張 冰，張玉磊 ，閆廣鑫，王小波

（1.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250001；2.山東壽光市供電公司，山東 壽光 262700；3.吉林省送變電工程公司，吉林 長春 130031）

0 引言

銀東直流是世界上首回±660 kV直流輸電工程，具有重要的實(shí)驗(yàn)示范意義，也是山東實(shí)施外電入魯?shù)闹匾獦?biāo)志性輸電工程，正?？上蛏綎|電網(wǎng)輸送功率4 000 MW。銀東直流輸電工程于2010年10月28日開始進(jìn)入單極運(yùn)行調(diào)試階段。 銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，山東電網(wǎng)交流系統(tǒng)多臺變壓器出現(xiàn)振動噪聲增大的現(xiàn)象，一時(shí)對機(jī)理及解決方案不明，急需進(jìn)行深入分析。

大型電力變壓器在正常運(yùn)行時(shí)會發(fā)出較大的噪聲，主要包括變壓器本體噪聲和輔助冷卻裝置噪聲兩部分。本體噪聲包括鐵心、繞組、油箱（包括磁屏蔽等）等產(chǎn)生的噪聲。輔助冷卻裝置噪聲包括風(fēng)扇和油泵噪聲。變壓器的噪聲過大不但污染環(huán)境、危害人類健康，而且也影響變壓器的正常運(yùn)行和使用壽命。 變壓器的噪聲與其電氣性能和機(jī)械性能一樣，都是變壓器極為重要的技術(shù)參數(shù)。

近年來，隨著我國電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)的增加，高壓直流輸電單極運(yùn)行時(shí)，接地極附近的交流變壓器多次發(fā)生了振動噪聲異常的事件［1-3］。通過對山東電網(wǎng)交流系統(tǒng)多臺變壓器振動噪聲異常原因的分析和變壓器中性點(diǎn)電流實(shí)測數(shù)據(jù)的比較，證明了銀東直流單極大地運(yùn)行會引起山東電網(wǎng)變壓器振動噪聲增大，對變壓器的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。

1 變壓器振動噪聲異?，F(xiàn)象

2010年11月8日銀東直流單極大地滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，日照電廠3號主變（中性點(diǎn)接地運(yùn)行）、黃島電廠5號主變（中性點(diǎn)接地運(yùn)行）振動噪聲明顯增大?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，日照電廠3號主變噪聲比4號主變（中性點(diǎn)不接地運(yùn)行）高15～20 dB，3號主變的振動位移平均值為13.3 um，而4號主變的振動位移平均值為4.4 um。

2010年11月12日上午，日照電廠3號主變、黃島電廠5號主變噪聲和振動明顯增強(qiáng)。11月12日10時(shí)左右，銀東直流由單極大地運(yùn)行（GR）轉(zhuǎn)單極金屬回線運(yùn)行（MR）方式，日照、黃島電廠主變振動噪聲恢復(fù)正常。11月12日16時(shí)，銀東直流由金屬回線轉(zhuǎn)單極大地運(yùn)行方式，實(shí)測日照電廠3號主變噪聲由78 dB增加到95 dB；黃島電廠5主變噪聲由77 dB增加到87 dB。 期間，濰坊電廠反映3號主變振動噪聲明顯增強(qiáng)。

另外，銀東直流單極大地運(yùn)行期間，500 kV嶗山站、大澤站、密州站均反映變壓器都有一定程度的噪聲增大、振動增強(qiáng)的現(xiàn)象。

2 變壓器振動噪聲異常原因分析

大型電力變壓器振動噪聲異常原因通常有以下幾種：風(fēng)扇、油泵等輔助設(shè)備運(yùn)行不正常；變壓器本身某些部件的松動；變壓器鐵心磁滯伸縮不正常。

日照電廠、黃島電廠等相關(guān)廠站運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)變壓器振動噪聲異常時(shí)，主變風(fēng)扇、油泵等輔設(shè)備運(yùn)行正常。 同時(shí)主變的振動噪聲異?，F(xiàn)象不具有連續(xù)性，所以主變出現(xiàn)的振動噪聲異常不是主變零部件的松動引起的。 因此，可以初步判斷變壓器鐵心磁滯伸縮不正常是導(dǎo)致此次變壓器振動噪聲異常的原因。

導(dǎo)致變壓器磁滯伸縮不正常的可能原因主要有：

1）變壓器本身的缺陷。主要包括：鐵心松弛；磁屏蔽松動；繞組松散或存在匝間短路、開路；鐵心接地。

2）交流電源異常。主要包括：電源中含有諧波且超出允許范圍；系統(tǒng)頻率不正常，偏差較大；系統(tǒng)電壓波動過大。

3）直流偏磁。 直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態(tài)，是指在變壓器勵(lì)磁電流中出現(xiàn)了直流分量，會引起變壓器鐵心飽和，改變變壓器鐵心磁通的磁路，從而導(dǎo)致變壓器磁致伸縮的不正常。

經(jīng)過相關(guān)廠站現(xiàn)場運(yùn)行人員檢查，主變噪聲異常發(fā)生時(shí)，交流電源未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。同時(shí)考慮到主變噪聲異常發(fā)生的不連續(xù)性，可排除主變本身缺陷導(dǎo)致變壓器磁致伸縮的不正常。 可能導(dǎo)致變壓器直流偏磁的起因主要有以下兩種情況。

1）直流輸電單極運(yùn)行時(shí)，會引起接地極附近的交流變壓器直流偏磁［4-5］。

2）磁暴發(fā)生時(shí)，地磁場變化在地面感應(yīng)電勢（ESP），ESP會在輸電線路、中性點(diǎn)接地變壓器，以及與大地形成的回路中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流（GIC），GIC的頻率為0.001～0.1 Hz，這種準(zhǔn)直流同樣會使變壓器直流偏磁飽和［5-6］。

通過地磁臺相關(guān)地磁場數(shù)據(jù)的分析，此次山東電網(wǎng)多臺變壓器出現(xiàn)振動噪聲異常現(xiàn)象時(shí)，未發(fā)生地磁暴現(xiàn)象，因此可排除磁暴的影響。

通過以上的分析可以初步認(rèn)為，銀東直流單極大地運(yùn)行可能是導(dǎo)致此次多臺變壓器振動噪聲異?，F(xiàn)象的原因。

3 影響機(jī)理及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，大地作為回流電路，會有高達(dá)上千安直流電流通過接地極進(jìn)入大地，造成接地極附近出現(xiàn)較高的地表電勢。 隨著距離銀東直流接地極距離的增大，地表電勢逐漸降低，從而造成不同地點(diǎn)間的地表電勢不同。 在超高壓電網(wǎng)運(yùn)行中，為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，大型電力變壓器高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)采用接地的運(yùn)行方式。 銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，地表電勢差作用于兩個(gè)變壓器接地中性點(diǎn)之間，從而在中性點(diǎn)接地變壓器、輸電線路和大地構(gòu)成的回路中產(chǎn)生直流電流，如圖1所示。

圖1 變壓器中性點(diǎn)直流產(chǎn)生原理圖

大型電力變壓器的鐵芯一般由硅鋼片疊加而成，硅鋼片的磁導(dǎo)率具有非線性，圖2為硅鋼片的B-H曲線。為了減小變壓器的體積和節(jié)約鐵芯材料，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)往往將額定運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)設(shè)置在鐵芯線性區(qū)和飽和區(qū)分界處的拐點(diǎn)位置附近，如圖2中的位置a。直流電流流過變壓器繞組時(shí)會在變壓器鐵芯中產(chǎn)生直流偏置磁通，導(dǎo)致變壓器工作點(diǎn)進(jìn)入到飽和區(qū)內(nèi)，如圖2中位置b，從而使得變壓器發(fā)生半波飽和，這種現(xiàn)象稱之為變壓器直流偏磁。

圖2 鐵芯材料B-H曲線

變壓器半波飽和引起鐵芯材料的磁化強(qiáng)度增加，從而導(dǎo)致變壓器鐵心磁滯伸縮加劇，造成變壓器振動噪聲增大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證山東電網(wǎng)多臺變壓器振動噪聲異常是由銀東直流單極大地運(yùn)行引起的，相關(guān)工作人員分別監(jiān)測了銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，日照電廠3號主變、黃島電廠5號主變中性點(diǎn)直流電流及噪聲情況。監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器中性點(diǎn)直流電流及噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，銀東直流單極大地運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測到了10 A左右的直流電流流入了日照電廠3號主變和黃島電廠5號主變接地中性點(diǎn)，變壓器的噪聲比正常運(yùn)行時(shí)增大了10 dB以上，日照電廠3號主變甚至增大了接近20 dB。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可以證明山東電網(wǎng)多臺變壓器振動噪聲異常的現(xiàn)象是由銀東直流單極大地運(yùn)行引起的變壓器直流偏磁造成的。

4 變壓器直流偏磁的危害

變壓器直流偏磁導(dǎo)致變壓器振動噪聲增大，會造成變壓器內(nèi)部緊固件的松動，對變壓器的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

同時(shí)，由于變壓器鐵芯材料的非線性，直流偏磁會導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流增大和諧波電流增加，并由此導(dǎo)致了變壓器消耗的無功增加。 變壓器直流偏磁引起的無功變化和產(chǎn)生的高次諧波可能造成系統(tǒng)電壓跌落、無功波動、繼電保護(hù)誤動和SVC過載跳閘等事故，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅［7-8］。變壓器勵(lì)磁電流的增大還將導(dǎo)致變壓器繞組損耗和溫升的增加，不利于變壓器的安全運(yùn)行。

另外，變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，磁通主要通過鐵芯主磁路閉合，脫離鐵芯主磁路的漏磁通較少。變壓器半波飽和時(shí)，鐵芯的工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)域，導(dǎo)致了鐵芯磁導(dǎo)率減小，從而使得大量的漏磁通進(jìn)入到油箱壁、鐵心夾件等變壓器金屬構(gòu)件中，導(dǎo)致了變壓器損耗和溫升的增加，對變壓器的安全運(yùn)行造成不利影響［9-12］。變壓器溫升的增加會加速變壓器絕緣材料性能降低和變壓器使用壽命下降，同時(shí)還會導(dǎo)致油浸式變壓器中甲烷、乙烷等有害氣體的增加。

5 結(jié)語

銀東直流單極大地運(yùn)行是引起山東電網(wǎng)多臺變壓器發(fā)生振動噪聲異?，F(xiàn)象的主要原因。 除引起變壓器振動噪聲增大之外，還可能引起變壓器局部過熱等威脅變壓器安全運(yùn)行的現(xiàn)象。

1）在日照電廠、黃島電廠等銀東直流單極大地運(yùn)行影響較大的廠站安裝變壓器中性點(diǎn)直流、噪聲與振動的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2）根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的詳細(xì)實(shí)測數(shù)據(jù)，對所監(jiān)測的變壓器進(jìn)行振動與噪聲特性研究，確定偏磁條件下噪聲的限值，作為控制變壓器耐受直流電流的措施。

3）對受銀東直流影響較大的變壓器安裝直流偏磁抑制裝置。

4）對受銀東直流影響較大的變壓器安裝換流變BOX-IN降噪裝置，改善站內(nèi)及站區(qū)周圍的環(huán)境噪聲。

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