一種分析變壓器噪聲異常原因的簡易方法

朱 玲，李春先

（中山ABB變壓器有限公司，廣東中山 528449）

0 引言

近年來，隨著城市化的發展，城市用電負荷密度大大增加，變電站的位置也逐漸從郊區走進了城市邊緣，甚至在城市內部。相應的，變壓器作為變電站的主要設備之一，與變電站周圍人群密切相關的噪聲水平進入人們的視野。早期的變壓器噪聲為空載噪聲遠大于負載聲，負載噪聲的貢獻基本可以忽略，所以變壓器的噪聲要求主要針對空載噪聲。近10多年來，硅鋼片的性能和工藝快速發展，目前負載噪聲與空載噪聲大于或等于空載噪聲，這說明負載噪聲的作用已經不能忽略。變壓器在現場運行過程中不可避免會出現各類異常的噪聲，需要及時判斷出是來自空載異常還是負載異常噪聲，這樣才有相應的措施進行檢查和解決。基于變壓器的噪聲是以50 Hz基波為基準，不同原因造成的噪聲異常是有固有頻率的，例如部件松動造成的機械噪聲通常為100 Hz，這樣就可以通過在現場對變壓器錄取音頻，再通過傅立葉變換提取噪聲的特征頻率，根據已有經驗判斷導致變壓器噪聲異常的可能原因。這一方法可以幫助現場運維人員快速進行判斷，不需要進行電壓諧波、電流諧波的檢測，或者吊罩進行檢查等，為檢修方向提供大大的便利，節約大量的人力物力。本文介紹了利用這一方法快速判斷出變壓器噪聲異常是由于中性點直流偏磁引起的實例。

1 變壓器噪聲產生的部件及主要頻率

1.1 空載下產生的噪聲

變壓器空載狀態下，鐵芯噪聲是變壓器噪聲的主要源頭。鐵心產生噪聲原因是構成鐵心硅鋼片交變磁場作用下會發生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率變化做周期性振動，鐵心磁致伸縮變形。硅鋼片接縫處存在磁通畸變導致磁密變化引起的鐵芯振動噪聲。另外，鐵芯疊片之間的縫隙大小、幾級接縫和夾件對鐵芯的壓緊力等都會對鐵芯噪聲產生影響。鐵芯產生的噪聲主要與變壓器容量大小、設計磁密、硅鋼片的選型、現場電壓的畸變率和中性點是否有直流注入等相關。鐵芯的設計磁密在1.7 T以上的噪聲有顯著增加的跡象，特別是當鐵芯磁密接近1.8 T以上會出現特別尖銳的空載噪聲[1]。

1.2 變壓器負載下產生的噪聲

變壓器負載狀態下，除鐵芯噪聲外，還會增加繞組噪聲、油箱（包括磁屏蔽等）及冷卻裝置振動產生的噪聲。變壓器線圈在負載電流和漏磁通的共同作用下產生電磁力，電磁力與電流的平方成正比，導致繞組導體間產生電磁力引起繞組的振動。漏磁通引起油箱壁（包括磁屏蔽等）振動引起的負載噪聲。對于風冷或強油冷卻的變壓器，變壓器噪聲還與風機和油泵的噪聲有明顯的相關性。變壓器負載主要來自線圈和油箱壁，線圈噪聲受線圈布置方式的影響，振動小的線圈布置在最外層，有助于屏蔽噪聲。另外，線圈噪聲還與其本身的壓緊程度相關，線圈壓得越緊，其與絕緣件之間的摩擦力就越大，在電磁力的作用下振動就越小，產生的噪聲越小。在油箱增加加強筋改變油箱強度比單純地增加油箱厚度對負載噪聲的降低更加明顯，另外在油箱的加強筋中灌入石英砂，可以明顯減少油箱壁的振動，降低油箱由于電磁力或共振引起的負載噪聲。

1.3 變壓器正常噪聲的頻率

變壓器和電抗器的噪聲源及其特點，變壓器在空載狀態的噪聲主要來自鐵芯磁滯伸縮引起的噪聲，磁滯伸縮是一種尺寸變化現象，在某些材料中已觀察出，當其磁密達到某個典型值時，其尺寸發生較明顯的變化。這種變化與硅鋼片本身結晶軸有一定的相關性。在正弦波磁通勵磁下，尺寸變化的基波頻率為勵磁電壓頻率的二倍，對正弦波下的噪聲進行頻譜分析，頻譜中將會看到一些等于勵磁頻率偶數倍（（2倍頻）100 Hz、（4倍頻）200 Hz、（6倍頻）300 Hz、（8倍頻）400 Hz……）的頻率。如果是磁通中有直流偏磁，例如測量繞組直流電阻殘留的剩磁，或者在負載電流中存在著直流分量，這些會導致硅鋼片的磁滯伸縮出現非線性，從而導致鐵芯的振動加大。在每個周期內，振動頻譜中會顯示出峰值明顯的奇數倍頻率的頻譜[2-3]。

由于變壓器負載電流建立的磁場是交變的，因此在線圈上產生的電力既有沿線圈軸向的，也有沿線圈幅向的。繞組中的電磁力與負載電流的平方成正比，由振動體發出的升功率與振動速度的平方成正比，因此由負載電流諧波引起的聲頻譜中的各頻率值分別為2倍的各電頻率和任意兩個電頻率之和以及它們之差，這些諧波電流下的聲級對變壓器的現場運行噪聲有顯著的影響。

2 變壓器現場噪聲異常原因分析

2.1 頻譜分析法

通過傅立葉變換把變壓器現場噪聲從一個復雜噪聲信號轉換為較簡單的信號。通過手機或其他錄音設備在變壓器現場錄制一段聲音，然后通過頻譜分析軟件對這一段聲音進行頻譜分析，得出不同頻率下的聲音幅值。通過與典型的變壓器噪聲頻譜進行對比，可以分析判斷變壓器現場噪聲異常的可能原因[4]。

2.2 變壓器現場噪聲的可能原因

變壓器在現場出現噪聲異常的情況比較普遍，特別是運行5年以上的變壓器，也有一些變電站原來是建設在郊外的，由于城市化發展比較快，變電站已在居民區周圍。對于現場出現的變壓器異常噪聲，需要快速地進行判斷可能產生的原因，給運維一個檢查維修的方向。變壓器現場噪聲的可能原因如下：

（1）個別零件松動，造成的錘擊或刮大風的聲響，如“當當當”或“呼呼呼”的聲音；

（2）鐵芯故障引起，如鐵芯接地不良引起放電的劈裂聲；

（3）局部嚴重過熱引起的油沸騰會發出水開了一樣的“咕嚕咕嚕”聲；

（4）外界天氣影響造成的放電聲，如下雨天、大霧天造成套管出電暈放電，如“嘶嘶”或“嗤嗤”的聲音，夜間可見藍色小火花；

（5）負載為電容性負載引起的容升效應，導致二次側電壓升高，鐵芯過飽和引起的尖銳聲音；

（6）變壓器周圍存在直流設備，如地鐵、換流站等引起的變壓器中性點注入直流，導致鐵芯直流偏磁的聲音等[5]。

2.3 一起變壓器現場噪聲異常的頻譜分析

對現場反饋的一起變壓器噪聲異常進行頻譜分析，并與正常變壓器噪聲的頻譜結果進行對比。通過對比發現，該變壓器噪聲異常可能是由于存在直流偏磁引起的。如果磁通有直流偏磁，例如在之前的因測量繞組直流電阻而殘留了剩磁或者在電流中含有直流分量，都會使正、負極性下的磁滯伸縮峰值明顯出現差異，這時在噪聲的頻譜分析中出現明顯的勵磁頻率奇數倍（（3倍頻）150 Hz、（5倍頻）250 Hz、（7倍頻）350 Hz、（9倍頻）450 Hz……）的頻譜[6]。

從現場噪聲的頻譜分析來看，其具備如下幾個特點：

（1）噪聲存在一些波動，通常是由于負荷變化或者中性點直流變化引起的；

（2）奇數次頻譜比較明顯（3、5、7、9倍頻），通常是由鐵芯剩磁或者電流中有直流分量引起的；

（3）低壓如果帶大容量的電容補償或SVC，容升效應容易引起首端電壓升高，導致變壓器磁密升高，噪聲增大[7]。

圖1 正常噪聲的頻譜分析

圖2 現場噪聲異常的頻譜分析

直流分量可能是由如下原因產生的，需結合變壓器站周圍的環境進行判斷。

（1）直流輸電線路與交流輸電線路的并行運行或交流網絡中存在電壓電流關系曲線不對稱的負載。

（2）城市軌道交通。大城市的地鐵、軌道交通和一些礦山小火車大多采用直流電驅動車輛，這些軌道交通的直流電源用大地作為其中的一極，類似直流輸電的單極運行，對城市的110 kV以上的變壓器造成直流偏磁。其值一般比較小，波動頻繁；持續時間與城鐵運行時間同步。

（3）太陽等離子風的動態變化與地磁場相互作用產生的地磁“風暴”[8]。

2.4 變壓器現場噪聲異常的常用解決方案

對于現場運行噪聲異常，在進行頻譜分析，通過檢查后，可根據情況采用如下方案進行處理：

（1）檢查是否為外部結構件松動引起的，重新緊固結構件或者在松動位置增加橡膠墊減震；

（2）檢查鐵芯接地是否良好，或者并聯運行的多臺變壓器中性點是否同時接地，導致環流[9]；

（3）增加濾波裝置，濾除負載中存在電流或電壓諧波；（4）增加中性點隔直裝置，防止由于中性點直流注入引起的中性點直流偏磁引起噪聲偏大；

（5）如已運行多年的變壓器不滿足周圍居民的要求，可在變壓器周圍增加隔音屏降低噪聲等[10]。

3 結束語

本文介紹了變壓器噪聲產生的原理和可能導致變壓器現場噪聲異常的原因，基于不同原因的噪聲異常都有特征的頻譜，提出了通過現場簡易錄音，導入音頻分析軟件提取噪聲特征頻譜和對應幅值的方法。通過現場特征頻譜與典型噪聲頻譜對比，不需要對變壓器入箱檢查，測量電流諧波或直流電流等復雜耗時的工作，簡易、快速判斷現場引起變壓器噪聲異常的可能原因，為解決變壓器噪聲異常提供檢查方向，并提出了相應的解決方案。