直流偏磁条件下电力变压器振动特性研究进展

直流偏磁条件下电力变压器振动特性研究进展

王一鸣王钢张富宏陈熙张新民

（国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁沈阳110003）

摘要：电力变压器在整个电力系统中都扮演着极为重要的角色，可以说电力变压器的质量将会直接对电力系统造成影响。在直流偏磁的状况下，电力变压器会产生振动，本文就在结合实际情况的基础上，对直流偏磁条件下电力变压器振动特性进行研究。

关键词：直流偏磁；电力变压器；振动特性

1.前言

所谓的直流偏磁指的就是在地磁暴、高压直流ＨＶＤＣ（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）输电工程单极大地回线运行时的地中直流及轨道交通和电解行业中的整流变压器等原因，变压器的电磁场中出现直流电流及其诱发的系列电磁效应。直流偏磁现象的存在会使得变压器出现振动加剧、噪声增强等状况，相关人员必须加强对其的重视。

2.发生直流偏磁时变压器的振动测量及特征

2.1发生直流偏磁时变压器的振动测量

为准确反映发生直流偏磁时变压器的振动特征量，首先应保证测量系统不能影响变压器的正常运行，其次需使得测量方便易行。因此，一般应考虑将测量系统布置在变压器的器身表面。考虑到变压器铁芯和绕组的形变、位移及压紧状态等均会影响变压器的振动，所以现场大多采用振动与噪声传感器测量变压器表面的瞬时声压来监测变压器的运行状态。文献均采用瞬时声压法对发生直流偏磁时变压器的振动和噪声进行了检测。结合对传感器的信号的频谱分析可进一步获得变压器振动与噪声的相关特征。

2.2发生直流偏磁时变压器的振动特征

文献的测量结果表明，当变压器绕组中流过偏磁直流时，变压器铁芯的硅钢片间、绕组间的振动明显增强，上述振动将通过变压器油和铁芯垫脚传递至油箱表面，较无偏磁时的振动幅值明显增大、谐波增加。对变压器油箱壁的振动信号进行频谱分析可知，直流偏磁对变压器铁芯和绕组的振动有着显著影响，突出表现为基频的倍数倍频率谐波含量稳定增大。进一步分析可知，发生直流偏磁时变压器的振动呈现如下特征：ａ．１个工频周期内的正负２个半周的振幅及波形差异较大；ｂ．偏磁振动在一定程度上可由其工频分量加以衡量；ｃ．油箱振动信号的高频成分随偏磁程度上升而剧增，且信号复杂度增加。同时，监测结果表明，由于变压器器身表面的振动受绕组及铁芯的压紧程度、位移及变形状况等诸多因素的影响，发生直流偏磁时变压器铁芯及绕组的振动较为突出。

3.不同负载状态下电力变压器振动状态分析

随着现代科技的迅速发展，城市用电量在逐年增加，干式变压器因具有损耗低、安全可靠、体积小、维护简单等优点而被广泛应用于市区内，但其连续运行时的噪声问题成为制约其发展和应用的瓶颈。随着越来越多的非线性负载接入系统，负载对变压器电磁振动的影响需要进一步研究。国内外对电力变压器的振动噪声已有多年研究，干式变压器本体振动源主要是铁心和绕组。其中，硅钢片的磁致伸缩效应是变压器空载时铁心产生振动的主要原因，洛伦兹力是由负载引起绕组振动的主要作用力。文献在空载时考虑了铁心磁致伸缩的各项异性，建立了三维磁-机械强耦合数值模型，计算了三相三柱干式变压器的磁场分布和铁心振动位移，并分析了铁心周围的声场分布。文献表明自耦变压器低压绕组接容性负载时会导致铁心磁通密度和噪声的增大。文献分析了绕组在短路故障情况下的受力和稳定性问题。与变压器稳定运行状态下绕组受力的研究相比，研究人员更多地关注短路故障时的情况，而对运行时因负载变化引起的振动噪声问题研究相对较少。目前，只有极少数文献针对变压器在非线性负载下的振动进行了分析。通过对变压器不同负载类型下电磁振动的理论与实验分析来模拟电网中电力变压器振动受负载大小的影响。铁心和绕组二倍频的振动幅值分别与电压和电流满足正比的关系。分析和测量结果表明，铁心振动幅值随着供电电压升高增大趋势明显，占据本体振动主要部分，而绕组在不同负载电流下的振动变化较小。干式变压器非线性负载运行时，其负载电流并不是单一工频的正弦波电流，而是含有大量谐波分量的非正弦电流。这些谐波电流又会产生谐波磁场，进而增大变压器本体的振动噪声。并且谐波引起的附加振动在总振动中所占比例随负载功率增大而增加，特别是大功率非线性负载，其引入的谐波分量不可忽视。

4.变压器铁芯的振动模型

变压器在工作时，其铁芯及绕组均会受到电磁力的作用而产生振动，同时这２个振动皆经变压器油传递到油箱壁。建立变压器振动的数学模型是定量表征其振动特征、研究相关抑制措施的前提，为此本文提出如下假设：ａ．变压器绕组的振动远小于铁芯的振动，即认为变压器的振动仅由铁芯振动引发；ｂ．变压器铁芯硅钢片接缝处及叠片间的漏磁通非常小，铁芯所受电磁力Ｆｍｆ与磁致伸缩力Ｆｍｓ相比可忽略，即磁致伸缩是变压器振动的根源；ｃ．铁芯的材质均匀，且某时刻其总形变等于各模态与对应位移的乘积之和。在磁致伸缩力的作用下，变压器铁芯硅钢片存在磁致伸缩效应，并使得铁芯以２倍工频为基频进行周期性振动。综上可知，本文上述假设与现场情况基本一致。以ｍｃ、ｘｃ分别表示铁芯上某质点的质量、位移，则可根据牛顿定律将ＴＨｉｌｇｅｒｔ等建立的运动方程简化为式（１）。

其中，Ｆｃ为铁芯产生的内力。若变压器中存在直流偏磁电流，相应的磁致伸缩将发生变化，而铁芯的振动问题将呈现更为复杂的电磁力学特征。因此，直流偏磁条件下的磁致伸缩效应受到了学者的广泛关注，当前对变压器振动的研究主要集中于理论分析和实验研究两方面，前者重点关注铁芯的磁致伸缩效应，后者主要研究偏磁电流的施加方式。

5.结束语

直流偏磁的存在会诱发电力变压器不良现象的产生，像振动加大，噪声加剧等，这都不利于电力变压器作用的发挥。因此相关人员必须加强对其的重视，尽可能的对直流电磁状态下电力变压器振动状况进行控制，为电力变压器的顺利运转奠定基础。

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