基于高次电流谐波对主变运行异响研究

张 隆，杨志平，黄伟华，叶运栖，林松辉

(广东电网公司 河源供电局，广东 河源 517000)

0 引 言

随着电网建设规模的不断增大和直流输电、特高压输电的兴起，电网的运行方式变得多样且复杂[1]。同时，随着供电负荷容量越来越大及种类越来越多，变压器的运行噪声问题变得更加严重，变压器噪声异响问题越来越突出[2]。

运行中变压器振动主要包括铁心和绕组的振动，多个振动源共同作用产生异响[2-4]。磁致伸缩力和叠片间交变电磁力共同作用引起铁心振动，交变的电磁力导致绕组振动,振动通过变压器油、夹件、垫木衰减传播至外壳，产生噪声[5-7]。变压器铁心的噪声和振动特性试验发现，磁密在1.3～1.9 T范围内时，噪声大小和磁感应强度成正比关系[8-9]。在交变磁场中，垂直于磁场方向的铁磁材料尺寸相应减小，平行于磁场方向的铁磁材料尺寸相应增加，即称为磁致伸缩[10-11]。在交变磁场作用下，磁通饱和的铁磁材料产生磁致伸缩，周期性变化的磁场导致铁心周期性的振动[12-13]。随着供电负荷容量越来越大及电能质量问题的凸显，高次谐波电流对其他用户电气设备的正常运行产生影响，同时，高次谐波电流注入电网，加速变压器磁屏蔽回路饱和，产生磁致伸缩噪声，给变压器运维带来不确定因素[14]。

1 异响机理

导磁性材料在磁通变化的作用下形状和体积的改变称为磁致伸缩。当导磁性材料磁通量还未达到饱和时，形状的改变量主要体现在长度的变化上，称为线磁致伸缩；当导磁性材料磁通达到饱和后，其形状的改变主要体现在体积的变化上，称为体积磁致伸缩。典型铁材料的磁致特性如图1所示。

图1 铁的磁化曲线和磁致伸缩曲线

图2为变压器的三相五柱铁心结构，空载运行时的变压器，一次绕组在电压源u=u0sinωt的激励下，铁心中产生交变的主磁通φ0，磁通密度表达式为

图2 主变铁心结构

式中：A为铁心磁通截面积；Bs为铁心饱和磁通密度；Hc为矫顽力。

变压器铁心磁通量未饱和之前，磁场强度和磁通密度关式为B=μH，磁场强度为

(1)

式中:μ为介质磁导率。

在交变磁场作用下，硅钢片微小形变可满足以下条件：

(2)

通过式(1)、(2)可推导出铁心磁致伸缩率计算式为

(3)

对式(3)求二次导数，可得磁致伸缩引起铁心振动的加速度为

在线性、各向同性的铁磁媒质中，体积力密度计算式[2,15]为

(4)

根据能量守恒，由式(4)可推导出磁场力计算式为

式中：λZ为Z方向的磁致伸缩率；ΔlZ为Z方向的形变；E为弹性模量。

变压器铁心所受的磁场力和励磁电流的频率呈正比关系，电网高次电流谐波加速变压器主磁路饱和，导致磁致伸缩率增大，使变压器在正常运行中振动幅度增大，导致主变运行声音分贝增大，产生不规律的异响。

2 案例分析

110 kV某变电站3号主变于2016年7月扩建投运，目前3号主变主供负荷为35 kV侧的钢铁厂，主变长期存在过负荷运行情况。巡视期间发现主变本体运行中发出较大的间断性异响，异响类似从变压器本体内部传出的金属摩擦声。

为了判断3号主变是否健康运行和分析引起主变异响原因，对主变进行停电检修预试。经过检查分析，初步排除外部夹件及螺丝松动造成的异响。

采用频率响应分析法对主变绕组进行变形试验，图3～5分别为低压绕组频率响应特征曲线、中压绕组频率响应特征曲线和高压绕组频率响应特征曲线。

图3 低压绕组频率响应特征曲线

图4 中压绕组频率响应特征曲线

图5 高压绕组频率响应特征曲线

图3～5结果显示，在0.01～1 000 Hz全频段中，变高、变中和变低三侧在中频率段和低频率段相间符合性比较好，在高频率段符合性偏差。中、低频段不易受外界干扰，可以作为绕组变形的主要判据。同时，在高压场地，高频信号源众多，测试设备在高频段容易受外界干扰，影响测量精确性，只能作为辅助判断。

综合绕组变形测试结果，可以判断绕组变形测试结果合格，主变未发生绕组变形。

表1为主变油样测试结果，各项气体测试含量均在合格范围内，三比值法结果显示主变状态正常，不存在放电等高温过热现象，可以排除内部螺丝夹件等松动导致主变异响。

表1 主变本体油色谱结果

综合检修试验和化学油样测试结果，可以初步判断主变本体不存在异常，运行中的异响不是构件松动导致。

为了进一步研究主变异响原因，2018年11月9日11：30—15：30在110 kV某站监测3号主变异响发出时间、负荷特性及各项电能质量参数。图6为35 kV侧荷特性曲线、三相电流有效值、三相电流总谐波畸变率曲线，现场主变异响信息采集时间点如表2所示。

图6 负荷、电流谐波畸变率及异响对应关系

表2 现场异响采集时间点

图7～10分别为35 kV母线负荷谐波电流95%概率直方图、电流总谐波畸变率、电流3次谐波畸变率、电流5次谐波畸变率。

图7 谐波电流95%概率直方图

对3号主变35 kV母线进行负荷和电能质量监测分析，同时记录现场主变异响发生时间段。通过对比分析负荷特性曲线、电流总谐波畸变率曲线和主变异响时间记录表，发现主变发生异响的时间和电流总谐波畸变率曲线存在相对应关系，当电流总谐波畸变率小时，主变不存在异响,对应关系如图3所示，电流总谐波畸变率大时，主变存在异响。

为了进一步验证所供负荷谐波电流造成3号主变异响，申请对主变停电预试，在3号主变停电预试期间，把3号主变之前所供负荷转供给2号主变(2号主变通常供的是居民负荷，不存在高次谐波超标问题，运行无异响)，由2号主变供钢铁负荷，2号主变运行期间发出同样的异响声音，验证了3号主变运行异响是谐波电流引起的。

图8 电流总谐波畸变率

图9 电流3次谐波畸变率

图10 电流5次谐波畸变率

3 结 语

针对用户引起电网谐波污染问题，分析了高次谐波电流导致主变异响机理，推导出高次谐波电流和主变振动的关系。变压器铁心所受的磁场力和励磁电流的频率呈正比关系，电网高次电流谐波加速变压器主磁路饱和，导致磁致伸缩率增大，使变压器在正常运行中振动幅度增大，产生不规律的异响；同时，磁屏蔽边缘的电磁吸力引起磁屏蔽边缘振动，产生噪声。

在实际运行案例中，通过对电能质量、主变声响的监测及负荷的调换，验证了主变异响是由高次谐波电流引起的。