探究不同负载对干式变压器电磁振动的影响

张灿辉

（海南金盘智能科技股份有限公司）

0 引言

现代科学技术不断发展，逐渐增加了城市用电量，由于干式变压器具有较低的损耗，并且体积比较小，维护过程非常简单，再加上具有安全性和可靠性优势，因此在市区内广泛利用干式变压器，但是干式变压器连续性运行将会产生噪声问题，因此制约干式变压器发展和应用。当前在系统中接入非线性负载，需要研究不同负载对于干式变压器电磁振动的影响。干式变压器主要振动源为铁心和绕组，其中在变压器空载状态中，硅钢片磁致伸缩效应将会引发铁心振动，而负载引起的绕组振动的主要作用力为洛伦兹力。近些年不断发展电力电子技术，在电力系统中开始广泛利用整流器和变频器等非线性设备，综合分析不同负载类型，分析变压器电磁振动，有利于进一步优化干式变压器设计，保障干式变压器运行过程的安全性。

1 不同负载对干式变压器电磁振动影响分析的背景

当前我国已经进入到互联网时代，推动了科学技术不断发展，我国电力行业也迎来新的发展空间，不断扩大城市建设规模，社会各界对于我国用电行业也提出更高的要求，不断增加用电量之后，相关技术人员需要不断创新相关技术和设备，由于在用电行业中干式变压器的损耗降低，同时具有较高的安全性，因此在城市电力行业中广泛利用。虽然干式变压器具有较多的优势，但是干式变压器运行过程中也存在不足之处，尤其需要针对噪声问题改善干式变压器[1]。

在非线性负载发展过程中，为干式变压器改进工作提供机遇，在干式变压器中广泛利用非线性负载，因此需要研究不同负载对于干式变压器电磁振动的影响。在干式变压器空载状态中，铁心振动主要原因是硅钢片的磁致伸缩效应。干式变压器运行过程中产生电磁振动噪声，是因为干式变压器组件的自耦变压器的铁心磁通密度比较大，从而引发电磁振动噪声。如果干式变压器绕组发生短路故障，需要对比分析干式变压器正常状态下的绕组受力，虽然可以改善干式变压器，但是当前研究人员主要是研究干式变压器短路故障中的绕组受力和稳定性等问题，没有充分研究负载变化引发的干式变压器振动噪声问题，因此降低了干式变压器发展速度。我国电力行业不断发展，也逐渐增多了负载类型，对于干式变压器工作过程中产生的影响也不同。同时在电力行业中广泛利用各种整流器和变频器等非线性电力设备，因此在改良和完善干式变压器的过程中需要综合考虑负载状态，而负载状态直接影响到干式变压器运行情况。本文主要分析空载和阻性负载以及非线性负载等不同情况下干式变压器电磁振动现象，提出针对性的改进措施[2]。

2 不同负载对干式变压器电磁振动的影响

（1）空载运行

干式变压器在空载运行状态中，空载电流值是额定电流的0.05倍，因此可以忽略绕组振动，这时主要振动源为铁心。而干式变压器空载状态中铁心振动的主要原因是硅钢片的磁致伸缩。

铁心被磁化后，将会向磁化方向伸长，并且在磁化方向垂直方向进行伸缩，而且磁致伸缩将会改变铁心磁导率。在固体力学中，机械系统接地单振动一方面包括阻尼自由振动，这是系统的固有振动，随着时间的增长将会产生衰减状态。另一方面包括外力引发强迫振动，不会随着时间增长产生衰减，而且和外部作用力的频率具有一致性，通过外力分析可以将系统振动情况反映出来。

对比磁感应强度频率，变压器铁心磁致伸缩力比较大，在空载状态中，励磁电压和感应电动势具有一致性。根据下式可知励磁电压频率就是磁感应强度频率，因此磁致伸缩力是励磁电压频率的二倍。再加上铁心振动可以体现出磁致伸缩力，如果铁心振动频率和磁致伸缩力频率是相同的，当工频50Hz电压励磁，铁心振动频率是100Hz[3]。

式中，N代表线圈绕组匝数，S代表铁心柱横截面积。

（2）阻性负载

干式变压器运行过程中，绕组间磁场无法实现耦合，电流流经干式变压器绕组之后，在绕组周围将会产生漏磁现象。干式变压器绕组处于空间漏磁场中，在漏磁场影响下，通电线圈将会产生动态变化的作用力，这一作用力也是干式变压器绕组振动的驱动力。因为漏磁空间的磁阻是常数，和励磁电流之间呈现出线性关系，忽视绕组涡流效应，可以确定绕组上的洛伦兹力正比于负载电流二次方，其中静态力主要是针对绕组产生静态作用，不会影响到绕组周期振动。

干式变压器在阻性负载运行过程中，增大负载电流之后，将会增大一次侧绕组电流。因为变压器两侧电流产生相反的磁通，因此不会改变干式变压器铁心的主磁通，换一句话说，干式变压器在负载运行状态中，磁致伸缩特性和空载状态具有较大的相似性[4]。

（3）非线性负载

在非线性器件的开关元件具有非线性特征，如果这些非线性器件作为变压器负载，一方面会吸收基波功率，同时会转换一部分基波功率为谐波功率，并且会产生谐波电流，向干式变压器供电端反馈谐波电流。叠加基波和谐波之后，将会引发正弦波形畸变，同时会产生电磁作用力，并且在不同程度上影响到铁心和绕组。高次谐波含量不同也会产生不同的振动贡献值。由于电流基波分量幅值大于高次谐波的分量，因此振动频谱的二倍频将会发挥出主导作用。

将谐波电流引入到非线性负载之后，在绕组中将会产生谐波磁动势，同时在铁心中产生交变谐波磁通，因此引发主磁通波形畸变，铁心的磁致伸缩特性也会因此发生改变。在铁心振动频谱当中，不同的磁波成分也会产生相互影响，因此绕组振动和铁心振动都会产生奇次谐波分量和偶次谐波分量，这时二倍频属于主振频率[5]。

3 计算和测量分析

（1）数值计算和结果分析

因为干式变压器结构非常复杂，本文进行简化，利用多物理场仿真软件建立变压器三维模型如下图所示，1~7是主要测量点。

图 变压器三维模型

铁心和空载电压呈现出正比关系，而绕组和负载电流幅值之间属于正比关系。如果铁心振动幅度大于绕组，并且铁心趋于饱和，那么将会产生剧烈的振动，因此在研究振动影响最大的负载情况，需要考虑铁心振动情况。如果非线性系统中包含非线性器件，通过实验测量，可以确定谐波分量通常为奇次，通过基波和谐波叠加仿真不同的谐波作用，铁心受力包括磁致伸缩和电磁力，基波地接单次谐波之后，将会明显增大应力张量，并且在100Hz部位各个应力张量将产生最强作用，在200Hz部位，基波和谐波的作用力呈现出最高峰，说明产生明显的影响作用[6]。

（2）分析振动测量和结果

变压器振动测量系统包括振动信号采集和数据分析以及变压器样机，在测量过程中，利用两通道振动和加速度传感器进行测量工作。升高空载电压之后，将会增大铁心振动加速度，因为磁致伸缩非线性和铁心磁通路径以及环境噪声等会引起频谱谐波。同时可以低估升高负载电流之后，也会随之变大绕组振动加速度，可以确定绝缘材料非线性力学特征直接关系到谐波成分，增大变压器额定容量之后，如果高频分量比较小，那么变压器额定容量也会随之减小。综上可以确定100Hz是主振频率，这也是周期振动。

绕组振动加速度幅值增量并不明显，对比铁心，幅值变化量比较少，而且没有改变振动频率。分析不同负载电流下绕组振动，可以确定在绕组振动频谱中，增强高次谐波频率下的振动，并不是因为负载电流幅值增大，同时可以确定谐波电流和基波电流相互作用下，产生的附加作用力可以增强绕组振动。因为负载电流形成的洛伦兹力在绕组上直接产生作用力，作用谐波电流直接影响到绕组振动变化。总之对比铁心磁通的畸变程度，绕组电路的畸变程度更低一些[7]。

因为发生共振之后即使外作用力比较小，也会产生大振幅的振动。变压器铁心转动幅值发挥着重要的作用，直接影响到变压器噪声水平。如果铁心和结构部件特征频率接近于磁致伸缩振动的频率，铁心将会产生共振，并且会大幅度提供噪声水平，因此需要避免铁心结构发生共振，这样有利于控制噪声。此外可以利用滤波设备削弱谐波成分，有利于降低变压器铁心谐波磁通，因此控制变压器振动噪声。

4 结束语

本文分析了不同负载对干式变压器电磁振动的影响，并分析了干式变压器噪声产生的原理，对振动噪声问题改善提供参考，推动干式变压器可持续发展，可以在用电行业中充分发挥出干式变压器的优势，满足市场电力需求量。