变压器噪声测量.pdf

1、第 4 5卷第 3期 2 0 0 9年 6月 高压电王 Hi g h V o l t a g e Ap p a r a t u s V o 1 4 5 No 3 J u n 2 0 0 9 93 直流偏磁引起的 5 0 0 k V电力变压器振动和 噪声的现场测量与分析 陈青恒，马宏彬，何金 良 (1 广东惠州供电公 司，广东 惠州 5 1 6 0 0 0；2 清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真 国家重点试验室 北京1 0 0 0 8 4)摘要：设计了 5 0 0 k V单相电力变压器振动与噪声在线 同步监测方案，并通过振动与噪声传感器及相应的数据采集和分析系统 实现了对广东惠州 5 0

2、 0 k V变电站单相电力变压器直流偏磁条件下的振动与噪声 的实时监测。监测得到 了 5 0 0 k V电力变压器 外壳上典型位置在直流偏磁前后的振动与噪声 的时域波形数据 分析得到了 5 0 0 k V单相变压器振动与噪声信号在直流偏磁前 后的频率范围。试验结果表 明：直流偏磁 条件下电力变压器的振动与噪声幅值增加明显且频谱中出现 了大量高次谐波，对于变 压器的运行有着不利的影响 关键词：变压器振动；噪声；直流偏磁；在线监测；频谱 中图分类号：T M 4 0 7 文献标志码：B 文章编号：1 0 0 1-l 6 0 9(2 0 0 9)0 3-0 0 9 3 0 4 Fi e l d M o

3、 n i t o r i ng a n d An a l y s i s o n Vi b r a t i o n a nd No i s e o f 5 0 0 k V El e c t ric a l Tr a n s f o r me r und e r DC Cu r r e nt Bi a s i ng C H E N Q i n g h e n g ，MA Ho n g-b i n ，HE J i n-l i a n g (1 Gu a n g d o n g Hu i z h o u P o w e r S u p p l y B u r e a u，Hu i z h o u 5

4、 1 6 0 0 0。C h i n a；2 S t a t e K e y L a b o f P o w e r S y s t e m s，D e p t o f E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g，T s i n g h u a U n i v e r s i t y，B e i j i n g 1 0 0 0 8 4，C h i n a)Ab s t r a c t：I n o r d e r t o o b s e r v e t h e i n f l u e n c e c a u s e d b y t h e DC b i a

5、s i n g c u r r e n t t h r o u g h t h e n e u t r al p o i n t o f t h e p o w e r t r a n s f o r me r，a n e w o n。l i n e v i b r a t i o n a n d s o u n d mo n i t o ri n g p r o g r a m w a s d e s i g n e d wi t h u s e o f b o t h q u a l i f i e d v i b r a t i o n a n d s o u n d s e n s o

6、 r s a t t h e s a me t i me 1 h e e x p e ri me n t wa s o p e r a t e d i n Hu i z h o u 5 0 0 k V s u b s t a t i o n a n d a 5 0 0 k V s i n g l e p h a s e e l e c t ri c al t r a n s fo r m e r w a s c h o s e n a s e x p e ri m e n t a l o b j e c t B a s e d o n t h e e x p e ri m e n t p l

7、a t f o rm，s t e a d y a n d c l e a r v i b r a t i o n a n d s o u n d wa v e f o rm b e for e a n d a f l e r the DC b i a s i n g c o n d i t i o n Was r e c o r d e d a n d s p e c t r u m a n a l y s i s W as a l S O a c h i e v e d b a s e d o n t h e d a t a mo n i t o r e d I n c o n c l u

8、s i o n DC b i as i n g i S h a r mf u l f o r p o we r t r a n s f o r n l e rs a n d t h e r e s u l t o f t h i s r e s e a r c h p r o v i d e s v a l u a b l e r e f e r e n c e t o t h e o n-l i n e v i b r a t i o n a n d S O U n d mo n i t o tin g s y s t e m o f t r a n s for n l e rs Ke y

9、wo r d s：t r a n s f o rm e r v i b r a t i o n；n o i s e；DC b i as i n g；o n l i n e mo n i t o ri n g；s p e c t r u m 0 引言 随着我国交直流混合输电模式逐渐形成交直 流 系统相互 干扰 的问题也 随之 出现 当直 流线路 采 用单极大地 回路运行时通过直流系统的接地极流 人大地的直流电流将对交流电力系统内的电力设备 产生影响。天广直流输电系统直流单极大地回路运行 方式下，网内部 分变压器振动加 剧、噪声增大 对 噪声 与调试负荷进行 比对的结果表明二者具有明显的相 关性，

10、类似的经验和大量试验数据表明 直流偏磁是 造成变压器振动和噪声加剧的主要原因 1 2 1 电力变压器常规运行时 磁致伸缩和漏磁引起 的铁 心叠片 以及绕组 之 间的振动 是引起 变压器 箱体 振动的主要原 因 ，引。当出现直流偏磁时 变压器 内部漏磁通在幅值上有明显的增加高次谐波也大 量 出现，从而 导致绕 组之 间、硅钢 片之 间的振动有 明 显的增强振动通过绝缘油和铁心垫脚传递到箱体 表面 也将反映出幅值增大和谐波增加的特点【5 该试验在广东惠州 5 0 0 k V变电站单相 电力变 压器上进行 在三广直流线路调试单极大地 回路运 行方式运行期间进行监测 采用振动与噪声传感器 以较高采样频

11、率同步提取有无直流偏磁条件下变压 器工作时的噪声和振动信号波形对其频谱进行了 分析比较 给出了变压器振动和噪声与直流偏磁的 关 系 曲线 并 提 出了一种判 断 电力 变压器振 动 和噪 收稿 日期：2 0 0 8 0 5-2 6；修回 日期：2 0 0 8-1 2 1 7 作者简介：陈青恒(1 9 7 1)，男，博士，高级工程师，从事 电力安全运行工作。9 4 J u n 2 0 0 9 H i g h V o l t a g e Ap p a r a t u s 声状态受直流偏磁影响程度的方法。1 现场测量与结果 1 1 试验 装置与 测量 方案 变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的

12、压 紧状况、位 移及 变形 状态 密切相关，因此可 以通 过 测量 电力变压器的器身振动来反映绕组和铁心的振 动情 况 并 通过 在变 压器表 面进 行瞬 时声压 测量 实 现对 变压 器运行 状态 的监测 同时 该 监测 系统 与整 个电力系统没有电气连接 所以对整个 电力系统 的 正常运行不会产生影响 安全而方便 振动与噪声在线监测装置分为信号采集部分与 后台处理部分 前置机由振动传感器与噪声传感器 组 成 在测点 的选择 上 首先需 要确 定 3个方 向的监 测：其次测点在直流偏磁时所在位置处应该能如实 反映出变压器整体 的振动状态 不会因为所在处箱 壁结 构 的限制而 变化微 弱：最

13、后 该 位置 应易 于定 位 和安装传感器确保试验具有较高的可重复性和精 确程 度 最 终确 定如 图 l 所示 3个 振动 测点，与振 动 测点 l 水 平距 离 1 5 m处 布置 了噪声传 感 器：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。数据 图 l 变压器振动与噪声监测装 置图 器 1 2 振 动与 噪声信 号 的测量 结果 在调试过程 中 设定较高的采样频率 以尽可能 精确地反映变压器振动与噪声频谱，振动的测量单 位为 H 1 s：从安装平面指 向传感器 的方 向为振动的 正方向 噪声瞬时声压的单位为 P a。3个振动测点和 一个噪 声测点

14、 直 流偏磁前 后监 测波 形见 图 2 5。一2 O 1 0 0 薹 一 1 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 O 时间 ms (a)直 流 偏 磁 之前 一 uf ：4 l l 藻 枷：一8 0 L-一 时间 ms (b)直流偏磁时 图 2 有无直流偏磁时测点 l 处振动时域波形 一2 O 1 0 0 毒 一 1 0 2 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 时 间 m s (a)直流偏磁之前 8 0 ；4 0 0 一4 0 -8 0 昌 幅 蟮 f 删 0 2 0 4 0 6 0 8 0 时 间 m s (b)直流偏磁 时 图 3 有无直流偏磁时测点 2处振动时域波形 一1

15、2 0 8 0 三 意 。一80 1 20 时间 ms (a)直流偏磁之前 O 2 0 4 0 6 0 8 0 时间 ms (b)直流偏磁时 图 4 有无直流偏磁时测点 3处振动时域波形 一4 0 2 0 要 0 藿 _ 2 _0 4 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 时间 ms (b)噪声声压频谱波形 图 5有无直流偏磁时噪声瞬时声压时域 波形 2 试验结果分析 2 1 不 同测点 的波形 分析 虽然波形和频谱并不相同，但在直流偏磁前后，3个测点的时域波形和频谱具有相似的变化趋势。没有直流偏磁时 油箱壁振动的时域波形清晰 2 0 0 9 年6 月 高压圣z 第4 5 卷 第3 期 9

16、5 稳定且 表现 出了非常 明显 的周期性，波形 相对 规律，上下对 称性较 好 而直流偏 磁 出现时 波形 变得 杂 乱 上 下波形 出现 了明显 的不对称 测点 1的振动 峰 值从 l g增加 到 了 4 g左 右 受 变压 器结 构 的影响 反向的振动幅值 只是从 1 g增加到了大约 2 g：测点 2的振 动峰 值从 1 g增加 到 了 6 g左 右，谷值 从 1 g 增加 为 2 g左右，与测 点 1 变 化程 度接 近；测点 3变 化程度相对较小 峰谷值均从 4 m s z 增加到 1 0 m s：噪声波形相对变化最小 峰值从 1 5 P a 增加到了3 P a 3个测点的频谱分析结

17、果表明：高次谐波明显 出现 无直流偏磁时的主频仍有明显优势 2 2振动和 噪声幅 值随偏 磁 电流 的变化 规律 图 6是惠 州供 电局 3号 主变监 测到 的 中性 点直 流 电流 从下午 1 4：4 0开始 出现 明显的偏 磁直 流，这 一过程中系统监测到了整个直流偏磁从无到有 的 过程中振动与噪声的变化情况 图 6中性点直流 图 7给出 了整 个直 流偏磁 从无到有 再到 小 的过 程 中噪 声波 形与 测点 l的振 动 波形 的 变化 情况 从 监测的结果看直流偏磁与变压器箱体振动和噪声 有着 非常 明显 的相关 性。_ R l 吕 臀 时间，s 图 7 振动与噪声同步变化波形 将 相

18、 同时刻监测 系统记 录 到的测点 1的振 动 和 噪声时域波形的幅值与变电站主控室记录到的中性 点直流的大小进行对 比将振动幅值 与直流偏磁电 流的对应关系在图 8中反映出来 得到直流偏磁电 流对变压器振动幅值的影响曲线 可以看 出 随着流 入交流 变压器 中性点 直流偏 磁 电流 的增加 交 流变 压器的振动呈线性增加趋势：直流电流每增加 l A 振动 幅值 增加 1 1 g左 右，在 直流 偏 磁为 O时，振动 幅值在 2 g 左右；类似的监测表明，直流电流每增加 1 A，噪声声压增加约 0 9 P a I哦 量 j；1jj 鹫 型 口 摄 鞲 一 中性 点 直 流 A 图 8 直流偏磁

19、 电流对变压器的振动的影响曲线 2 _ 3振动 波的频谱 变化 规律 图 9为直流偏磁时振动加速度频谱分析。从 图 9可 以看 出 没 有直 流偏 磁时 该处 变压 器 油箱壁 振 动频谱基本集中在 1 k H z以内 在 1 0 0 5 0 0 H z内最 为明显而1 k Hz 以上的高频分量则基本可 以忽略。而当出现直流偏磁现象时 箱体表面的振动频谱 中 高 频分 量大 幅增加 5 0 0 1 0 0 0 H z 谐 波均 匀而 稳定 地 增大 甚 至 在原本 可 以忽 略 的 l 1 4 k Hz 的频 段 也 出现 了相应 的高次谐 波 反映 出变压 器内部绕 组 和铁 心振 动有 明

20、显变化 l 皇 臀 频率 Hz (a)直流偏磁之 前振动加速度频谱分析 频率 H z (b)直流偏磁时振动加速度频谱分析 图 9 直流偏磁前后测点 1 处频谱分析 2 4 振 动对 变压器 运行带 来的可 能影 响分析 过大的直流偏磁使变压器铁心饱和趋于严重 励磁电流发生畸变，硅钢片磁致伸缩力增加。而且。饱 和的铁心 成为更 高磁 阻途径 漏磁通 增加 导致绕 组振动加剧 辐射噪声增大 直 流偏磁 过程 中剧烈 的振动 对于变 压器结 构 的 机械强度产生冲击 可能造成紧固件变松甚至脱落 因此 需 要 比对直流偏 磁 发生之前 和消 失之后 变压 器的振动波形和频谱情况 图 l 0为测点 1

21、在直流偏 磁消失后的时域波形和频谱分析结果与偏磁之前 基 本一致 一 方面说 明直流偏 磁 过程对 于变压器 未 造 成明 显的影 响 另 一方 面进一 步验证 了直流偏 磁 对 于 电力 变压 器振动 的影 响 2 5 一种新 的判 断变压器 运行 状态 的方法 从振动与噪声变化程度来看 直流偏磁对于变 9 6 H i g h V o l t a g e A p p a r a t u s l O 5 0 罨一 5 蜷一1 O 一3 2 督1 蠼 0 0 2 O 4 0 6 O 时间 ms (a)直流偏磁之后振动加速度时域波形 2 o o 4 o 0 6 0o 8 0 o l O 0 0 频

22、率，Hz (b)直流偏磁之后振动加速度频谱分 析 图 1 0 直流偏磁之后测点 1 处振动时域及频谱 分析 压器 的安全运 行有 着很 大 的威 胁 需要 密切 注意 这 一过程 中变 压器 的振 动和 噪声变化 情况 以监测 变 压器本体是否出现问题 笔者提出一种判断电力变 压器 振动 和 噪声 状 态受 直 流偏 磁 影 响程 度 的方 法：选定测点，考虑负荷对于振动状态的影响 记录无 直流偏磁时 的振动幅值在不 同负荷水平时振动程 度：在已记录的直流偏磁对于振动和噪声影响程 度的基础上。当再次出现直流偏磁时 考察直线斜率 是否在合理的范围内：考察直流偏磁前后在相同 的负荷水平条件下 振动

23、时域波形和频谱分析的结果 是 否一致 如幅值 的变 化范 围是 否在2 0 的范 围 内 5 0 0 1 4 0 0 Hz 范围内的高次谐波是否大量出现 如出现以上的问题 则怀疑变压器 内部结构可 能 出现 问题 3 结论(1)变压器正常运行时，振动与噪声波形清晰稳定 且有着较为明显的周期性 为电力变压器的故障诊断和 状态维修提供了有力的数据基础和长期判断依据。(2)直流偏磁前后，3个测点的时域波形和频谱 具有相似的变化趋势。没有直流偏磁时 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，波形 相 对规 律，上 下对 称 性 较好，而直 流 偏 磁 出

24、 现时 波形 变得 杂乱 上 下波 形 出现 了明显 的不对 称 3个测点的振动峰值有明显增长(3)从幅值看，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。此外。噪声与振动基本同步变化 噪声水平也 是反 映变 压器 运行状 况 的指标 之一(4)变压器正常运行时，箱体表面水平方 向振动 频率 以 1 0 0H z 为基频 在 2 0 0 5 0 0H z 范围内所 占 权重 最大，1 0 0 0 H z以上基本 上可 忽略不计。直 流偏 磁时，出现 5 0 0H z I Ak H z 频率范围内的高次谐波(5)由于变压器结构复杂 目前的监测

25、侧重于对 变化量的监测实现故障程度分析或者故障定位上 需 要进 一步 的研 究和探 讨 参考文献：1 1 钟连宏，陆培均直流接地极电流对中性点直接接地变压器 影响高电压技术，2 0 0 3(8)：1 2 1 4 【2】蒯狄正直 流偏磁对 变压器影 响的研究 J 江 苏电机工 程，2 0 0 4(5)：1 _ 4 【3 WE I S E R B，P F U T Z N E R HR e l e v a n c e o f Magn e t o s t r i c t i o n a n d F o r c e s f o r t h e Ge n e r a t i o n o f Au d i

26、 b l e No i s e of T r a n s f o r me r C o r e s J I E E E T r a n s o n Ma g ，2 0 0 0，3 6(5)：3 7 5 9 3 7 7 7 【4 董志刚变压器的噪声 2 J _变压器，1 9 9 5(1 1)：2 7 3 1 5 1 王世 山，汲胜 昌，李彦 明利用振动法进行 变压器在线监 测 的应用研究I J 变压器，2 0 0 2(9)：7 3 7 6 6 汲胜 昌，刘味果，李彦 明，等振动法 用于在线监测 电力变 压器绕组及铁心状况 的可行性研 究 J】高压电器，2 0 0 1，3 7 (5)：4 7【7

27、曹林直流偏磁电流对电力变压器励磁特性影 响的研究【D】北 京：清华大学 2 o 0 7 (上接第 9 2页)5 副4 3 霎 电信号强、干扰小的某一高频窄带信号，因而系统的 抗干扰能力强，灵敏度高；采用统计方法，可分析 1 0 0个工 频周 期信 号后 给 出结 果 局 部放 电信号 信 息 更 丰富，并可 减少 随机 干扰 的影 响，可 用 于变压 器、G I S等 电力 设备 局部 放 电在线 监测。电 信 号 与 样 本 库 信 号 的 相 似 程 度 参考文献：1 5 A G A B P神经 刚 络 的模 式 识 别 结 果 子污秽缺陷放 电 3代表高压导体尖刺放电，4代表【J 接地体

28、上尖刺放 电，5代表 自由金属微粒放电。同 时使 用 脉 冲 电流 法对 测 量 系统 进 行标 定 结 果 表 明，该 测量 系统 可 测量 到视 在放 电量 为 2 p C的 局部放电【3】6 结语 4】该检测系统中心频率、带宽可调，可选择局部放 陈小娟，袁乃昌平面螺旋天线 的设计与实现 J 雷达与对 抗，2 0 0 4(4)：3 l 一 3 3 郭景丽 贺秀莲 刘其 中有 限圆盘地面上套筒单 极子天线 西 安 电子科技 大学 学报(自然 科学 版)，2 0 0 4，3 1(3)：4l 7 4 2 1 谈文心，邓建国高频 电子线路【M 西安：西安交通大学 出 版社 1 9 9 6 王 国利 郑毅 沈嵩，等A G A-B P神经网络用于变压 器 超 高频局部 放 电模 式识 别 J 电工电 能新技 术，2 0 0 3，2 2 (2)：6 9