探究不同負載對干式變壓器電磁振動的影響

張燦輝

（海南金盤智能科技股份有限公司）

0 引言

現代科學技術不斷發展，逐漸增加了城市用電量，由于干式變壓器具有較低的損耗，并且體積比較小，維護過程非常簡單，再加上具有安全性和可靠性優勢，因此在市區內廣泛利用干式變壓器，但是干式變壓器連續性運行將會產生噪聲問題，因此制約干式變壓器發展和應用。當前在系統中接入非線性負載，需要研究不同負載對于干式變壓器電磁振動的影響。干式變壓器主要振動源為鐵心和繞組，其中在變壓器空載狀態中，硅鋼片磁致伸縮效應將會引發鐵心振動，而負載引起的繞組振動的主要作用力為洛倫茲力。近些年不斷發展電力電子技術，在電力系統中開始廣泛利用整流器和變頻器等非線性設備，綜合分析不同負載類型，分析變壓器電磁振動，有利于進一步優化干式變壓器設計，保障干式變壓器運行過程的安全性。

1 不同負載對干式變壓器電磁振動影響分析的背景

當前我國已經進入到互聯網時代，推動了科學技術不斷發展，我國電力行業也迎來新的發展空間，不斷擴大城市建設規模，社會各界對于我國用電行業也提出更高的要求，不斷增加用電量之后，相關技術人員需要不斷創新相關技術和設備，由于在用電行業中干式變壓器的損耗降低，同時具有較高的安全性，因此在城市電力行業中廣泛利用。雖然干式變壓器具有較多的優勢，但是干式變壓器運行過程中也存在不足之處，尤其需要針對噪聲問題改善干式變壓器[1]。

在非線性負載發展過程中，為干式變壓器改進工作提供機遇，在干式變壓器中廣泛利用非線性負載，因此需要研究不同負載對于干式變壓器電磁振動的影響。在干式變壓器空載狀態中，鐵心振動主要原因是硅鋼片的磁致伸縮效應。干式變壓器運行過程中產生電磁振動噪聲，是因為干式變壓器組件的自耦變壓器的鐵心磁通密度比較大，從而引發電磁振動噪聲。如果干式變壓器繞組發生短路故障，需要對比分析干式變壓器正常狀態下的繞組受力，雖然可以改善干式變壓器，但是當前研究人員主要是研究干式變壓器短路故障中的繞組受力和穩定性等問題，沒有充分研究負載變化引發的干式變壓器振動噪聲問題，因此降低了干式變壓器發展速度。我國電力行業不斷發展，也逐漸增多了負載類型，對于干式變壓器工作過程中產生的影響也不同。同時在電力行業中廣泛利用各種整流器和變頻器等非線性電力設備，因此在改良和完善干式變壓器的過程中需要綜合考慮負載狀態，而負載狀態直接影響到干式變壓器運行情況。本文主要分析空載和阻性負載以及非線性負載等不同情況下干式變壓器電磁振動現象，提出針對性的改進措施[2]。

2 不同負載對干式變壓器電磁振動的影響

（1）空載運行

干式變壓器在空載運行狀態中，空載電流值是額定電流的0.05倍，因此可以忽略繞組振動，這時主要振動源為鐵心。而干式變壓器空載狀態中鐵心振動的主要原因是硅鋼片的磁致伸縮。

鐵心被磁化后，將會向磁化方向伸長，并且在磁化方向垂直方向進行伸縮，而且磁致伸縮將會改變鐵心磁導率。在固體力學中，機械系統接地單振動一方面包括阻尼自由振動，這是系統的固有振動，隨著時間的增長將會產生衰減狀態。另一方面包括外力引發強迫振動，不會隨著時間增長產生衰減，而且和外部作用力的頻率具有一致性，通過外力分析可以將系統振動情況反映出來。

對比磁感應強度頻率，變壓器鐵心磁致伸縮力比較大，在空載狀態中，勵磁電壓和感應電動勢具有一致性。根據下式可知勵磁電壓頻率就是磁感應強度頻率，因此磁致伸縮力是勵磁電壓頻率的二倍。再加上鐵心振動可以體現出磁致伸縮力，如果鐵心振動頻率和磁致伸縮力頻率是相同的，當工頻50Hz電壓勵磁，鐵心振動頻率是100Hz[3]。

式中，N代表線圈繞組匝數，S代表鐵心柱橫截面積。

（2）阻性負載

干式變壓器運行過程中，繞組間磁場無法實現耦合，電流流經干式變壓器繞組之后，在繞組周圍將會產生漏磁現象。干式變壓器繞組處于空間漏磁場中，在漏磁場影響下，通電線圈將會產生動態變化的作用力，這一作用力也是干式變壓器繞組振動的驅動力。因為漏磁空間的磁阻是常數，和勵磁電流之間呈現出線性關系，忽視繞組渦流效應，可以確定繞組上的洛倫茲力正比于負載電流二次方，其中靜態力主要是針對繞組產生靜態作用，不會影響到繞組周期振動。

干式變壓器在阻性負載運行過程中，增大負載電流之后，將會增大一次側繞組電流。因為變壓器兩側電流產生相反的磁通，因此不會改變干式變壓器鐵心的主磁通，換一句話說，干式變壓器在負載運行狀態中，磁致伸縮特性和空載狀態具有較大的相似性[4]。

（3）非線性負載

在非線性器件的開關元件具有非線性特征，如果這些非線性器件作為變壓器負載，一方面會吸收基波功率，同時會轉換一部分基波功率為諧波功率，并且會產生諧波電流，向干式變壓器供電端反饋諧波電流。疊加基波和諧波之后，將會引發正弦波形畸變，同時會產生電磁作用力，并且在不同程度上影響到鐵心和繞組。高次諧波含量不同也會產生不同的振動貢獻值。由于電流基波分量幅值大于高次諧波的分量，因此振動頻譜的二倍頻將會發揮出主導作用。

將諧波電流引入到非線性負載之后，在繞組中將會產生諧波磁動勢，同時在鐵心中產生交變諧波磁通，因此引發主磁通波形畸變，鐵心的磁致伸縮特性也會因此發生改變。在鐵心振動頻譜當中，不同的磁波成分也會產生相互影響，因此繞組振動和鐵心振動都會產生奇次諧波分量和偶次諧波分量，這時二倍頻屬于主振頻率[5]。

3 計算和測量分析

（1）數值計算和結果分析

因為干式變壓器結構非常復雜，本文進行簡化，利用多物理場仿真軟件建立變壓器三維模型如下圖所示，1~7是主要測量點。

圖 變壓器三維模型

鐵心和空載電壓呈現出正比關系，而繞組和負載電流幅值之間屬于正比關系。如果鐵心振動幅度大于繞組，并且鐵心趨于飽和，那么將會產生劇烈的振動，因此在研究振動影響最大的負載情況，需要考慮鐵心振動情況。如果非線性系統中包含非線性器件，通過實驗測量，可以確定諧波分量通常為奇次，通過基波和諧波疊加仿真不同的諧波作用，鐵心受力包括磁致伸縮和電磁力，基波地接單次諧波之后，將會明顯增大應力張量，并且在100Hz部位各個應力張量將產生最強作用，在200Hz部位，基波和諧波的作用力呈現出最高峰，說明產生明顯的影響作用[6]。

（2）分析振動測量和結果

變壓器振動測量系統包括振動信號采集和數據分析以及變壓器樣機，在測量過程中，利用兩通道振動和加速度傳感器進行測量工作。升高空載電壓之后，將會增大鐵心振動加速度，因為磁致伸縮非線性和鐵心磁通路徑以及環境噪聲等會引起頻譜諧波。同時可以低估升高負載電流之后，也會隨之變大繞組振動加速度，可以確定絕緣材料非線性力學特征直接關系到諧波成分，增大變壓器額定容量之后，如果高頻分量比較小，那么變壓器額定容量也會隨之減小。綜上可以確定100Hz是主振頻率，這也是周期振動。

繞組振動加速度幅值增量并不明顯，對比鐵心，幅值變化量比較少，而且沒有改變振動頻率。分析不同負載電流下繞組振動，可以確定在繞組振動頻譜中，增強高次諧波頻率下的振動，并不是因為負載電流幅值增大，同時可以確定諧波電流和基波電流相互作用下，產生的附加作用力可以增強繞組振動。因為負載電流形成的洛倫茲力在繞組上直接產生作用力，作用諧波電流直接影響到繞組振動變化。總之對比鐵心磁通的畸變程度，繞組電路的畸變程度更低一些[7]。

因為發生共振之后即使外作用力比較小，也會產生大振幅的振動。變壓器鐵心轉動幅值發揮著重要的作用，直接影響到變壓器噪聲水平。如果鐵心和結構部件特征頻率接近于磁致伸縮振動的頻率，鐵心將會產生共振，并且會大幅度提供噪聲水平，因此需要避免鐵心結構發生共振，這樣有利于控制噪聲。此外可以利用濾波設備削弱諧波成分，有利于降低變壓器鐵心諧波磁通，因此控制變壓器振動噪聲。

4 結束語

本文分析了不同負載對干式變壓器電磁振動的影響，并分析了干式變壓器噪聲產生的原理，對振動噪聲問題改善提供參考，推動干式變壓器可持續發展，可以在用電行業中充分發揮出干式變壓器的優勢，滿足市場電力需求量。