220 kV變壓器噪聲異常原因分析與仿真驗證

閆柯柯，穆永保，徐慶華，王荷生，楊 甲，穆素云

(1.國網(wǎng)邯鄲供電公司，河北 邯鄲 056035；2.焦作市職業(yè)技術(shù)學(xué)校，河南 焦作 454150)

0 引言

變壓器噪聲中的本體噪聲是反映設(shè)備運行健康狀況的一項重要指標(biāo)。變壓器本體噪聲直接來源于硅鋼片磁致伸縮引起的鐵心和磁屏蔽振動，漏磁通引起的繞組、油箱壁、磁屏蔽等的振動。近年來，隨著我國超高壓直流輸電線路的不斷增加和運行投產(chǎn)，由直流偏磁引起變壓器振動噪聲異常的現(xiàn)象越來越多，正得到電力系統(tǒng)越來越廣泛的關(guān)注和分析研究。

大型電力變壓器的勵磁電流比較小，由于變壓器的原邊等效阻抗對直流分量只呈現(xiàn)電阻特性，且電阻很小。因此，很小的直流分量就會在繞組中形成很大的直流激磁磁勢，該直流磁勢與交流磁勢一起作用于變壓器原邊，造成變壓器鐵心的工作磁化曲線發(fā)生偏移，出現(xiàn)關(guān)于原點不對稱，即變壓器直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁會引起變壓器鐵心飽和，導(dǎo)致電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，危害變壓器和電力系統(tǒng)的安全運行。

在直流偏磁下運行，變壓器鐵心片的磁致伸縮率增加，加劇變壓器鐵心片的振動，本體噪聲和振動明顯增大，嚴(yán)重時，導(dǎo)致變壓器有關(guān)部件的松動，引起發(fā)熱、放電或部件脫落，對變壓器運行性能和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響；并且這種情況隨著我國超高壓直流輸電線路的不斷增加變得越來越嚴(yán)重。在河北南部地區(qū)，2016年首次發(fā)生220 kV變壓器投運后出現(xiàn)噪聲異常增大現(xiàn)象，直接原因就是變壓器的直流偏磁，下面對河北南部地區(qū)首例直流偏磁造成的變壓器運行噪聲異常增大現(xiàn)象進(jìn)行分析和試驗研究。

1 設(shè)備概況

河北南部地區(qū)某220 kV變電站于2016-02-01投運，2號和3號主變均為國內(nèi)某變壓器制造廠同批次產(chǎn)品，屬于高阻抗室內(nèi)分體式變壓器，本體和冷卻系統(tǒng)分屬兩個室，高阻抗結(jié)構(gòu)為內(nèi)置電抗器方式，電抗器位于本體有載開關(guān)相對的另一側(cè)端部位置，2017年11月出廠。

1.1 變壓器基本參數(shù)

變壓器的型號為SFSZ10-180000/220，額定電壓為230±(8×1.25 %)/121/11 kV，額定容量為180/180/90MVA，聯(lián)結(jié)組別為YNyn0d11，主變短路阻抗為14 %/48 %/33 %。

1.2 站內(nèi)設(shè)備及運行方式

主變2臺：2，3號主變。

220 kV出線4回：自電源點I接入293，294雙回路架空線路，自電源點II接入291，292雙回路架空線路。

110 kV架空出線3回：197，198，199，無運行負(fù)荷。

10 kV電 纜 出 線2回：040，079，負(fù) 荷 約5 000 kW。

正常運行方式：高、中壓側(cè)母線并列運行，低壓側(cè)母線分列運行，2號主變高壓側(cè)中性點直接接地，3號主變高壓側(cè)中性點不接地。

2 變壓器檢測試驗情況

2.1 正常運行方式下的檢測數(shù)據(jù)

主變投運后，全站負(fù)荷約5 000 kW。運維單位分別于當(dāng)年5日、11日對2，3號主變的油色譜分析和鐵心夾件接地電流測試，數(shù)據(jù)均無異常。

2月5日，測量兩臺運行變壓器平均噪聲，2號主變81 dB (室內(nèi)測量未修正，后同)，3號主變69 dB。

2月13日，將2號主變退出運行，3號高壓側(cè)中性點接地運行，測量3號主變噪聲明顯增大，噪聲聲級85.1 dB。

2月15日，使用FLUKE 345測試表，檢測3號主變高壓側(cè)中性點電流，交流電流為0.9 A，直流電流1.16 A，中壓側(cè)中性點未檢測到直流電流。同時，檢測3號主變高壓側(cè)電壓電流諧波，未發(fā)現(xiàn)明顯的諧波分量；檢測主變鐵心接地電流為0.6 mA，夾件接地電流為4.2 mA，均滿足不大于0.1 A的運行要求；檢查主變保護(hù)裝置無告警信息，錄波裝置無異常記錄。

2.2 主變噪聲聲級修正

該變電站兩臺變壓器出廠試驗噪聲聲級分別為59.2 dB和59.4 dB，現(xiàn)場3號變未直接接地運行時的噪聲聲級為69 dB。該變壓器室為混凝土室，其吸聲系數(shù)α為0.05。寬12 m，長15 m，高16 m，聲反射表面積AU為1 044 m2。主變外形尺寸為寬3 m，長11.6 m，高3.47 m，主變發(fā)聲表面積AT為136.1 m2。

按照GB 1094.101《電力變壓器聲級測量應(yīng)用導(dǎo)則》中相關(guān)條款進(jìn)行修正。聲壓級分貝數(shù)的增加值近似計算公式：

將上述參數(shù)代入公式，計算可得主變在變壓器室內(nèi)運行，可測噪聲聲級增加了10.4 dB。即3號主變中性點未直接接地運行時的噪聲修正為58.6 dB，與出廠試驗數(shù)據(jù)基本相符。

2.3 不同工況下主變中性點直流電流測試

為進(jìn)一步分析變壓器噪聲異常原因，調(diào)整變電站運行方式，在6種典型運行工況下分別測試2，3號主變高、中壓側(cè)中性點直流電流分量變化情況。選用兩種試驗儀器：儀器1為Tektronix TDS 3012C示波器，TCPA300放大器，TCP303探頭；儀器2為FLUKE 345鉗形電流測試表。測試時，在變壓器中性點側(cè)掛接地線，分別用鉗形電流表和示波器探測卡鉗從接地線測試直流電流分量；打開接地刀閘，直流電流從接地引下線流過，記錄直流電流分量大小。

測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉗形電流表數(shù)值超過約150 mA時，數(shù)值比較穩(wěn)定，其與示波器數(shù)值比值也基本固定；當(dāng)鉗形電流表數(shù)值低于150 mA時，其數(shù)值不斷變化，且不穩(wěn)定。故當(dāng)鉗形電流表數(shù)值低于150 mA時，用示波器顯示數(shù)值來換算成直流電流數(shù)值，其余情況下均以鉗形電流表顯示數(shù)值為直流電流分量測試值，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同運行工況下主變中性點直流分量測試數(shù)據(jù) mA

測試結(jié)果顯示：該站運行時，主變高壓側(cè)中性點接地端流經(jīng)1 A左右的直流電流分量，隨著運行方式和接地方式的變化，直流電流分配有所變化，變化范圍主要在0.84～1.2 A，中壓側(cè)中性點無直流電流分量流過。

2.4 主變中性點直流電流在線監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)

變壓器GIC諧波噪聲振動在線監(jiān)測裝置可用于專門監(jiān)測和記錄由太陽活動或高壓直流輸電造成的變壓器偏磁電流，以及對由此引起的變壓器無功變化、電壓電流諧波、振動和噪聲等次生現(xiàn)象進(jìn)行檢測。通過該在線監(jiān)測裝置測試3號主變高壓側(cè)中性點直流電流分量變化情況(對應(yīng)表1中工況1)。

對試驗結(jié)果有如下分析。

(1) 第一段(1～216)直流電流均值0.45 A，為主變中性點接地刀閘拉開前接地引線中直流電流測試結(jié)果。

(2) 第二段(301～779)直流電流均值1.12 A，為主變中性點接地刀閘拉開后，接地引線中直流電流測試結(jié)果。

(3) 第三段(874～2734)直流電流均值0.65 A，為變換傳感器方向使電流流過傳感器的方向與第二段相反后，主變中性點直流測試結(jié)果。

(4) 第四段(2798～2943)直流電流均值1.12 A，為再次變換傳感器方向后中性點直流測試結(jié)果,此時電流流過傳感器的方向與第二段相同。

(5) 第五段(2953～3540)直流電流均值0.2 A，可視為測試裝置的零點漂移，是傳感器鐵心剩磁造成的，也是變換傳感器方向后測量結(jié)果不同的原因。

對以上測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，該站變壓器未直接接地運行時，噪聲聲級約69 dB，經(jīng)噪聲聲級修正后，數(shù)據(jù)與出廠試驗數(shù)值基本一致；主變直接接地運行后，流過1 A左右的直流電流分量，其噪聲聲級明顯偏大，增大約16 dB。變壓器的噪聲主要來自變壓器鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮率越大，噪聲越大。該站主變近乎空載，噪聲明顯是由鐵心的磁致伸縮所引起的電磁噪聲。分析現(xiàn)場檢測試驗數(shù)據(jù)，認(rèn)為該站所處的電網(wǎng)系統(tǒng)中存在直流分量，大地中的直流電流從變壓器高壓側(cè)中性點流入繞組，再經(jīng)輸電線路流入線路對側(cè)變壓器(中性點接地)，由該變壓器中性點流入大地構(gòu)成回路。此電流在鐵心中產(chǎn)生直流磁通分量，與交流磁通疊加導(dǎo)致磁通發(fā)生半波飽和，半波磁致伸縮峰值增大，加劇了鐵心振動噪聲。這是造成變電站主變噪聲聲級增大的直接原因。

該變壓器的技術(shù)協(xié)議明確可承受4 A直流偏磁電流,部分文獻(xiàn)資料也研究了變壓器中性點流經(jīng)較大直流分量時，變壓器噪聲聲級將有明顯增大，但在變壓器中性點流經(jīng)約1 A的較小直流電流時，變壓器噪聲聲級和磁場的變化情況，未做過多研究和記載。下面對變壓器在1 A左右直流偏磁電流下，噪聲聲級增大原因及磁場變化進(jìn)行進(jìn)一步分析和仿真驗證。

3 噪聲聲級增大原因分析

3.1 噪聲聲級增加值和直流電流間的關(guān)系

在GB 1094.101—2008《電力變壓器 第10.1部分聲級測定 應(yīng)用導(dǎo)則》中明確指出，直流偏磁電流可以導(dǎo)致變壓器噪聲聲級明顯增加，噪聲聲級增加值和直流偏磁電流與空載電流之比相關(guān)，并給出某大型電力變壓器上測量的關(guān)系曲線。不同設(shè)計結(jié)構(gòu)、鐵心形狀或材料的變壓器，盡管該曲線有細(xì)微的差別，但曲線向上變化的趨勢卻是基本一致的，如圖1所示。

圖1 聲級增加值和繞組中直流電流之間的關(guān)系

根據(jù)以上現(xiàn)場測試結(jié)果，取該站3號主變最初測試的中性點直流電流1.16 A，每相繞組直流電流0.39 A，出廠試驗中空載電流標(biāo)幺值是0.05 %，高壓側(cè)額定電流為472.4 A，高壓側(cè)空載勵磁電流0.24 A，則直流偏磁電流與空載電流之比為1.6，查圖1可知，X軸為1.6時，對應(yīng)Y軸噪聲聲級增加值約為13 dB。實際測量結(jié)果，中性點不接地運行時噪聲為69 dB，中性點接地后噪聲增加到85 dB，實際增加16 dB，噪聲聲級的增加值與圖2所示趨勢基本一致。

3.2 噪聲頻譜與直流偏磁噪聲典型頻譜分析

變壓器本體噪聲的根源主要是鐵心硅鋼片磁致伸縮引起的振動噪聲。磁致伸縮是指鐵心勵磁時，硅鋼片沿磁力線方向的尺寸會發(fā)生變化，勵磁消失后，硅鋼片又恢復(fù)原來的形狀，這種變化是由于硅鋼片中晶粒轉(zhuǎn)動而引起的。在變壓器運行中，鐵心被施以周期性勵磁，硅鋼片便產(chǎn)生周期性伸長縮短的變化。由于磁致伸縮變化周期是變壓器的電源周期的兩倍，所以磁致伸縮引起的變壓器本體振動噪聲以100 Hz為基頻。由于硅鋼片磁致伸縮率與磁感應(yīng)強(qiáng)度具有的非線性關(guān)系，使得磁通出現(xiàn)較為明顯的偏離正弦形狀的畸變，即存在高次諧波的磁通分量。這樣，變壓器振動噪聲頻譜中，除基頻噪聲外，還包含有倍頻噪聲，也就是說正常噪聲以偶數(shù)倍勵磁電源頻率為主，且其基頻波不是噪聲聲波的最主要分量。

變壓器在直流偏磁下，鐵心在半個周波內(nèi)急劇飽和，勵磁電流出現(xiàn)奇次和偶次波，相應(yīng)的噪聲頻譜會同時含有奇次和偶次波分量。因此，測試變壓器噪聲頻譜，根據(jù)噪聲頻譜中的奇次波組分，可以分析噪聲的來源是由直流偏磁引起。

利用頻譜分析儀Spectrum Analyzer測量分析。三相220 kV電力變壓器無偏磁空載試驗時噪聲頻譜如圖2所示，該站3號主變噪聲頻譜分析如圖3所示。

圖2 變壓器無偏磁空載試驗噪聲頻譜

圖3 3號主變噪聲頻譜

利用MATLAB仿真分析。三相220 kV電力變壓器無偏磁空載試驗時噪聲頻譜如圖4所示，該站3號主變噪聲頻譜分析如圖5所示。

圖4 變壓器無偏磁空載試驗噪聲頻譜

圖5 該變電站3號主變噪聲頻譜

由頻譜可知電力變壓器無偏磁試驗狀態(tài)下空載噪聲主要以50 Hz的偶數(shù)倍頻率為主，300 Hz是主要頻率。該變電站3號主變噪聲頻譜明顯包含偶次波和奇次波噪聲，這是因為在直流偏磁作用下，勵磁電流發(fā)生半波飽和，不僅含有偶次諧波還出現(xiàn)奇次諧波分量，對應(yīng)半個周波的鐵心過度飽和，符合直流偏磁狀態(tài)下變壓器噪聲頻譜特征。

4 直流偏磁下變壓器磁場變化的仿真驗證

4.1 變壓器直流偏磁建模

不同鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器對直流偏磁的反應(yīng)不同，三相三柱式變壓器，直流磁通在鐵心中無通道，需經(jīng)過其他金屬結(jié)構(gòu)件和油從油箱返回，由于油的磁阻較大，所以直流磁通很小，因此可允許從中性點通過較大的直流電流；直流磁通在三相五柱式變壓器中可以通過旁軛返回，由于經(jīng)旁軛返回的通道截面小，從而在較低的磁通密度下就可能出現(xiàn)鐵心飽和，受直流偏磁電流的影響更為明顯，在其中性點接地運行時允許通過的直流電流較三相三柱式變壓器小。三分相式變壓器組受直流偏磁的影響最為嚴(yán)重，其允許通過的直流電流最小。。

由于該SFSZ10-180000/220型變壓器連接方式為YNyn0d11，因此選擇從中壓繞組加壓，高壓側(cè)開路，直流電流從中壓注入，進(jìn)行變壓器空載計算。變壓器結(jié)構(gòu)為三相五柱芯式，為減少計算工作量，根據(jù)對稱性，建立變壓器的四分之一磁場計算模型，利用基于棱邊有限元法的時域場路耦合法計算變壓器的磁場問題。

4.2 直流偏磁下變壓器磁密變化情況

變壓器受直流偏磁的影響會使鐵心飽和程度加深，漏磁增加，因此磁場分析主要分析變壓器三相鐵心柱以及A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和I位置的磁通密度。不同直流電流情況下三相芯柱和各觀測點的磁密最大值及三相電流最大值分別見表2，3所示。

表2 主變模型各觀測點磁密的最大值 T

表3 主變模型三相電流最大值 A

以下分別對變壓器中壓側(cè)中性點注入0 A，1.4 A，3.1 A的直流電流，三個主柱及A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和I位置磁密隨時間的變化情況如圖6所示。同一工況下，不同相及各測點的磁密波形特征基本一致，選取了1.4 A，3.1 A直流電流下A相芯柱、測點A、測點D的波形進(jìn)行磁密變化情況分析。

圖6 直流1.4 A(左)和3.1 A(右)時，芯柱和觀測點磁密變化情況

4.3 仿真試驗結(jié)果分析

該次計算中直流從中壓側(cè)中性點分別注入1.4 A和3.1 A直流電流，折算到高壓側(cè)中性點注入電流對應(yīng)值為0.74 A和1.63 A，現(xiàn)場高壓側(cè)中性點實測值為1.16 A，基本可驗證該范圍直流電流對變壓器磁場的影響。通過對三相五柱式變壓器空載時不同直流偏磁工況下的對比分析可得出。

隨著從高壓側(cè)中性點注入直流偏磁電流增加，勵磁電流增加，鐵心磁密增加，漏磁增加，鐵心逐漸趨于飽和。高壓側(cè)中性點直流偏磁電流為0.74 A和1.63 A時，鐵心磁密增加至原來的約1.08倍和1.1倍，根據(jù)該變壓器1.1倍過勵磁實驗時的狀況，變壓器的噪聲比額定工況下增加10～20 dB，因此變壓器在1.16 A的直流偏磁電流下，噪音增加十幾dB是可能的，同時與GB 1094.101—2008《電力變壓器 第10.1部分聲級測定 應(yīng)用導(dǎo)則》中“圖5聲級增加值與繞組中直流電流之間的關(guān)系”相符。

5 變壓器運檢策略制定及治理措施

變壓器處于直流偏磁下運行，直流磁勢或直流磁通會引起變壓器一系列電磁效應(yīng)，包括鐵心半周磁飽和，損耗、溫升增大，如果鐵心飽和程度較高，可能引發(fā)漏磁增加引起局部過熱，本體運行振動和噪聲明顯增加，嚴(yán)重時，導(dǎo)致變壓器有關(guān)部件的松動，引起發(fā)熱、放電或部件脫落，其產(chǎn)生的諧波還會引起系統(tǒng)電壓波形畸變及繼電保護(hù)誤動等，影響變壓器的安全運行。該站主變投運后，未發(fā)現(xiàn)因直流偏磁發(fā)生變壓器局部過熱、油色譜異常、電壓畸變等情況，即當(dāng)前中性點流入的直流電流尚未對該變壓器構(gòu)成危害，但由于變壓器長期處于直流偏磁狀態(tài)下運行，本體振動噪聲明顯偏大，給變壓器的安全運行帶來潛在風(fēng)險，主變投運后應(yīng)采取針對性運維方案，并盡快研究徹底治理措施。

5.1 主變投運后運維監(jiān)測及帶電檢測

主變正常投運后，運維單位每周對該主變進(jìn)行一次全面巡視，特別注意主變噪聲異常有無明顯變化，并認(rèn)真核對變壓器本體溫度與后臺顯示數(shù)據(jù)是否一致。同時，對該站主變的帶電檢測提出明確要求，如表4所示。

表4 主變投運后帶電檢測要求

5.2 后期治理措施

在變壓器的中性點對地連接一套直流發(fā)生裝置，直流發(fā)生裝置的“地”端與變電站外的補償接地電極連接。直流發(fā)生裝置的輸出電流幅值和方向可變，對變壓器直流偏磁進(jìn)行抵消，起到限制直流偏磁的作用。

在變壓器中性點串限流電阻、中性點串電容器和改變系統(tǒng)的直流電流分布等措施，在原理上都可限制變壓器中性點直流電流。變壓器中性點串入電阻或電容的方法涉及變壓器安全運行。串入的電阻值及其效果等問題，有待進(jìn)一步進(jìn)行研究。改變系統(tǒng)直流電流分布的措施，在效果計算和實施方面都存在不少難點。

6 結(jié)束語

目前，國家電網(wǎng)公司通用招標(biāo)文件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求變壓器高壓中性點接地回路可以通過4 A直流偏磁電流(有些標(biāo)書中提出更高要求)，變壓器鐵心不應(yīng)存在局部過熱現(xiàn)象，油中溶解氣體監(jiān)測分析正常，并且有些專用標(biāo)書還提出了持續(xù)時間的要求。

對河北南部地區(qū)新投運的某220 kV變電站三相五柱式變壓器噪聲異常原因進(jìn)行分析，通過對變壓器中性點流過電流進(jìn)行測試，經(jīng)修訂噪聲聲級后，得出變壓器噪聲原因是由流過的直流電流引起，并對試驗結(jié)論進(jìn)行仿真驗證，同時制定了針對性的運檢策略，并簡單討論了治理措施。后續(xù)工作中，將對該變壓器直流偏磁產(chǎn)生原因及針對性治理措施進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對河北南部地區(qū)超(特)高壓直流輸電線路過境及落地工程、電網(wǎng)直流大負(fù)荷等現(xiàn)象對在運電網(wǎng)的直流影響原因進(jìn)行深入研究，提前采取保護(hù)預(yù)防措施，提出切實可行的變壓器耐受直流偏磁要求，保護(hù)河北南部地區(qū)電網(wǎng)變壓器及電力系統(tǒng)的安全運行。