直流偏磁是電力變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，直流流入變壓器后將在鐵心中產(chǎn)生直流磁通，導(dǎo)致變壓器鐵心出現(xiàn)半波飽和、勵(lì)磁電流嚴(yán)重畸變、局部過熱、振動(dòng)噪聲增加等一系列問題，并且大容量單相自耦變壓器更易受到直流偏磁的影響，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。

高電壓與電磁兼容北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國電力科學(xué)研究院武漢分院）、國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司的研究人員李冰、王澤忠、劉海波、李海明、劉健犇，在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，利用兩臺(tái)參數(shù)一致的250MVA/500kV變壓器分別進(jìn)行了空載和負(fù)載直流偏磁試驗(yàn)，對(duì)變壓器直流偏磁下的電壓畸變率、勵(lì)磁電流、振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)量，并分析研究其直流偏磁下的變化趨勢(shì)、分布規(guī)律和頻譜特征。試驗(yàn)結(jié)果為大型變壓器在實(shí)際運(yùn)行情況下的直流偏磁耐受能力評(píng)估及直流偏磁下的振動(dòng)噪聲特性研究提供參考依據(jù)。

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(yùn)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(lì)磁電流嚴(yán)重畸變、消耗大量無功功率、振動(dòng)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(yùn)行時(shí)，春城站主變壓器中性點(diǎn)流入直流達(dá)34.5A，噪聲由采用單極金屬回線時(shí)（直流不足0.5A）的74.5dB升至93.9dB。

由直流偏磁造成的振動(dòng)噪聲問題逐漸引起人們的重視，變壓器的振動(dòng)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(dòng)性能也是評(píng)估變壓器工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)之一，長期異常振動(dòng)下的變壓器會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)松動(dòng)、機(jī)械強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(shí)鐵磁材料磁特性的測(cè)量、勵(lì)磁電流的計(jì)算、變壓器的飽和特性研究和直流偏磁的抑制等，而對(duì)直流偏磁下的振動(dòng)噪聲特性的研究還相對(duì)較少。

變壓器的振動(dòng)主要來源于硅鋼片磁致伸縮帶來的鐵心振動(dòng)、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(dòng)、繞組中由電流通過時(shí)產(chǎn)生的電磁力造成的繞組振動(dòng)和冷卻裝置振動(dòng)。其中，在空載以及輕微負(fù)載情況下，變壓器的振動(dòng)主要來自鐵心的磁致伸縮。國內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)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(dòng)傳遞過程中，難以通過現(xiàn)有的模型準(zhǔn)確地對(duì)變壓器的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(dòng)特性的評(píng)估光靠小容量變壓器試驗(yàn)以及仿真分析難以實(shí)現(xiàn)。因此進(jìn)行大型變壓器的直流偏磁試驗(yàn)具有重要的意義，現(xiàn)場采集的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)對(duì)大型變壓器直流偏磁下的振動(dòng)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(yàn)主要集中在電磁特性方面，對(duì)振動(dòng)噪聲的研究還相對(duì)較少，關(guān)于變壓器直流偏磁下的振動(dòng)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(dòng)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(tái)相同參數(shù)的250MVA/500kV單相三柱式變壓器構(gòu)成直流偏磁試驗(yàn)回路，分別進(jìn)行空載和負(fù)載下的直流偏磁試驗(yàn)，對(duì)變壓器直流偏磁下的電氣量、振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了測(cè)量，分析研究直流偏磁下振動(dòng)與噪聲的變化趨勢(shì)、分布規(guī)律和頻譜特征。分別對(duì)比了空載和負(fù)載運(yùn)行時(shí)不同直流偏置電流下的振動(dòng)噪聲特性。

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，科研人員得出以下關(guān)于直流偏磁對(duì)變壓器振動(dòng)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(lì)磁電流幅值大幅增加，空載運(yùn)行時(shí)，當(dāng)注入直流為3A時(shí)，勵(lì)磁電流峰值增幅達(dá)32倍。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，當(dāng)注入直流偏置電流為2.25A時(shí)，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(shí)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(dòng)加劇，空載運(yùn)行時(shí)，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(dòng)加速度峰值從無直流時(shí)的1.5m/s2上升到3A直流時(shí)的22.6m/s2，增幅達(dá)15倍。而負(fù)載運(yùn)行時(shí)，同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度峰值從無直流時(shí)的0.1m/s2增加到2.25A直流時(shí)的10.3m/s2。通過對(duì)比不同區(qū)域測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，變壓器油箱上部區(qū)域振動(dòng)程度明顯大于下部區(qū)域；鐵心主柱附近區(qū)域振動(dòng)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(dòng)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。空載情況，從無直流偏磁時(shí)的66.1dB到3A直流時(shí)的83.8dB，增加了17.2dB，噪聲聲壓級(jí)隨著直流偏置電流增加呈先快速增加后逐漸飽和的趨勢(shì)。在50%額定電壓的負(fù)載情況下，噪聲從無直流時(shí)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(shì)。根據(jù)我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10088—1999中對(duì)變壓器噪聲水平的要求，針對(duì)容量為240MVA，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(yàn)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(bào)》，論文標(biāo)題為“直流偏磁下500kV單相變壓器振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)研究”，作者為李冰、王澤忠 等。