城市轨道交通引起的变压器直流偏磁噪声与振动特性*

2017-12-18吴晓文周年光胡胜彭继文卢铃

电测与仪表 2017年17期

吴晓文，周年光，胡胜，彭继文，卢铃

（国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙410007）

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进以及城市建设规模的不断扩大，各大城市轨道交通的应用逐渐普遍。城市轨道交通（Urban Mass Transit System，UMTS）采用直流供电，直流电流由接触网流入机车内部并经由钢轨回流至牵引变电站。一般而言，直流电流不会进入交流电力系统。然而，由于土壤结构、施工工艺、排流网导流能力等因素的影响，仍可能有一部分直流杂散电流通过变压器中性点流入交流电力系统，造成交流系统变压器的直流偏磁现象。直流偏磁容易引起变压器局部过热、噪声与振动加剧等问题，严重威胁了电力变压器的安全运行［1-5］。

关于变压器直流偏磁问题的研究已有许多成果报道，主要集中在直流偏磁产生机理、直流偏磁对变压器的影响、直流偏磁模拟以及直流偏磁控制措施等方面［6-8］。文献［9-12］对500 kV变压器直流偏磁条件下的噪声与振动信号进行了测量与分析，分析了直流偏磁对变压器噪声与振动特性的影响；文献［13-15］研究了变压器直流偏磁仿真模型；文献［16-18］分析了电容隔直与电阻隔直等直流偏磁控制措施。上述研究成果均以特高压直流输电工程带来的直流偏磁问题为研究背景，而关于城市轨道交通引起的变压器直流偏磁问题较少涉及。

分析了城市轨道交通引起变压器直流偏磁的原因，详细测量了某220 kV变压器直流偏磁前后的噪声与振动信号，研究了信号时频域特性的变化规律，从中提取出能够反映变压器直流偏磁状态的特征参数，并将该特征参数与直流偏磁前后变压器噪声与振动信号变化趋势进行对比验证。

1 UMTS引起变压器直流偏磁的机理

直流偏磁发生前后，变压器励磁特性曲线及励磁电流变化如图1所示。图中实线表示直流偏磁发生前变压器励磁特性曲线，虚线表示发生直流偏磁时变压器励磁特性曲线。正常情况下变压器磁通随外加电压按正弦规律变化，此时铁心磁通未饱和，变压器磁化电流为正弦波且幅值较小。出现直流偏磁时，变压器磁通发生整体偏移，与偏移方向一致的磁通大幅增加，与平移方向相反的磁通幅值减小，即出现半饱和现象［19-20］。铁心磁通饱和时，对应磁化电流幅值相对更高。因此，发生直流偏磁时，励磁电流曲线出现严重畸变及正负半轴不对称现象，且直流偏磁程度越大，该特征越明显。直流偏磁电流达到2 A以上时，变压器噪声与振动信号出现显著变化，信号幅值显著增加，波形发生明显畸变［11］。

图1 直流偏磁原理图Fig.1 Principle diagram of DC bias

除了地磁暴与特高压换流站单极运行外，UMTS也是造成交流变压器直流偏磁现象的重要原因。理论上，UMTS钢轨对地绝缘性能良好，绝大部分牵引电流通过钢轨返回牵引变电站。然而，实际中钢轨并非完全对地绝缘，加之钢轨自身存在电阻，牵引电流流过时产生电位梯度，部分杂散电流（迷流）经过土壤流入轨道附近交流变压器的接地中性点，导致变压器产生直流偏磁现象，如图2所示。UMTS引起的变压器直流偏磁其严重程度与气象条件、土壤环境、列车数量、运行工况等诸多因素有关［21-22］。与特高压换流站单极运行时产生的直流偏磁不同，UMTS引起直流偏磁时，主变中性点直流分量具有变化快、短期无明显变化规律等特点，因此产生的无规异常噪声与振动对主变运行的影响较大，更容易造成绕组与铁心松动等问题。

图2 UMTS杂散电流传播示意图Fig.2 Schematic diagram of the UMTS stray current transmission process

2 变压器直流偏磁噪声与振动测量与分析

对长沙地区某220 kV三相油浸式有载调压自冷变压器进行直流偏磁前后噪声与振动检测，变压器型号为SSZ10-K-180000/220，采用某公司4189型自由场传声器与4534型加速度传感器测量噪声与振动信号，利用12通道3053型采集模块进行同步信号采集，采样频率设置为65 536 Hz。

2.1 正常运行主变噪声与振动特性

直流偏磁发生前，主变噪声与振动时域波形如图3所示。可以看出，正常运行条件下，主变噪声与振动信号较为平稳，波形无明显波动，且具有明显的周期性，声压 p最大幅值为0.32 Pa，等效声压级LAeq为68.2 dB（A），振动加速度a最大幅值为4.0 m/s2。与图3对应的变压器噪声与振动信号频谱如图4所示。由图可见，变压器噪声信号频谱主要集中在600 Hz以内，信号能量主要集中在200 Hz与300 Hz，其中主频200 Hz信号幅值为0.12 Pa；由于振动信号不易受外界环境因素的干扰，中高频谐波含量较少，变压器振动加速度频谱主要集中在300 Hz频率范围内，且50 Hz奇数倍谐波频率含量较低，300 Hz主频信号幅值为1.8 m/s2。

图3 正常运行主变噪声与振动时域波形Fig.3 Time-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

图4 正常运行主变噪声与振动频域波形Fig.4 Frequency-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

2.2 主变直流偏磁噪声与振动特性

变压器直流偏磁条件下短时间范围内时域噪声与振动信号如图5所示。假设0.2 s时间范围内变压器噪声与振动信号相对稳定，与图3相比，此时噪声与振动信号幅值大幅增加，且发生较为明显的畸变，波形复杂度显著增加，振动信号波形表现尤为明显。0.2 s内，变压器声压最大值为0.94 Pa，平均等效声压级为80.4 dB（A），较正常情况增大了12.2 dB（A）；振动加速度最大值为9.4 m/s2，较正常情况增加了约2.3倍。图6给出了与图5相应的噪声与振动信号频谱，可以看出发生直流偏磁时，变压器噪声与振动信号频谱分布较正常情况发生了显著变化，出现了较多高次谐波，噪声与振动信号频谱范围分别增加至850 Hz与1.4 kHz，且包含较多的50 Hz奇数倍谐波频率。噪声信号主频由200 Hz变为300 Hz，振动加速度信号出现幅值较高的500 Hz频率分量，信号幅值为3.0 m/s2，原本能量比重较高的100 Hz与200 Hz频率分量幅值显著减小。由此可见，直流偏磁对于变压器噪声与振动特性具有十分重要的影响。

图5 主变直流偏磁噪声与振动时域波形Fig.5 Time-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

图6 主变直流偏磁噪声与振动频域波形Fig.6 Frequency-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

为了研究主变中性点直流I与变压器噪声与振动信号的对应关系，以及UMTS引起变压器直流偏磁的变化规律。设计了直流偏磁多状态量监测装置，对24 h内主变中性点直流、振动加速度以及声压级幅值进行测试，测量结果如图7所示。

图7 中性点直流、振动加速度以及声压级变化关系Fig.7 Relationship of neutral point DC，vibration acceleration and sound pressure level versus time

图中，横坐标具体起始时刻为3月11日12时30分。由图中可以看出，变压器振动加速度、声压级与其中性点直流具有完全相同的变化趋势，中性点直流越大，变压器振动加速度与声压级越高。24 h内该变压器中性点直流、振动加速度以及声压级最大值分别为28.2 A、12.0 m/s2以及 85.4 dB（A）。次日0时30分时，地铁入库完毕，轨道上无车辆运行，变压器中性点直流、振动加速度以及声压级迅速恢复至正常水平。5时10分左右，地铁开始调试，轨道上有直流流过，变压器中性点直流、振动加速度以及声压级开始增大，经过1 h后，地铁正式投入运行，变压器中性点直流、振动加速度以及声压级始终保持较高水平。由此可见，地铁运行状态与该变压器直流偏磁情况密切相关，并且造成该变压器振动与噪声急剧增加。在长期运行过程中，周期性的反复振动冲击容易造成变压器绕组与铁心松动，导致设备绝缘受损，不利于变压器的安全与稳定运行。因此，开展变压器直流偏磁状态监测具有实际意义。

3 直流偏磁噪声与振动信号特征分析

对比图4与图6可以看出，变压器出现直流偏磁时，噪声信号频谱中50 Hz奇次谐频与偶次谐频含量发生较为明显的变化。尽管噪声与振动信号幅值可作为直流偏磁状态的辅助判断依据，但当直流电流较小时，该判据评价效果较差。为了提高直流偏磁状态判断的准确性，可以从噪声与振动信号频谱分布中提取变压器直流偏磁特征参数，用于直流偏磁状态评价。

变压器噪声与振动信号基本处于2 kHz范围内，可定义噪声与振动信号的奇偶次谐波比为：频谱2 kHz范围内，变压器噪声与振动信号50 Hz奇次谐频幅值的均方根值与50 Hz偶次谐频幅值的均方根值的比值，即：

式中 A2i为信号50 Hz偶次谐波幅值；A2i－1为信号50 Hz奇次谐波幅值；N为2 kHz范围内信号50 Hz谐频数量。

测量直流偏磁前后1 h内变压器的噪声与振动信号变化过程，并计算相应特征参数。变压器噪声与振动信号奇偶次谐波比特征随时间变化过程如图8所示。

图8 主变噪声、振动信号与特征量对应关系Fig.8 Corresponding relationship of transformer noise，vibration signals and characteristic parameter versus time

图中，实线为特征参数变化曲线，虚线为实际噪声与振动信号变化曲线。由图中可以看出，前30min未发生直流偏磁时，特征参数值一直处于较低水平，30 min后变压器噪声、振动以及特征参数均急剧增大，此时地铁运行导致直流偏磁现象产生，并且在30 min～40 min之间噪声与振动水平尚且较低时，特征参数已开始出现显著变化。与噪声信号相比，振动信号不受外界因素干扰，其特征参数变化与直流偏磁状态具有更好的一致性。由此可以看出，所提取的特征参数与变压器噪声及振动信号除部分细节外具有相同的变化趋势，能够准确地反映出直流偏磁的变化过程。