500kV变压器异常噪声与振动的原因分析

６　浙江电力　ＺＨＥＪＩＡＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　２００６年第３期　５００　ｋＶ变压器异常噪声与振动的原因分析　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ａｂｎｏｒｍａｌ　Ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　５００　ｋＶ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　张建平，潘　星　（浙江省电力试验研究院，浙江杭州　３１００１４）　摘要：通过大量的测试、分析及试验，发现了５００　ｋＶ电网的电压暂降、直流偏磁和变压器中性点零　序谐波电流等与５００　ｋＶ变压器多次异常声音和振动的关系，对电压暂降引起变压器的异常声音和振　动提出了相应的处理办法。对地磁暴等干扰电网运行和引起变压器直流偏磁现象提出了监测建议。　关键词：变压器：异常噪声；电网扰动　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ　ｄｏｉｎｇ　ａ　ｍａｓｓ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｓ，ｗｅ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｔｈａｔ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｅｒｅ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｍａｉｎｓ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｐｐｉｎｇ，　ＤＣ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｉａｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｎｅｕｔｒａｌ　ｐｏｉｎｔ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｒｅｌｅ－　ｖａｎｔ　ｔｏ　ａｇａｉｎｓｔ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｐ　ｗｅｒｅ　ｂｒｏｕｇｈｔ　ｆｏｒ－　ｗａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｏｆ　ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｔｏｒｍ　ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇ　ｍａｉｎｓ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｒｉｎｇｉｎｇ　ｔｏ　ＤＣ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｉａｓｉｎｇ　ｉｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｗｅ　ａｌｓｏ　ｐｏｓｅｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｃａｒｒｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ａｂｎｏｒｍａｌ　ｎｏｉｓｅ；ｍａｉｎｓ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　中图分类号：ＴＭ４０６　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ００７—１８８１（２００６）０３—０００６—０５　０　引言　５００　ｋＶ变压器作为电网主网架中的重要设　骤降、直流偏磁和变压器中性点零序谐波电　流等与５００　ｋＶ变压器异常噪声和振动有关　系。　备，直接影响着电网的安全稳定运行。浙江　电网在运行中多次出现５００　ｋＶ变压器异常声　音和振动增加的现象，有的异常声音和振动　持续时间长达１　ｈ以上，最严重的一次是在　２００５年５月１５日１５点左右，浙江电网５００　ｋＶ系统中有多台变压器同时发生异常噪声和　１　５００　ｋＶ变压器异常声音和振动增　加现象　１．１　５００　ｋＶ乔司变１号主变　５００　ｋＶ乔司变ｌ号主变于２００１年５月投　振动，持续时间达数个小时。这种变压器异　常噪声和振动产生的原因值得分析。　入运行，容量为７５０　ＭＷ（３台单相自耦变压　器），制造厂为保定变压器厂，夏季最大负荷　为４３０　ＭＷ。　１号主变在运行期间多次出现不明原因的　噪音异常增大和振动增加现象，且在持续～　笔者从２００２年初开始一直参加５００　ｋＶ变　压器异常声音和振动现象调查和分析工作，　并负责电网扰动的测试分析。通过对大量可　能引起主变振动的电气扰动类型的分析，对　扰动源的运行调查和测试以及引起５００　ｋＶ变　压器异常声音和振动现象的机理分析发现：　段时间后又恢复正常，个别几次还伴随有２２０　ｋＶ线路高频收发信机动作或者故障录波器启　动，在发生异常现象时没有任何操作，运行　人员及时到现场查看主变油温、绕组温度、　除去５００　ｋＶ变压器本体的原因外，电网电压　风扇运转情况等未见异常，检查监控系统无　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第３期　浙江电力　７　报警信号，相关的监测表计均无异常。　当然，也有部分变压器噪声异常和振动增　加是在对其他设备操作过程中引起的，如：　（１）２００２年５月３日，按试验要求秦山　５０３２开关冲击空载秦山１号主变，发现乔司１　号主变在试验时出现噪声明显增大现象，一段　时间后恢复正常。　（２）２００２年６月１２日，乔司变乔王５０５１　开关对乔王５４３３线（挂有接地线）充电失败　时，在５００　ｋＶ第５串处听见１号主变噪声突　然变大，迅速到主变现场检查，三相噪声均　变大，但很快趋于正常。　（３）２００２年７月１２日１７点４６分，在瓶　乔５４１　１线路由检修改运行过程中，当合上　５００　ｋＶ闸刀时发现１号主变噪声突然变大，　现场检查三相均变大，Ｂ相噪声特别大，主变　有功１５９　ＭＷ，无功１４６　Ｍｖａｒ，避雷器泄漏电　流指示正常，三相油温、绕组温度均在３８—　４２℃之间，１８点４２分主变噪声恢复正常。　１．２　５００　ｋＶ双龙变１号和２号主变　２００２年以来，５００　ｋＶ双龙变１、２号主变　（日本东芝生产的单相自耦变压器）在运行中　也先后有６次出现了振动和噪声突然增大的　情况，每次主变振动和噪声突然增大时，运　行人员均到现场对主变进行仔细检查，除了　主变的振动加剧外，没有发现其它的异常情　况。另外，每次出现这种情况时，二组主变　的６台变压器基本上是同时出现振动加剧，　振动和噪声相差不多，而且几乎同时消失。　下面是其中二次主变出现异常的运行情况：　（１）２００２年４月２４日，１２点左右，１号和　２号主变的６台变压器同时出现振动和噪声增　大情况，持续时间近一个小时。当时，运行　人员询问过总调值班人员，系统上没有操　作。　（２）２００２年５月２３日１８点３０分至２０点　４０分，１号和２号主变的６台变压器又同时出　现振动和噪声增大情况。当时，王店变５００　ｋＶ线路在做启动试验。　上面列举的一些异常情况发生时，没有发　生继电保护的动作，但每次运行人员听觉上　能感到异常。　２　电压突变的影响及对策　２．１电网扰动测试　为了寻找可能引起主变振动的电气扰动类　型及扰动源，针对一些能引起电网扰动的非　线性负荷例如大型电弧炉等进行了专项测　试。测试指标包括谐波、间谐波、电压暂降　及一些触发条件下的暂态波形。也对５００　ｋＶ　乔司变１号主变电压和电流的电能质量进行了　连续测试。　通过测试发现：谐波等情况正常，５００　ｋＶ　变压器正常运行发生异常声音与系统电压突　变有很大的关联。图１提供了４月７日１３点　０８分的测试数据，当乔司变１号主变声音异　常时，２２０　ｋＶ侧电压出现了电压突变较大的　现象（见图１），电压突变最大幅值为２．４３％，　持续时间为２０　ｍｓ；间谐波的最大幅值达到了　８．８％，持续时间近１０　Ｓ。经事后查证该时刻　为秦山核电二期５０３２开关冲击秦山１号主　变。　ｋ　Ｉ＿　∥　‘ｌ　　，　～　１厂　ｔ　，　Ｉ　｝　，　～　：　Ｉ　Ｊ　ｆ　／　。ｉ　　｛Ｉ　．　｛　　ｉ　：ｆ　］‘　　ｆｉ　　ｒ　ＩＯ３　Ｃ　ｌ　５　（　１７　０　９　１　１　１　３　１　５　１　７　９　图ｌ　４ｆｆＪ　７日２２０　ｋＶ侧电压突变波形图　通过一段时间的测试，变压器运行中异常　声音和电压暂降关系统计结果见表１，电压暂　降幅值大于２．０％时，变压器噪声就能使运　行人员听觉上感到异常。　表１变压器声音异常和电压暂降关系　２．２　系统试验　为了验证乔司１号变压器噪声异常和电压　维普资讯 http://www.cqvip.com

８　张建平，等：５００　ｋＶ变压器异常噪声与振动的原因分析　２００６年第３期　暂降关系，专门安排了一次系统试验，复现　秦山核电二期的５０３２开关冲击秦山１号主变　操作。原预定重复操作３次，结果在第二次　就发生了乔司１号和瓶窑各主变噪声和振动　明显增大现象。测得此时瓶窑５００　ｋＶ侧电压　电压暂降３．３０％（见图２）。　５８　＝口自　—　■≈｜一　日■口　＿■ｊｃ　Ｅ　≈’　—：　宴’　５７　，．，　——　ｌ　厂　５７　｛ｆ　，，　｛ｌ　５７　／　‘ｌ｜　＞５７　』，　，　趟５７　Ｊ　ｆ　５６　，　Ｊ　５６　Ｊ　ｆ　５６　，　ｌ　５６　５６　５　８　５　９　０　Ｏ　０　Ｏ　２　Ｃ　３　）４　Ｃ　５　０　６　Ｏ　图２瓶窑５００　ｋＶ侧电压突变波形图　同期也进行了变压器空载冲击合闸、对地　发生短路和正常运行３种运行工况的振动测　量，分析测量结果可知，在合空载主变时，　变压器油箱的振动幅值在４０～１０４／．ｔｍ范围　内；变压器在发生对地短路故障时振动幅值　达到了　３００，ｔｔｍ。这些变压器现都在安全运　行，说明偶尔大的振动对变压器的运行没有　影响。　乔司变１号主变虽然经过了十几次异常振　动，但振幅在３０／－ｔｍ以下，比变压器合空载　主变和发生对地短路时的振幅小得多，从变　压器长期运行角度来看，十几次异常振动可　以认为是偶尔发生的，十几次异常振动对乔　司变１号主变影响不大。　２．３变压器动态噪音的理论分析及对策　以下是某厂家提供的动态声功率的经验计　算公式：　Ｌｗａ＝Ｌｗ＋ｋＡＶ％＋　ＦＪ　（１）　式中　ｗ——稳态值；　△　电压突变幅值％；　——修正系数；　己¨——变压器内部结构件谐振声功率。　其中，当△　突变大于临界时，　值为　５～７；当△　突变小于临界时，　值为０。　由公式（１）可知，变压器的异常噪声一是　由铁心磁密突变引起的，二是由变压器内部　结构件的机械谐振引起的，实际上，往往是　两种情况共同作用的结果。公式（１）可以从理　论上解释许多变压器运行中的异常噪声和振　动问题。　变压器在磁通发生骤降时，就会出现噪音　和振动增大的情况。变压器铁心的振动增　加，需要外部一定的激励，变压器因材料和　结构的不同所需要激励不同。由于我省的５００　ｋＶ变压器所采用的结构和材料基本相同，因　此变压器铁心的外部激励参数基本相同。根　据实测结果分析，变压器电压骤降达到临界　值（２％）以上时，变压器铁心就可能发生振　动，从而使噪声急剧增加。乔司变１号变压器　噪声异常增大的原因是外部激励引起变压器　电压骤降、铁心磁密突变引起的；当电压骤　降大于临界值时（乔司变１号主变电压骤降临　界值在２％左右），噪声和振动明显增大。根　据公式（１）计算可知，如主变电压突变达到　４％，正常运行噪音为７０　ｄＢ，当　值为６　时，该主变噪音可达９４　ｄＢ。　为减少系统中的电网电压突变幅值，可改　变系统操作顺序，如秦山核电二期１号主变并　网的原操作顺序是５００　ｋＶ开关先冲击１号主　变，然后通过发电机开关与５００　ｋＶ系统并　网；为了减少冲击主变引起的电网电压突　变，可以考虑改变操作顺序，即发电机开关　先冲击主变，然后通过５００　ｋＶ开关与系统并　网。同时对能够引起电网电压突变的用户如　炼钢厂等，采取动态补偿装置限制电压突变　幅值。经实测，杭钢电炉运行引起的电压突　变小于１％。　通过调整电网的运行方式控制变压器电压　骤降值及随着５００　ｋＶ电网增强，此后乔司变　１号主变异常噪声和振动现象减少了。　３直流偏磁和零序谐波电流的影响　３．１多台变压器同时发生异常噪声和振动　２００５年５月１５日１５点左右，浙江电网　５００　ｋＶ系统中有多台变压器同时发生异常噪　声和振动，交流测试数据表明：当时涌潮变　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第３期　浙江电力　９　和富阳变的５００　ｋＶ侧３（，。电压有大量的零序　谐波，其中ｌ５点４０分富阳变的５００　ｋＶ侧　３（，。电压有１０　ｋＶ左右的９次谐波，中性点交　流电流有２５　Ａ左右（主要为９次谐波），异常　噪声反映最大的５００　ｋＶ瓯海变没有测试数　据。图３所示是富阳变的５００　ｋＶ侧３（，。电压　和中性点交流电流录波图，３（，。电压峰值高　达ｌ９．０５　ｋＶ（主要为９次谐波），中性点交流　电流的峰值达９９　Ａ。　＼　、，／　６　ｋ、一　八八叭　　ｋＶ　＼／＼／＾＼／＾＼八八八／　．１９　０５３鞠　√／　、一Ｉ／　＾，　／ｈ＾ｒ√　，　．０　０９９　ｋＡ　图３　富阳变的５００　ｋＶ侧３　电压和中性点交流电流　３．２地磁暴与直流偏磁　据报道，美国国家海洋和大气局向媒体透　露，２００５年５月１５日美国科学家记录到了地　球发生的最大一次地磁暴现象，并警告该地　磁暴可能会严重影响地面输电系统、电子通　讯设备及人造卫星的正常工作。１５日记录到　的地磁暴等级已经达到了该自然现象的最高　级——９级。在历时３　ｈ的测量中发现，地磁　暴产生时地球磁极偏差达到了极限。　直流偏磁将导致变压器温度升高、噪声增　加和振动等问题¨】。由于试验手段限制，在　２００５年５月１５日，我们不能直接测试这些变　压器的中性点交、直流电流分量，但认为该　异常现象为太阳磁暴引起的直流偏磁导致变　压器铁心急剧饱和，谐波大增。根据经验，　变压器铁心饱度越大，零序谐波的次数越　高。　３．３直流偏磁危害与防控　直流偏磁是变压器的一种非正常工作状　态，是指在变压器励磁电流中出现了直流分　量。直流偏磁的产生有多种原因，地磁暴也　是其中的一种。地磁暴会在电网中产生地磁　感应电流（ＧＩＣ），ＧＩＣ具有准直流特性，流人　变压器会引起直流偏磁，造成变压器半波饱　和，产生很大的零序谐波电流（３的倍数次谐　波电流）　】，地磁暴（ＧＭＳ－－Ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｔｏｒｍｓ）　对人工系统的影响已有１５０年记录了，１９８９年　３月ｌ３日发生的地磁暴引起的直流偏磁使当　时加拿大魁北克电力系统中的变压器铁心急　剧饱和，谐波大增，继电保护误动作，大量　电容器退出运行，系统失去大量负荷，与此　同时有ｌ台变压器铁心过热，油色谱分析异　常。这次地磁暴导致了严重的停电事故，而　且使北美的通讯系统、运行卫星和电力系统　产生一片混乱。　我国５００　ｋＶ上河变主变曾在２００１年３月　２０日出现异常噪声，现场检查以及随后的预　防性试验结果完全正常，后经分析认为是受　地磁暴的影响　】。到目前为止，我国检测到输　电线路ＧＩＣ和运行中发现ＧＩＣ影响的有关报　道甚少，由于地理位置的差异，低纬度电网　受地磁暴影响相对较小，但没有关注或进行　检测也是重要原因。国外的研究结果表明：　输电线路负荷小则受ＧＩＣ影响的可能性也小，　随着输电线路的负荷加重，电力系统对ＧＩＣ敏　感度将增强。发生地磁暴的时间可以通过监　测太阳黑子的活动规律提前预测，发生磁暴　前电网运行调度部门对变压器适当减载，能　避免或减少直流偏磁导致变压器铁心急剧饱　和而引起的危害，从而避免进一步的系统事　故发生。　在某些特殊情况下，直流输电系统在短时　间内以单极大地回线方式运行，此时直流电　流持续地通过接地极注人大地。当幅值高达　几千安培的直流电流进入大地后，地中电流　的一部分可能通过附近的交流变压器直接接　地的中性点，经由交流输电线路，流至线路　另一端的中性点接地变压器。流经变压器中　性点的直流电流，会产生直流偏磁，使铁心　磁化曲线不对称，加剧铁心饱和，可能导致　变压器噪音明显增大，并引起变压器铁心、　螺栓、外壳等过热。南方电网技术研究中心　维普资讯 http://www.cqvip.com

１０　张建平，等：５００　ｋＶ变压器异常噪声与振动的原因分析　２００６年第３期　为了限制直流输电系统单极大地回线方式运　行时变压器的直流偏磁，提出了在变压器中　性点与地网之间串联电阻的方案…。　５００　ｋＶ单相变中性点电流的相干性，研究减　少零序谐波电流的措施。　（４）积累数据，进行变压器中性线电流的　４展望与建议　随着国家超高压电网的构建，浙江安吉将　建设１　０００　ｋＶ高压交流变电站，西电东送直　流项目±８００　ｋＶ高压受端换流站将落点浙江　直流和各次谐波分量与变压器振动特性的相　干性研究。　参考文献：　【１】蒯狄正，万达，邹云．直流偏磁对变压器的影响【Ｊ】　．武义。大容量、远距离输电带来的技术问题　将是前所未有的。挖潜电网输送能力，消除　电网各种扰动对主要设备造成危害而引起的　设备输送瓶颈具有重大的意义。　为了评估和控制电网扰动因数对设备的危　害，必须进行监测与分析，提出相应的措　中国电力，２００４（８）：４１—４３．　【２】胡似徽，刘骥．地磁暴对电力系统的影响【Ｊ】．哈尔　滨电工学院学报，２００６（４）：４８８—４９２．　【３】Ｔｏｍ　ｓ．Ｍｏｌｉｎｓｋｉ，Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｅ．Ｆｅｅｒｏ，Ｂｅｎ　Ｌ．Ｄａｍｓｋｙ．　Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｄｓ　ｆｒｏｍ　ｓｏｌａｒ　ｓｔｏｒｍｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ，　２０００（１１）：５５—６０．　施，保证电网的安全稳定运行。建议通过以　下措施进一步开展主变异常声音和振动的监　测工作。　（１）建立电网中５００　ｋＶ变电所有关电网　扰动的监测点。结合浙江电网电能质量监测　网的建立，对变压器各相及中性点电流进行　实时监测。特别对各５００　ｋＶ变压器中性线电　流的直流和各次谐波及各相电压骤降进行监　测。数据可通过电能质量监测网实时调用。　【４】刘连光，刘宗歧，张建华．地磁感应电流对我国电　网的初步分析【Ｊ】．中国电力，２００４（１１）：１０—１４．　【５】Ｒｉｓｔｏ　Ｐｉｒｊｏｌａ．Ｇｅｏｍａｎｅｔｉｃｌｌｙ　ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔｓ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｍａｇ－　ｎｅｔｉｃ　Ｓｔｏｒｍｓ【Ｊ　１：ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｌａｓｍａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｄｅ－　ｃｅｍｂｅｒ　２０００．２８（６）：１８６７—１８７３．　【６】赵杰．高压直流输电的前沿技术【Ｊ】．中国电力，　２ＯＯ５（１Ｏ）：ｌ一６．　【７】叶建泗．５００　ｋＶ上河变主要设备运行质量分析【Ｊ　Ｊ．　华中电力，２００３（２）：２５—２８．　（２）在变压器中性点安装可测直流量的传　感器，振动值明显偏大的变压器选择安装振　动测试装置。　收稿日期：２００６９—０３—０２　作者简介：张建平（１９６６一），男，浙江临安人，高级工　（３）在浙赣、沪杭电气化铁路投运初期，　监测电气化铁路牵引负荷引起的零序电流在　程师，从事电能质量监测与控制技术工作。　潘星（１９７９一），女，浙江台州人，工程师，从事电能　质量监测与控制技术工作。　电网中各支路的分配，研究零序谐波电流与　・电力科技信息・　日本成功开发出５　ｋＷ风力无芯发电机　日本Ｓｋｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（总部：高知县洼川町）日前开发成功了风力发电机“ＳＫＹ—Ｇ６００”，将从２００６年２月中旬开始照单生产（ＢＴＯ）。额定输　出功率在３００　ｒ／ｍｉｎ时为５　ｋＷ。能够产生大约为老机型“ＳＫＹ—Ｇ４５０”２．５倍的电力。价格为１２０日元（不含税）。　普通发电机为了加大与线圈交链（１ｉｎｋａｇｅ）的磁密度，通常采用在铁心上缠绕线圈的方法。而包括Ｇ６００在内的“ＳＫＹ发电机”系列则采用　了转子及定子均不使用铁心的无芯构造。这样，便可降低齿形力矩（Ｃｏｇｇｉｎｇ　Ｔｏｒｑｕｅ）、减少噪音及振动。原来的无芯发电机在额定输出功率上　从未超过１　ｋｗ，不过由于＜京都议定书》已经开始实施等原因，高功率发电机的需求越来越大，因此开发了此次的发电机。　在低速旋转时也可产生高电压的原因是利用稀土类磁石形成了多极构造。而且还与普通发电机不同，采用了转子在定子外侧旋转的外　转子构造。该构造的电气性接触较少，从而能够提高耐用性。Ｇ６００的外径为６０　ｍｉｌｌ，宽为８３　ｍｍ，重量为９５　ｋｇ。由于尺寸较小所以还可设　．置在大厦的屋顶上。此外，还可用于小规模的水力发电。