HVDC单极运行对500 kV交流变压器的振动影响分析研究

丁登伟,张星海,兰新生

(国网四川省电力公司电力科学研究院，成都　610072)



HVDC单极运行对500 kV交流变压器的振动影响分析研究

丁登伟,张星海,兰新生

(国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072)

当特高压直流系统单极大地回路运行时，直流电流将经中性点接地线流入接地极附近的变压器，使得变压器振动加强。在宾金特高压直流系统调试时，研究人员采用振动测试系统检测了宜宾接地极附近的泸州站500 kV变压器振动信号。利用小波时频变换，分析变压器振动信号的频谱分布特征，提取了变压器振动声学指纹和三个典型特征参数，包括频谱能量分布百分比、奇偶谐波能量比和波形畸变比。当直流系统的电流从0 A增至5 000 A时，通过分析泸州站500 kV变压器的振动声学指纹和三个典型特征参数的变化，研究直流偏磁对500 kV变压器运行状态的影响。测试分析发现变压器振动信号的奇偶谐波能量比随电流增大而明显变小，此外频谱能量分布百分比和振动声学指纹也变化显著，有利于准确评估直流偏磁对变压器的运行影响。

特高压直流；直流偏磁；变压器振动；小波时频变换；振动声学指纹

电力变压器的正常稳定运行是保障电力系统安全可靠的前提。研究表明电力变压器的绕组及铁芯是发生故障最多的部件之一[1-4]。振动特性检测是评价变压器绕组及铁芯运行状况和诊断运行故障的有效方法[5]。变压器的绕组在通过负载电流时，绕组间、线饼及线匝间将产生电动力，使绕组发生振动，振动频率为2倍工频，即100 Hz[6]。在通过磁力线时铁芯由于磁致伸缩效应也将产生振动，频率也为100 Hz[7]。绕组和铁芯的振动通过变压器内部紧固件和绝缘油传递到变压器油箱壁，使变压器油箱表面产生振动，因此通过检测变压器油箱表面的振动信号，可实时监测变压器绕组及铁芯的机械结构状况[8]。

当HVDC系统采用单级大地回路运行时，由于接地极附近直流电压分布梯度将导致部分直流电流通过500 kV变压器的中性点接地端流入变压器绕组，使变压器出现直流偏磁[9-11]。当变压器铁芯中出现直流分量，将使变压器达到饱和，励磁电流发生严重畸变，使得在正常变压器正常磁通Ba上叠加一个直流分量Bd[12-14]。由于磁致伸缩位移是磁通的函数，因此HVDC系统采用单级大地回路运行时，直流偏磁将使变压器严重影响铁芯的振动。此外直流偏磁将使铁心磁阻增加，使得绕组漏磁场增大，绕组振动增加[15-17]。

本文采用振动检测系统检测在HVDC系统调试时接地极附近的500 kV变压器振动特性变化。利用振动信号的频谱分布及振动声学指纹研究500 kV变压器振动随HVDC系统负荷电流的变化特征，准确评估HVDC单级大地回路运行对附近变压器运行状态的影响。

1　变压器振动的现场测试

±800 kV宾金特高压直流输电系统，西起四川宜宾换流站，东至浙江金华换流站，额定电流5 kA。泸州500 kV变电站距离宜宾侧接地极约160 km，站内的1号主变为三相一体式500 kV变压器，型号OSFPS-750000/500(联接方式为YN/Δ)。

图1　振动检测系统的三个测点分布Fig.1　The location of the three vibration measuring point

利用自主研制的振动检测系统在变压器侧面下三分之一处分别布置三个PCB 356A16振动传感器，避开变压器外壳的加强筋，传感器的有效工作频段为0.5 Hz～4.5 kHz，测点位置如图1所示。利用NI 9234数据采集卡，采集振动信号，采样率25.6 kS/s，每个振动样本采集时长1 s。

在调试期间，采用单极大地回路运行，系统直流电流从0 A稳定升至额定电流。在电流为0 A，1 kA,3 kA和5 kA时，分别检测500 kV泸州变电站1号主变的振动信号。

2　变压器振动信号特征参数提取

利用振动检测系统测得的振动信号进行频谱分析，求取频谱能量分布百分比、奇偶谐波能量比和波形畸变比，提取500 kV变压器的振动声学指纹。图2为HVDC系统电流为3 kA时变压器0.1 s内的振动时域信号，图3是该振动信号在1 kHz以下的频谱分布。

图2　HVDC系统电流为3 kA时变压器的振动时域信号Fig.2　The vibration signal of 500 kV transformer when the DC current of the HVDC system is 3 kA

图3　HVDC系统电流为3 kA时变压器的振动信号的频谱分布Fig.3　The spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer when the DC current of the HVDC system is 3 kA

采集记录变压器壳体1 s内的振动信号设为v(t)(0≤t≤1 s)。将v(t)进行功率谱分析，得到振动信号的功率谱P(f)，其求取步骤如下：

(1)

式中:τ为位移变量，0≤τ≤1 s。

由于变压器振动信号的改变很大程度体现在高次谐波分量的出现，为了分析直流分量对变压器振动信号的影响，采用频谱能量分布百分比α(f)来表示振动信号的频谱能量分布特征。根据振动信号的功率谱P(f)，求得振动信号的频谱能量分布百分比α(f)，由于系统采样率为25.6 kS/s，所以分析频率最高为12.8 kHz，由于变压器振动频率分量主要集中在2 kHz以下，所以本文主要求取2 kHz以下的频谱能量分布百分比α(f)，其求取步骤：

(2)

式中：fmin=0 Hz,fmax=12.8 kHz，f1=2 kHz

由于当直流注入变压器中性点时，变压器振动信号的工频奇数次谐波分量将增大，因此为了研究直流分量对变压器振动的影响程度，利用振动信号的功率谱求取振动信号的奇偶谐波能量比Re/o，由于现场所测振动信号的频谱分量未必刚好全部分布在工频奇偶谐波分量处(如100 Hz或150 Hz)，因此在求取奇偶谐波能量时，将求取范围扩展为工频奇偶谐波点的前后5 Hz以内(如95 Hz～105 Hz或145 Hz～155 Hz)，其求取步骤如下：

(3)

(4)

式中：f1=2 kHz,f2=5 Hz。

波形畸变比THDweight是描述高次谐波对时域波形影响严重程度的常用参数，因此本文也用此来描述工频高次谐波分量对变压器振动基波分量的影响。利用振动信号的功率谱求得振动信号的波形畸变比THDweight，其求取步骤如下：

(5)

(6)

式中：pk=k，k=2,3,4，…

最后采用小波变换处理变压器的振动信号，通过获得的小波脊构造振动声学指纹，所得特征指纹受变压器的运行交流负荷影响较小，能真实反应变压器内部结构参数变化[18-19]。因此本文首先利用连续小波变换对变压器振动信号进行时频分析。将变压器1 s内的振动信号v(t)进行解析小波变换，得到振动信号的小波变换系数CWTv(a,τ)，其求取步骤如下：

(7)

(8)

式中：τ为位移变量，0≤τ≤1 s，a为尺度变量，σ为母小波函数φ(t)高斯包络的标准偏差。

(9)

满足式(9)的点(a0,τ0)即构成振动信号的小波脊(a0(i),τ0(i))(i=1,2,…,N)。根据式(10)将(a0(i),τ0(i))转换成(t0(i),f0(i))(i=1,2,…，N)。

f0(i)=a0(i)×fm;t0(i)=τ0(i)

(10)

式中：fm为母小波函数φ(t)的中心频率，0≤t0(i)≤1 s。

根据求得的振动信号小波脊(t0(i),f0(i))(i=1,2,…，N)，经角化变换得到变压器振动声学指纹(φ0(i),f0(i))，用极坐标图展示变压器振动声学指纹，以振动声学指纹来反映直流电流分量对变压器绕组的影响。角化变换如下：

φ0(i)=t0(i)×360°

(11)

式中0≤φ0(i)≤360°。

3　HVDC系统电流对变压器振动特性影响分析

HVDC系统电流为0 kA、1 kA、3 kA和5 kA时，利用布置在变压器三个位置的振动传感器检测变压器振动信号的变化。根据上文提取的频谱能量分布百分比、奇偶谐波能量比和波形畸变比，以及运用分析小波变换和小波脊分析求得的变压器振动声学指纹，分析HVDC系统电流对变压器运行状态的影响。

3.1变压器振动信号频谱分布变化

当HVDC系统电流从0 kA增大至5 kA时，500 kV泸州变电站1号变压器上三个测点所测振动信号的频谱分布变化如图4～图6所示。

图4　当HVDC系统电流增大时测点1处振动信号频谱分布的变化Fig.4　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

图5　当HVDC系统电流增大时测点2处振动信号频谱分布的变化Fig.5　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

图6　当HVDC系统电流增大时测点3处振动信号频谱分布的变化Fig.6　The change of the spectrum distribution of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

图中同一变压器，不同测点所测得振动信号的频谱分布不同。测点1处变压器振动信号的主要频点为100 Hz、200 Hz和400 Hz，其中200 Hz最大；测点2处振动信号的主频点为100 Hz、200 Hz和300 Hz，其中300 Hz最大；测点3处振动信号的主频点为300 Hz。

在变压器中性点未流入直流电流时，振动信号中只有50 Hz的偶数次谐波分量。当HVDC系统电流增大时，变压器振动信号开始出现奇数次谐波分量。振动测点不同，所测振动信号出现的奇数次谐波分量也有差异。当直流电流为1 kA时，测点1出现了250 Hz谐波分量；测点2出现了250 Hz和350 Hz谐波分量；测点3出现了350 Hz谐波分量。当直流电流增大至3 kA时，三个测点均出现了250 Hz和350 Hz谐波分量。此外，随着直流电流增大，奇数次和偶数次谐波分量幅值均随之增长。

3.2变压器振动信号频谱能量分布百分比变化

图7　当HVDC系统电流增大时测点1处振动信号α(f)的变化Fig.7　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

当HVDC系统电流从0 kA增大至5 kA时，500 kV泸州变电站1号变压器上三个测点所测振动信号的频谱能量百分比变化如图7～图9所示。图中可见在测点1处，变压器振动信号的主要能量分布在200 Hz～500 Hz；测点2处振动信号的主要能量分布在250 Hz～400 Hz；测点3处振动信号的主要能量分布在300 Hz～450 Hz。变压器振动信号的频谱能量分布曲线随直流电流增大变换显著，直流电流越大，频谱能量百分比曲线变化台阶越多。

图8　当HVDC系统电流增大时测点2处振动信号α(f)的变化Fig.8　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

图9　当HVDC系统电流增大时测点3处振动信号α(f)的变化Fig.9　The change of the α(f)of the vibration signal of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

3.3变压器振动信号奇偶谐波能量比变化

当HVDC系统电流从0 kA增大至5 kA时，500 kV泸州变电站1号变压器上三个测点所测振动信号的奇偶谐波能量比Re/o变化如图10所示。图中可见当没有直流电流时，三个测点的振动信号Re/o分别大约为50 dB、40 dB和60 dB；直流电流为1 kA时，分别大约为4 dB、6 dB和10 dB；直流电流为3 kA时，分别大约为1.5 dB、4 dB和8 dB；直流电流为5 kA时，分别大约为0 dB、2.5 dB和7 dB。可见随着直流电流增大，三个测点的振动信号奇偶次谐波能量比均一致减小，可用于评估HVDC系统电流对变压器运行状态的影响。

图10　当HVDC系统电流增大时三测点振动信号Re/o的变化Fig.10 The change of the Re/oof the vibration signal of 500 kV transformer at the three measuring points when the DC current of the HVDC system increased

图11　当HVDC系统电流增大时三测点振动信号THDweight的变化Fig.11 The change of the THDweight of the vibration signal of 500 kV transformer at the three measuring points when the DC current of the HVDC system increased

3.4变压器振动信号波形畸变比变化

500 kV泸州变电站1号变压器上三个测点所测振动信号的波形畸变比THDweight随着HVDC系统电流增大的变化趋势如图11所示。图中可见测点1处的振动信号随着直流电流增大，THDweight逐步从32 dB增大至55 dB；在直流电流为0 kA时，测点2处的振动信号THDweight为17 dB，当直流电流从1 kA增大至5 kA时，THDweight从40 dB逐渐较小至25 dB；当直流电流从0 kA增大至3 kA时，测点3处的振动信号THDweight从50 dB增大至60 dB，但当直流电流增大至5 kA时，THDweight却减小至50 dB。可见测点不同，振动信号的THDweight变化趋势不一致。

3.5变压器振动声学指纹变化

500 kV泸州变电站1号变压器上三个测点所测变压器的振动声学指纹随着HVDC系统电流增大的变化趋势如图12～图14所示。

图12　当HVDC系统电流增大时测点1处变压器振动声学指纹的变化Fig.12 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 1 when the DC current of the HVDC system increased

图13　当HVDC系统电流增大时测点2处变压器振动声学指纹的变化Fig.13 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 2 when the DC current of the HVDC system increased

图14　当HVDC系统电流增大时测点3处变压器振动声学指纹的变化Fig.14 The change of the vibration acoustic fingerprint of 500 kV transformer at measuring point 3 when the DC current of the HVDC system increased

图中可见当直流电流为0 kA时，测点1的振动声学指纹较为分散，有三圈特征纹路，当出现直流电流时，变压器的特征指纹变为一圈特征纹路，随着直流电流增大，振动声学指纹的特征纹路向外扩张，并逐步增粗。测点2处的变压器振动声学指纹在没有直流电流时，只有很细的一圈特征纹路，当出现直流电流时，特征纹路增粗，随直流电流增大变化不明显。测点3处的变压器振动声学指纹在直流电流为0 kA时，也只有很细的一圈特征纹路，当直流电流增大时，特征纹路逐渐增粗。

4　结　论

在±800 kV宾金特高压直流输电系统单极大地回路调试时，本文采用振动检测系统检测接地极附近的500 kV泸州变电站1号主变三个位置的振动变化。通过本文提出的频谱能量分布百分比、奇偶谐波能量比和波形畸变比及振动声学指纹研究HVDC系统负荷电流对变压器振动特性的影响，得到以下结论。

(1)当500 kV变压器中性点流入直流电流时，变压器各位置的振动信号将出现50 Hz的奇数次谐波分量，位置不同，出现的奇数次谐波次数不同。此外各谐波分量幅值均随直流电流增长而变大。

(2)当变压器出现直流偏磁时，变压器振动信号的频谱能量分布百分比曲线变化明显，不同位置变化趋势存在差异；振动信号的奇偶谐波能量比随着直流电流增大，逐步减小，不同测点变化趋势一致；变压器不同位置的振动信号波形畸变比随直流电流增大的变化趋势不同。

(3)通过分析小波变换和小波脊处理得到的变压器振动声学指纹在出现直流偏磁时，变化相当显著，并随直流电流增大，指纹中的特征纹路将逐渐增粗。不同振动测点，振动声学指纹变化规律基本一致。

通过本文的研究发现变压器振动信号的奇偶谐波能量比和变压器振动声学指纹能准确反映HVDC系统直流电流对500 kV变压器振动特性的影响，可用来评估直流偏磁对变压器运行状态的影响。

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Effects of HVDC monopole operation on vibration of a 500 kV AC transformer

DING Dengwei,ZHANG Xinhai,LAN Xinsheng

(Sichuan Electric Power Research Institute,Chengdu 610072,China)

When a HVDC system works with a monopole ground return mode,DC current flows into an AC power transformer near the grounded neutral,pole through the ransformer’s neutral ground wire vibration.In debugging Yibin-Jinhua high voltage direct current (HVDC)system,a vibration testing system was applied to detect vibration signals of a 500kV AC transformer of Luzhou substation near Yibin grounded pole.The spectral distribution features for the transformer’s vibration signals were analyzed by means of the wavelet transformation,the vibration acoustic fingerprint and three typical characteristic parameters including the percentage of spectral energy distribution,the energy radio of odd and even harmonics and the waveform distortion radio were extracted,respectively.When the current of the HVDC system increased from 0 A to 5 000 A,the effects of DC bias on the operation status of the 500 kV AC transformer were investigated through analyzing the variation of the vibration acoustic fingerprint and three characteristic parameters of the transformer.The results showed that the energy radio of odd and even harmonics of the transformer vibration signals decreases significantly with increase in DC current; in addition,the percentage of spectral energy distribution and the vibration acoustic fingerprint vary obviously; these results are beneficial to evalute correctly the effects of DC bias on the operation of the transformer.

HVDC; DC bias; vibration of a transformer; wavelet transformation; vibration acoustic fingerprint

2015-06-23修改稿收到日期：2015-08-21

丁登伟 男，博士，工程师，1985年7月生

张星海 男，博士，高级工程师，1963年12月生

E-mail:Zhangxh1@163.com

TE855

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.17.034