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為了解決能源供應(yīng)、生態(tài)環(huán)境和電網(wǎng)安全等問題，我國大力建設(shè)特高壓骨干網(wǎng)架，在“四交五直”的基礎(chǔ)上，先是加快建設(shè)“五交八直”特高壓工程，接著又于2018年開工建設(shè)“十交兩直”，不斷進(jìn)行特高壓網(wǎng)架的加強(qiáng)和完善工程。特高壓變壓器是特高壓工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，然而采用由單相自耦變壓器組成的大容量變壓器更容易受到偏磁直流電流的影響。

變壓器直流偏磁現(xiàn)象主要是由高壓直流輸電單極大地回路運行侵入交流系統(tǒng)中的直流電流、太陽磁暴引起的地磁感應(yīng)電流和由逆變器、控制器等電力電子器件帶來的流入電網(wǎng)中的直流分量等導(dǎo)致變壓器繞組中流入了直流電流。

直流流入變壓器后將在鐵心中產(chǎn)生直流磁通，導(dǎo)致變壓器鐵心半周飽和、勵磁電流嚴(yán)重畸變、消耗大量無功功率、振動噪聲增加等一系列問題。其中，貴廣直流輸電線路中，在進(jìn)行單極大地回線運行時，春城站主變壓器中性點流入直流達(dá)34.5A，噪聲由采用單極金屬回線時（直流不足0.5A）的74.5dB升至93.9dB。

由直流偏磁造成的振動噪聲問題逐漸引起人們的重視，變壓器的振動噪聲嚴(yán)重影響了人們的正常生活及身心健康。機(jī)械振動性能也是評估變壓器工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)之一，長期異常振動下的變壓器會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)松動、機(jī)械強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時還會造成結(jié)構(gòu)件磨損和絕緣強(qiáng)度降低，埋下安全隱患。

然而，目前直流偏磁的研究主要集中在直流偏磁下的電磁特性研究上，如直流偏磁時鐵磁材料磁特性的測量、勵磁電流的計算、變壓器的飽和特性研究和直流偏磁的抑制等，而對直流偏磁下的振動噪聲特性的研究還相對較少。

變壓器的振動主要來源于硅鋼片磁致伸縮帶來的鐵心振動、硅鋼片接縫處和疊片處因漏磁產(chǎn)生的電磁力引起的鐵心振動、繞組中由電流通過時產(chǎn)生的電磁力造成的繞組振動和冷卻裝置振動。其中，在空載以及輕微負(fù)載情況下，變壓器的振動主要來自鐵心的磁致伸縮。國內(nèi)外許多學(xué)者都對磁致伸縮的特性及建模進(jìn)行了廣泛的研究。

然而變壓器結(jié)構(gòu)件復(fù)雜，在振動傳遞過程中，難以通過現(xiàn)有的模型準(zhǔn)確地對變壓器的振動狀態(tài)進(jìn)行評估，尤其是大型變壓器，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，溫度變化更大，精確的直流偏磁振動特性的評估光靠小容量變壓器試驗以及仿真分析難以實現(xiàn)。因此進(jìn)行大型變壓器的直流偏磁試驗具有重要的意義，現(xiàn)場采集的振動噪聲數(shù)據(jù)對大型變壓器直流偏磁下的振動噪聲研究起重要作用。

然而關(guān)于大容量變壓器的直流偏磁試驗主要集中在電磁特性方面，對振動噪聲的研究還相對較少，關(guān)于變壓器直流偏磁下的振動噪聲機(jī)制分析比較匱乏，作為特高壓變壓器在直流偏磁程度下的電氣及振動特征，仍需進(jìn)行更深的探究。

華北電力大學(xué)等單位的研究人員首先研究了磁致伸縮特性與磁化強(qiáng)度和直流偏置電流之間的關(guān)系。并利用兩臺相同參數(shù)的250MV?A/500kV單相三柱式變壓器構(gòu)成直流偏磁試驗回路，分別進(jìn)行空載和負(fù)載下的直流偏磁試驗，對變壓器直流偏磁下的電氣量、振動和噪聲進(jìn)行了測量，分析研究直流偏磁下振動與噪聲的變化趨勢、分布規(guī)律和頻譜特征。分別對比了空載和負(fù)載運行時不同直流偏置電流下的振動噪聲特性。

圖1 變壓器直流偏磁試驗接線圖

通過分析試驗數(shù)據(jù)，科研人員得出以下關(guān)于直流偏磁對變壓器振動噪聲影響的結(jié)論：

1）直流偏磁致使變壓器鐵心飽和，導(dǎo)致勵磁電流幅值大幅增加，空載運行時，當(dāng)注入直流為3A時，勵磁電流峰值增幅達(dá)32倍。負(fù)載運行時，當(dāng)注入直流偏置電流為2.25A時，低壓繞組電流中產(chǎn)生了大量的2次、3次、4次、5次諧波，其占基波的比值分別從無直流時的1.40%、0.39%、0.57%、0.46%增加至注入2.25A直流后的5.76%、5.59%、2.40%、2.16%。

2）隨著直流偏置電流的增加，變壓器振動加劇，空載運行時，油箱表面中部偏上區(qū)域受直流偏磁影響較大，其中側(cè)面振動加速度峰值從無直流時的1.5m/s2上升到3A直流時的22.6m/s2，增幅達(dá)15倍。而負(fù)載運行時，同測點的振動加速度峰值從無直流時的0.1m/s2增加到2.25A直流時的10.3m/s2。通過對比不同區(qū)域測點發(fā)現(xiàn)，變壓器油箱上部區(qū)域振動程度明顯大于下部區(qū)域；鐵心主柱附近區(qū)域振動程度明顯大于鐵心旁柱附近區(qū)域；變壓器油箱正表面和側(cè)表面振動程度相差不大。

3）變壓器噪聲水平隨著直流偏置電流的增加而上升?？蛰d情況，從無直流偏磁時的66.1dB到3A直流時的83.8dB，增加了17.2dB，噪聲聲壓級隨著直流偏置電流增加呈先快速增加后逐漸飽和的趨勢。在50%額定電壓的負(fù)載情況下，噪聲從無直流時的39.7d增加至2.25A的77.5dB，增加了37.8dB，還未出現(xiàn)飽和趨勢。根據(jù)我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10088—1999中對變壓器噪聲水平的要求，針對容量為240MV?A，冷卻方式為油浸風(fēng)冷式ONAF類型噪聲水平應(yīng)不超過87dB，本試驗中直流偏磁程度所達(dá)到的噪聲水平未超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

以上研究成果發(fā)表在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“直流偏磁下500kV單相變壓器振動噪聲的試驗研究”，作者為李冰、王澤忠 等。