直流偏磁对变压器振动噪声有怎样的影响？

直流偏磁是电力变压器的一种非正常工作状态，直流流入变压器后将在铁心中产生直流磁通，导致变压器铁心出现半波饱和、励磁电流严重畸变、局部过热、振动噪声增加等一系列问题，并且大容量单相自耦变压器更易受到直流偏磁的影响，对电网的安全稳定运行产生了严重的威胁。

高电压与电磁兼容北京市重点实验室（华北电力大学）、电网环境保护国家重点实验室（中国电力科学研究院武汉分院）、国网内蒙古东部电力有限公司的研究人员李冰、王泽忠、刘海波、李海明、刘健犇，在2021年第13期《电工技术学报》上撰文，利用两台参数一致的250MVA/500kV变压器分别进行了空载和负载直流偏磁试验，对变压器直流偏磁下的电压畸变率、励磁电流、振动和噪声进行测量，并分析研究其直流偏磁下的变化趋势、分布规律和频谱特征。试验结果为大型变压器在实际运行情况下的直流偏磁耐受能力评估及直流偏磁下的振动噪声特性研究提供参考依据。

为了解决能源供应、生态环境和电网安全等问题，我国大力建设特高压骨干网架，在“四交五直”的基础上，先是加快建设“五交八直”特高压工程，接着又于2018年开工建设“十交两直”，不断进行特高压网架的加强和完善工程。特高压变压器是特高压工程的关键设备之一，然而采用由单相自耦变压器组成的大容量变压器更容易受到偏磁直流电流的影响。

变压器直流偏磁现象主要是由高压直流输电单极大地回路运行侵入交流系统中的直流电流、太阳磁暴引起的地磁感应电流和由逆变器、控制器等电力电子器件带来的流入电网中的直流分量等导致变压器绕组中流入了直流电流。

直流流入变压器后将在铁心中产生直流磁通，导致变压器铁心半周饱和、励磁电流严重畸变、消耗大量无功功率、振动噪声增加等一系列问题。其中，贵广直流输电线路中，在进行单极大地回线运行时，春城站主变压器中性点流入直流达34.5A，噪声由采用单极金属回线时（直流不足0.5A）的74.5dB升至93.9dB。

由直流偏磁造成的振动噪声问题逐渐引起人们的重视，变压器的振动噪声严重影响了人们的正常生活及身心健康。机械振动性能也是评估变压器工作状态的技术指标之一，长期异常振动下的变压器会导致其结构松动、机械强度下降，严重时还会造成结构件磨损和绝缘强度降低，埋下安全隐患。

然而，目前直流偏磁的研究主要集中在直流偏磁下的电磁特性研究上，如直流偏磁时铁磁材料磁特性的测量、励磁电流的计算、变压器的饱和特性研究和直流偏磁的抑制等，而对直流偏磁下的振动噪声特性的研究还相对较少。

变压器的振动主要来源于硅钢片磁致伸缩带来的铁心振动、硅钢片接缝处和叠片处因漏磁产生的电磁力引起的铁心振动、绕组中由电流通过时产生的电磁力造成的绕组振动和冷却装置振动。其中，在空载以及轻微负载情况下，变压器的振动主要来自铁心的磁致伸缩。国内外许多学者都对磁致伸缩的特性及建模进行了广泛的研究。

然而变压器结构件复杂，在振动传递过程中，难以通过现有的模型准确地对变压器的振动状态进行评估，尤其是大型变压器，其结构更为复杂，温度变化更大，精确的直流偏磁振动特性的评估光靠小容量变压器试验以及仿真分析难以实现。因此进行大型变压器的直流偏磁试验具有重要的意义，现场采集的振动噪声数据对大型变压器直流偏磁下的振动噪声研究起重要作用。

然而关于大容量变压器的直流偏磁试验主要集中在电磁特性方面，对振动噪声的研究还相对较少，关于变压器直流偏磁下的振动噪声机制分析比较匮乏，作为特高压变压器在直流偏磁程度下的电气及振动特征，仍需进行更深的探究。

华北电力大学等单位的研究人员首先研究了磁致伸缩特性与磁化强度和直流偏置电流之间的关系。并利用两台相同参数的250MVA/500kV单相三柱式变压器构成直流偏磁试验回路，分别进行空载和负载下的直流偏磁试验，对变压器直流偏磁下的电气量、振动和噪声进行了测量，分析研究直流偏磁下振动与噪声的变化趋势、分布规律和频谱特征。分别对比了空载和负载运行时不同直流偏置电流下的振动噪声特性。

通过分析试验数据，科研人员得出以下关于直流偏磁对变压器振动噪声影响的结论：

1）直流偏磁致使变压器铁心饱和，导致励磁电流幅值大幅增加，空载运行时，当注入直流为3A时，励磁电流峰值增幅达32倍。负载运行时，当注入直流偏置电流为2.25A时，低压绕组电流中产生了大量的2次、3次、4次、5次谐波，其占基波的比值分别从无直流时的1.40%、0.39%、0.57%、0.46%增加至注入2.25A直流后的5.76%、5.59%、2.40%、2.16%。

2）随着直流偏置电流的增加，变压器振动加剧，空载运行时，油箱表面中部偏上区域受直流偏磁影响较大，其中侧面振动加速度峰值从无直流时的1.5m/s2上升到3A直流时的22.6m/s2，增幅达15倍。而负载运行时，同测点的振动加速度峰值从无直流时的0.1m/s2增加到2.25A直流时的10.3m/s2。通过对比不同区域测点发现，变压器油箱上部区域振动程度明显大于下部区域；铁心主柱附近区域振动程度明显大于铁心旁柱附近区域；变压器油箱正表面和侧表面振动程度相差不大。

3）变压器噪声水平随着直流偏置电流的增加而上升。空载情况，从无直流偏磁时的66.1dB到3A直流时的83.8dB，增加了17.2dB，噪声声压级随着直流偏置电流增加呈先快速增加后逐渐饱和的趋势。在50%额定电压的负载情况下，噪声从无直流时的39.7d增加至2.25A的77.5dB，增加了37.8dB，还未出现饱和趋势。根据我国机械行业标准JB/T 10088—1999中对变压器噪声水平的要求，针对容量为240MVA，冷却方式为油浸风冷式ONAF类型噪声水平应不超过87dB，本试验中直流偏磁程度所达到的噪声水平未超过行业标准中的规定。

以上研究成果发表在2021年第13期《电工技术学报》，论文标题为“直流偏磁下500kV单相变压器振动噪声的试验研究”，作者为李冰、王泽忠 等。