谐波对变压器振动特性的影响

谐波对变压器振动特性的影响

发表时间：2018-12-12T15:52:35.417Z 来源：《电力设备》2018年第21期作者：郭鑫乔雅婷

[导读] 摘要：随着电力电子装置、开关电源等大量非线性负荷的接入，配电网谐波问题日益严重，谐波严重时甚至会向更高电压等级渗透。

（国网山西省电力公司检修分公司山西省 030032）

摘要：随着电力电子装置、开关电源等大量非线性负荷的接入，配电网谐波问题日益严重，谐波严重时甚至会向更高电压等级渗透。变压器铁心振动决定于励磁电流产生的磁场，绕组振动特性受绕组电流特性的影响，所以谐波的注入必将影响变压器的振动特性。目前，基于振动信号的变压器状态诊断研究已取得一定成果。本文通过分析变压器振动特性原理，变压器振动试验研究现状，理论研究了谐波注入对变压器振动的影响。

关键词：谐波；变压器；振动特性；影响

1引言

针对电力系统谐波，大型非线性设备，如高压直流变流器，一般采用无源滤波器进行谐波控制，然而，由于大量分散负荷的准确位置和运行特性不能准确确定，使无源滤波器对谐波的控制准确性降低。目前，配电系统的谐波畸变水平在稳定增长，THD（总谐波失真）的增长每年约0.1%，电力系统谐波问题正在向日趋严重的方向发展.谐波对电网中电力设备的影响不可忽视，它会引起电机、变压器等电气设备发热，使效率降低，同时，谐波会降低继电保护、控制，以及检测装置的工作精度和可靠性等。

2变压器振动特性原理

2.1铁心振动特性原理

铁心是电力变压器的重要构成部件之一，由硅钢片叠压而成。变压器运行时，硅钢片中的磁通会发生变化，进而引发磁致伸缩．铁心的振动主要是由伸缩引起的。由相关公式可知，磁感应强度与加载电压关系为：

磁滞伸缩形变与磁感应强度的关系如图1所示，可见，磁滞伸缩形变与磁感应强度的平方近似为线性关系。由（1）可知，铁心的磁感应强度与一次侧加载的u1成正比。因此，铁心受磁滞伸缩引起的振动力与u1的平方近似成正比，即F∞U2，并且铁心振动的基频为加载电压的2倍（100HZ）。

2.2绕组振动特性原理

线圈也是变压器的重要构成部件，变压器运行时，硅钢片磁致伸缩引起铁心振动的同时，由于负载电流的电磁力作用，绕组也会产生振动。硅钢片接缝处与叠片之间会有漏磁，该漏感会和线圈中电流相互作用产生电动力，进而引起绕组的振动。当负载电流发生变化时，该电动力也会发生变化。研究表明：使绕组振动的电动力F与负载电流I的平方成正比，即F∞I2，绕组振动的基频也为100HZ。铁心与线圈的振动耦合之后，该振动通过变压器器身和冷却系统传递到变压器的油箱，进而引起油箱的振动。

3变压器振动试验研究现状

随着国家经济发展以及电气化程度的推进，电网容量也随着增大，此时对电力变压器安全稳定运行的要求也越高。而且由于我国能源格局的分布不均衡，国家启动西电东输和北电南输等跨区域能源调动战略，远距离输送电能已经成为必然。此时电网电压等级高，电力变压器数量多，电网容量大等特点决定了电力变压器在电力系统中所起作用愈发重要，因此需要对电力变压器进行及时有效的维护与检修，以进一步保障电网正常输送电能。早期关于变压器振动进行研究，主要集中于振动信号幅值同负载电流的关系，后续有研究者对温度对振动信号幅值的影响进行了试验研究，对振动特性影响因素的研究是为了提出能够将这些变量进行归一化的箱体振动模型。西安交通大学的汲胜昌等人基于箱体振动信号同空载电压、负载电流的关系，提出了“负载电流法”的变压器箱体振动模型；同时西安交通大学的汲胜昌研究绕组松动状况下变压器振动信号的变化趋势，认为绕组松动后频谱不同频率处幅值将发生改变；西班牙的BelenGarcia建立了基于电流、电压和温度影响的变压器油箱表面的基频振动模型，主要研究振动在传播路线上的振动相位、幅值变化情况；重庆大学的段旭研究了直流偏磁效应对变压器振动信号的影响。从上述分析可以看出利用振动信号分析法对电力变压器进行故障诊断的方法较多，但是从电力变压器绕组机械结构稳定性的角度出发，以电力变压器绕组振动频响函数提取的固有频率作为绕组变形检测的依据研究较少。

4谐波对变压器振动影响原理

在我国低压配电网中，谐波主要以3次谐波为主，3次谐波电流在零线上叠加，造成零线电流过大，严重时发生烧断和火灾，我国每年都有因3次谐波造成的故障和事故，因此本文主要研究3次谐波对变压器振动的影响。变压器正常运行时，励磁电流产生的磁通大部分通过铁心构成闭合回路，极少的漏磁通会通过油箱、夹件等变压器结构件构成回路，在这些结构件内部引起涡流产生损耗的同时也会引起结构件的振动。变压器正常运行时漏磁通很小，引起的结构件振动相对铁心绕组振动可以忽略。当变压器负载电流含有谐波时，根据变压器接线方式不同，谐波磁通被迫通过变压器结构件形成闭合回路，漏磁通增大，进而增大结构件的振动强度。变压器一次侧为三角形或为带中性线的星形接线时，由于具有3及3倍数次谐波电流通路，产生感应磁通削弱3及3的倍数次谐波磁场，所以3及3倍次谐波磁通小。变压器接线方式为Yyn0，当二次侧电流含有谐波时，由于3及3的倍数次谐波产生的磁通大小相等，相位相同，不能沿主磁路闭合，只能以漏磁的形式沿变压器结构件闭合，使结构件的振动增强。由此可见，谐波注入后，变压器铁心、绕组及结构件的振动特性发生变化。振动信号的频谱分布范围扩大，尤其是高频分量的出现，会引起振动信号各频段能量占比的变化，进而影响基于振动信号能量谱变化为判断依据的变压器故障诊断技术的准确性。另一方面，变压器的机械结构决定了其具有低阶和高阶固有频率。变压器在生产中避免了其低阶固有频率与振动信号基频重合，振动信号的高次谐波频率分量幅值很小，与变压器高阶固有频率共振不足以引发剧烈振动，从而避免共振造成的危害。然而，随着谐波注入，变压器振动信号高频分量幅值增大，与变压器在高阶固有频率处发生振动，振动强度将显著增大，可能导致变压器机械固件松动加速，发生故障。

5结论

第一，变压器正常运行时，振动信号基频分量来源于铁心和绕组振动信号的基频叠加，高频分量主要来自于铁心振动信号。第二，谐