直流偏磁下的电力变压器振动特性研究_李唐兵.pdf

基金项目:国网江西省电力有限公司科技项目（52182020009A）直流偏磁下的电力变压器振动特性研究李唐兵1，童涛1，席儒2，徐碧川1，童军心1，李英2（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.特变电工衡阳变压器有限公司，湖南 衡阳 421007）摘要：从变压器直流偏磁振动产生机理及材料特性出发，提出变压器直流偏磁下的振动模型、风险评估方法及参考限值，对特高压直流输电工程单极对地运行下的极址周边发电机变压器和电网主变压器开展振动测试，验证振动模型及评估方案，为变压器直流偏磁下的振动特性及风险评估提供借鉴。关键词：直流偏磁；振动；噪声中图分类号：TM406文献标识码：B文章编号：10018425（2023）030052071 引言随着我国多条特高压直流输电线路（HVDC）的投入运行，入地电流不断增大，诱发交流输电工程中变压器发生直流偏磁现象的威胁也将越来越大。变压器直流偏磁耐受能力评估涉及变压器具体的结构特性、生产工艺、材料、可靠性控制等多方面内容，是励磁特性与结构振动、噪声、磁场损耗、温升各个方面相互影响迭加的过程，需要采用电磁暂态仿真计算与试验结果相互验证，最终形成量化分析评估方法。目前，直流偏磁研究中大多数是对小容量实验室样机变压器进行仿真或者试验研究，即使采用大容量实际产品进行试验时也由于受试验设备限制所施加的直流电流有限；另外，根据对直流偏磁下变压器的损耗和温升分析，随着中性点直流电流的提高，变压器的空载损耗增加至1.15倍后趋于平稳；短时耐受直流偏磁对变压器温升的影响有限。但是，直流偏磁暂态过程下变压器振动加剧，且由于累积效应，变压器内部绝缘垫块易发生移位，成为限制变压器直流偏磁耐受能力的重要因素。因此，深入研究直流偏磁下的电力变压器振动特性非常有意义。本文中笔者结合雅中-江西800kV特高压直流输电工程接地极入地电流对极址周边交流电网接地变压器的直流偏磁振动试验研究，将直流偏磁下变压器的振动计算方法与试验数据分析相结合，研究了变压器的振动、噪声特性，为变压器直流偏磁相关研究提供借鉴。Research on Vibration Characteristics of Transformer underDC BiasLI Tang-bing1,TONG Tao1,XI Ru2,XU Bi-chuan1,TONG Jun-xin1,LI Ying2（1.Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.,Nanchang330096,China;2.TBEA Hengyang Transformer Co.,Ltd.,Hengyang 421007,China）Abstract：Based on the mechanism and material properties of transformer DC bias vibra-tion,the vibration model,risk assessment method and reference limit of transformer un-der DC bias are proposed.Vibration tests are carried out for generator transformers andpower grid main transformers around the pole site under unipolar to ground operation ofUHVDC transmission projects.The vibration model and evaluation scheme are verified toprovide reference for the vibration characteristics and risk assessment of transformersunder DC magnetic bias.Key words：DC bias；Vibration；NoiseTRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.010李唐兵、童涛、席儒等：直流偏磁下的电力变压器振动特性研究第 3 期2 直流偏磁振动产生机理及材料特性2.1变压器直流偏磁诱发机理直流偏磁诱发机理如图1所示，虚线和实线分别表示系统有、无直流偏磁现象时的性能曲线。当变压器发生直流偏磁现象后，交直流磁通叠加后总磁通波形整体上移，使得与直流磁通方向相同的半周波磁感应强度增大，而相反的半周波磁感应强度减小，导致工作点会发生偏移，此时系统处于半波饱和状态。直流偏磁对变压器的影响主要包括：1）结合图1（c）励磁电流曲线可知励磁电流由正弦波转变成尖顶波，该电流峰值远大于正常励磁电流峰值，绕组损耗增大；电流波形畸变明显，谐波分量特别是奇次谐波分量增多，导致变压器无功损耗增大、继电保护装置误动作等；2）过饱和的铁心磁导率导致漏磁增加，铁心叠片涡流损耗和磁滞损耗加剧，变压器铁心、腹板、拉板、夹件等金属构件温度升高；3）原绕组内电流与直流电流方向相同的磁通密度明显增大，对应的铁心磁致伸缩效应更加剧烈；铁心半波饱和状态也导致磁导率降低，漏磁通增大，畸变后的励磁电流峰值也明显增大，绕组的电磁力进一步增大。两者均导致变压器振动加剧，使得内部紧固件松动可能性变高，安全运行威胁增大，噪声声级增大。目前，国内外变压器厂家针对电网公司投标的换流变直流偏磁耐受能力为长期运行可承受10A；短期2h运行可承受12A。在长期叠加直流偏磁电流情况下，制造厂关于直流偏磁的研究主要包含试验研究和理论仿真计算两方面。在直流偏磁的试验研究中，对正常交流磁通运行的变压器叠加一个直流磁通，并测量铁心饱和特性、振动、噪音等数据。然而，根据对温升、损耗等影响分析，发现温升、损耗等都是时间的累积效应。在ms级和s级的直流偏磁大电流下的直流偏磁电流导致的振动，有可能对换流变内部绝缘垫块产生影响。但是垫块移位缺陷也受到长期运行、短路冲击、谐波、冲击合闸涌流等各类型工况的叠加影响，因此对振动的影响也是非常重要的。2.2变压器的振动机理变压器的振动主要由铁心振动和绕组振动组成。硅钢片在交变磁场作用下会发生磁致伸缩现象，磁致伸缩频率是电源激励频率的一倍，因此铁心振动的基频为100Hz。随着制造工艺不断发展进步，在铁心结构预应力足够大、硅钢片布置紧密、接缝处的漏磁很小等条件下，此时铁心振动主要由硅钢片的磁致伸缩特性引起的。由于铁心结构中磁路尺寸存在差异，且磁致伸缩具有方向性和非线性，因此铁心的振动还包含高次谐波成分。绕组振动主要是由于漏磁场作用在绕组电流上所产生的电磁力引发的。该电磁力与绕组电流的平方成正比。周期性的电磁力引发的绕组振动，在正常运行情况下，绕组振动的能量主要集中在100Hz，幅值基本无变化。当绕组的夹紧力不够时将使绕组振动变形增大，加剧绕组安匝不平衡，促使漏磁场进一步增大，而振动幅值也将继续增大。2.3变压器直流偏磁下材料特性结合图1所示，直流偏磁将导致磁通密度呈现明显的半波上下不对称。硅钢片的磁致伸缩现象将在正常运行基础上的变形量叠加由于正半波周期磁密明显增大而变形增大的部分，导致铁心振动增大。另一方面，由于半波饱和现象导致铁心磁导率降低，漏磁增大，且激励电流增大导致绕组内电流也将增大，绕组的电磁力增大，绕组振动继续增大。根据试验测得的铁心材料的直流偏磁下磁致伸缩B-特性曲线和磁致伸缩噪声B-Awv特性曲线分析计算变压器振动、噪声增加，根据各特征量变化及限值，评估变压器振动和噪声状态风险；依据设定或测得的直流侵入电流，计算变压器励磁电流及空载电流谐波含量的方法为：当发生直流偏磁时，铁心磁通为:B（t）=Bdc（t）+B0（t）cos（t）（1）式中，Bdc为直流偏磁下磁感应强度幅值，T；B0为未加直流铁心额定工作磁感应强度幅值，T；t为时间，s；为角频率，rad/s。Bdc、B0可通过具体的铁心仿真模型获得。根据公式（1）将硅钢片直流偏磁B-H特性曲线图1直流偏磁诱发原理53第 60 卷fx=xHx2-H22（-）+y（HxHy）+z（HxHz）fy=x（HyHx）+yHy2-H22（-）+z（HyHz）fz=x（HzHx）+y（HyHz）+zHz2-H22（-）|等效偏置成正弦交流下的B-H曲线，如图2所示，偏磁后磁特性在原来轨迹上向上移动，随着工作点半波上移，直流偏磁现象将明显诱发变压器振动中的奇次谐波分量，根据B-H曲线可采用数值分析方法计算空载电流谐波含量和磁致伸缩变化，也可直接查阅偏磁叠加的磁致伸缩曲线（图3）和磁致伸缩噪声曲线（图4），通过求解振动方程计算确定振动和噪声的增加，进而计算变压器直流偏磁下的振动噪声增加情况。3 直流偏磁下变压器振动模型3.1变压器铁心振动特性在交变磁场作用下，变压器铁心磁致伸缩引发振动。简化变压器电磁结构后，对于各向同性铁磁材料所受磁场力的单位体积力密度可表示为：f=JB-12H2+12（H2）（2）其中，f为磁场体积力密度矢量；J为电流密度矢量；B为磁感应强度矢量；H为磁场强度；为介质磁导率；为介质体积密度。等号右边第一项表示洛伦兹力，第三项表示磁致伸缩力，是铁心材料磁导率随硅钢片体积力密度的关系式。将公式（2）中的矢量表示方法具体方向，其中x表示硅钢片面内的磁场方向，y是面内垂直磁场方向，z是硅钢片表面法向方向；可得磁场体积力密度分量表达式为：（3）为了求出铁心材料磁导率随硅钢片体积力密度的关系式，从弹性力学中的应变能体积密度概念入手，在忽略剪切应变的前提下，由于磁致伸缩的周期性特征，可定义磁致伸缩力为：Fc=Fcmaxsin2t（4）硅钢片的单位体积应变能为：U（）=12TD1（5）=xyz|，D1=E（1-v）（1+v）（1-2v）1v1-vv1-vv1-v1v1-vv1-vv1-v1|（6）其中，为硅钢片弹性应变；E为硅钢片的弹性模量；v为泊松比。将硅钢片的磁致伸缩效应等效为储存在铁磁物质中的应变能，忽略磁场力的高频部分可推出关系式：VU（）dV=V12TD1dV图3某牌号硅钢片直流偏磁下磁致伸缩曲线图4某牌号硅钢片直流偏磁下磁致伸缩噪声图2某牌号硅钢片直流偏磁等效偏置交流B-H曲线54李唐兵、童涛、席儒等：直流偏磁下的电力变压器振动特性研究第 3 期=Tl40 x0Fcxdlxdt+Tl40y0Fcydlydt+Tl40z0Fczdlzdt（7）Fcx=Fcxmaxsin2t=sin2tlxV12Ex2dVFcy=Fcymaxsin2t=sin2tlyV12Ey2dVFcz=Fczmaxsin2t=sin2tlzV12Ez2d|V（8）通过上式可求出变压器铁心在x，y，z三个方向的磁致伸缩力。由于直流电流变化时，铁心中磁密会发生相应的变化，可知硅钢片的磁致伸缩力会随着流入的直流电流大小变化而变化。根据本节所述，可以采用求解偏微分方程求出磁致伸缩力，进而求出磁致伸缩量，考虑到硅钢片材料的磁致伸缩特性非线性和分散性，本文测量了典型硅钢片的直流偏置下的磁致伸缩曲线，如第2.3节所示，基本反映了在直流偏置下电磁力增加而引起的振动增加，这种材料振动特性的增加在硅钢片组成铁心装配体后，由于铁心的夹件、绑带作用会受到限制，在此暂未详细论述。3.2变压器绕组振动特性在漏磁场的作用下，电流经过绕组将产生安培力的作用。FA=（BI）L（9）假设磁通密度与绕组电流大小成正比，则绕组所受的安培力与电流平方成正比。FA=k（Imcost）2=kIm2（12+12cos2t）（10）假设绕组的饼间与垫块为均匀弹性连接，绕组被夹件压紧，可将整个绕组等效成多个集中质量单元组成的质量-阻尼-弹簧的力学模型，该系统的运动控制方程为：Mz?+Cz?+Kz=FA+Mg=12kIm2+Mg+12kIm2cos2t（11）等号左边Mz?、Cz?、Kz分别表示绕组受到的惯性力，阻尼力和刚度力。M、C、K分别表示绕组的等效质量、等效阻尼系数、等效刚度系数。g表示重力加速度。由振动力学知识可知，绕组振动的固有频率近似为：0=MK（12）简化后的加速度表达式为：z?=-0Ae-Ct2Msin（0t+）-4k2Im2cos（2t+）（K-4M2）2+4C22（13）其中，A=4k2Im2（K-4M2）2+4C22（14）变压器振动主要集中在基频100Hz及其倍频位置，在设计变压器时应注意避免使变压器固有频率处于100Hz及其倍频位置附近而造成结构共振现象，避免结构振动幅值过大而导致部件松动或损坏。励磁侧负载电流是在变压器负载电流基础上迭加偏置的变压器励磁电流，如式（15），再求解绕组振动方程，确定电动力和振动增加的情况。I1dc（t）=I1（t）+Idc（15）式中，I1dc（t）为励磁侧负载电流，A；I1（t）为变压器无直流时的负载电流，A。绕组直流偏磁下的振动是交直流迭加引起电动力的增加，建议采用编程方法计算，可借助类似绕组短路机械强度计算方法，综合考虑绕组弹性系统的材料、压紧力等因素，并与未加直流时电动力及位移进行对比，下文为关于绕组振动增加在理论求解方法基础上的简化计算。4 直流偏磁下振动试验验证4.1偏磁下振动噪声的简化分析方法及风险评估参考限值根据图2和图3偏磁时磁通密度与磁致伸缩幅值的B-、B-Awv特性曲线，结合铁心磁通振动剧烈程度变化，可以用振动幅值比来衡量，对其进行量化：Rdc=dc/0（16）式中，Rdc为磁致伸缩振动幅值比；dc为材料特性曲线上额定交流工作磁密迭加直流偏磁的磁致伸缩幅值，nm/m；0为材料特性曲线上额定交流工作磁密的无直流偏磁时磁致伸缩幅值，nm/m。油箱振动幅值在直流偏磁后假设在振动传递过程与未加直流时相似，可以求出油箱壁振动幅值：max=Rdc*0（17）式中，max为油箱表面直流偏磁下振动最大幅值，m；0为油箱表面未加直流时振动最大幅值，m。直流偏磁下的噪音增加可根据材料B-Awv特性曲线计算，量化计算Awvdc：Awvdc=A*lg（Hdc+H0）+B（18）式中，Awvdc为直流偏磁下变压器磁致伸缩噪声，55第 60 卷图5振动测试对象一发电机变压器dB（A）；A、B为系数。变压器振动和噪声中除了铁心振动增加之外，对于大容量变压器在直流偏磁电流较大时需考虑绕组振动增加对油箱表面振动和噪声声压级的影响，共同合成变压器整体的振动和噪声增加。叠加计算方法如下：Lp=10lg（ni=1100.1Lpi）（19）式中，Lp为合成声压级，dB（A）；Lpi为各绕组及铁心直流偏磁下的噪声，dB（A）。直流偏磁状态风险评估判据主要有油箱表面振动幅值、噪声声级等参数是否超过许用值。产品参数计算或模型验证方法的准确性，可通过高压直流工程系统调试期间直流偏磁测试报告进行验证、也可通过电力变压器历次直流偏磁试验报告验证。重要的验证对比内容是铁心结构（三相三柱、三相五柱、单相三柱、单相四柱等）相似，铁心正常交流工作磁密和迭加的直流磁密相似，对比电气量、温升值、振动噪声增加比值。变压器在运行时遇到直流侵入情况，可参考DL/T 272-2012220kV750kV油浸式电力变压器使用技术条件中的有关振动和噪声要求，对照决策是否需要降低负荷及退出运行：1）变压器油箱壁的最大振动位移未超过100m（峰-峰值）；2）单台变压器噪声未超过90dB（A）。4.2雅中-江西800kV调试期内发电机变压器振动测试结合雅中-江西800kV特高压直流工程接地极入地电流对极址周边交流电网接地变压器的直流偏磁振动测试研究，进一步了解较大范围电网主变直流偏磁情况，为直流偏磁治理提供依据。本次测试对象一为某电厂发电机主变压器如图5所示，其主要参数:型号为DSP-223000/500；容量为223000/223000kVA；联结组标号为I Io；阻抗为15%；冷却方式为ODWF；铁心结构为单相四柱。振动测试测点布置如图6所示，共选取五个测点，S1布放在梯子侧，S2布放在高压侧，S3布放在端子箱侧，S4、S5布放在低压侧。分别记录无直流偏磁影响和直流电网接地极入地电流1500A两种工况下的振动信息。图7给出了五个不同测点在两种工况下的加速度频谱信息。结合频谱结果可知，变压器正常运行时的主频主要集中在基频100Hz及其倍频位置，奇次谐波主要集中在150Hz和250Hz，这主要是由于硅钢片搭接缝漏磁以及磁致伸缩的非线性特性引起ID=3IY（a）无直流时的测点振动加速度频谱图6振动测点布置示意图图7各测点两种工况下的加速度频谱图（b）中性直流注入时的测点振动加速度频谱56李唐兵、童涛、席儒等：直流偏磁下的电力变压器振动特性研究第 3 期图8振动测试对象二电网变压器表1不同接地极入地电流工况下的变压器噪声入地电流/A中性点电流/A噪声/dB（A）0076.6915000.576.88图10各测点三种工况下的加速度频谱图（a）中性无直流注入时的测点振动加速度频谱（b）接地极入地电流500A时的测点振动加速度频谱（c）接地极入地电流1000A时的测点振动加速度频谱的；其中位于高压侧附近测点S2的振动幅值最大。在直流偏磁的影响下，各测点的加速度频谱中奇次谐波分量如250Hz、350Hz、450Hz和550Hz等幅值明显增大，整体振动效果增大。表1中中性点直流0.5A时的直流偏磁影响下，噪声增量为0.19dB（A）。结合图7加速度频谱分析可知，直流进入后偶次谐波的幅值几乎不变，奇次谐波增大明显但是整体幅值很小，因此整体噪声的增量不大。4.3雅中-江西800kV调试期内电网主变压器振动测试本次测试对象二为江西电网某变电站主变压器如图8所示，其主要参数：型号为SSZ-180000/230；容量为180000/180000/90000kVA；联结组标号为YNyn0d11；阻抗（HV-MV为14%、HV-LV为54%、MV-LV为38%）；冷却方式为ONAN；铁心结构为三相五柱。振动测试测点布置如图9所示，共选取五个测点，P1和P2布放在低压侧，P3布放在端子箱侧，P4和P5布放在高压侧。无直流偏磁影响、直流电网接地极入地电流500A和1000A三种工况下的加速度频谱如图10所示。由图10中三种不同工况下各测点加速度频谱对比分析可知，无直流偏磁时各测点主频都在100Hz及其倍频上，且加速度分量幅值均不超过0.6m/s2；当接地电流分别为500A和1000A时，直流偏磁激发的奇次谐波分量明显提升，各谐波幅值也明显增大，最大接近4.5m/s2。其中500A工况下激发的450Hz谐波分量非常明显，1000A工况下激发的450Hz、550Hz和650Hz谐波分量非常明显。图9振动测点布置示意图57第 60 卷表3不同接地极入地电流工况下的变压器噪声入地电流/A中性点电流/A噪声/dB（A）0A057.3500A6.673.31000A13.376.9P1P2P3P4P51.31.80.53.32.45.06.63.88.85.917.1 17.6 5.6 20.1 14.4接地极入地电流/A变压器中性点直流/A005006.6100013.3表2五个测点在不同接地极入地电流工况下油箱壁振动峰峰值三种工况下变压器的中性点直流电流值、油箱壁振动峰值和噪声值如表2和表3所示。根据表2和表3的振动噪声数据可明显看出，正常运行工况下各测点振动幅值较小，高压侧相对低压侧振动幅值更大，噪声声压级57.3dB（A）；随着接地极入地电流不断增大，直流偏磁影响下变压器振动幅值明显变大，噪声声级增大近20dB（A），振动幅值越大对应系统的噪声越大，这与加速度频谱信息的分析结果是互相印证的。直流电流越大，对变压器的振动噪声影响越大。对比两个测试对象的振动噪声特征可知，0.5A的中性点直流电流明显小于6.6A和13.3A对变压器的影响。另一方面，两台测试对象相隔近1000公里，与直流电网两端极址距离、接地方式、接地网附近土壤电阻特性等差异，导致其中性点入侵直流电流大小不同。与第一台发电机变压器相比，本台产品注入直流电流量较大，振动噪声增加明显，根据变压器铁心结构、绕组结构和运行负载情况，对偏磁下的叠加交直流磁场强度进行计算，进而通过材料特性计算振动幅值和噪声增加量，其中P1、P3点振动幅值增加较多，从结构上看，是对应绕组和旁柱的偏磁敏感位置，直流6.6A对应铁心磁致伸缩增加倍数3.2倍，噪声增加5.7dB（A），直流13.3A对应铁心磁致伸缩增加9倍，噪声增加16dB（A），与实测值较为吻合。从机械特性变化来看，变压器能够承受该直流偏磁，对变压器风险的评估也应根据其他电气、机械、状态量进行综合分析，制订安全的的应对措施。5 结论本文中笔者从变压器直流偏磁振动产生机理及材料特性出发，提出变压器直流偏磁下的振动模型及风险评估方法、参考限值，基于雅中-江西800kV特高压直流工程接地极入地电流对极址周边交流电网接地变压器的直流偏磁振动测试研究，对特高压直流输电工程单极对地运行下的极址周边一台发电机变压器和一台电网主变压器开展振动测试，验证振动模型及评估方案，为变压器直流偏磁下的振动特性及风险评估提供借鉴。直流偏磁现象明显诱发了变压器振动中的奇次谐波分量，振动噪声增大。且直流电流越大，对变压器的振动噪声影响越大。与此同时，与直流电网两端极址距离、接地方式、接地网附近土壤电阻特性等均能影响变压器中性点入侵直流电流大小。对变压器风险的评估也应根据其他电气、机械、状态量进行综合分析，制订安全的的应对措施。在特高压直流输电工程投运越来越多的背景下，变压器相关研究工作必须考虑到直流偏磁的影响，一方面在设计过程中避免变压器部件的固有频率接近变压器基频及其倍频位置，避免共振给变压器带来的破坏作用；另一方面应积极采用有效的抑制直流偏磁措施，阻断或减小直流偏磁的影响，从而保护变压器正常运行。参考文献1张璐,毛辰,孙蕾,等.变压器直流偏磁研究现状综述J.电工电气,2019(8):6.2师泯夏,吴邦,靳宇晖,等.直流偏磁对变压器影响研究综述J.高压电器,2018,54(7):20-36.3文习山,郭婷婷,何智强,等.直流偏磁相关问题研究综述J.高压电器,2016,52(6):1-8.4李冰,王泽忠,刘海波,等.直流偏磁下500kV单相变压器振动噪声的试验研究J.电工技术学报,2021,36(13):11.5李明洋.特高压变压器直流偏磁下的损耗和温升特性研究.D.河北:华北电力大学,2021.6童莉,王丰华,蔡旭,等.500kV自耦变压器直流偏磁的仿真研究J.电工技术,2008(8):11-12.7赵小军,杜雨彤,刘洋,等.应用磁-机械耦合场频域解法的铁芯直流偏磁振动特性分析J.高电压技术,2020,46(4):10.8张晓宇,郑超,莫品豪,等.直流偏磁对变压器保护的影响及直流偏磁保护改进J.电力系统自动化,2021,45(4):7.9DL/T272-2012，220kV750kV油浸式电力变压器使用技术条件S.收稿日期：2021-08-09作者简介：李唐兵（1983-），男，湖南郴州人，高级工程师。本文彩图可以网上浏览，网址见本期22页58