直流偏磁是變壓器的一種非正常工作狀態。流經繞組的直流電流成為變壓器勵磁電流的一部分，該直流電流使變壓器鐵心產生偏磁，改變了變壓器的工作點，使原來磁化曲線工作區的一部分移至飽和區，導致變壓器工作性能異常。

在我國電網的建設中，有很多主干線路具有東西走向、長距離、大容量的特點，這種輸電線路易受到磁暴的影響，引發地磁感應電流（geomagnetically induced current, GIC），產生直流偏磁。另外，雙極的不平衡運行和單極大地回線方式也會使得變壓器繞組中流入直流電流，發生偏磁現象。因此，大型電力變壓器經常受到諸如地磁電流、直流輸電單極運行的影響，產生直流偏磁，威脅著電網的安全穩定運行。

國外對變壓器振動噪聲監測研究工作起步比較早。從20世紀30年代以來，美國、芬蘭、加拿大、日本等國家相繼展開對變壓器直流偏磁引起的噪聲加劇以及對電網運行影響的研究。2001年以來，國內一些高校以及電力生產、設計等研究單位結合江蘇武南和嶺澳核電站等偏磁飽和情況也做了大量研究工作。其中，武南變電站受直流偏磁的影響主變噪聲曾嚴重增大，噪聲頻譜中也出現了較為明顯的奇次諧波。

借鑒以往的研究，本文通過對某新投運變電站變壓器的噪聲異常現象的分析論證，詳細闡述了直流偏磁下變壓器的振動噪聲特征，并提出整改建議，為后續的研究工作提供參考。

1  變壓器直流偏磁原理

1.1  變壓器的振動

變壓器的振動噪聲主要取決于鐵心和繞組的振動。振動信號以不同的途徑傳向變壓器身。鐵心的振動是由硅鋼片的磁致伸縮效應引起的。所謂磁致伸縮就是鐵心在勵磁時，沿磁力線方向硅鋼片的尺寸要增加，而垂直于磁力線方向硅鋼片的尺寸要減小。

它通過兩條途徑傳遞給油箱，一條是固體途徑傳遞——鐵心的振動通過墊腳傳至油箱；另一條是液體途徑——鐵心的振動通過絕緣油傳至油箱。繞組的振動是由電磁力引起的，主要通過絕緣油傳至油箱。風扇等冷卻裝置的振動通過固體的途徑也會傳至變壓器油箱。變壓器箱體的振動與噪聲傳遞原理示意圖如圖1所示。

圖1  變壓器振動原理示意圖

1.2  變壓器偏磁振動特征 

由于磁致伸縮的變化周期是電源頻率的半個周期，變壓器正常工作時，勵磁電流在正負半周是對稱的，交流勵磁磁通在正負半周是對稱的，因而磁致伸縮位移在磁通變化的一個周期內也是對稱的。所以，磁致伸縮引起的變壓器本體的振動噪聲是以兩倍的電源頻率為基頻（100Hz）。

考慮到磁致伸縮的非線性，多級鐵心中心柱和鐵軛相應級的截面積不同等原因以及外界干擾，使得變壓器鐵心振動的噪聲頻譜中除了基頻噪聲之外，還產生有其頻率為基頻整數倍的高頻偶次波噪聲（如200Hz, 300Hz, 400Hz）。

在直流偏磁的情況下，勵磁電流會呈現出正負半波不對稱的形狀。與偏磁方向一致的半個周波大大增加，另外半個周波反而減小。在這種情況下，鐵心磁致伸縮位移在一個周波內將出現不對稱，導致振動噪聲中不僅含有偶次諧波，還會出現奇次諧波分量。

綜上所述，在直流偏磁情況下，變壓器的振動會變得更加復雜，出現一系列高次和奇次諧波。

2  變壓器直流偏磁案例分析

2.1  運行概況與數據監測

某新建變電站主變于2018年2月1日投入運行，2月2日供電公司發現編號為2#的主變振動噪聲數據明顯高于3#主變（2#主變中性點直接接地，3#主變中性點不接地）。經過研究，于2月12日晚將2#主變退出運行，3#主變中性點經隔離刀直接接地，3#主變噪聲變大，與2#主編噪聲聲級一致。

變壓器基本參數如下：型號為SFZ10-180000/220；額定電壓為230±8×1.25%121/11kV；額定容量為180/ 180/90MVA；聯結組別為YNyn0d11；主分接阻抗為14%/48%/33%。

2月2日、5日、11日、13日以及3月5日數據監測結果見表1。

表1  變壓器噪聲監測結果

2.2  噪聲聲級修正（略）

該站兩臺變壓器出廠試驗噪聲聲級分別為59.2dB和59.4dB。3#主變壓器未接地時運行的噪聲聲級修正值為58.6dB。

2.3  噪聲異常原因分析

1）變壓器設計結構的可靠性分析

該站2臺變壓器均為高阻抗變壓器，其實現方式為內置電抗器結構。該變壓器生產廠家已在19個變電站數十臺高阻抗變壓器中采用了內置電抗器結構，現場運行良好，結構成熟可靠，能夠滿足現場運行要求。由前文2.2節中修正結果可知，3#主變未接地時運行噪聲符合實際中技術協議要求的小于65dB。3#主變噪聲增大是在中性點由不接地改為接地運行時發生的，可以排除變壓器自身原因造成的。

2）噪聲聲級增加與直流電流間的關系與技術標準一致

由前文分析可知，直流偏磁可以導致噪聲聲級明顯增加。噪聲聲級增加值、直流偏磁電流與空載電流之比的關系如圖2所示。

圖2  噪聲聲級增加值與直流偏磁電流的定量關系

該站通過3#主變中性點直接接地后，為系統中的直流電流流入地殼提供了一個低電阻值的途徑，實際可檢測到高壓測中性點直流電流為1.16A（DC），每相直流電流為0.39A。出廠試驗中空載電流標幺值為0.05%，高壓側額定電流為472.4A，高壓側空載勵磁電流為0.24A。直流偏磁電流與空載電流之比為1.6。

結合上文中噪聲聲級增加與直流電流間的關系圖像，可知噪聲升級增加約13dB。實際測量結果，中性點不接地運行時噪聲為69dB，中性點接地后噪聲增加到85.1dB，實際增加16.1dB，噪聲聲級理論增加值與實際增加值基本一致。

3）噪聲頻譜與直流偏磁噪聲典型頻譜一致

利用頻譜分析儀Spectrum analyzer測量分析。三相220kV電力變壓器常規空載試驗時噪聲頻譜如圖3所示。該站3#主變噪聲頻譜分析如圖4所示。利用Matlab仿真分析，三相220kV電力變壓器常規空載試驗頻譜如圖5所示。該站3#主變噪聲頻譜分析如圖6所示。

圖3  常規空載試驗噪聲幅-頻分析

圖4  該站主變噪聲幅-頻分析

圖5  常規空載噪聲幅-頻仿真分析

圖6  該站主變噪聲幅-頻仿真分析

結合前文有關理論分析可知，電力變壓器常規試驗狀態下空載噪聲主要以50Hz及其偶數倍頻率為主，其中300Hz是主要頻率。該站主變3#噪聲頻譜明顯包含偶次諧波和奇次諧波，說明了在直流偏磁作用下，勵磁電流不僅含有偶次諧波，還出現了奇次諧波分量，對應半個周期的鐵心過度飽和，明顯產生了奇次諧波和偶次諧波噪聲，符合前文中所述直流偏磁狀態下變壓器的噪聲特征。

3  改進措施

在變壓器的中性點對地連接一套直流發生裝置，直流發生裝置的“地”端與變電站外的補償接地極連接。直流發生裝置的輸出電流幅值和方向可變，對變壓器直流偏磁進行抵消，達到限制直流偏磁的作用。其原理接線如圖7所示。

圖7  變壓器中性點注入反向直流電流系統的原理接線圖