吳曉文，周年光，胡勝，彭繼文，盧鈴

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙410007）

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各大城市軌道交通的應(yīng)用逐漸普遍。城市軌道交通（Urban Mass Transit System，UMTS）采用直流供電，直流電流由接觸網(wǎng)流入機(jī)車(chē)內(nèi)部并經(jīng)由鋼軌回流至牽引變電站。一般而言，直流電流不會(huì)進(jìn)入交流電力系統(tǒng)。然而，由于土壤結(jié)構(gòu)、施工工藝、排流網(wǎng)導(dǎo)流能力等因素的影響，仍可能有一部分直流雜散電流通過(guò)變壓器中性點(diǎn)流入交流電力系統(tǒng)，造成交流系統(tǒng)變壓器的直流偏磁現(xiàn)象。直流偏磁容易引起變壓器局部過(guò)熱、噪聲與振動(dòng)加劇等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了電力變壓器的安全運(yùn)行［1-5］。

關(guān)于變壓器直流偏磁問(wèn)題的研究已有許多成果報(bào)道，主要集中在直流偏磁產(chǎn)生機(jī)理、直流偏磁對(duì)變壓器的影響、直流偏磁模擬以及直流偏磁控制措施等方面［6-8］。文獻(xiàn)［9-12］對(duì)500 kV變壓器直流偏磁條件下的噪聲與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量與分析，分析了直流偏磁對(duì)變壓器噪聲與振動(dòng)特性的影響；文獻(xiàn)［13-15］研究了變壓器直流偏磁仿真模型；文獻(xiàn)［16-18］分析了電容隔直與電阻隔直等直流偏磁控制措施。上述研究成果均以特高壓直流輸電工程帶來(lái)的直流偏磁問(wèn)題為研究背景，而關(guān)于城市軌道交通引起的變壓器直流偏磁問(wèn)題較少涉及。

分析了城市軌道交通引起變壓器直流偏磁的原因，詳細(xì)測(cè)量了某220 kV變壓器直流偏磁前后的噪聲與振動(dòng)信號(hào)，研究了信號(hào)時(shí)頻域特性的變化規(guī)律，從中提取出能夠反映變壓器直流偏磁狀態(tài)的特征參數(shù)，并將該特征參數(shù)與直流偏磁前后變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 UMTS引起變壓器直流偏磁的機(jī)理

直流偏磁發(fā)生前后，變壓器勵(lì)磁特性曲線及勵(lì)磁電流變化如圖1所示。圖中實(shí)線表示直流偏磁發(fā)生前變壓器勵(lì)磁特性曲線，虛線表示發(fā)生直流偏磁時(shí)變壓器勵(lì)磁特性曲線。正常情況下變壓器磁通隨外加電壓按正弦規(guī)律變化，此時(shí)鐵心磁通未飽和，變壓器磁化電流為正弦波且幅值較小。出現(xiàn)直流偏磁時(shí)，變壓器磁通發(fā)生整體偏移，與偏移方向一致的磁通大幅增加，與平移方向相反的磁通幅值減小，即出現(xiàn)半飽和現(xiàn)象［19-20］。鐵心磁通飽和時(shí)，對(duì)應(yīng)磁化電流幅值相對(duì)更高。因此，發(fā)生直流偏磁時(shí)，勵(lì)磁電流曲線出現(xiàn)嚴(yán)重畸變及正負(fù)半軸不對(duì)稱現(xiàn)象，且直流偏磁程度越大，該特征越明顯。直流偏磁電流達(dá)到2 A以上時(shí)，變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)顯著變化，信號(hào)幅值顯著增加，波形發(fā)生明顯畸變［11］。

圖1 直流偏磁原理圖Fig.1 Principle diagram of DC bias

除了地磁暴與特高壓換流站單極運(yùn)行外，UMTS也是造成交流變壓器直流偏磁現(xiàn)象的重要原因。理論上，UMTS鋼軌對(duì)地絕緣性能良好，絕大部分牽引電流通過(guò)鋼軌返回牽引變電站。然而，實(shí)際中鋼軌并非完全對(duì)地絕緣，加之鋼軌自身存在電阻，牽引電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生電位梯度，部分雜散電流（迷流）經(jīng)過(guò)土壤流入軌道附近交流變壓器的接地中性點(diǎn)，導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，如圖2所示。UMTS引起的變壓器直流偏磁其嚴(yán)重程度與氣象條件、土壤環(huán)境、列車(chē)數(shù)量、運(yùn)行工況等諸多因素有關(guān)［21-22］。與特高壓換流站單極運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的直流偏磁不同，UMTS引起直流偏磁時(shí)，主變中性點(diǎn)直流分量具有變化快、短期無(wú)明顯變化規(guī)律等特點(diǎn)，因此產(chǎn)生的無(wú)規(guī)異常噪聲與振動(dòng)對(duì)主變運(yùn)行的影響較大，更容易造成繞組與鐵心松動(dòng)等問(wèn)題。

圖2 UMTS雜散電流傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of the UMTS stray current transmission process

2 變壓器直流偏磁噪聲與振動(dòng)測(cè)量與分析

對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)某220 kV三相油浸式有載調(diào)壓自冷變壓器進(jìn)行直流偏磁前后噪聲與振動(dòng)檢測(cè)，變壓器型號(hào)為SSZ10-K-180000/220，采用某公司4189型自由場(chǎng)傳聲器與4534型加速度傳感器測(cè)量噪聲與振動(dòng)信號(hào)，利用12通道3053型采集模塊進(jìn)行同步信號(hào)采集，采樣頻率設(shè)置為65 536 Hz。

2.1 正常運(yùn)行主變?cè)肼暸c振動(dòng)特性

直流偏磁發(fā)生前，主變?cè)肼暸c振動(dòng)時(shí)域波形如圖3所示?？梢钥闯觯＿\(yùn)行條件下，主變?cè)肼暸c振動(dòng)信號(hào)較為平穩(wěn)，波形無(wú)明顯波動(dòng)，且具有明顯的周期性，聲壓 p最大幅值為0.32 Pa，等效聲壓級(jí)LAeq為68.2 dB（A），振動(dòng)加速度a最大幅值為4.0 m/s2。與圖3對(duì)應(yīng)的變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖4所示。由圖可見(jiàn)，變壓器噪聲信號(hào)頻譜主要集中在600 Hz以內(nèi)，信號(hào)能量主要集中在200 Hz與300 Hz，其中主頻200 Hz信號(hào)幅值為0.12 Pa；由于振動(dòng)信號(hào)不易受外界環(huán)境因素的干擾，中高頻諧波含量較少，變壓器振動(dòng)加速度頻譜主要集中在300 Hz頻率范圍內(nèi)，且50 Hz奇數(shù)倍諧波頻率含量較低，300 Hz主頻信號(hào)幅值為1.8 m/s2。

圖3 正常運(yùn)行主變?cè)肼暸c振動(dòng)時(shí)域波形Fig.3 Time-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

圖4 正常運(yùn)行主變?cè)肼暸c振動(dòng)頻域波形Fig.4 Frequency-domain waveforms of normal transformer noise and vibration signals

2.2 主變直流偏磁噪聲與振動(dòng)特性

變壓器直流偏磁條件下短時(shí)間范圍內(nèi)時(shí)域噪聲與振動(dòng)信號(hào)如圖5所示。假設(shè)0.2 s時(shí)間范圍內(nèi)變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，與圖3相比，此時(shí)噪聲與振動(dòng)信號(hào)幅值大幅增加，且發(fā)生較為明顯的畸變，波形復(fù)雜度顯著增加，振動(dòng)信號(hào)波形表現(xiàn)尤為明顯。0.2 s內(nèi)，變壓器聲壓最大值為0.94 Pa，平均等效聲壓級(jí)為80.4 dB（A），較正常情況增大了12.2 dB（A）；振動(dòng)加速度最大值為9.4 m/s2，較正常情況增加了約2.3倍。圖6給出了與圖5相應(yīng)的噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻譜，可以看出發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻譜分布較正常情況發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)了較多高次諧波，噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻譜范圍分別增加至850 Hz與1.4 kHz，且包含較多的50 Hz奇數(shù)倍諧波頻率。噪聲信號(hào)主頻由200 Hz變?yōu)?00 Hz，振動(dòng)加速度信號(hào)出現(xiàn)幅值較高的500 Hz頻率分量，信號(hào)幅值為3.0 m/s2，原本能量比重較高的100 Hz與200 Hz頻率分量幅值顯著減小。由此可見(jiàn)，直流偏磁對(duì)于變壓器噪聲與振動(dòng)特性具有十分重要的影響。

圖5 主變直流偏磁噪聲與振動(dòng)時(shí)域波形Fig.5 Time-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

圖6 主變直流偏磁噪聲與振動(dòng)頻域波形Fig.6 Frequency-domain waveforms of DC-bias transformer noise and vibration signals

為了研究主變中性點(diǎn)直流I與變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及UMTS引起變壓器直流偏磁的變化規(guī)律。設(shè)計(jì)了直流偏磁多狀態(tài)量監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)24 h內(nèi)主變中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)幅值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)變化關(guān)系Fig.7 Relationship of neutral point DC，vibration acceleration and sound pressure level versus time

圖中，橫坐標(biāo)具體起始時(shí)刻為3月11日12時(shí)30分。由圖中可以看出，變壓器振動(dòng)加速度、聲壓級(jí)與其中性點(diǎn)直流具有完全相同的變化趨勢(shì)，中性點(diǎn)直流越大，變壓器振動(dòng)加速度與聲壓級(jí)越高。24 h內(nèi)該變壓器中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)最大值分別為28.2 A、12.0 m/s2以及 85.4 dB（A）。次日0時(shí)30分時(shí)，地鐵入庫(kù)完畢，軌道上無(wú)車(chē)輛運(yùn)行，變壓器中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)迅速恢復(fù)至正常水平。5時(shí)10分左右，地鐵開(kāi)始調(diào)試，軌道上有直流流過(guò)，變壓器中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)開(kāi)始增大，經(jīng)過(guò)1 h后，地鐵正式投入運(yùn)行，變壓器中性點(diǎn)直流、振動(dòng)加速度以及聲壓級(jí)始終保持較高水平。由此可見(jiàn)，地鐵運(yùn)行狀態(tài)與該變壓器直流偏磁情況密切相關(guān)，并且造成該變壓器振動(dòng)與噪聲急劇增加。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，周期性的反復(fù)振動(dòng)沖擊容易造成變壓器繞組與鐵心松動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備絕緣受損，不利于變壓器的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。因此，開(kāi)展變壓器直流偏磁狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有實(shí)際意義。

3 直流偏磁噪聲與振動(dòng)信號(hào)特征分析

對(duì)比圖4與圖6可以看出，變壓器出現(xiàn)直流偏磁時(shí)，噪聲信號(hào)頻譜中50 Hz奇次諧頻與偶次諧頻含量發(fā)生較為明顯的變化。盡管噪聲與振動(dòng)信號(hào)幅值可作為直流偏磁狀態(tài)的輔助判斷依據(jù)，但當(dāng)直流電流較小時(shí)，該判據(jù)評(píng)價(jià)效果較差。為了提高直流偏磁狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，可以從噪聲與振動(dòng)信號(hào)頻譜分布中提取變壓器直流偏磁特征參數(shù)，用于直流偏磁狀態(tài)評(píng)價(jià)。

變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)基本處于2 kHz范圍內(nèi)，可定義噪聲與振動(dòng)信號(hào)的奇偶次諧波比為：頻譜2 kHz范圍內(nèi)，變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)50 Hz奇次諧頻幅值的均方根值與50 Hz偶次諧頻幅值的均方根值的比值，即：

式中 A2i為信號(hào)50 Hz偶次諧波幅值；A2i－1為信號(hào)50 Hz奇次諧波幅值；N為2 kHz范圍內(nèi)信號(hào)50 Hz諧頻數(shù)量。

測(cè)量直流偏磁前后1 h內(nèi)變壓器的噪聲與振動(dòng)信號(hào)變化過(guò)程，并計(jì)算相應(yīng)特征參數(shù)。變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)奇偶次諧波比特征隨時(shí)間變化過(guò)程如圖8所示。

圖8 主變?cè)肼暋⒄駝?dòng)信號(hào)與特征量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Corresponding relationship of transformer noise，vibration signals and characteristic parameter versus time

圖中，實(shí)線為特征參數(shù)變化曲線，虛線為實(shí)際噪聲與振動(dòng)信號(hào)變化曲線。由圖中可以看出，前30min未發(fā)生直流偏磁時(shí)，特征參數(shù)值一直處于較低水平，30 min后變壓器噪聲、振動(dòng)以及特征參數(shù)均急劇增大，此時(shí)地鐵運(yùn)行導(dǎo)致直流偏磁現(xiàn)象產(chǎn)生，并且在30 min～40 min之間噪聲與振動(dòng)水平尚且較低時(shí)，特征參數(shù)已開(kāi)始出現(xiàn)顯著變化。與噪聲信號(hào)相比，振動(dòng)信號(hào)不受外界因素干擾，其特征參數(shù)變化與直流偏磁狀態(tài)具有更好的一致性。由此可以看出，所提取的特征參數(shù)與變壓器噪聲及振動(dòng)信號(hào)除部分細(xì)節(jié)外具有相同的變化趨勢(shì)，能夠準(zhǔn)確地反映出直流偏磁的變化過(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了UMTS引起的變壓器直流偏磁產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)比分析了直流偏磁前后變壓器噪聲與振動(dòng)特性，并提取出變壓器直流偏磁噪聲與振動(dòng)特征參數(shù)，主要得出如下結(jié)論：

（1）發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)幅值大幅增加，頻譜特性更為復(fù)雜，頻帶范圍更寬，并且出現(xiàn)較多50 Hz奇數(shù)倍諧頻；

（2）UMTS引起變壓器直流偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生及變化與其運(yùn)行方式有關(guān)，變壓器中性點(diǎn)電流、噪聲與振動(dòng)信號(hào)具有相同的變化過(guò)程；

（3）以變壓器噪聲與振動(dòng)信號(hào)的奇偶次諧波比為特征參數(shù)均能反映出變壓器的直流偏磁狀態(tài)，但振動(dòng)信號(hào)奇偶次諧波比特征與直流偏磁狀態(tài)具有更好的一致性。