基于直流偏磁影响下变压器本体振动与噪声的在线监测

马 海 周力行

（长沙理工大学，长沙 410114）

由于我国“西电东送”的电源与负荷中心相距较远，在今后的若干年，将是我国直流输电工程大量建设的时期。然而出于经济性考虑或者检修、调试需要，高压直流输电（HVDC）会较多地采用单极大地回流的运行方式，高达上千安培电流入地。大部分直流线路的落点选在广东、江浙和华北等负荷集中地区，而这些地方交流输电网络密集，如果不采取措施，直流以大地为回路运行时将会对交流系统造成更大影响。

原因是直流输电系统有时必须以大地为回路运行，此时地中直流电流通过中性点接地变压器绕组和输电线路在交流系统中构成回路，从而有直流电流流过变压器，过大的直流会造成变压器偏磁。当电力变压器发生直流偏磁时，由于励磁电流幅值和谐波分量的增加，所在电力系统电能质量将受到一定的影响，整个系统的无功消耗也将出现不同程度的增加。而长时间的大量无功损失会使得系统电压出现跌落，无功补偿装置过负荷，严重时还有可能引发保护性跳闸，造成系统电压崩溃。与此同时，在电力变压器内部，大量磁链在过饱和的铁心外闭合，变压器本身会出现振动加剧、噪声升高、局部过热甚至绝缘受损等现象[1-2]。如2003年12月起，大亚湾核电站主变不时出现噪声异常情况，通过与调试负荷情况进行跟踪和对比分析，发现主变噪声增大与地中回路电流之间存在着明显相关性[3]。

因此，为了能给出变压器直流偏磁电流耐受值的基础数据，就必须对直流偏磁下变压器的噪声和振动进行在线监测，用来监测变压器中性点流过的直流电流和变压器的振动情况，以便及时反映变压器受到的直流偏磁影响情况，保护变压器安全运行。本文所引述的监测系统具有测试频带宽、测量精度高、抗干扰能力强等优点，可适应较为恶劣的工作环境，甚至可以在 120℃的高温条件下进行工作，并可连续示波和采集，可进行三维采样，即同时进行示波、采样和实时频谱分析。

1 监测系统

本文所引用的变压器振动与噪声实时监测系统由前置部分的信号采集模块与后台处理部分模块所组成（图1）。前置机由振动传感器与噪声探头组成，采得的实时信号经数据采集和滤波，形成数字信号由后台计算机进行显示、储存和分析。该系统选用了灵敏度高、稳定性高、工频范围宽、外形灵巧并能适用于强磁场环境下进行测量的加速度振动传感器测量振动[4]。传感器的频率范围大约是 0.2Hz～1.5kHz，灵敏度为100pc/ms2，加速度范围大概为200G，工作温度适用于常温；它通过磁力座吸附在变压器壁上，与噪声传感器类似，将瞬时振动加速度信号和瞬时声压信号成正比关系转换为电压信号，再利用数据采集仪与数值滤波技术，通过计算机控制实现对振动和噪声数据的采集和分析。将现场的工控机与主控室的主机进行联网，从而实现远程控制和监测。

图1 系统结构

该系统支持长时间大容量定时自动采样，可自由设置采样间隔和采样长度，从而实现在线监测功能（图2）。并且设置了原始文件保存的阈值，可自动剔除不重要的测试数据，大大减小了数据量。此外还可以进行时域波形的分析，浏览时也可滚动回放，应用4种方式快速定位到波形任何位置，同时针对各个测点的全程波形进行若干种时域指标的统计频谱分析，并对采集到的原始数据文件进行 FFT分析。

图2 信号采集系统显示界面

2 监测方法

2.1 监测原理

基于直流偏磁对变压器噪声的影响和变压器本体振动与噪声间的关系[2-5]，本方案是通过测量变压器油箱表面的振动信号来反映出变压器绕组及铁心的状况，这是由于变压器绕组及铁心的振动与绕组、铁心的压紧状况，绕组的位移和变形密切相关[6]。或者也可以通过在电力变压器表面进行瞬时声压测量来实现对电力变压器运行状态的监测。

本方案还能及时反映出直流偏磁给变压器运行带来的影响。其机理是直流磁通分量使得铁心励磁工作点在半个周期进入励磁特性曲线的饱和区间，造成铁心高度饱和。进而导致变压器励磁电流峰值急剧增加以至整个电流波形的严重畸变，比平均磁通相对应的电流大几十倍甚至几百倍。因此励磁电流谐波分量增大，导致漏磁通增加，匝间电动力变强，最终导致变压器振动增大，噪声增大。假若长期连续的过大振动以及由于漏磁增加导致的局部机件的过热，可能对变压器的紧固件等产生不利影响[7]。

2.2 监测方案

1）传感器和测点的选择

首先本文选择的是压电晶体加速度传感器与声压探头，具有性能稳定，频率响应特性好等特点，并能适用于复杂的现场环境。然后是对于测点的选择，应在实际的监测前通过不断的尝试，选择那些可以清楚地反映出变压器器身振动幅值的变化，具有非常清晰的频谱的测点进行传感器的安装。同时，在变压器侧面约中点处布置噪声传感器，因为这面截面积最大，相应的噪声测量起来也最为明显。所以，本方案选择了8个位置不同的测点（图3）。

图3 探究性监测布点位置示意图

点1布置在变压器长度方向表面箱壁的正中间，可直接反映出变压器内部振动。

点2布置在突出壳体上，与1对比有更大振幅，可反映壳体对振动幅值和频谱的影响。

点3与点1的监测结果进行对比，观察变压器本体振动对表面不同位置的影响。

点4布置在变压器的下部，部分地反映出变压器箱体上部上下方向的振动。

点5布置在变压器中上部，部分反映变压器箱体上部上下方向的振动情况，相比于点4，变压器上部受振动冲击的响应幅度要大于变压器下部。

点6布置在变压器宽度方向平面上突出的壳体上，考查该方向上箱体表面的振动，用来反映另外一个方向变压器本体振动。

点7考查该平面上非壳体部分的振动，考察壳体对于振动的影响，也可形成类似点1和点2类似的对比。

点8布置在冷却系统上，用来考察冷却系统的振动频率。

2）监测步骤

在确定传感器位置后，进行3～10天的无直流偏磁条件下的振动与噪声的监测，得到无直流偏磁条件下变压器振动波峰的最大值和最小值，了解铁心引起的振动范围的上限，以及绕组和铁心振动叠加后引起的上限，为故障时的判断打下良好的数据基础。不过在线监测时不建议大量采样，以避免数据处理时速度过慢和不易处理的情况。所以建议每3～5min采样一次，每次采样时间为0.2s，尽量缩小长度。然而又考虑到变压器出现故障的表现为振动增大，结合国外采用的20%变化判断准则[8]，设定每路信号常规监测最大值的120%为数据采样的阈值。再通过一段较长时间的监测，就可确定测点振动的波峰最大值最小值，以及各次频谱的基本信息。

3 信号的采集与分析

在湖南衡阳变压器厂开展了240MVA/500kV大型电力变压器的直流偏磁试验，对不同直流偏磁电流作用下的噪声、振动进行了全面的波形的在线监测。为尽可能真实的反应出频谱图，设定了高采样频率，但由于篇幅所限，下面例举了其中3个测点的波形图，都由时域图和频域图组成见下图 4，测量参数为振动加速度a，单位m/s2。

3.1 常规条件下振动波形监测

图4 其中3个测点振动时域波形与频谱分析

在测点1，油箱壁振动的时域波形清晰稳定且表现出了非常明显的周期性。峰值在10m/s2左右，油箱壁振动频谱基本集中在 1kHz以内，在 200～500Hz的频率范围内最为明显，而1kHz以上的高频分量则基本可以忽略。

测点2振动峰值接近25m/s2，明显大于紧贴在油箱壁上的测点1的振动幅值，而波形也更加规律而稳定，在400Hz的频率上幅值占有绝对的优势。

测点3与测点1距离很近，但是在频谱上还是有了一定的变化，300Hz突出出来，但1kHz的频带范围仍然符合的很好。

测点4测量变压器本体上下方向的振动。从所得波形看，上下方向振动幅值与点1监测结果类似，峰值在5m/s2左右，以50Hz的频率为主。反映出了变压器壳体的复杂结构对于油箱壁的振动形式存在着影响。

测点5仍是50Hz为主，但幅值较点4小很多，受箱体表面机械结构影响较大。

测点6频谱在150～400Hz频段内集中了很多。这个是另外一个方向的振动情况。幅值上也相应增大了些。但明显不规律了很多，说明不同位置在反映变压器本体振动时受与铁心及绕组距离和箱体表面的接卸结构有关。

测点7反映出壳体的振动波形规律性更为明显，且频谱相对集中度较高，大概在400Hz左右，而这部分的振动对于噪声的贡献也最大。

测点8为冷却装置的振动波形，振动幅值在7m/s2左右，50Hz基频对应的幅值占据绝对优势。

噪声的频谱与振动频谱在频率范围内有很好的契合，明确了振动与由其引发的噪声在频率上的对应关系。另外，测点1和测点2的振动位置对噪声的贡献最大，这在400Hz附近的频率范围内反映非常明显。

3.2 直流偏磁条件下振动波形监测

本文以测点3为例，对比其在有无直流偏磁情况下的波形图。图5左边是无直流偏磁时振动时域及频谱曲线，没有直流偏磁时，波形相对规律、平缓，上下对称性好。

图5右边是直流偏磁出现时，波形变得杂乱，且受变压器结构影响较大，上下波形出现了明显的不对称。而且高频分量大幅增加，500～1000Hz谐波有均匀而稳定的增大，甚至在原本可以忽略的1～1.5kHz的频段也出现了相应的高次谐波。

图5 有无直流偏磁时振动时域及频谱曲线

并且随着流入交流变压器中性点的直流偏磁电流的增加，交流变压器的振动呈线性增加趋势如图6所示。直流电流每增加1A，振动幅值增加1.2g左右，在直流偏磁为0时，振动幅值在2.1g左右。由于噪声与振动是同步变化的[9]，因此噪声的变化趋势与振动类似（图7），在某种程度上也肯定了将噪声监测作为振动辅助监测的手段。

图6 直流偏磁电流对变压器的振动的影响曲线

图7 直流偏磁电流对变压器的噪声的影响曲线

4 结论

1）直流偏磁时，出现580～1.5kHz频率范围内的高次谐波，振动幅值也有明显的上升。振动幅值与偏磁电流呈线性增加趋势。

2）从测点选择方法、监测思路及监测结果评价等多方面系统研究了变压器振动与噪声监测方法，为系统开展变压器振动和噪声的研究，分析变压器可能存在的故障提供了依据。

3）直流偏磁使变压器的振动波形变得非常不规律，另外箱体表面不同位置处振动幅值和频谱相差很大，从而要求在监测点确认时需要有更多的考虑和设计。

4）不同情况下直流偏磁及其产生的振动噪声异常均不同，包括变压器的容量结构、运行方式、甚至地区的电网结构、磁暴发生情况、地区土壤电阻率的差异等原因。所以需要在测点建立完善的监测系统，长期积累监测数据，才能够准确有效地分析直流偏磁对电网设备及其运行的影响。

[1]顾晓安,沈密群,朱振江,等. 变压器铁心振动和噪声特性的试验研究[J].变压器,2003,40(4):1-4.

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[3]金兆伟,李洪友.变压器噪声异常现象分析[J].变压器,2009,46(12):54-57.

[4]陆兆峰,秦旻,陈禾,等.压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究[J].仪表技术与传感器,2007(7):7-10.

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[6]朱德恒,严璋,等.电气设备状态监测与故障诊断技术[M].北京:中国电力出版社,2009.

[7]侯永亮.高压直流输电过程中变压器直流偏磁现象的研究[D].保定:华北电力大学,2006.

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