一起220kV变压器异常声响分析

段 剑,魏东亮,何晓阳,武 坤

(国网河北省电力公司,石家庄 050000)

一起220kV变压器异常声响分析

段 剑,魏东亮,何晓阳,武 坤

(国网河北省电力公司,石家庄 050000)

针对一起220kV变电压投运后异常声响问题,分析常规试验数据,认为变压器噪声增大的主要原因是电网系统中的直流分量,通过噪声声级增加值和直流偏磁电流关系曲线和噪声频谱分析验证了这一结论,并提出了后续解决措施。

变压器;异常声响;直流分量

1 故障情况

国网河北省电力公司某220kV变电站2015年2月1日投入运行,其中包含2号、3号两台主变压器,2月2日运行人员在进行投运后例行巡视时发现2号主变压器噪声明显高于3号主变压器(投运后运行方式2号主变压器中性点直接接地, 3号主变压器中性点不接地)。2月12日晚2号主变压器退出运行,3号主变压器中性点经隔离刀直接接地,发现3号主变压器噪声变大,与2号主变压器噪声声级一致。

2 故障检测

2.1 2台220kV变压器基本参数

型号:SFSZ10-180000/220;

额定电压:230±8×1.25%/121/11kV;

额定容量:180/180/90 MVA;

联结组别:YNyn0d11;

主分接阻抗:14%/48%/33%。

2.2 相关检测结果

对2号主变压器、2号主变压器的油色谱分析和铁心夹件接地电流进行检测,结果均无异常。

测量2台变压器平均噪声,2号主变压器为81 dB(室内测量未修正,后同),3号主变压器为69 dB。

测量2号主变压器退出运行后3号主变压器高压中性点的直流电流,检测到直流电流1.16 A (DC),测量3号主变压器噪声声级变为85.1 dB。

2.3 噪声声级修正

2台变压器出厂试验噪声声级分别为59.2 dB和59.4 dB,该变电站变压器室为混凝土室,其吸声系数α为0.05。宽12 m,长15 m,高16 m,声反射表面积AU为1 044 m2。主变压器外形尺寸为宽3 m,长11.6 m,高3.47 m,发声表面积AT为136.1 m2。

依据《电力变压器声级测量应用导则》,声压级分贝数的增加值近似计算公式:

计算可得主变压器在变压器室内运行,可测噪声声级增加了10.4dB。3号主变压器中性点未直接接地运行时的噪声修正为58.6dB,与出厂试验数值基本一致。

3 噪声声级增大的原因分析

从现场检测数据看,3号主变压器未直接接地运行时的噪声声级为69dB,中性点经隔离刀直接接地后主变噪声声级变为85.1dB。

变压器的噪声主要来自变压器铁心的磁滞伸缩,磁滞伸缩率越大,噪声越大。该变电站在进行相关检测时3号主变压器近乎空载,噪声明显是由铁心的磁滞伸缩所引起的电磁噪声。通过检测到的直流电流综合分析,推测电网系统中存在直流分量,直流电流经变压器绕组流入地壳,铁心中产生直流磁通分量,与交流磁通叠加导致磁通发生半波饱和,半波磁滞伸缩峰值增大,加剧了铁心振动噪声,是造成变压器噪声声级增大的原因。为验证这一推测,进行了以下验证。

3.1 噪声声级增加值与直流电流间的关系

在《电力变压器声级测量应用导则》中明确指出直流偏磁可以导致噪声声级明显增加,噪声声级增加值和直流偏磁电流与空载电流之比相关,并给出大型电力变压器关系曲线,见图1。

图1 电力变压器噪声声级增加值和直流偏磁电流与空载电流之比关系曲线

图中,X轴代表直流偏磁电流与空载电流的比值; Y轴代表总声级的增加量(dB)。

该变电站3号主变压器可测中性点直流电流1.16A,每相直流电流0.39A,出厂试验中空载电流标幺值是0.05%,高压侧额定电流为472.4A,高压侧空载励磁电流0.24A,直流偏磁电流与空载电流之比为1.6,查图1可知,噪声声级增加约为13dB。实际测量结果,中性点不接地运行时噪声为69dB,中性点接地后噪声增加到85dB,实际增加16dB,噪声声级的理论增加值与实际增加值基本一致。

3.2 噪声频谱分析

变压器的噪声与铁心的振动速度有关及与磁滞伸缩的时间导数有关。由于磁滞伸缩的变化周期是励磁电源变化的半个周期,所以振动噪声是以2倍的励磁电源频率为其基波频率的即100 Hz。又因为磁滞伸缩的非线性和多级铁心、铁轭等原因,使磁通饱和含有高次谐波分量。所以常规电力变压器噪声频谱中除了基波频率100Hz噪声外,还包含有基频整数倍的高频噪声,也就是说正常噪声以偶数倍励磁电源频率为主,且其基频波不是噪声声波的最主要分量。

变压器在直流偏磁下,铁心在半个周波内急剧饱和,励磁电流出现奇次和偶次波,相应的噪声频谱会同时含有奇次和偶次波分量。因此,测试变压器噪声频谱,根据噪声频谱中的奇次波组分,可以分析噪声的来源是由直流偏磁引起。

利用频谱分析仪Spectrumanalyzer测量分析。三相220kV电力变压器常规空载试验时噪声频谱如图2所示,该站3号主变压器噪声频谱分析如图3所示。

图2 常规空载试验噪声幅-频分析

图3 该变电站主变噪声幅-频分析

利用MATLAB仿真分析,三相220kV电力变压器常规空载试验时噪声频谱如图4所示,该

站3号主变压器噪声频谱分析如图5所示。

图4 常规空载试验噪声幅-频分析

图5 该站主变噪声幅-频分析

分析以上频谱可知,电力变压器常规试验状态下空载噪声主要以50Hz的偶数倍频率为主,其中300Hz是主要频率。该变电站3号主变压器噪声频谱明显包含偶次波和奇次波噪声,这是因为在直流偏磁作用下,励磁电流发生半波饱和,不仅含有偶次谐波还出现奇次谐波分量,对应半个周波的铁心过度饱和,明显产生了奇次波和偶次波噪声,符合直流偏磁状态下变压器噪声频谱特征。

4 直流偏磁对变压器的影响

变压器的励磁特性曲线呈现典型的非线性,在正常条件下,变压器主要运行在该特性曲线的饱和点附近[1]。当变压器绕组中流经直流电流时,就会在铁心中产生直流磁势,导致磁滞工作回线单方向偏离坐标原点,铁心中出现直流磁通分量,励磁磁通向某一侧偏移,主变铁心工作点进入励磁特性曲线的饱和段,发生半波饱和。

在直流偏磁下运行,变压器铁心片的磁致伸缩力增加,加剧变压器铁心片的振动,本体噪声和振动明显增大,振动严重时,导致变压器有关部件的松动,引起发热、放电或部件脱落,危及变压器的安全运行[2]。对变压器运行性能和使用寿命产生严重影响。

变压器内部出现大量的漏磁通,可能会导致变压器铁芯、夹件、拉板局部温度偏高,变压器损耗增加。同时变压器励磁电流发生畸变,将产生大量谐波。

5 结束语

直流偏磁是变压器的一种非正常工作状态。国内外学者对高纬度运行地区进行了一些试验研究[3],对中低纬度地区研究较少,目前,还缺少数据支持。

针对该变电站主变压器出现的由于直流偏磁引起的异常声响,后续工作一是监督变压器运行状态,重点监测油中气体组分和铁心、夹件接地电流,明确变压器油中特征气体和铁心、夹件接地电流不超出注意值,二是通过测试该变电站所在地区其它变电站的变压器的直流分量情况,判断该地区直流分量的来源及特性,通过在变压器中性点串限流电阻、中性点串电容器和改变系统的直流电流分布等措施,逐步限制和消除变压器中性点直流电流[4]。

[1] 刘 康,温定筠,胡春江,等.变压器直流偏磁产生机理及偏磁电流实测研究[J].电工电气,2014,175(12):26-30.

[2] 汪金刚,毛 凯,段 旭,等.直流偏磁下的变压器振动仿真与试验[J].电机与控制学报,2015,70(1):58-67.

[3] AndersonPM,AgrawalBL,VanNessJE.Subsynchronous resonanceinpowersystem[M].NewYork:IEEEPress, 1990:35-68

[4] 朱艺颖,蒋卫平,曾昭华,等.抑制变压器中性点直流电流的措施研究[J].中国电机工程学报,2005,(13):1-7.

本文责任编辑:靳书海

Analysis of Some 220kV Transformer Abnormal Noise

Duan Jian,Wei Dongliang,He Xiaoyang,Wu Kun
(State Grid Hebei Electric Power Company,Shijiazhuang 050000,China)

Based on a problem of abnormal noise in a 220kV transformer operation,laboratory experiment shows no fault exist. The main cause of abnormal noise is suggested that it come from direct current components.By calculating the relationship curve of noise sound level and direct biasing current,and the spectrum analysis also proves the conclusion,some countermeasures are presented according to the conclusion.

transformer;abnormal noise;direct current components

TM407

B

1000-7229(2016)04-0056-03

2016-06-15

段 剑(1982-),男,高级工程师,主要从事电网建设工程管理、变电一次设备运维检修方面的研究工作。