空載狀態(tài)下500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲研究分析

楊曉濱，呂守國(guó)，姜建平，馮迎春

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118)

0 引 言

當(dāng)前伴隨超高壓直流輸電系統(tǒng)在我國(guó)使用率日益增大，同時(shí)變壓器出現(xiàn)直流偏磁的問題也顯現(xiàn)出來，如果直流輸電系統(tǒng)用雙極不平衡方式或者單極大地回線這兩種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，大量直流電流會(huì)流入大地，另一端就會(huì)受到從大地流入的全部電流[1]。電位差就是在巨大的直流電流在大地里流經(jīng)過程中產(chǎn)生的，電位差還會(huì)隨兩個(gè)變電站之間的地質(zhì)條件而發(fā)生改變，如二者相差懸殊，電阻也會(huì)相差很多，電位差隨之變大，假設(shè)交流變壓器相距較近，直流電流可以經(jīng)過變壓器中性接地點(diǎn)和輸電線路構(gòu)成的通路經(jīng)過變壓器繞組兩側(cè)，這種流經(jīng)變壓器繞組的直流電流作為勵(lì)磁電流，會(huì)在鐵心中形成大量的直流磁通，產(chǎn)生諧波和直流偏磁，進(jìn)而引發(fā)過熱、震動(dòng)以及噪聲等缺點(diǎn)[2]，會(huì)嚴(yán)重妨礙對(duì)接地極附近中性點(diǎn)接地變壓器的日常工作，進(jìn)而可能會(huì)造成變壓器的破損以及產(chǎn)生的錯(cuò)誤保護(hù)動(dòng)作。

相關(guān)研究如文獻(xiàn)[3]在考慮換流變壓器編組運(yùn)行方式和接收端等因素的基礎(chǔ)上，建立了直流偏置電流的計(jì)算模型。并采用比較分析法和節(jié)點(diǎn)電壓法，對(duì)換流變壓器直流偏置電流進(jìn)行了計(jì)算，分析了不同換流變壓器編組和接收端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)換流變壓器直流偏磁的影響。文獻(xiàn)[4]考慮了15千伏SiC絕緣柵雙極晶體管和10千伏SiC，尋找不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中壓配電網(wǎng)接口。提出了無變壓器智能變電站設(shè)備應(yīng)用，并研究了高頻變壓器的損耗數(shù)據(jù)。

一般情況下，用戶關(guān)注的焦點(diǎn)一直是直流偏磁條件下引起的變壓器噪聲和震動(dòng)問題，也是偏磁現(xiàn)象的明顯特點(diǎn)。目前直流偏磁環(huán)境中變壓器鐵心、繞組、變壓器偏磁情況中的噪聲以及箱體震動(dòng)機(jī)理的研究和計(jì)算機(jī)仿真仍難以攻破，還沒有對(duì)此類項(xiàng)目實(shí)施工程應(yīng)用研究[5]。文章以實(shí)際產(chǎn)品為目標(biāo)，對(duì)空載狀態(tài)下500 kV單相直流偏磁噪聲實(shí)施試驗(yàn)研究，提高變壓器產(chǎn)品自身耐受直流偏磁性能，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 空載狀態(tài)下500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲試驗(yàn)研究

1.1 500 kV單相變壓器直流偏磁現(xiàn)象

500 kV變壓器是電力主干網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，其可確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性運(yùn)行。如果變壓器近區(qū)直流電流采用接地點(diǎn)向變壓器中注入，則確保變壓器鐵心被直流磁化，導(dǎo)致磁工作點(diǎn)偏移，用圖1描述。文章對(duì)500 kV單相變壓器直流偏磁試驗(yàn)方法，對(duì)產(chǎn)品在空載狀態(tài)下的直流偏磁噪聲實(shí)驗(yàn)實(shí)施研究，描述產(chǎn)品在直流偏磁下噪聲波動(dòng)規(guī)律，對(duì)電力系統(tǒng)采用有效的控制方法[6]，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，提高變壓器產(chǎn)品自身耐受直流偏磁性能。

圖1 變壓器的直流偏磁現(xiàn)象

1.2 試驗(yàn)環(huán)境以及噪聲點(diǎn)部署

表1所展示的是某實(shí)驗(yàn)型號(hào)為DSP-223000/550的單相發(fā)電機(jī)變壓器的具體參數(shù)，鐵心形式是單相三柱，主柱帶高壓和低壓繞組，冷卻方式采用OWAF。

表1 試驗(yàn)變壓器參數(shù)

本文在空載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究直流偏磁下500 kV變壓器的噪聲特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的空載狀態(tài)下500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲試驗(yàn)研究的接線圖，用圖2描述，發(fā)電機(jī)是G，兩臺(tái)同一型號(hào)的T1和T2都是500 kV的試驗(yàn)變壓器，中間變是B1，直流電源是E，可調(diào)電阻是R，電感是L，保護(hù)電容是C放電間隙是g。試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，兩臺(tái)試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)相聯(lián)[7]，T2低壓側(cè)空載，運(yùn)行電壓是100%UN(UN即額定電壓)直流電流通過兩臺(tái)變壓器中性點(diǎn)注入到試驗(yàn)變壓器，一臺(tái)是0.1A另外一臺(tái)是1.75A。

圖2 空載直流偏磁試驗(yàn)接線圖

本文用單相三繞組自耦變壓器做例進(jìn)行演示，低壓并連接中間變壓器施加額定電壓，高壓空載或并聯(lián)，兩個(gè)賄賂由中性點(diǎn)連接，電容回路流交流。

在進(jìn)行空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)不同直流電流下試驗(yàn)變電器T2的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試[8]，表2為測(cè)試所用設(shè)備。

表2 振動(dòng)與噪聲測(cè)試設(shè)備

依照國(guó)標(biāo)GB/T1094.101—2008《電力變壓器 第10.1部分：聲級(jí)測(cè)定 應(yīng)用導(dǎo)則》的規(guī)定[9]來選擇噪聲測(cè)試地點(diǎn)，要在變壓器結(jié)構(gòu)外沿0.3 m的輪廓處安放噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度是油箱高度的1/2。噪聲測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖3，其中，試驗(yàn)變壓器為T1和T2，變壓器0.3輪廓線以虛線表示，兩臺(tái)變壓器中間是1號(hào)噪聲測(cè)點(diǎn)，和低壓側(cè)位置比較接近。從1號(hào)噪聲測(cè)點(diǎn)開始運(yùn)行，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，間隔一米安放噪聲測(cè)點(diǎn)，共安放噪聲測(cè)點(diǎn)37個(gè)。本文進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí)候通過禁用試驗(yàn)用變壓器冷卻裝置，避免了冷卻裝置的噪聲影響。

圖3 噪聲測(cè)點(diǎn)位置平面示意圖

1.3 直流偏磁噪聲同振動(dòng)信號(hào)特征分析

變壓器產(chǎn)生直流偏磁過程中，噪聲信號(hào)頻率內(nèi)50 Hz奇次諧頻同偶次諧頻含量存在顯著波動(dòng)現(xiàn)象?；谠肼暫驼駝?dòng)信號(hào)幅值可分析直流偏磁狀態(tài)[9]，如果直流電流低，則無法進(jìn)行準(zhǔn)確分析。因此為增強(qiáng)直流偏磁狀態(tài)分析的精度，應(yīng)從噪聲同振動(dòng)信號(hào)頻頻排列內(nèi)采集變壓器直流偏磁特征參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流偏磁狀態(tài)的準(zhǔn)確分析[10]。

變壓器噪聲同振動(dòng)信號(hào)都低于2 kHz，設(shè)置噪聲同振動(dòng)信號(hào)的奇偶次諧波波是：頻頻2 kHz區(qū)間中，變壓器噪聲同振動(dòng)信號(hào)50 Hz奇次諧頻幅值的均方根同50 Hz偶次諧頻幅值的均方根值的比例是：

(1)

其中，信號(hào)50 Hz偶次以及奇次諧波幅值是A2i和A2i-1，2 kHz區(qū)間中信號(hào)50 Hz諧頻數(shù)量是N。

檢測(cè)直流偏磁前后1 h中變壓器的噪聲同振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)過程[11]，運(yùn)算相關(guān)特征參數(shù)。變壓器噪聲同振動(dòng)信號(hào)奇偶次諧波比特征的波動(dòng)情況用圖4描述。

圖4 主變?cè)肼?、振?dòng)信號(hào)同特征量對(duì)應(yīng)關(guān)系

從上圖中能夠看出，前30 min沒有產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，特征參數(shù)值較低，30 min后變壓器噪聲、振動(dòng)和特征參數(shù)都出現(xiàn)現(xiàn)在提升，說明形成直流偏磁現(xiàn)象，30 min～40 min間噪聲同振動(dòng)水平較低的情況下，特征參數(shù)呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)趨勢(shì)[12]。同噪聲信號(hào)對(duì)比，振動(dòng)信號(hào)不受外界因素影響，其特征參數(shù)波動(dòng)同直流偏磁狀態(tài)相同。最終能夠得出，采集的特征參數(shù)同變壓器噪聲和振動(dòng)信號(hào)可對(duì)直流偏磁波動(dòng)情況實(shí)施準(zhǔn)確描述。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 空載實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)處于空載直流和直流為1.75 A時(shí)的500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲測(cè)試點(diǎn)的熵值和聲壓實(shí)施計(jì)算，得到結(jié)果如表3所示，由表3分析可得，對(duì)不同的噪聲測(cè)試點(diǎn)測(cè)量出的奇異譜熵、功率譜熵以及聲壓級(jí)各不相同[13]，結(jié)果說明，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上攜帶的噪聲信號(hào)有所不同。

表3 空載無直流和直流為1.75 A時(shí)噪聲信號(hào)的熵值與聲壓級(jí)

依照表3的測(cè)試結(jié)果對(duì)空載無直流偏磁時(shí)的500 kV單相變壓器附近的噪聲點(diǎn)實(shí)施分析，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)變壓器中的低壓側(cè)、高壓側(cè)和側(cè)面的奇異譜熵和功率譜熵中的第10個(gè)噪聲點(diǎn)實(shí)施分析，該噪聲點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)域曲線和頻譜分布曲線如圖5所示，分析該圖可得，無論時(shí)間變化還是頻率變化聲壓級(jí)均在0.5 Pa以內(nèi)。從頻譜分布結(jié)果可以看出該噪聲點(diǎn)的頻譜分布主要為100 Hz以及100 Hz的整數(shù)倍，在200 Hz處的幅度最高。

圖5 空載無直流偏磁時(shí)第10個(gè)噪聲檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)域和頻譜分布結(jié)果

由表3分析還可得出，空載直流外加電流1.75A后，除去噪聲檢測(cè)編號(hào)為1、6、8、9、15、30、32、34 以外，所有的噪聲檢測(cè)點(diǎn)的奇異譜熵均有所增大，但增加的幅度大小不同，以上說明噪信號(hào)的復(fù)雜度較高。此外空載直流外加電流后所有噪聲檢測(cè)點(diǎn)在直流偏磁下的功率譜熵相比空載無電流狀態(tài)下的功率譜熵值高，與奇異譜熵的增加類似[14]，功率譜熵的減少或增加的幅度也無規(guī)律可尋，其中編號(hào)為2、4、6、7、11、12、13、18、22、27、28、31、37的噪聲檢測(cè)點(diǎn)的功率譜熵值在外加電流的影響下有所增加。

空載直流外加1.75 A電流后的500 kV單相變壓器附近噪聲點(diǎn)實(shí)施分析，為保持實(shí)驗(yàn)的一致性，仍選取上述實(shí)驗(yàn)采用的第10個(gè)噪聲點(diǎn)進(jìn)行分析，圖6為該噪聲在空載直流外加電流后的時(shí)域和頻譜分布曲線，分析圖6可得，該噪聲點(diǎn)的時(shí)域幅值繼續(xù)增加，幅值最大處為450 Hz。其頻譜分布結(jié)果與其振動(dòng)的圖像相似，但各個(gè)頻率下分布差值較大。

圖6 空載直流為1.75A時(shí)第10個(gè)噪聲檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)域和頻譜分布結(jié)果

2.2 偏磁環(huán)境下的噪聲試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)選取ODFS—250000/500 變壓器為試驗(yàn)研究設(shè)備，通過對(duì)變壓器在無負(fù)載時(shí)施加直流電后的噪聲進(jìn)行檢測(cè)，圖7為變壓器在不同的直流電流條件下在噪聲隨直流電流的變化曲線，從圖中可以看出，在直流偏磁增加的同時(shí)，噪聲的大小也有所增加，圖8是將一定的磁通條件下不同直流電檢測(cè)出的噪聲增加量繪制成的柱形圖，從圖7中11可以發(fā)現(xiàn)變壓器噪聲的大小隨著直流偏磁電流的增加而增加，從圖8中得出變壓器噪聲的大小與磁通密度成反比例關(guān)系，磁通密度越大，噪聲的增加量就越小。

圖7 不同直流電流條件下噪聲變化曲線

圖8 不同直流電流條件下變壓器噪聲增量的變化規(guī)律

實(shí)驗(yàn)選取變壓器的額定磁通密度為1.73 T，直流電流Io為0.83 A，實(shí)驗(yàn)為正確的將噪聲與直流電的關(guān)系表述出來，現(xiàn)將處于磁通密度為1.73 T和1.92 T的噪聲點(diǎn)隨直流電流的變化曲線用圖9進(jìn)行描述。

圖9 不同直流電流下變壓器的噪聲變化規(guī)律

圖9中的(a)磁通密度B=1.73 T，其存在0≤Idc≤100%Io，得到：

N=8.11I+73.7

(2)

若磁通密度B=1.73 T，但100%Io≤Idc≤480%Io，則有：

N=2.55I+78.9

(3)

(b)圖中磁通密度B=1.92，0≤Idc≤480%Io則有：

N=0.5I+88.3

(4)

其中，N均表示噪聲；I為直流電流。

實(shí)際測(cè)量得出變壓器產(chǎn)生的最大噪聲值在90 dB 左右，高于額定值17 dB左右誤差較小，因此對(duì)空載狀態(tài)下的500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲計(jì)算可以采用上述公式。

3 結(jié) 語

本文對(duì)空載狀態(tài)下500 kV單相變壓器直流偏磁噪聲進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出在空載條件下向500 kV單相變壓器中施加直流偏磁電流，隨著電流的增加噪聲的分貝也逐漸增大，當(dāng)施加的直流偏磁電流達(dá)到一定數(shù)值后，產(chǎn)生的噪聲呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到實(shí)際噪聲在90 dB左右，相較與額定值高17 dB。變壓器噪聲的大小隨著直流偏磁電流的增加而增加，變壓器噪聲的大小與磁通密度成反比例關(guān)系。當(dāng)直流偏磁電流持續(xù)增加時(shí)，變壓器產(chǎn)生的噪聲很低，可以得出直流偏磁電流對(duì)噪聲的產(chǎn)生有一定程度的影響，該影響在一定范圍內(nèi)。