影響較小，即繞組振動對換流變壓器噪聲影響較小.

圖3 短路時換流變壓器各位置噪聲變化趨勢Fig.3 The noise variation trend at various positions of converter transformer under short-circuit

由圖3 可知，實測位置點3 的噪聲在短路電流55～60 A 范圍內出現拐點，其余位置點的噪聲在65～75 A 范圍內出現拐點.由此說明：1）實測位置不同，噪聲大小隨短路電流的變化趨勢也不完全相同；2）當短路電流增加時，各位置點的噪聲并不一定單調增加，其中可能出現拐點.

2.1.3 直接帶電阻負載運行時換流變壓器噪聲水平

為了對比分析換流變壓器與電力變壓器振動噪聲特性，在換流變壓器閥側繞組直接接入電阻負載，從而把它等效為電力變壓器.通過實驗，實測直接帶電阻負載運行時換流變壓器噪聲水平，如表4 所示.換流變壓器噪聲變化趨勢，如圖4 所示.

表4 直接帶電阻負載時換流變壓器噪聲水平Tab.4 Noise level of converter transformer with resistive load

圖4 直接帶電阻負載時換流變壓器各位置噪聲變化趨勢Fig.4 The noise variation trend at various positions of converter transformer with resistive load

由表4 和圖4 可知，直接帶電阻負載時換流變壓器的噪聲平均值在53.5～54.93 dB 之間.實測各位置點的噪聲變化趨勢隨A 相電流增大，噪聲值反而略有下降，但直接帶電阻負載下的噪聲整體水平比短路時要高，原因是直接帶電阻負載運行時的網側電壓值接近額定電壓值，此時，網側的運行電壓大大高于短路時的運行電壓，噪聲水平前者明顯高于后者，進一步說明了繞組振動對換流變壓器噪聲影響較小.

2.1.4 整流系統帶負載運行時換流變壓器噪聲水平

整流系統帶負載運行時實測換流變壓器噪聲水平，如表5 所示.此時，換流變壓器噪聲變化趨勢如圖5 所示.

由表5 和圖5 可知，在整流系統帶負載的實驗中，隨著負載的增大，繞組電流隨之增大，其噪聲平均值在63.8～68.1 dB 間波動，但換流變壓器各位置噪聲變化趨勢不呈線性增長.與變壓器帶電阻負載下的噪聲水平平均值相比，要高出15～20 dB.

表5 整流系統帶負載運行時換流變壓器噪聲水平Tab.5 Noise level of converter transformer under rectification system with load

圖5 整流系統帶負載運行時換流變壓器各位置噪聲變化趨勢Fig.5 The noise variation trend at various positions of converter transformer under rectification system with load

要特別注意表5 中，當直流電流僅為0.4 A 時，換流變壓器的噪聲就達到了61.1 dB，此時變壓器繞組中諧波電流含量很小.這否定了我們的傳統認知：換流變壓器繞組中通過諧波電流導致換流變壓器電磁噪聲顯著增加.進一步實驗研究，才清楚了換流變壓器超高電磁噪聲的真正原因.

2.2 換流變壓器超高電磁噪聲原因實驗分析

為找出換流變壓器振動與噪聲顯著增加的原因，對以下三種工況的實驗數據進行分析：

工況1：換流變壓器空載額定電壓運行.

工況2：換流變壓器帶整流負載啟動，直流電流為0.4 A.

工況3：換流變壓器帶額定整流負載.

實驗數據如表6 所示.

表6 各工況電能質量及噪聲數據Tab.6 Power quality and noise data under various conditions

由表6 可知，隨著閥側電壓畸變率的增大，換流變壓器噪聲水平明顯提高.工況2 時網側繞組電流有效值為4.41 A，閥側繞組電流有效值僅為0.09 A，但此時換流變壓器噪聲明顯增大，平均值為61.1 dB.因此，可以得出：閥側繞組諧波電壓是引起換流變壓器噪聲增大的主要原因.

考慮諧波電壓的影響時，式（2）可變形為：

由式（6）可知，在諧波的影響下，換流變壓器鐵芯振動不僅包含基波與各次諧波的2 倍頻分量，同時包含基波與各次諧波疊加的分量，在這些振動的相互作用下，鐵芯振動更加劇烈.

圖6 給出工況3 閥側電壓實測波形.通過頻譜分析，換流變壓器閥側電壓的諧波含量如圖7 所示.

圖6 工況3 時閥側電壓實驗波形Fig.6 Valve side voltage waveform under scenario 3

由圖7 可知，工況3 時閥側基波電壓有效值為229.72 V，諧波電壓總畸變率為28.88%，閥側電壓含有大量的諧波.

圖7 換流變壓器閥側諧波分析Fig.7 Harmonic analysis of converter transformer at the valve side

在工況3 時，實測換流變壓器位置5 的噪聲水平，并對其頻譜分析，如圖8 所示.由圖8 可知，在頻率400～5 000 Hz 范圍內，噪聲水平較高，在50 dB上下波動，變化值比較均衡，在2 kHz 時噪聲值最大，可達56.6 dB.因此，閥側諧波電壓的高頻分量引起換流變壓器噪聲增大.

圖8 工況3 時換流變壓器測量位置5 頻譜Fig.8 Converter transformer noise measurement position 5 spectrum under scenario 3

圖9 給出工況3 時換流變壓器的振動頻譜，其中，圖9（a）給出工況3 時換流變壓器振動測量點1（旁軛寬面）和測量點3（繞組）的頻譜圖，圖9（b）給出工況3 時換流變壓器繞組振動頻譜.

由圖9 可知，繞組振動要遠遠小于鐵芯振動，驗證了繞組振動對換流變壓器噪聲影響小，同時也說明了換流變壓器短路實驗時的噪聲遠遠小于空載運行時的噪聲.同時，鐵芯振動頻率集中在1～2 kHz 范圍內變化，說明閥側繞組高頻諧波勵磁電壓是引起換流變壓器鐵芯振動的主要原因.

圖9 工況3 時換流變壓器的振動頻譜Fig.9 Vibration spectrum of converter transformer under scenario 3

基于上述結論，采用閥側并聯電容的方案，利用電容的高通濾波作用，濾除閥側高次諧波電壓，從而達到降噪的效果.下面對該方案進行詳細分析.

2.3 閥側繞組并聯電容降噪理論分析

以換流站最小換流單元6 脈波換流器為例，分析閥側并聯電容降低換流變壓器振動與噪聲的機理.

并聯電容前，換流變壓器諧波阻抗ZLn可由下式表示：

式中：XLn為n 次諧波短路阻抗，XLn=nXL；XL為工頻短路阻抗.

假設基頻下并聯電容容抗為XC，則n 次諧波下并聯電容等效容抗為

并聯電容后，換流變壓器的諧波等效電路如圖10 所示.換流變壓器的n 次諧波阻抗變為

圖10 換流變壓器諧波等效電路Fig.10 Converter transformer harmonic equivalent circuit

由式（7）可見，并聯電容后，換流變壓器諧波阻抗發生變化.假設電流源第n 次諧波電流為In，流入換流變壓器的諧波電流為ILn，流入并聯電容的諧波電流為ICn.依據并聯電路分流原理，有：

由式（8）和式（9）可以看出，諧波次數越大，流入換流變壓器的諧波電流ILn越小，流入并聯電容的諧波電流ICn越大，即諧波次數越大，并聯電容濾波效果越好.

2.4 閥側繞組并聯電容降噪實驗

按照換流站無功補償原則：無功補償為有功的50%～60%[22]，在換流變壓器閥側并聯電容183 μF，6個電容共補償無功49.78 kvar，約為50%.如圖1（a）中虛線部分所示，并在工況3 下完成相應的實驗.圖11 給出并聯電容時換流變壓器閥側繞組電壓的實測波形.與圖6 對比，電壓波形較為光滑，沒有明顯的缺口和毛刺，說明通過并聯電容能有效吸收換流變壓器閥側的高次諧波電壓.

圖11 并聯電容時閥側繞組電壓實測波形Fig.11 Measured voltage waveform of valve side winding with shunt capacitor

表7 給出并聯電容前后閥側繞組電壓諧波對比.

表7 并聯電容前后閥側繞組電壓諧波對比 單位VTab.7 The comparison of harmonic voltage at the valve side windings before and after shunt capacitor Unint V

由表7 可知，并聯電容器后，除五次諧波稍微放大外，七次以上的諧波電壓均得到有效抑制，因此閥側繞組電壓高次諧波成分已基本濾除，濾波效果明顯.

表8 給出了并聯電容前后換流變壓器噪聲數據.

表8 并聯電容前后換流變壓器噪聲數據Tab.8 Noise data of the converter transformer before and after shunting capacitor

由表8 可知，并聯電容器后，由于電容器的無功補償作用，閥側電壓有效值稍微抬升，而網側電壓基本保持不變.因為有效抑制了換流變壓器閥側高次諧波電壓，噪聲平均值由原來的67.0 dB 降為54.6 dB，基本為變壓器帶電阻負載的噪聲.圖12 給出并聯電容與未接入電容、直接帶電阻負載運行時換流變壓器噪聲數據的對比圖.

圖13 給出并聯電容后換流變壓器噪聲測量位置5 頻譜.與圖9 對比可知，高頻噪聲明顯降低，較高的噪聲水平值集中在400 Hz～1 kHz，且1 kHz 時噪聲值最大，為51.7 dB.

圖12 降噪對比Fig.12 Comparison on noise reduction

圖13 并聯電容后換流變壓器噪聲測量位置5 頻譜Fig.13 Noise spectrum of converter transformer measured position 5 with shunt capacitor

圖14 給出并聯電容后換流變壓器振動頻譜，其中，圖14（a）給出并聯電容換流變壓器旁軛寬面振動頻譜；圖14（b）給出并聯電容換流變壓器繞組振動頻譜.

圖14 并聯電容后換流變壓器振動頻譜Fig.14 Vibration spectrum of converter transformer with shunt capacitor

與圖9 對比，由圖14 可知，并聯電容后，鐵芯振動頻率為0～1 kHz，在此頻率范圍內振動加速度幅值明顯減小，而1～2 kHz 范圍內振動加速度基本趨于0.

3 結論

在半消聲室，本文通過12 脈波整流原理樣機實驗系統研究換流變壓器器身的電磁振動與噪聲，得出如下結論：

1）驗證了變壓器繞組電壓勵磁導致鐵芯振動與噪聲，是變壓器電磁振動與噪聲的主要原因，繞組振動引起的變壓器噪聲較小.

2）工況3 時換流變壓器的鐵芯振動遠遠大于變壓器繞組振動，鐵芯振動集中在1～2 kHz 的高頻范圍內變化，此時換流變壓器的噪聲較大，為72.95～76.62 dB，從而說明閥側高次諧波電壓引起換流變壓器噪聲過大.

3）在換流變壓器閥側繞組并聯電容可以有效抑制換流變壓器閥側高次諧波電壓，減小換流變壓器的振動和噪聲.

本文所提出的換流變壓器閥側繞組并聯電容方案具有良好的降噪效果，但對于不同電容取值對降噪效果的影響以及換流變壓器閥側并聯電容對換流器換相的影響仍需開展進一步的研究.