基于高次電流諧波對主變運(yùn)行異響研究

張 隆，楊志平，黃偉華，葉運(yùn)棲，林松輝

(廣東電網(wǎng)公司 河源供電局，廣東 河源 517000)

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷增大和直流輸電、特高壓輸電的興起，電網(wǎng)的運(yùn)行方式變得多樣且復(fù)雜[1]。同時，隨著供電負(fù)荷容量越來越大及種類越來越多，變壓器的運(yùn)行噪聲問題變得更加嚴(yán)重，變壓器噪聲異響問題越來越突出[2]。

運(yùn)行中變壓器振動主要包括鐵心和繞組的振動，多個振動源共同作用產(chǎn)生異響[2-4]。磁致伸縮力和疊片間交變電磁力共同作用引起鐵心振動，交變的電磁力導(dǎo)致繞組振動,振動通過變壓器油、夾件、墊木衰減傳播至外殼，產(chǎn)生噪聲[5-7]。變壓器鐵心的噪聲和振動特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁密在1.3～1.9 T范圍內(nèi)時，噪聲大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系[8-9]。在交變磁場中，垂直于磁場方向的鐵磁材料尺寸相應(yīng)減小，平行于磁場方向的鐵磁材料尺寸相應(yīng)增加，即稱為磁致伸縮[10-11]。在交變磁場作用下，磁通飽和的鐵磁材料產(chǎn)生磁致伸縮，周期性變化的磁場導(dǎo)致鐵心周期性的振動[12-13]。隨著供電負(fù)荷容量越來越大及電能質(zhì)量問題的凸顯，高次諧波電流對其他用戶電氣設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，同時，高次諧波電流注入電網(wǎng)，加速變壓器磁屏蔽回路飽和，產(chǎn)生磁致伸縮噪聲，給變壓器運(yùn)維帶來不確定因素[14]。

1 異響機(jī)理

導(dǎo)磁性材料在磁通變化的作用下形狀和體積的改變稱為磁致伸縮。當(dāng)導(dǎo)磁性材料磁通量還未達(dá)到飽和時，形狀的改變量主要體現(xiàn)在長度的變化上，稱為線磁致伸縮；當(dāng)導(dǎo)磁性材料磁通達(dá)到飽和后，其形狀的改變主要體現(xiàn)在體積的變化上，稱為體積磁致伸縮。典型鐵材料的磁致特性如圖1所示。

圖1 鐵的磁化曲線和磁致伸縮曲線

圖2為變壓器的三相五柱鐵心結(jié)構(gòu)，空載運(yùn)行時的變壓器，一次繞組在電壓源u=u0sinωt的激勵下，鐵心中產(chǎn)生交變的主磁通φ0，磁通密度表達(dá)式為

圖2 主變鐵心結(jié)構(gòu)

式中：A為鐵心磁通截面積；Bs為鐵心飽和磁通密度；Hc為矯頑力。

變壓器鐵心磁通量未飽和之前，磁場強(qiáng)度和磁通密度關(guān)式為B=μH，磁場強(qiáng)度為

(1)

式中:μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率。

在交變磁場作用下，硅鋼片微小形變可滿足以下條件：

(2)

通過式(1)、(2)可推導(dǎo)出鐵心磁致伸縮率計算式為

(3)

對式(3)求二次導(dǎo)數(shù)，可得磁致伸縮引起鐵心振動的加速度為

在線性、各向同性的鐵磁媒質(zhì)中，體積力密度計算式[2,15]為

(4)

根據(jù)能量守恒，由式(4)可推導(dǎo)出磁場力計算式為

式中：λZ為Z方向的磁致伸縮率；ΔlZ為Z方向的形變；E為彈性模量。

變壓器鐵心所受的磁場力和勵磁電流的頻率呈正比關(guān)系，電網(wǎng)高次電流諧波加速變壓器主磁路飽和，導(dǎo)致磁致伸縮率增大，使變壓器在正常運(yùn)行中振動幅度增大，導(dǎo)致主變運(yùn)行聲音分貝增大，產(chǎn)生不規(guī)律的異響。

2 案例分析

110 kV某變電站3號主變于2016年7月擴(kuò)建投運(yùn)，目前3號主變主供負(fù)荷為35 kV側(cè)的鋼鐵廠，主變長期存在過負(fù)荷運(yùn)行情況。巡視期間發(fā)現(xiàn)主變本體運(yùn)行中發(fā)出較大的間斷性異響，異響類似從變壓器本體內(nèi)部傳出的金屬摩擦聲。

為了判斷3號主變是否健康運(yùn)行和分析引起主變異響原因，對主變進(jìn)行停電檢修預(yù)試。經(jīng)過檢查分析，初步排除外部夾件及螺絲松動造成的異響。

采用頻率響應(yīng)分析法對主變繞組進(jìn)行變形試驗(yàn)，圖3～5分別為低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線、中壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線和高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線。

圖3 低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

圖4 中壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

圖5 高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線

圖3～5結(jié)果顯示，在0.01～1 000 Hz全頻段中，變高、變中和變低三側(cè)在中頻率段和低頻率段相間符合性比較好，在高頻率段符合性偏差。中、低頻段不易受外界干擾，可以作為繞組變形的主要判據(jù)。同時，在高壓場地，高頻信號源眾多，測試設(shè)備在高頻段容易受外界干擾，影響測量精確性，只能作為輔助判斷。

綜合繞組變形測試結(jié)果，可以判斷繞組變形測試結(jié)果合格，主變未發(fā)生繞組變形。

表1為主變油樣測試結(jié)果，各項(xiàng)氣體測試含量均在合格范圍內(nèi)，三比值法結(jié)果顯示主變狀態(tài)正常，不存在放電等高溫過熱現(xiàn)象，可以排除內(nèi)部螺絲夾件等松動導(dǎo)致主變異響。

表1 主變本體油色譜結(jié)果

綜合檢修試驗(yàn)和化學(xué)油樣測試結(jié)果，可以初步判斷主變本體不存在異常，運(yùn)行中的異響不是構(gòu)件松動導(dǎo)致。

為了進(jìn)一步研究主變異響原因，2018年11月9日11：30—15：30在110 kV某站監(jiān)測3號主變異響發(fā)出時間、負(fù)荷特性及各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)。圖6為35 kV側(cè)荷特性曲線、三相電流有效值、三相電流總諧波畸變率曲線，現(xiàn)場主變異響信息采集時間點(diǎn)如表2所示。

圖6 負(fù)荷、電流諧波畸變率及異響對應(yīng)關(guān)系

表2 現(xiàn)場異響采集時間點(diǎn)

圖7～10分別為35 kV母線負(fù)荷諧波電流95%概率直方圖、電流總諧波畸變率、電流3次諧波畸變率、電流5次諧波畸變率。

圖7 諧波電流95%概率直方圖

對3號主變35 kV母線進(jìn)行負(fù)荷和電能質(zhì)量監(jiān)測分析，同時記錄現(xiàn)場主變異響發(fā)生時間段。通過對比分析負(fù)荷特性曲線、電流總諧波畸變率曲線和主變異響時間記錄表，發(fā)現(xiàn)主變發(fā)生異響的時間和電流總諧波畸變率曲線存在相對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)電流總諧波畸變率小時，主變不存在異響,對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，電流總諧波畸變率大時，主變存在異響。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所供負(fù)荷諧波電流造成3號主變異響，申請對主變停電預(yù)試，在3號主變停電預(yù)試期間，把3號主變之前所供負(fù)荷轉(zhuǎn)供給2號主變(2號主變通常供的是居民負(fù)荷，不存在高次諧波超標(biāo)問題，運(yùn)行無異響)，由2號主變供鋼鐵負(fù)荷，2號主變運(yùn)行期間發(fā)出同樣的異響聲音，驗(yàn)證了3號主變運(yùn)行異響是諧波電流引起的。

圖8 電流總諧波畸變率

圖9 電流3次諧波畸變率

圖10 電流5次諧波畸變率

3 結(jié) 語

針對用戶引起電網(wǎng)諧波污染問題，分析了高次諧波電流導(dǎo)致主變異響機(jī)理，推導(dǎo)出高次諧波電流和主變振動的關(guān)系。變壓器鐵心所受的磁場力和勵磁電流的頻率呈正比關(guān)系，電網(wǎng)高次電流諧波加速變壓器主磁路飽和，導(dǎo)致磁致伸縮率增大，使變壓器在正常運(yùn)行中振動幅度增大，產(chǎn)生不規(guī)律的異響；同時，磁屏蔽邊緣的電磁吸力引起磁屏蔽邊緣振動，產(chǎn)生噪聲。

在實(shí)際運(yùn)行案例中，通過對電能質(zhì)量、主變聲響的監(jiān)測及負(fù)荷的調(diào)換，驗(yàn)證了主變異響是由高次諧波電流引起的。