220 kV变压器噪声异常原因分析与仿真验证
发布时间：2021-09-22
〔摘要〕对河北南部地区首例新投运的某220kV变电站三相五柱式变压器噪声数据异常原因进行分析，通过对变压器中性点流过直流电流分量测试和频谱分析，修订噪声声级后，得出变压器噪声原因是由流过的约1A小直流电流引起，并对试验结论进行仿真验证，同时制定了针对性的运检策略，并简单讨论了治理措施。
〔关键词〕变压器;噪声;直流偏磁
0引言
变压器噪声中的本体噪声是反映设备运行健康状况的一项重要指标。变压器本体噪声直接来源于硅钢片磁致伸缩引起的铁心和磁屏蔽振动，漏磁通引起的绕组、油箱壁、磁屏蔽等的振动。近年来，随着我国超高压直流输电线路的不断增加和运行投产，由直流偏磁引起变压器振动噪声异常的现象越来越多，正得到电力系统越来越广泛的关注和分析研究。
大型电力变压器的励磁电流比较小，由于变压器的原边等效阻抗对直流分量只呈现电阻特性，且电阻很小。因此，很小的直流分量就会在绕组中形成很大的直流激磁磁势，该直流磁势与交流磁势一起作用于变压器原边，造成变压器铁心的工作磁化曲线发生偏移，出现关于原点不对称，即变压器直流偏磁现象。直流偏磁会引起变压器铁心饱和，导致电流波形畸变，产生高次谐波，危害变压器和电力系统的安全运行。
在直流偏磁下运行，变压器铁心片的磁致伸缩率增加，加剧变压器铁心片的振动，本体噪声和振动明显增大，严重时，导致变压器有关部件的松动，引起发热、放电或部件脱落，对变压器运行性能和使用寿命产生严重影响;并且这种情况随着我国超高压直流输电线路的不断增加变得越来越严重。在河北南部地区，2016年首次发生220 kV变压器投运后出现噪声异常增大现象，直接原因就是变压器的直流偏磁，下面对河北南部地区首例直流偏磁造成的变压器运行噪声异常增大现象进行分析和试验研究。
1设备概况
河北南部地区某220 kV变电站于2016-02-01投运，2号和3号主变均为国内某变压器制造厂同批次产品，属于高阻抗室内分体式变压器，本体和冷却系统分属两个室，高阻抗结构为内置电抗器方式，电抗器位于本体有载开关相对的另一侧端部位置，2017年11月出厂。
1.1变压器基本参数
变压器的型号为SFSZ10-180000/220，额定电压为230±(8×1.25 %)/121/11 kV，额定容量为180/180/90MVA，联结组别为YNyn0d11，主变短路阻抗为14 %/48 %/33 %。
1.2站内设备及运行方式
主变2台：2，3号主变。
220 kV出线4回：自电源点I接入293，294双回路架空线路，自电源点II接入291，292双回路架空线路。
110 kV架空出线3回：197，198，199，无运行负荷。
10 kV电缆出线2回：040，079，负荷约5 000 kW。
正常运行方式：高、中压侧母线并列运行，低压侧母线分列运行，2号主变高压侧中性点直接接地，3号主变高压侧中性点不接地。
2变压器检测试验情况
2.1正常运行方式下的检测数据
主变投运后，全站负荷约5 000 kW。运维单位分别于当年5日、11日对2，3号主变的油色谱分析和铁心夹件接地电流测试，数据均无异常。
2月5日，测量两台运行变压器平均噪声，2号主变81 dB (室内测量未修正，后同)，3号主变69 dB。
2月13日，将2号主变退出运行，3号高压侧中性点接地运行，测量3号主变噪声明显增大，噪声声级85.1 dB。
2月15日，使用FLUKE345测试表，检测3号主变高压侧中性点电流，交流电流为0.9 A，直流电流1.16 A，中压侧中性点未检测到直流电流。同时，检测3号主变高压侧电压电流谐波，未发现明显的谐波分量;检测主变铁心接地电流为0.6 mA，夹件接地电流为4.2 mA，均满足不大于0.1 A的运行要求;检查主变保护装置无告警信息，录波装置无异常记录。
2.2主变噪声声级修正
该变电站两台变压器出厂试验噪声声级分别为59.2 dB和59.4 dB，现场3号变未直接接地运行时的噪声声级为69 dB。该变压器室为混凝土室，其吸声系数α为0.05。宽12 m，长15 m，高16 m，声反射表面积AU为1 044 m2。主变外形尺寸为宽3 m，长11.6 m，高3.47 m，主变发声表面积AT为136.1 m2。
2.3不同工况下主变中性点直流电流测试
为进一步分析变压器噪声异常原因，调整变电站运行方式，在6种典型运行工况下分别测试2，3号主变高、中压侧中性点直流电流分量变化情况。选用两种试验仪器：仪器1为TektronixTDS3012C示波器，TCPA300放大器，TCP303探头;仪器2为FLUKE345钳形电流测试表。测试时，在变压器中性点侧挂接地线，分别用钳形电流表和示波器探测卡钳从接地线测试直流电流分量;打开接地刀闸，直流电流从接地引下线流过，记录直流电流分量大小。
测试中发现，当钳形电流表数值超过约150 mA时，数值比较稳定，其与示波器数值比值也基本固定;当钳形电流表数值低于150 mA时，其数值不断变化，且不稳定。故当钳形电流表数值低于150 mA时，用示波器显示数值来换算成直流电流数值，其余情况下均以钳形电流表显示数值为直流电流分量测试值，测试结果如表1所示。
测试结果显示：该站运行时，主变高压侧中性点接地端流经1 A左右的直流电流分量，随着运行方式和接地方式的变化，直流电流分配有所变化，变化范围主要在0.84～1.2 A，中压侧中性点无直流电流分量流过。
2.4主变中性点直流电流在线监测试验数据
变压器GIC谐波噪声振动在线监测装置可用于专门监测和记录由太阳活动或高压直流输电造成的变压器偏磁电流，以及对由此引起的变压器无功变化、电压电流谐波、振动和噪声等次生现象进行检测。通过该在线监测装置测试3号主变高压侧中性点直流电流分量变化情况(对应表1中工况1)。
对试验结果有如下分析。
(1)第一段(1～216)直流电流均值0.45 A，为主变中性点接地刀闸拉开前接地引线中直流电流测试结果。
(2)第二段(301～779)直流电流均值1.12 A，为主变中性点接地刀闸拉开后，接地引线中直流电流测试结果。
(3)第三段(874～2734)直流电流均值0.65 A，为变换传感器方向使电流流过传感器的方向与第二段相反后，主变中性点直流测试结果。
(4)第四段(2798～2943)直流电流均值1.12 A，为再次变换传感器方向后中性点直流测试结果,此时电流流过传感器的方向与第二段相同。
(5)第五段(2953～3540)直流电流均值0.2 A，可视为测试装置的零点漂移，是传感器铁心剩磁造成的，也是变换传感器方向后测量结果不同的原因。
对以上测试数据进行综合分析，该站变压器未直接接地运行时，噪声声级约69 dB，经噪声声级修正后，数据与出厂试验数值基本一致;主变直接接地运行后，流过1 A左右的直流电流分量，其噪声声级明显偏大，增大约16 dB。变压器的噪声主要来自变压器铁心的磁致伸缩，磁致伸缩率越大，噪声越大。该站主变近乎空载，噪声明显是由铁心的磁致伸缩所引起的电磁噪声。分析现场检测试验数据，认为该站所处的电网系统中存在直流分量，大地中的直流电流从变压器高压侧中性点流入绕组，再经输电线路流入线路对侧变压器(中性点接地)，由该变压器中性点流入大地构成回路。此电流在铁心中产生直流磁通分量，与交流磁通叠加导致磁通发生半波饱和，半波磁致伸缩峰值增大，加剧了铁心振动噪声。这是造成变电站主变噪声声级增大的直接原因。
该变压器的技术协议明确可承受4 A直流偏磁电流,部分文献资料也研究了变压器中性点流经较大直流分量时，变压器噪声声级将有明显增大，但在变压器中性点流经约1 A的较小直流电流时，变压器噪声声级和磁场的变化情况，未做过多研究和记载。下面对变压器在1 A左右直流偏磁电流下，噪声声级增大原因及磁场变化进行进一步分析和仿真验证。
3噪声声级增大原因分析
3.1噪声声级增加值和直流电流间的关系
在GB 1094.101—2008《电力变压器第10.1部分声级测定应用导则》中明确指出，直流偏磁电流可以导致变压器噪声声级明显增加，噪声声级增加值和直流偏磁电流与空载电流之比相关，并给出某大型电力变压器上测量的关系曲线。不同设计结构、铁心形状或材料的变压器，尽管该曲线有细微的差别，但曲线向上变化的趋势却是基本一致的，如图1所示。根据以上现场测试结果，取该站3号主变最初测试的中性点直流电流1.16 A，每相绕组直流电流0.39 A，出厂试验中空载电流标幺值是0.05 %，高压侧额定电流为472.4 A，高压侧空载励磁电流0.24 A，则直流偏磁电流与空载电流之比为1.6，查图1可知，X轴为1.6时，对应Y轴噪声声级增加值约为13 dB。实际测量结果，中性点不接地运行时噪声为69 dB，中性点接地后噪声增加到85 dB，实际增加16 dB，噪声声级的增加值与图2所示趋势基本一致。
3.2噪声频谱与直流偏磁噪声典型频谱分析
变压器本体噪声的根源主要是铁心硅钢片磁致伸缩引起的振动噪声。磁致伸缩是指铁心励磁时，硅钢片沿磁力线方向的尺寸会发生变化，励磁消失后，硅钢片又恢复原来的形状，这种变化是由于硅钢片中晶粒转动而引起的。在变压器运行中，铁心被施以周期性励磁，硅钢片便产生周期性伸长缩短的变化。由于磁致伸缩变化周期是变压器的电源周期的两倍，所以磁致伸缩引起的变压器本体振动噪声以100 Hz为基频。由于硅钢片磁致伸缩率与磁感应强度具有的非线性关系，使得磁通出现较为明显的偏离正弦形状的畸变，即存在高次谐波的磁通分量。这样，变压器振动噪声频谱中，除基频噪声外，还包含有倍频噪声，也就是说正常噪声以偶数倍励磁电源频率为主，且其基频波不是噪声声波的最主要分量。
变压器在直流偏磁下，铁心在半个周波内急剧饱和，励磁电流出现奇次和偶次波，相应的噪声频谱会同时含有奇次和偶次波分量。因此，测试变压器噪声频谱，根据噪声频谱中的奇次波组分，可以分析噪声的来源是由直流偏磁引起。
利用频谱分析仪Spectrum Analyzer测量分析。三相220 kV电力变压器无偏磁空载试验时噪声频谱如图2所示，该站3号主变噪声频谱分析如图3所示。
利用MATLAB仿真分析。三相220 kV电力变压器无偏磁空载试验时噪声频谱如图4所示，该站3号主变噪声频谱分析如图5所示。
由频谱可知电力变压器无偏磁试验状态下空载噪声主要以50 Hz的偶数倍频率为主，300 Hz是主要频率。该变电站3号主变噪声频谱明显包含偶次波和奇次波噪声，这是因为在直流偏磁作用下，励磁电流发生半波饱和，不仅含有偶次谐波还出现奇次谐波分量，对应半个周波的铁心过度饱和，符合直流偏磁状态下变压器噪声频谱特征。
4直流偏磁下变压器磁场变化的仿真验证
4.1变压器直流偏磁建模
不同铁心结构的变压器对直流偏磁的反应不同，三相三柱式变压器，直流磁通在铁心中无通道，需经过其他金属结构件和油从油箱返回，由于油的磁阻较大，所以直流磁通很小，因此可允许从中性点通过较大的直流电流;直流磁通在三相五柱式变压器中可以通过旁轭返回，由于经旁轭返回的通道截面小，从而在较低的磁通密度下就可能出现铁心饱和，受直流偏磁电流的影响更为明显，在其中性点接地运行时允许通过的直流电流较三相三柱式变压器小。三分相式变压器组受直流偏磁的影响最为严重，其允许通过的直流电流最小。。
由于该SFSZ10-180000/220型变压器连接方式为YNyn0d11，因此选择从中压绕组加压，高压侧开路，直流电流从中压注入，进行变压器空载计算。变压器结构为三相五柱芯式，为减少计算工作量，根据对称性，建立变压器的四分之一磁场计算模型，利用基于棱边有限元法的时域场路耦合法计算变压器的磁场问题。
4.2直流偏磁下变压器磁密变化情况
变压器受直流偏磁的影响会使铁心饱和程度加深，漏磁增加，因此磁场分析主要分析变压器三相铁心柱以及A，B，C，D，E，F，G，H和I位置的磁通密度。不同直流电流情况下三相芯柱和各观测点的磁密最大值及三相电流最大值分别见表2，3所示。
以下分别对变压器中压侧中性点注入0 A，1.4 A，3.1 A的直流电流，三个主柱及A，B，C，D，E，F，G，H和I位置磁密随时间的变化情况如图6所示。同一工况下，不同相及各测点的磁密波形特征基本一致，选取了1.4 A，3.1 A直流电流下A相芯柱、测点A、测点D的波形进行磁密变化情况分析。
4.3仿真试验结果分析
该次计算中直流从中压侧中性点分别注入1.4 A和3.1 A直流电流，折算到高压侧中性点注入电流对应值为0.74 A和1.63 A，现场高压侧中性点实测值为1.16 A，基本可验证该范围直流电流对变压器磁场的影响。通过对三相五柱式变压器空载时不同直流偏磁工况下的对比分析可得出。
随着从高压侧中性点注入直流偏磁电流增加，励磁电流增加，铁心磁密增加，漏磁增加，铁心逐渐趋于饱和。高压侧中性点直流偏磁电流为0.74 A和1.63 A时，铁心磁密增加至原来的约1.08倍和1.1倍，根据该变压器1.1倍过励磁实验时的状况，变压器的噪声比额定工况下增加10～20 dB，因此变压器在1.16 A的直流偏磁电流下，噪音增加十几dB是可能的，同时与GB 1094.101—2008《电力变压器第10.1部分声级测定应用导则》中“图5声级增加值与绕组中直流电流之间的关系”相符。
5变压器运检策略制定及治理措施
变压器处于直流偏磁下运行，直流磁势或直流磁通会引起变压器一系列电磁效应，包括铁心半周磁饱和，损耗、温升增大，如果铁心饱和程度较高，可能引发漏磁增加引起局部过热，本体运行振动和噪声明显增加，严重时，导致变压器有关部件的松动，引起发热、放电或部件脱落，其产生的谐波还会引起系统电压波形畸变及继电保护误动等，影响变压器的安全运行。该站主变投运后，未发现因直流偏磁发生变压器局部过热、油色谱异常、电压畸变等情况，即当前中性点流入的直流电流尚未对该变压器构成危害，但由于变压器长期处于直流偏磁状态下运行，本体振动噪声明显偏大，给变压器的安全运行带来潜在风险，主变投运后应采取针对性运维方案，并尽快研究彻底治理措施。
5.1主变投运后运维监测
及带电检测主变正常投运后，运维单位每周对该主变进行一次全面巡视，特别注意主变噪声异常有无明显变化，并认真核对变压器本体温度与后台显示数据是否一致。同时，对该站主变的带电检测提出明确要求，如表4所示。
5.2后期治理措施
在变压器的中性点对地连接一套直流发生装置，直流发生装置的“地”端与变电站外的补偿接地电极连接。直流发生装置的输出电流幅值和方向可变，对变压器直流偏磁进行抵消，起到限制直流偏磁的作用。
在变压器中性点串限流电阻、中性点串电容器和改变系统的直流电流分布等措施，在原理上都可限制变压器中性点直流电流。变压器中性点串入电阻或电容的方法涉及变压器安全运行。串入的电阻值及其效果等问题，有待进一步进行研究。改变系统直流电流分布的措施，在效果计算和实施方面都存在不少难点。
6结束语
目前，国家电网公司通用招标文件技术标准要求变压器高压中性点接地回路可以通过4 A直流偏磁电流(有些标书中提出更高要求)，变压器铁心不应存在局部过热现象，油中溶解气体监测分析正常，并且有些专用标书还提出了持续时间的要求。
对河北南部地区新投运的某220 kV变电站三相五柱式变压器噪声异常原因进行分析，通过对变压器中性点流过电流进行测试，经修订噪声声级后，得出变压器噪声原因是由流过的直流电流引起，并对试验结论进行仿真验证，同时制定了针对性的运检策略，并简单讨论了治理措施。后续工作中，将对该变压器直流偏磁产生原因及针对性治理措施进行系统分析，针对河北南部地区超(特)高压直流输电线路过境及落地工程、电网直流大负荷等现象对在运电网的直流影响原因进行深入研究，提前采取保护预防措施，提出切实可行的变压器耐受直流偏磁要求，保护河北南部地区电网变压器及电力系统的安全运行。——论文作者：闫柯柯1，穆永保1，徐庆华1，王荷生1，杨甲1，穆素云2
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