谐波激励下电力变压器振动特性.pdf

谐波激励下电力变压器振动特性董家睿，李基民，魏铭（深圳供电局有限公司，广东 深圳518000）摘要：电力变压器受谐波驱动将产生频率含量丰富的振动和噪声，振动加速度和总体声功率增大将导致变压器机械和绝缘故障概率提高，影响电力系统运行的稳定性，难以满足国家标准要求，因此研究电力变压器的振动特性具有重要意义。文中首先分析电力变压器的振动来源和传递过程，并试验研究变压器整体的模态特性和振动特性，获得其各阶振型；在模态分析的基础上进一步搭建变压器振动信号测量平台，分别对变压器三相进行谐波激励下的负载试验与空载试验，分析谐波激励下变压器振动的传递过程，研究不同频率谐波下变压器的振动特性和相应变化规律。关键词：电力变压器；谐波；振动特性；模态频率；振型Vibration Characteristics of Power Transformers Under Harmonic ExcitationDONG Jiarui，LI Jimin，WEI Ming（Shenzhen Power Supply Co.，Ltd.，Guangdong Shenzhen 518000，China）Abstract:Power transformers，driven by harmonic，will generate vibration and noise with rich frequency content.The increase of vibration acceleration and overall noise power will lead to the increase of mechanical and insulationfault probability，affect operation stability of power system and not meet China national standard requirement.Therefore，it is of great significance to study the vibration characteristics of power transformer.In this paper，the vibrationsource and transmission process of the transformer is analyzed firstly.Then，the modal and vibration characteristicsof the transformer as a whole are studied，and its various order modes are obtained.On the basis of modal analysis，theload and noload tests under the harmonic excitation of the threephase transformer are carried out respectively byway of setting up vibration signal measurement platform of transformer so analyze the transmission process of the vibration of transformer under the harmonic excitation and study the vibration characteristics and the correspondingvariation of the transformer under different frequency harmonics.Key words:power transformers；harmonics；vibration characteristics；modal frequencies；vibration shapes0引言电力变压器是电网中实现电能远距离输送及分配的枢纽设备，广泛分布于能源富集地及人口密集地1-2。随着输电电压等级的提高，输送功率的增大，特别是非线性负荷、脉动整流器和变频器中的大量谐波涌入变压器3-4，使得变压器相应的承担谐波产生的驱动力，进而产生频率含量丰富的振动和噪声。谐波电流使得变压器振动加速度5-7、声功率8和总体声功率9-10增大，在一定条件下，变压器厂界噪声将难以符合GB 123482008中规定的I、II类区域的昼夜间声压级标准11。与此同时，变压器的内部结构长期在剧烈振动的影响下会产生绕组松动、铁心磨损、套管爆炸、局部过热、绝缘老化等机械或绝缘故障，严重影响变压器运行的安全性与可靠性12-15。从20世纪20年代起，国外研究者就对电力变压器的振动噪声展开了大量的实验研究。到了70年代，随着一系列噪声检测新方法的提出，例如声强测量法、振速法等，以及FLYSTRYD等噪声仿真软第59卷第8期：003500422023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：00350042Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.004_收稿日期：20230205；修回日期：20230510基金项目：特高压工程技术(昆明、广州)国家工程实验室开放基金项目(NEL202001)。Project Supported by National Engineering Laboratory for Ultra High Voltage Engineering Technology(Kunming，Guangzhou)(NEL202001).2023年8月第59卷第8期件的研发成功，电力变压器的振动噪声特性得到了更深一步的研究16-17。中国该领域的相关研究开始时间较晚，直到20世纪80年代才开始相关研究18。西安交通大学的汲胜昌教授对负载电流与油箱表面振动加速度基频信号关系进行拟合，得到了铁心的基频振动特性19。吴健等通过对电力变压器的铁心振动进行仿真，探究铁心电磁振动的影响因素20。赵莉华等分析了流过谐波电流绕组的受力情况，研究谐波对变压器振动的影响21，但未研究谐波激励下变压器振动信号传递过程和振型。贲彤等分析了谐波导致的铁心磁致伸缩特性畸变，研究了铁心在谐波下的受力情况与振动加速度频谱22，但未开展各次谐波对变压器整体振动特性的影响的研究。因此，为了提高电力设备设计水平，确保电力设备安全可靠运行并满足环保要求，保障周边居民身心健康，对变压器固有模态特性进行分析，研究谐波激励下电力变压器振动和噪声的产生机理以及相应的传递过程具有十分重要的意义。1变压器振动来源与传递过程电力变压器振动和噪声主要来自于铁心、绕组以及运行中的冷却装置如风扇与油泵等，其中绕组和铁心是变压器振动与噪声的最主要来源。传递过程见图1。图1变压器振动与噪声的产生和传递过程Fig.1The generation and transmission process oftransformer vibration and noise铁心的振动主要来源于铁心叠片的磁致伸缩以及连接缝隙间的Maxwell应力作用，但是随着平面叠铁心接缝工艺的进步，在铁心接缝处由Maxwell应力所引起的振动已减弱，一定条件下可忽略由该部分所产生的振动。绕组的振动主要由线圈在漏磁场中所受的安培力引起23。并且由于铁心与绕组之间所存在的物理机械连接，这两部分间的振动存在一定的耦合关系，在一定条件下可能会发生共振，振动和噪声将会大大加强。同时变压器中的风扇和油泵等冷却装置也会产生振动，带来噪声。振动源所产生的振动将通过变压器油、本体紧固件和空气传递到油箱表面，从而使变压器产生振动并且向外部辐射噪声。2变压器整体固有模态特性研究2.1变压器模态测量平台试验用电力变压器油箱长80 cm，宽33 cm，高90 cm，其整体机械结构具有一定的对称性。将加速度传感器固定于油箱表面，选取B柱下方为敲击点，该点位于机械结构对称轴线上，有利于采集到更加优良的振动信号。通过力锤敲击施加冲击载荷信号，振动将传递到整个油箱表面，通过振动传感器采集得到各点的振动信号。布点方式见图2，现场试验见图3。图2油箱表面传感器布点位置Fig.2Sensor placement position on the fuel tank surface图3现场试验Fig.3Field test2.2各阶模态频率与振型对采集得到的信号进行处理，计算得到变压器36整体的1阶模态频率为104.280 9 Hz，变压器整体的振动过程见图4，图中振动从左到右、从上到下随时间变化。图4变压器1阶频率下振动变化过程图Fig.4Diagram of the vibration change process of thetransformer at the firstorder frequency从1阶振型可以看到变压器下半部分的振动相位超前上半部分的振动相位，变压器正面振幅最大位置出现在A柱和C柱下方，侧面振动幅值最大点出现在上下两个端部。变压器2阶模态频率为262.102 6 Hz，随时间变化的振动图像见图5。整体振动剧烈程度和畸变程度相较1阶模态略有增强，变压器正面振幅最大位置仍然在A柱和C柱的下方，侧面振动幅值最大点出现在最底端。变压器3阶模态频率为390.677 1 Hz，变压器表面振型随时间变化的振动图像见图6。变压器上半部分振幅大于下半部，侧面振动幅值最大点出现在最底端。从各阶模态振型可以看出，随时间变化，振动从变压器A柱和C柱下方开始，逐步传递到变压器整个表面。关于中轴具有一定对称性的A柱和C柱的下方，振幅较大，振动最为剧烈，两个侧面的上下端振动较为剧烈，这一现象和电力变压器的整体机械结构以及各部分的固有模态频率有关，A柱和C柱下方是A相绕组和C相绕组所在位置，模态频率下，可能会和变压器整体发生共振。3谐波激励下变压器振动特性大量谐波涌入变压器会使得变压器承担谐波产生的驱动力，产生频率含量丰富的振动和噪声。因此研究谐波激励下变压器的振动特性具有十分重要的研究意义和工程实际应用价值。3.1谐波激励下变压器振动测试平台试验电力变压器为三相双绕组变压器，具体参数见表1。表1电力变压器具体参数Table 1Specific parameters of power transformer额定容量/kVA50联结组别YNd11额定电压/V693/400额定电流/A41.65/72.20测量平台使用谐波源分别对电力变压器三相单独施加不同频率的谐波激励，采用激光测振仪测量各频率下电力变压器表面的振动信号，激光测振仪测量点与图2中的试验模态测量点相同。整体以图5变压器2阶频率下振动变化过程图Fig.5Diagram of the vibration change process of thetransformer at the secondorder frequency图6变压器3阶频率下振动变化过程图Fig.6Diagram of the vibration change process of thetransformer at the thirdorder frequency变压器技术董家睿，李基民，魏 铭.谐波激励下电力变压器振动特性372023年8月第59卷第8期多普勒激光测振仪为基础的电力变压器振动信号测量平台见图7。图7变压器振动信号测量平台Fig.7Transformer vibration signalmeasurement platform3.2短路试验下变压器振动特性分析变压器短路试验也被称为负载试验，在副边短路的情况下，变压器的电压很低，铁心中通过的磁通很小，由铁心叠片所引发的变压器振动几乎可以忽略不计，在这种情况下电力变压器的振动主要由绕组振动叠加磁屏蔽件和变压器油箱振动所引起，也被称为负载振动24-25。然而，电力变压器绕组及铁心的振动并不独立，两者通过固体连接以及变压器油紧密联系在一起，此时不同振源耦合在一起，其振动频率、相位、幅值相互影响26-29。在短路试验中，考虑到变压器结构的对称性，对电力变压器的A、B两相原边分别单独施加以10 Hz为间隔，范围在10500 Hz的不同频率谐波电压激励，将副边短路连接，控制变压器的原边电流始终为40 A，测量电力变压器表面的振动信号。3.2.1A相短路振动特性在 A 相副边短路的情况下，对 A 相原边施加50500 Hz(步长为50 Hz)不同频率谐波电源，控制原边电流为40 A，得到变压器在50 Hz各倍频下的振动频谱见图8。图8A相短路试验50 Hz各倍频振动频谱Fig.8Vibration spectrum of each multiple frequency of 50 Hz in A phase short circuit test在不同频率电源激励下，所加电源频率的各倍频处均有明显的频率响应峰值，其中两倍电源频率处对应的频率响应普遍最大，这与绕组的振动机理有关，短路试验中电力变压器的振动主要由绕组引起，绕组的振动加速度频率是电源频率的两倍，绕组振动加速度的振动基频为两倍的电源频率。A相短路试验总体振幅分布见图9。在谐波源频率为100、300、450、500 Hz左右，变压器的总体振幅较大，振动较为剧烈，单个点的最大振动加速度幅值可在 500 Hz 频率分量下达到120 mm/s2，这与变压器的固有频率有关以及谐波下变压器受力情况有关。不同频率谐波下，变压器的38中间部位和下端的振动相较于变压器上端振动更加剧烈，振幅普遍更大，这是由于振动来源绕组主要位于变压器中下位置。3.2.2B相短路振动特性B相短路试验总体振幅分布见图10。图10B相短路试验不同频率下总体振幅分布Fig.10Overall vibration amplitude distribution atdifferent frequencies in phase B short circuit test在100、300、500 Hz左右，变压器各部分振动较大，单点最大振幅在400 Hz下可达到100 mm/s2。不同频率谐波下，绕组所在的变压器整体中下部位的振动更加剧烈，各谐波频率下振幅最大值点均出现在变压器中下部分。与A相短路试验相比，B相短路试验中的变压器总体振幅分布存在一定的对称性，这是因为B相处于变压器的中间位置并且变压器具有总体上较为对称的机械结构，振动信号从中间向左右传递引起的振动过程较为相似，但由于各部分机械结构仍然存在差异致使变压器左右对称各部分振幅不完全相同，振幅最值大点出现位置并不对称。3.3空载试验下变压器振动特性分析在电力变压器的空载试验中，副边开路，绕组中仅流通很小的励磁电流，由此所引发的绕组振动较小，可以忽略不计，此时电力变压器整体的振动主要由铁心振动所引起，也称为空载振动。在空载试验中，电力变压器的A、B两相原边分别单独连接谐波源，控制原边电压为变压器额定工作电压，分别施加频率为10、20、30、490、500 Hz的谐波电源激励，测量变压器表面的振动信号。3.3.1A相空载振动特性A相空载试验中50Hz各倍频下的振动频谱见图11。在外加谐波电源频率的各倍频处存在较大峰值，最大频率响应均出现在两倍谐波电源频率处，这与变压器空载情况下的振动机理有关，空载试验中铁心振动是电力变压器振动的主要来源，铁心的振动加速度频率是外加电源频率的两倍，其基频为两倍的电源频率。A相空载试验中不同频率谐波电源下变压器的总体振幅分布见图12。变压器整体在100、200、300、500 Hz这些100 Hz的倍频下振动较为剧烈，振幅较大的点普遍位于铁心所在的中部偏下部位，单个点最大振幅在300 Hz下可达到120 mm/s2。3.3.2B相空载振动特性B相空载试验不同频率下总体振幅分布见图13。在B相空载试验中，200 Hz的谐波频率下单个点的最大振幅仍可达到100 mm/s2，但大多数50 Hz倍频下变压器表面振幅不超过10 mm/s2，远小于B相短路试验中变压器表面振幅。4结论文中主要分析了电力变压器的振动产生机理和传递过程，试验探究了变压器整体的模态特性以及谐波对电力变压器振动产生的影响，分析了电力变压器在各频率谐波下的振动传递过程和振动特性。主要结论如下：1)文中通过试验研究了变压器整体的各阶模态频率，获得了变压器整体在相应各阶模态下振动模型，分析了变压器的振动传递过程。图9A相短路试验不同频率下总体振幅分布Fig.9Overall vibration amplitude distribution atdifferent frequencies in phase A short circuit test变压器技术董家睿，李基民，魏 铭.谐波激励下电力变压器振动特性392023年8月第59卷第8期图12A相空载试验50 Hz各倍频振动频谱Fig.12Vibration spectrum of each multiple frequency of50 Hz in A phase noload test2)文中搭建了变压器振动信号测量平台，试验研究了不同频率谐波下变压器振动特性，副边短路或空载时，变压器在不同频率谐波激励下，所加谐波频率的各倍频处均有频率响应峰值，其中二倍频处响应出现最大值。图13B相空载试验50 Hz各倍频振动频谱Fig.13Vibration spectrum of each multiple frequency of50 Hz in B phase noload test3)变压器表面的振幅分布与变压器机械结构、固有模态以及加电后受力情况有关，在变压器铁心与绕组所在的变压器中下部位振动更加剧烈，并且图11A相空载试验50 Hz各倍频振动频谱Fig.11Vibration spectrum of each multiple frequency of 50 Hz in A phase noload test40负载振动在变压器表面引起的振动平均幅值大于空载振动引起的振动幅值。参考文献：1汲胜昌，师愉航，张凡，等.电力变压器振动与噪声及其控制措施研究现状与展望J.高压电器，2019，55(11)：117JI Shengchang，SHI Yuhang，ZHANG Fan，et al.Review onvibration and noise of power transformer and its controlmeasuresJ.High Voltage Apparatus，2019，55(11)：117.2何东升，苗本健，罗海凹，等.新形势下电力变压器的检测新要求和发展建议J.变压器，2022，59(8)：4650.HE Dongsheng，MIAO Benjian，LUO Hai ao，et al.Analysisof typical quality problems in power transformer samplinginspection and industry development suggestionsJ.Transformer，2022，59(8)：4650.3GOMEZ J C，MORCOS M M.Impact of EV battery chargerson the power quality of distribution systemsJ.IEEETransactions on Power Delivery，2003，18(3)：975981.4刘定国.宽频域多类型谐波理论分析及治理方法研究D.长沙：湖南大学，2016：12LIU Dingguo.Research on theory and suppression technology of wideband frequency multitype harmonics implementationD.Changsha：Hunan University，2016：12.5李鹏程.基于振动信号分析法的换流变压器振动特性及其影响因素研究J高压电器，2018，54(4)：142151LIPengcheng.Vibrationcharacteristicsandinfluentialfactors of converter transformer based on vibration signalanalysisJ.High Voltage Apparatus，2018，54(4)：142151.6黄之明，王乔，张逸凡，等.谐波条件下500 kV联接变压器铁心应力及振动特性仿真分析J高压电器，2019，55(11)：8692HUANG Zhiming，WANG Qiao，ZHANG Yifan，et al.Simulation analysis on stress and vibration characteristicsof 500 kV connected transformer core in harmonic conditionJ.High Voltage Apparatus，2019，55(11)：8692.7刘道生，钟伟，李家晨，等.非晶合金油浸式变压器振动特性与噪声分析J.变压器，2022，59(11)：2227.LIU Daosheng，ZHONG Wei，LI Jiachen，et al.Vibrationcharacteristics and noise analysis of amorphous alloy oilimmersed transformerJ.Transformer，2022，59(11)：2227.8CIGRE WG 12/14.10HVDC converter transformer noiseconsiderationsRParis：CIGRE，19969KENDIG R P.Sound intensity survey of the comerfordHVDC converter stationJ.IEEE Power Engineering Review，1989，9(7)：7374.10 阮学云，李志远，宋健.振速法在换流变压器声功率测量中的应用研究J.高压电器，2015，51(4)：2428RUAN Xueyun，LI Zhiyuan，SONG Jian.Application research on vibration velocity method in the converter transformer sound power measurementJ.High Voltage Apparatus，2015，51(4)：2428.11 工业企业厂界环境噪声排放标准：GB 123482008S.2008.Emission standard for industrial enterprise noise at boundary：GB123482008S.2008.12 邱海枫，苏宁，田松林.改进支持向量机在电力变压器故障诊断中的应用研究J.电测与仪表，2022，59(11)：4853.QIU Haifeng，SU Ning，TIAN Songlin.Research on theapplication of improved support vector machine in powertransformerfault diagnosisJ.Electrical Measurement&Instrumentation，2022，59(11)：4853.13 杨定乾，王建.基于扫频阻抗法辨识的电力变压器绕组变形智能检测技术J.电测与仪表，2021，58(6)：195200.YANG Dingqian，WANG Jian.Intelligent detection technology of power transformer winding deformation based onsweeping impedance identificationJ.Electrical Measurement&Instrumentation，2021，58(6)：195200.14 刘胜军，孙志鹏，沈辰，等.基于振动频谱分析和总谐波畸变率的电力变压器故障诊断方法研究J.电网与清洁能源，2021，37(3)：8691.LIU Shengjun，SUN Zhipeng，SHEN Chen，et al.Researchon fault diagnosis of power transformers based on spectralanalysis of vibration signals and total harmonic distortionJ.Power System and Clean Energy，2021，37(3)：8691.15 咸日常，范慧芳，李飞，等.基于改进GSASVM模型的电力变压器故障诊断J.智慧电力，2022，50(6)：5056.XIANRichang，FANHuifang，LIFei，etal.Powertransformer fault diagnosis based on improved GSASVMmodelJ.Smart Power，2022，50(6)：5056.16 董志刚.变压器的噪声(2)J.变压器，1995，32(11)：2630.DONG Zhigang.Noise from transformers(II)J.Transformer，1995，32(11)：2630.17 董志刚.变压器的噪声(3)J.变压器，1995，32(12)：3640.DONG Zhigang.Noise from transformers(III)J.Transformer，1995，32(12)：3640.18 董志刚.变压器的噪声(1)J变压器，1995，32(10)：3135.DONG Zhigang.Noise from transformers(I)J.Transformer，1995，32(10)：3135.19 汲胜昌，李彦明，傅晨钊.负载电流法在基于振动信号分析法监测变压器铁心状况中的应用J.中国电机工程学报，2003，23(6)：154158JI Shengchang，LI Yanming，FU Chenzhao.Application ofon load current method in monitoring the condition oftransformer s core based on the vibration analysis methodJ.Proceedings of the CSEE，2003，23(6)：154158.20 吴健，韩文，田昊洋，等.变压器铁心电磁振动仿真变压器技术董家睿，李基民，魏 铭.谐波激励下电力变压器振动特性412023年8月第59卷第8期及影响因素研究J.科学技术与工程，2021，21(2)：576582WU Jian，HAN Wen，TIAN Haoyang，et al.Simulation ofelectromagnetic vibration of transformer core and its influencing factorsJ.Science Technology and Engineering，2021，21(2)：576582.21 赵莉华，丰遥，谢荣斌，等.谐波对变压器振动特性的影响J.水电能源科学，2017，35(11)：198202ZHAO Lihua，FENG Yao，XIE Rongbin，et al.Influence ofharmonics on vibration properties of transformerJ.WaterResources and Power，2017，35(11)：198202.22 贲彤，杨庆新，闫荣格，等.谐波激励下变压器振动特性分析J河北工业大学学报，2017，46(3)：17BEN Tong，YANG Qingxin，YAN Rongge，et al.Oninfluence of harmonic excitationon the transformer vibrationJ.Journal of Hebei University of Technology，2017，46(3)：17.23 汲胜昌，张凡，师愉航，等.基于振动信号的电力变压器机械状态诊断方法研究综述J高电压技术，2020，46(1)：257272JI Shengchang，ZHANG Fan，SHI Yuhang，et al.Review onvibrationbased mechanical condition monitoring in powertransformersJ.High Voltage Engineering，2020，46(1)：257272.24 汲胜昌，程锦，李彦明.油浸式电力变压器绕组与铁心振动特性研究J西安交通大学学报，2005，39(6)：616619JI Shengchang，CHENG Jin，LI Yanming.Research onvibration characteristics of windings and core of oilfilledtransformerJ.Journal of Xi an Jiaotong University，2005，39(6)：616619.25 张仕民，丰遥.基于振动信号的变压器铁心与绕组故障区分方法J.电测与仪表，2021，58(6)：161166.ZHANG Shimin，FENG Yao.Discrimination method oftransformer core and winding fault based on vibration signalJ.Electrical Measurement&Instrumentation，2021，58(6)：161166.26 郑婧.基于盲分离的电力变压器振动模型研究D.杭州：浙江大学，2015ZHENG Jing.Research on vibration model of power transformer based on blind separationD.Hangzhou：ZhejiangUniversity，2015.27 谢坡岸，金之俭，饶柱石，等.振动法检测空载变压器绕组的压紧状态J.高电压技术，2007，33(3)：188189XIE Po an，JIN Zhijian，RAO Zhushi，et al.Using vibrationmethod todetect press condition of transformer winding onnoload conditionJ.High Voltage Engineering，2007，33(3)：188189.28 赵斌，张闯，李隆，等.电力变压器振动检测装置设计及振动信号去噪方法研究J.电测与仪表，2021，58(8)：118124.ZHAO Bin，ZHANG Chuang，LI Long，et al.Research onthe design of power transformer vibration detection deviceand the vibration signal de noising methodJ.ElectricalMeasurement&Instrumentation，2021，58(8)：118124.29 潘志城，邓军，彭翔，等.计及谐波影响的在运换流变压器振动信号特性分析J.变压器，2021，58(9)：6367.PAN Zhicheng，DENG Jun，PENG Xiang，et al.Analysis ofvibration signal characteristics of converter transformer inoperationconsideringharmoniceffectJ.Transformer，2021，58(9)：6367.董家睿(1998)，男，本科，助理工程师，主要研究方向为智能配电网(Email：)。李基民(1995)，男，本科，助理工程师，主要研究方向为智能配电网。魏铭(1993)，男，本科，助理工程师，主要研究方向为智能配电网。42