杨国辉+++桑占良+++葛艳霞
摘 要：近年来，变压器的振动噪声问题逐渐成为国内外专家学者讨论的热点。文章针对变压器铁心振动的问题，提出了一种实验室模拟直流偏磁问题引起电力变压器振动噪声加剧的新方法，并且通过试验深入研究了变压铁心直流偏磁条件下的振动特性，得到了一定的结论，为后续电力变压器直流偏磁条件下的振动噪声问题研究提供了参考。
关键词：直流偏磁；变压器；铁心；振动；模态分析
1 概述
电力变压器是电力系统的重要组成部分，也是整个电网安全运行的保障。随着电网容量和等级的不断增大，对电力系统的安全运行和输电可靠性提出了更高的要求，而变压器作为关键设备，一旦发生故障，将造成巨大的损失。近年来，地磁暴现象及高压直流输电系统（HVDC）的广泛应用，使得电力变压器频繁出现直流偏磁，导致铁心损耗增大，振动噪声加剧，严重危害其运行安全，并且噪声污染也给人们的生活带来了一些负面的影响和干扰[1]。因此，直流偏磁条件下的变压器振动噪声问题越来越成为人们关注和研究的热点。
2 变压器振动噪声的主要来源
变压器的振动主要来源于本体振动噪声和冷却装置的振动噪声，本体振动噪声是国内外研究与的热点。
2.1 变压器的本体振动噪声
2.1.1 磁致伸缩引起的铁心振动
铁心的振动主要来源为硅钢片的磁致伸缩。磁致伸缩是指硅钢片的尺寸磁力线方向上增加，而垂直于磁力线方向的硅钢片的尺寸减小的现象。从微观上可以解释为铁心在磁化过程中，材料从磁化方向各异的多磁畴无序状态变成与外磁场同方向的单磁畴有序状态，以及介质立体晶状体结构和原子间距发生相应变化的过程[3]。这种伸缩使铁心随着励磁磁场的变化产生周期性振动，且不随励磁磁场方向的改变而改变，故磁致伸缩引起铁心振动的基频是二倍于电源工频的。
2.1.2 漏磁场引起的铁心振动
变压器工作时铁心叠片间和接缝处存有漏磁场，产生的电磁吸引力造成铁心振动，不同的叠压方式和接缝大小产生的漏磁场及振动强度都有所不通，该部分振动远小于铁心磁致伸缩引起的振动。
2.1.3 负载电流漏磁场引起的绕组振动
绕组的负载电流产生的漏磁场能够引起绕组的振动，常规运行的变压器，铁心振动主要取决于磁致伸缩现象，只有当铁心磁密低于1.4T时，电磁力的影响增大，才被加以考虑。
2.2 直流偏磁对变压器振动噪声的影响
变压器直流偏磁现象指因某种原因导致直流电（DC）进入变压器励磁绕组中，铁心中交直流磁通相互叠加，励磁时磁滞洄线发生偏移，出现半波饱和，并且由此引发谐波含量增多，损耗增大，振动噪声加剧等一系列问题的电磁效应。直流偏磁条件导致变压器的振动加剧，噪声增强，紧固件容易发生松动，对于长期安全运行不利。此外，包含多种高次谐波的噪声的也严重影响着人们的生活环境。
国内外针对直流偏磁引起的变压器异常工作的研究主要集中在理论计算，仿真分析，以及对于故障变压器的现场监测等，实验研究相对匮乏，并且直流偏磁现象来源于自然界，偏磁电流大小不可控，不利于实验研究，因此，寻求一种实验室模拟变压器直流偏磁现象的方法显得尤为的重要。基于此文章提出了一种实验室模拟变压器直流偏磁条件下运行的实验新方法，并通过实验结合仿真研究了直流偏磁对变压器铁心振动的影响规律。
3 直流偏磁下变压器铁心振动实验
3.1 新型实验方法
实验研究直流偏磁条件下变压器铁心的振动特性，首先必须实现在实验室模拟实际并网运行变压器的直流偏磁现象，做到有可测直流磁通流过变压器铁心，因此制定了以下合理的实验方法：实验选用两台规格相同的单相干式变压器并联（160KVA），低压侧并联通励磁电压（400V，低压线圈励磁电压在实验室内较容易实现），高压侧产生感应电动势（2000V），反相串联，恰好能够抵消掉感应电动势，并且串联直流电源及滑动变阻器，从而实现为变压器通入直流，在铁心中产生直流磁通的目的，串联在高压感应回路中的电阻也满足了施加可控偏磁直流的要求，故该新方法能够很好的实现实验室内直流偏磁条件下铁心振动实验研究。实验电路图如图1所示，实验现场图如图2所示。
图1 实验电路图
图2 实验现场图
3.2 实验内容
实验主要测量了变压器不同测点振动以及同一测点不同直流偏磁条件下的振动情况，通过调节串联电阻值的大小来改变高压回路中来直流电流值，对应产生的磁通量Ф由以下公式得到：
H=■ （1）
式中：N为线圈匝数，I为电流强度（A），l为磁路长度（m）。
B=H？滋 （2）
式中：H为磁场强度（V/m），μ为磁导率。
Ф=BS （3）
式中：Ф为磁通（Wb），B为磁通密度（Wb/m2），S为磁路的截面积（m2）。
考虑到变压器结对称构的对称性，在测点的选取上应做到在最大限度的反应变压器实际运行状态的基础上尽量减少不必要的工作量，因此得到了如图3所示的测点分布图。
图3 测点分布图
3.3 实验数据分析
为了尽量准确的反映变压器的振动特性，设定采样频率为4096HZ，对全部测点分别进行空载和直流偏磁条件下振动测量，各点位移有效值如图4所示。从图中可以看出，通入直流后，变压器各点的振动均有所增大，受到了夹件和拉杆的影响1至8号测点的振动强度明显低于9至14号测点，这主要是因为硅钢片沿磁力线方向的位移受到抑制而易于发生弯曲形变，所以铁心叠片方向测点的振动明显强于其它测点。通入直流后，位于心柱上方的10号测点受直流偏磁影响较大，振动强度约为空载条件下的3倍。由图中可以看出，9、10、12、13、14号测点的振动情况受直流偏磁的影响效果明显，具有代表性。图5给出了上述测点振动强度随偏磁电流的变化趋势，可以看出随直流的增大各点的振动均增强，并且电流越大，振动强度增速越快，Idc=2A时振动强度平均约为空载时2.6倍，最大为4倍，可见直流偏磁对变压器铁心振动的影响很大，极小的偏磁电流就能使铁心振动强度增加数倍。
图4 空载和Idc=2A条件下各点位移有效值
图5 测点振动强度随偏磁电流的变化趋势
电力变压器的铁心振动和噪声的频谱范围通常为100～1000HZ，但对于不同容量、不同结构的变压器，铁心振动与噪声的频谱有所不同[4]。同时，受到直流偏磁影响后，变压器振动与噪声的时域和频域波形特性也将发生相应的变化。对测点10分析，空载和直流偏磁条件下铁心振动的时域及频域波形分别如图6、图7所示，两种工况下时域波形均表现出了良好的周期性，受磁致伸缩的影响，其基频100HZ振动强度很大，空载达到1.5μm，频率大于600HZ的振动幅值已经很小。偏磁电流Idc=2.0A时，由于谐波含量增多，导致时域波形波动较大，且铁心各频率段的振动强度均有不同程度的变化，200HZ和300HZ的振动强度增大较为明显，主要因为直流偏磁导致铁心磁通饱和，以及磁滞回环偏移，大量高次谐波产生，使得铁心的高频振动增强。
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图6 空载时铁心振动时域和频域波形
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图7 Idc=2.0A时铁心振动时域和频域波形
4 结束语
文章从实验的角度给出了一种研究直流偏磁下变压器铁心振动的新方法，试验选用两台相同规格的变压器低压侧并联，高压侧反向串联抵消感应电动势，且串联直流电源实现了试验室模拟运行变压器直流偏磁状态的目的，得到的试验结论对后续研究也有着积极的指导意义。
参考文献
[1]顾晓安，沈密群，朱振江，等.变压器铁芯振动和噪声特性的试验研究[J].变压器，2003，40（4）：l-4.
[2]张轶君.变压器直流偏磁引起的振动噪声监测方法研究[D].北京：华北电力大学，2008.
[3]Andersen D W，Myles M M.Field of sound radiation by power transformers[J].IEEE Trans. Power Appar. & Syst，1981，100（7）：3512-3524.
[4]马宏彬，何金良，陈青恒.500kV单相电力变压器的振动和噪声波形分析[J].高电压技术，2008，34（8）：1599-1604.
图4 空载和Idc=2A条件下各点位移有效值
图5 测点振动强度随偏磁电流的变化趋势
电力变压器的铁心振动和噪声的频谱范围通常为100～1000HZ，但对于不同容量、不同结构的变压器，铁心振动与噪声的频谱有所不同[4]。同时，受到直流偏磁影响后，变压器振动与噪声的时域和频域波形特性也将发生相应的变化。对测点10分析，空载和直流偏磁条件下铁心振动的时域及频域波形分别如图6、图7所示，两种工况下时域波形均表现出了良好的周期性，受磁致伸缩的影响，其基频100HZ振动强度很大，空载达到1.5μm，频率大于600HZ的振动幅值已经很小。偏磁电流Idc=2.0A时，由于谐波含量增多，导致时域波形波动较大，且铁心各频率段的振动强度均有不同程度的变化，200HZ和300HZ的振动强度增大较为明显，主要因为直流偏磁导致铁心磁通饱和，以及磁滞回环偏移，大量高次谐波产生，使得铁心的高频振动增强。
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图6 空载时铁心振动时域和频域波形
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图7 Idc=2.0A时铁心振动时域和频域波形
4 结束语
文章从实验的角度给出了一种研究直流偏磁下变压器铁心振动的新方法，试验选用两台相同规格的变压器低压侧并联，高压侧反向串联抵消感应电动势，且串联直流电源实现了试验室模拟运行变压器直流偏磁状态的目的，得到的试验结论对后续研究也有着积极的指导意义。
参考文献
[1]顾晓安，沈密群，朱振江，等.变压器铁芯振动和噪声特性的试验研究[J].变压器，2003，40（4）：l-4.
[2]张轶君.变压器直流偏磁引起的振动噪声监测方法研究[D].北京：华北电力大学，2008.
[3]Andersen D W，Myles M M.Field of sound radiation by power transformers[J].IEEE Trans. Power Appar. & Syst，1981，100（7）：3512-3524.
[4]马宏彬，何金良，陈青恒.500kV单相电力变压器的振动和噪声波形分析[J].高电压技术，2008，34（8）：1599-1604.
图4 空载和Idc=2A条件下各点位移有效值
图5 测点振动强度随偏磁电流的变化趋势
电力变压器的铁心振动和噪声的频谱范围通常为100～1000HZ，但对于不同容量、不同结构的变压器，铁心振动与噪声的频谱有所不同[4]。同时，受到直流偏磁影响后，变压器振动与噪声的时域和频域波形特性也将发生相应的变化。对测点10分析，空载和直流偏磁条件下铁心振动的时域及频域波形分别如图6、图7所示，两种工况下时域波形均表现出了良好的周期性，受磁致伸缩的影响，其基频100HZ振动强度很大，空载达到1.5μm，频率大于600HZ的振动幅值已经很小。偏磁电流Idc=2.0A时，由于谐波含量增多，导致时域波形波动较大，且铁心各频率段的振动强度均有不同程度的变化，200HZ和300HZ的振动强度增大较为明显，主要因为直流偏磁导致铁心磁通饱和，以及磁滞回环偏移，大量高次谐波产生，使得铁心的高频振动增强。
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图6 空载时铁心振动时域和频域波形
（a）测点振动位移时域波形
（b）测点振动位移频谱分析
图7 Idc=2.0A时铁心振动时域和频域波形
4 结束语
文章从实验的角度给出了一种研究直流偏磁下变压器铁心振动的新方法，试验选用两台相同规格的变压器低压侧并联，高压侧反向串联抵消感应电动势，且串联直流电源实现了试验室模拟运行变压器直流偏磁状态的目的，得到的试验结论对后续研究也有着积极的指导意义。
参考文献
[1]顾晓安，沈密群，朱振江，等.变压器铁芯振动和噪声特性的试验研究[J].变压器，2003，40（4）：l-4.
[2]张轶君.变压器直流偏磁引起的振动噪声监测方法研究[D].北京：华北电力大学，2008.
[3]Andersen D W，Myles M M.Field of sound radiation by power transformers[J].IEEE Trans. Power Appar. & Syst，1981，100（7）：3512-3524.
[4]马宏彬，何金良，陈青恒.500kV单相电力变压器的振动和噪声波形分析[J].高电压技术，2008，34（8）：1599-1604.
