換流變壓器原理樣機(jī)電磁振動(dòng)與噪聲研究

趙亮 臧英 樊紀(jì)超 代雙寅 張民 孫建濤 金兆偉 羅隆福

摘? ?要：針對(duì)換流變壓器噪聲超標(biāo)問(wèn)題，采用6臺(tái)20 kVA、220 V、阻抗18%的單相四柱式變壓器（僅器身），與兩套6脈波整流橋一起，連接成12脈波整流裝置，模擬高壓直流輸電系統(tǒng)中的整流站.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定各種工況下單臺(tái)換流變壓器的振動(dòng)和噪聲，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，閥側(cè)繞組高次諧波電壓是導(dǎo)致?lián)Q流變壓器的振動(dòng)及噪聲加劇的主要因素. 進(jìn)而提出在換流變壓器閥側(cè)并聯(lián)電容的方案，通過(guò)該電容減小閥側(cè)高次諧波電壓，從而降低換流變壓器的振動(dòng)及噪聲. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法降噪效果明顯.

關(guān)鍵詞：換流變壓器;振動(dòng);噪聲;諧波電壓;并聯(lián)電容

Abstract：Six single-phase four-column transformers of 20 kVA，220 V，and short-circuit impedance of 18% （only as the body of the transformer） connected with two sets of 6-pulse rectifier bridges were regarded as 12 pulse rectifier devices to simulate the rectifier stations in the HVDC transmission system. The noise of single-phase converter transformer was measured by means of the experimental method under various conditions. Through the analysis of the experimental data，it is concluded that the higher harmonic voltage of the valve side winding is the main factor leading to the vibration and noise of the converter transformer. The shunting capacitor at the valve side was proposed to reduce high-order harmonic voltage of valve side，as well as the vibration and noise of converter transformer. The experimental results show that this proposed method is effective in noise reduction.

Key words：converter transformer;vibration;noise;harmonic voltage;shunt capacitor

隨著我國(guó)（特）高壓直流輸電的快速發(fā)展，換流站的環(huán)境噪聲影響已受到公眾、環(huán)保部門及電網(wǎng)公司的廣泛關(guān)注. 晶閘管換流器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，而這些諧波會(huì)在換流變壓器產(chǎn)生諧波交變磁通，引起鐵芯諧波磁通增大，從而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器振動(dòng)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(xiàn)場(chǎng)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(guò)110 dB. 換流變壓器本體噪聲主要由繞組振動(dòng)及鐵芯振動(dòng)引起[3]，其中，繞組振動(dòng)是繞組在交變磁場(chǎng)中受洛倫茲力引起的[4-5]， 鐵芯振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是鐵芯硅鋼片的磁致伸縮效應(yīng)[6-7]. 換流變壓器屬于高壓電力設(shè)備，其運(yùn)行工作環(huán)境較為復(fù)雜，如何準(zhǔn)確測(cè)量它的噪聲并實(shí)時(shí)反映它的聲學(xué)和振動(dòng)特性尤其重要[8].

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)變壓器振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了大量研究[9-13]，文獻(xiàn)[14]采用一臺(tái)精度為10 nm/m的磁致伸縮測(cè)量裝置測(cè)量基波疊加三次諧波磁場(chǎng)下的單片電工鋼片磁致伸縮特性，得出加大磁場(chǎng)三次諧波比重，會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮的四、六次諧波分量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)噪聲值增加. 文獻(xiàn)[15]通過(guò)增加開關(guān)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(diào)制系數(shù)的PWM電壓激勵(lì)下的振動(dòng)和噪聲. 文獻(xiàn)[16]在高次諧波的正弦磁化條件下，對(duì)硅鋼片的磁致伸縮性能進(jìn)行了測(cè)試，給出了磁致伸縮行為的宏觀描述. 文獻(xiàn)[17]通過(guò)“磁-機(jī)械”耦合場(chǎng)理論得到了變壓器繞組在電磁力激勵(lì)下正常與松動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)特性.多數(shù)文章集中研究硅鋼片磁致伸縮特性或傳統(tǒng)電力變壓器的振動(dòng)和噪聲特性[18-20]，研究換流變壓器的振動(dòng)和噪聲特性相對(duì)較少.

本文通過(guò)12脈波整流原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究換流變壓器器身的電磁振動(dòng)與噪聲，詳細(xì)分析了各工況下?lián)Q流變壓器振動(dòng)和噪聲特性，確認(rèn)了是換流變壓器閥側(cè)繞組諧波電壓導(dǎo)致了換流變壓器電磁噪聲顯著增加;在此基礎(chǔ)上，提出了換流變壓器閥側(cè)繞組并聯(lián)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1給出測(cè)量換流變壓器振動(dòng)和噪聲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng). 圖1（a）為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，它由供電電源、調(diào)壓器、6臺(tái)單相四柱式變壓器、12脈波整流裝置及電容器組成，10 kV調(diào)壓器可以實(shí)現(xiàn)電壓0 ～ 1.2倍額定電壓的無(wú)級(jí)調(diào)壓，單相四柱式變壓器具體參數(shù)如表1所示.同時(shí)給出了10個(gè)振動(dòng)傳感器和5個(gè)聲音傳感器測(cè)量單相四柱式變壓器振動(dòng)和噪聲的具體實(shí)測(cè)位置.

圖1（b）給出半消聲室示意圖，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的背景噪聲為18 dB.聲音傳感器和振動(dòng)傳感器型號(hào)分別為B&K2270-B-000和B&K4534-B-001，測(cè)量精度高.6臺(tái)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(gè)6脈波整流橋，共12個(gè)晶閘管，其觸發(fā)角可以單個(gè)調(diào)節(jié). 直流電壓、直流電流大小可以閉環(huán)調(diào)節(jié);可以完成變壓器直接短路、直流母線短路等實(shí)驗(yàn). 在空載運(yùn)行、短路、直接帶電阻負(fù)載運(yùn)行、整流系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行以及直流偏磁下，測(cè)量Y/y接線三相變壓器a相的振動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù).

2? ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(duì)換流變壓器振動(dòng)與噪聲的影響，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn).

2.1.1? ?空載運(yùn)行的噪聲水平

空載運(yùn)行時(shí)，換流變壓器振動(dòng)主要體現(xiàn)在鐵芯振動(dòng)，其振動(dòng)加速度可用下式表示：? ? 在空載運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)換流變壓器噪聲水平，如表2所示. 噪聲變化趨勢(shì)，如圖2所示.

由表2和圖2可知，當(dāng)空載電壓在92.26 V以下時(shí)，5個(gè)實(shí)測(cè)位置的噪聲在25 dB以下，此時(shí)換流變壓器噪聲很小.

當(dāng)空載電壓調(diào)到229.98 V（約100% Un）時(shí)，5個(gè)實(shí)測(cè)位置的噪聲達(dá)到55 dB左右，從而說(shuō)明隨著電壓的升高，噪聲也隨之顯著增加;當(dāng)空載電壓調(diào)到252.13 V時(shí)，5個(gè)實(shí)測(cè)位置的噪聲達(dá)到57 dB左右，此時(shí)換流變壓器硅鋼片磁通密度為1.731 T，并未超過(guò)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(duì)換流變壓器振動(dòng)和噪聲的影響.可以得出：電壓對(duì)換流變壓器噪聲的影響較大，當(dāng)電壓接近額定值時(shí)噪聲顯著增加，之后增加趨勢(shì)放緩;各實(shí)測(cè)位置點(diǎn)的噪聲變化趨勢(shì)大致相同，噪聲均隨著電壓的升高而單調(diào)增加.

2.1.2? ?短路時(shí)換流變壓器噪聲水平

換流變壓器短路時(shí)，由于勵(lì)磁電壓很低，此時(shí)由硅鋼片磁致伸縮引起的鐵芯振動(dòng)相對(duì)較小，可排除鐵芯振動(dòng)對(duì)繞組振動(dòng)的影響. 理論分析可知，繞組電動(dòng)力與電流的平方成正比[22]：

由表3可知，短路時(shí)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(yùn)行時(shí)的噪聲水平，說(shuō)明短路電流的大小對(duì)噪聲的影響較小，即繞組振動(dòng)對(duì)換流變壓器噪聲影響較小.

由圖3可知，實(shí)測(cè)位置點(diǎn)3的噪聲在短路電流55～60 A范圍內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn)，其余位置點(diǎn)的噪聲在65～75 A范圍內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn).由此說(shuō)明：1）實(shí)測(cè)位置不同，噪聲大小隨短路電流的變化趨勢(shì)也不完全相同;2）當(dāng)短路電流增加時(shí)，各位置點(diǎn)的噪聲并不一定單調(diào)增加，其中可能出現(xiàn)拐點(diǎn).

2.1.3? ?直接帶電阻負(fù)載運(yùn)行時(shí)換流變壓器噪聲水平

為了對(duì)比分析換流變壓器與電力變壓器振動(dòng)噪聲特性，在換流變壓器閥側(cè)繞組直接接入電阻負(fù)載，從而把它等效為電力變壓器. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)直接帶電阻負(fù)載運(yùn)行時(shí)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(shì)，如圖4所示.

由表4和圖4可知，直接帶電阻負(fù)載時(shí)換流變壓器的噪聲平均值在53.5～54.93 dB之間.實(shí)測(cè)各位置點(diǎn)的噪聲變化趨勢(shì)隨A相電流增大，噪聲值反而略有下降，但直接帶電阻負(fù)載下的噪聲整體水平比短路時(shí)要高，原因是直接帶電阻負(fù)載運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)側(cè)電壓值接近額定電壓值，此時(shí)，網(wǎng)側(cè)的運(yùn)行電壓大大高于短路時(shí)的運(yùn)行電壓，噪聲水平前者明顯高于后者，進(jìn)一步說(shuō)明了繞組振動(dòng)對(duì)換流變壓器噪聲影響較小.

2.1.4? ?整流系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)換流變壓器噪聲水平

整流系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)實(shí)測(cè)換流變壓器噪聲水平，如表5所示. 此時(shí)，換流變壓器噪聲變化趨勢(shì)如圖5所示.

由表5和圖5可知，在整流系統(tǒng)帶負(fù)載的實(shí)驗(yàn)中，隨著負(fù)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(dòng)，但換流變壓器各位置噪聲變化趨勢(shì)不呈線性增長(zhǎng). 與變壓器帶電阻負(fù)載下的噪聲水平平均值相比，要高出15 ～ 20 dB.

要特別注意表5中，當(dāng)直流電流僅為0.4 A時(shí)，換流變壓器的噪聲就達(dá)到了61.1 dB，此時(shí)變壓器繞組中諧波電流含量很小.這否定了我們的傳統(tǒng)認(rèn)知：換流變壓器繞組中通過(guò)諧波電流導(dǎo)致?lián)Q流變壓器電磁噪聲顯著增加.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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?qū)嶒?yàn)分析

為找出換流變壓器振動(dòng)與噪聲顯著增加的原因，對(duì)以下三種工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

工況1：換流變壓器空載額定電壓運(yùn)行.

工況2：換流變壓器帶整流負(fù)載啟動(dòng)，直流電流為0.4 A.

工況3：換流變壓器帶額定整流負(fù)載.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示.

由表6可知，隨著閥側(cè)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(shí)網(wǎng)側(cè)繞組電流有效值為4.41 A，閥側(cè)繞組電流有效值僅為0.09 A，但此時(shí)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(cè)繞組諧波電壓是引起換流變壓器噪聲增大的主要原因.

由圖7可知，工況3時(shí)閥側(cè)基波電壓有效值為229.72 V，諧波電壓總畸變率為28.88%，閥側(cè)電壓含有大量的諧波.

在工況3時(shí)，實(shí)測(cè)換流變壓器位置5的噪聲水平，并對(duì)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(nèi)，噪聲水平較高，在50 dB上下波動(dòng)，變化值比較均衡，在2 kHz時(shí)噪聲值最大，可達(dá)56.6 dB. 因此，閥側(cè)諧波電壓的高頻分量引起換流變壓器噪聲增大.

圖9給出工況3時(shí)換流變壓器的振動(dòng)頻譜，其中，圖9（a）給出工況3時(shí)換流變壓器振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)1（旁軛寬面）和測(cè)量點(diǎn)3（繞組）的頻譜圖，圖9（b）給出工況3時(shí)換流變壓器繞組振動(dòng)頻譜.

由圖9可知，繞組振動(dòng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵芯振動(dòng)，驗(yàn)證了繞組振動(dòng)對(duì)換流變壓器噪聲影響小，同時(shí)也說(shuō)明了換流變壓器短路實(shí)驗(yàn)時(shí)的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空載運(yùn)行時(shí)的噪聲.同時(shí)，鐵芯振動(dòng)頻率集中在1 ～ 2 kHz范圍內(nèi)變化，說(shuō)明閥側(cè)繞組高頻諧波勵(lì)磁電壓是引起換流變壓器鐵芯振動(dòng)的主要原因.

基于上述結(jié)論，采用閥側(cè)并聯(lián)電容的方案，利用電容的高通濾波作用，濾除閥側(cè)高次諧波電壓，從而達(dá)到降噪的效果. 下面對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)分析.

2.3? ?閥側(cè)繞組并聯(lián)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(cè)并聯(lián)電容降低換流變壓器振動(dòng)與噪聲的機(jī)理.

并聯(lián)電容前，換流變壓器諧波阻抗ZLn可由下式表示：

由式（7）可見，并聯(lián)電容后，換流變壓器諧波阻抗發(fā)生變化. 假設(shè)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(lián)電容的諧波電流為ICn. 依據(jù)并聯(lián)電路分流原理，有：

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

2.4? ?閥側(cè)繞組并聯(lián)電容降噪實(shí)驗(yàn)

按照換流站無(wú)功補(bǔ)償原則：無(wú)功補(bǔ)償為有功的50%～60%[22]，在換流變壓器閥側(cè)并聯(lián)電容183 μF，6個(gè)電容共補(bǔ)償無(wú)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(yīng)的實(shí)驗(yàn).圖11給出并聯(lián)電容時(shí)換流變壓器閥側(cè)繞組電壓的實(shí)測(cè)波形. 與圖6對(duì)比，電壓波形較為光滑，沒有明顯的缺口和毛刺，說(shuō)明通過(guò)并聯(lián)電容能有效吸收換流變壓器閥側(cè)的高次諧波電壓.

由表8可知，并聯(lián)電容器后，由于電容器的無(wú)功補(bǔ)償作用，閥側(cè)電壓有效值稍微抬升，而網(wǎng)側(cè)電壓基本保持不變.因?yàn)橛行б种屏藫Q流變壓器閥側(cè)高次諧波電壓，噪聲平均值由原來(lái)的67.0 dB降為54.6 dB，基本為變壓器帶電阻負(fù)載的噪聲.圖12給出并聯(lián)電容與未接入電容、直接帶電阻負(fù)載運(yùn)行時(shí)換流變壓器噪聲數(shù)據(jù)的對(duì)比圖.

圖13給出并聯(lián)電容后換流變壓器噪聲測(cè)量位置5頻譜. 與圖9對(duì)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(shí)噪聲值最大，為51.7 dB.

與圖9對(duì)比，由圖14可知，并聯(lián)電容后，鐵芯振動(dòng)頻率為0 ～ 1 kHz，在此頻率范圍內(nèi)振動(dòng)加速度幅值明顯減小，而1 ～ 2 kHz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度基本趨于0.

3? ?結(jié)? ?論

在半消聲室，本文通過(guò)12脈波整流原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究換流變壓器器身的電磁振動(dòng)與噪聲，得出如下結(jié)論：

1）驗(yàn)證了變壓器繞組電壓勵(lì)磁導(dǎo)致鐵芯振動(dòng)與噪聲，是變壓器電磁振動(dòng)與噪聲的主要原因，繞組振動(dòng)引起的變壓器噪聲較小.

2）工況3時(shí)換流變壓器的鐵芯振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器繞組振動(dòng)，鐵芯振動(dòng)集中在1 ～ 2 kHz的高頻范圍內(nèi)變化，此時(shí)換流變壓器的噪聲較大，為72.95 ～ 76.62 dB，從而說(shuō)明閥側(cè)高次諧波電壓引起換流變壓器噪聲過(guò)大.

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

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

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