一种分析变压器噪声异常原因的简易方法

朱 玲，李春先

（中山ABB变压器有限公司，广东中山 528449）

0 引言

近年来，随着城市化的发展，城市用电负荷密度大大增加，变电站的位置也逐渐从郊区走进了城市边缘，甚至在城市内部。相应的，变压器作为变电站的主要设备之一，与变电站周围人群密切相关的噪声水平进入人们的视野。早期的变压器噪声为空载噪声远大于负载声，负载噪声的贡献基本可以忽略，所以变压器的噪声要求主要针对空载噪声。近10多年来，硅钢片的性能和工艺快速发展，目前负载噪声与空载噪声大于或等于空载噪声，这说明负载噪声的作用已经不能忽略。变压器在现场运行过程中不可避免会出现各类异常的噪声，需要及时判断出是来自空载异常还是负载异常噪声，这样才有相应的措施进行检查和解决。基于变压器的噪声是以50 Hz基波为基准，不同原因造成的噪声异常是有固有频率的，例如部件松动造成的机械噪声通常为100 Hz，这样就可以通过在现场对变压器录取音频，再通过傅立叶变换提取噪声的特征频率，根据已有经验判断导致变压器噪声异常的可能原因。这一方法可以帮助现场运维人员快速进行判断，不需要进行电压谐波、电流谐波的检测，或者吊罩进行检查等，为检修方向提供大大的便利，节约大量的人力物力。本文介绍了利用这一方法快速判断出变压器噪声异常是由于中性点直流偏磁引起的实例。

1 变压器噪声产生的部件及主要频率

1.1 空载下产生的噪声

变压器空载状态下，铁芯噪声是变压器噪声的主要源头。铁心产生噪声原因是构成铁心硅钢片交变磁场作用下会发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率变化做周期性振动，铁心磁致伸缩变形。硅钢片接缝处存在磁通畸变导致磁密变化引起的铁芯振动噪声。另外，铁芯叠片之间的缝隙大小、几级接缝和夹件对铁芯的压紧力等都会对铁芯噪声产生影响。铁芯产生的噪声主要与变压器容量大小、设计磁密、硅钢片的选型、现场电压的畸变率和中性点是否有直流注入等相关。铁芯的设计磁密在1.7 T以上的噪声有显著增加的迹象，特别是当铁芯磁密接近1.8 T以上会出现特别尖锐的空载噪声[1]。

1.2 变压器负载下产生的噪声

变压器负载状态下，除铁芯噪声外，还会增加绕组噪声、油箱（包括磁屏蔽等）及冷却装置振动产生的噪声。变压器线圈在负载电流和漏磁通的共同作用下产生电磁力，电磁力与电流的平方成正比，导致绕组导体间产生电磁力引起绕组的振动。漏磁通引起油箱壁（包括磁屏蔽等）振动引起的负载噪声。对于风冷或强油冷却的变压器，变压器噪声还与风机和油泵的噪声有明显的相关性。变压器负载主要来自线圈和油箱壁，线圈噪声受线圈布置方式的影响，振动小的线圈布置在最外层，有助于屏蔽噪声。另外，线圈噪声还与其本身的压紧程度相关，线圈压得越紧，其与绝缘件之间的摩擦力就越大，在电磁力的作用下振动就越小，产生的噪声越小。在油箱增加加强筋改变油箱强度比单纯地增加油箱厚度对负载噪声的降低更加明显，另外在油箱的加强筋中灌入石英砂，可以明显减少油箱壁的振动，降低油箱由于电磁力或共振引起的负载噪声。

1.3 变压器正常噪声的频率

变压器和电抗器的噪声源及其特点，变压器在空载状态的噪声主要来自铁芯磁滞伸缩引起的噪声，磁滞伸缩是一种尺寸变化现象，在某些材料中已观察出，当其磁密达到某个典型值时，其尺寸发生较明显的变化。这种变化与硅钢片本身结晶轴有一定的相关性。在正弦波磁通励磁下，尺寸变化的基波频率为励磁电压频率的二倍，对正弦波下的噪声进行频谱分析，频谱中将会看到一些等于励磁频率偶数倍（（2倍频）100 Hz、（4倍频）200 Hz、（6倍频）300 Hz、（8倍频）400 Hz……）的频率。如果是磁通中有直流偏磁，例如测量绕组直流电阻残留的剩磁，或者在负载电流中存在着直流分量，这些会导致硅钢片的磁滞伸缩出现非线性，从而导致铁芯的振动加大。在每个周期内，振动频谱中会显示出峰值明显的奇数倍频率的频谱[2-3]。

由于变压器负载电流建立的磁场是交变的，因此在线圈上产生的电力既有沿线圈轴向的，也有沿线圈幅向的。绕组中的电磁力与负载电流的平方成正比，由振动体发出的升功率与振动速度的平方成正比，因此由负载电流谐波引起的声频谱中的各频率值分别为2倍的各电频率和任意两个电频率之和以及它们之差，这些谐波电流下的声级对变压器的现场运行噪声有显著的影响。

2 变压器现场噪声异常原因分析

2.1 频谱分析法

通过傅立叶变换把变压器现场噪声从一个复杂噪声信号转换为较简单的信号。通过手机或其他录音设备在变压器现场录制一段声音，然后通过频谱分析软件对这一段声音进行频谱分析，得出不同频率下的声音幅值。通过与典型的变压器噪声频谱进行对比，可以分析判断变压器现场噪声异常的可能原因[4]。

2.2 变压器现场噪声的可能原因

变压器在现场出现噪声异常的情况比较普遍，特别是运行5年以上的变压器，也有一些变电站原来是建设在郊外的，由于城市化发展比较快，变电站已在居民区周围。对于现场出现的变压器异常噪声，需要快速地进行判断可能产生的原因，给运维一个检查维修的方向。变压器现场噪声的可能原因如下：

（1）个别零件松动，造成的锤击或刮大风的声响，如“当当当”或“呼呼呼”的声音；

（2）铁芯故障引起，如铁芯接地不良引起放电的劈裂声；

（3）局部严重过热引起的油沸腾会发出水开了一样的“咕噜咕噜”声；

（4）外界天气影响造成的放电声，如下雨天、大雾天造成套管出电晕放电，如“嘶嘶”或“嗤嗤”的声音，夜间可见蓝色小火花；

（5）负载为电容性负载引起的容升效应，导致二次侧电压升高，铁芯过饱和引起的尖锐声音；

（6）变压器周围存在直流设备，如地铁、换流站等引起的变压器中性点注入直流，导致铁芯直流偏磁的声音等[5]。

2.3 一起变压器现场噪声异常的频谱分析

对现场反馈的一起变压器噪声异常进行频谱分析，并与正常变压器噪声的频谱结果进行对比。通过对比发现，该变压器噪声异常可能是由于存在直流偏磁引起的。如果磁通有直流偏磁，例如在之前的因测量绕组直流电阻而残留了剩磁或者在电流中含有直流分量，都会使正、负极性下的磁滞伸缩峰值明显出现差异，这时在噪声的频谱分析中出现明显的励磁频率奇数倍（（3倍频）150 Hz、（5倍频）250 Hz、（7倍频）350 Hz、（9倍频）450 Hz……）的频谱[6]。

从现场噪声的频谱分析来看，其具备如下几个特点：

（1）噪声存在一些波动，通常是由于负荷变化或者中性点直流变化引起的；

（2）奇数次频谱比较明显（3、5、7、9倍频），通常是由铁芯剩磁或者电流中有直流分量引起的；

（3）低压如果带大容量的电容补偿或SVC，容升效应容易引起首端电压升高，导致变压器磁密升高，噪声增大[7]。

图1 正常噪声的频谱分析

图2 现场噪声异常的频谱分析

直流分量可能是由如下原因产生的，需结合变压器站周围的环境进行判断。

（1）直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。

（2）城市轨道交通。大城市的地铁、轨道交通和一些矿山小火车大多采用直流电驱动车辆，这些轨道交通的直流电源用大地作为其中的一极，类似直流输电的单极运行，对城市的110 kV以上的变压器造成直流偏磁。其值一般比较小，波动频繁；持续时间与城铁运行时间同步。

（3）太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”[8]。

2.4 变压器现场噪声异常的常用解决方案

对于现场运行噪声异常，在进行频谱分析，通过检查后，可根据情况采用如下方案进行处理：

（1）检查是否为外部结构件松动引起的，重新紧固结构件或者在松动位置增加橡胶垫减震；

（2）检查铁芯接地是否良好，或者并联运行的多台变压器中性点是否同时接地，导致环流[9]；

（3）增加滤波装置，滤除负载中存在电流或电压谐波；（4）增加中性点隔直装置，防止由于中性点直流注入引起的中性点直流偏磁引起噪声偏大；

（5）如已运行多年的变压器不满足周围居民的要求，可在变压器周围增加隔音屏降低噪声等[10]。

3 结束语

本文介绍了变压器噪声产生的原理和可能导致变压器现场噪声异常的原因，基于不同原因的噪声异常都有特征的频谱，提出了通过现场简易录音，导入音频分析软件提取噪声特征频谱和对应幅值的方法。通过现场特征频谱与典型噪声频谱对比，不需要对变压器入箱检查，测量电流谐波或直流电流等复杂耗时的工作，简易、快速判断现场引起变压器噪声异常的可能原因，为解决变压器噪声异常提供检查方向，并提出了相应的解决方案。