电力变压器振动产生机理及影响因素研究丁俊杰

电力变压器振动产生机理及影响因素研究丁俊杰

丁俊杰吴娴张洪东

山东省电力设备有限公司山东省济南250022

摘要：作为电力系统的关键设备之一，电力变压器的正常运行对电网的安全可靠性起到决定性作用。电力变压器在联入电网后的实际运行中，其整机的振动和噪声特性会受到电网用电负荷波动的影响，负载电压和电流的连续变化会对其自身的振动和噪声特性带来干扰，而且实际运行中，一般都是一系列设备同时工作，很难找到一个不受其他设备运行干扰的测量环境，因此在生产厂家的试验大厅，借助其完备的试验条件，对单台变压器的振动和噪声特性进行测试是较理想的测试方案。基于此，本文主要对电力变压器振动产生机理及影响因素进行分析探讨。

关键词：电力变压器；振动产生机理；影响因素；研究

1、前言

近年来，由于城市用电量大幅增长，城市用电负荷密度越来越高，越来越多的变电所建于商业区和居民区内，于是变压器噪声问题就变得十分突出。变压器的噪声不但污染环境，危害人类身体健康，影响设备正常运行，带来了很多社会效益及经济效益的损失。因此，对变压器振动和噪声更严格限制已成为一种现实要求，变压器振动及噪声水平的高低，也成为了衡量变压器生产厂家设计和制造水平的重要指标。所以，对振动产生的机理和影响因素进行了解，然后利用有效手段进行规避就显得尤为重要。

2、电力变压器振动产生的机理

电力变压器的振动主要是变压器器身（绕组、铁芯等的统称）的振动，对变压器的状态监测也主要是针对绕组和铁芯的状况进行监测。变压器绕组和铁芯的振动通过变压器油和器身与油箱的连接部件传递到油箱箱壁，所以要通过油箱壁的振动信号判断变压器绕组和铁芯的运行状态就需要先研究其振动原理。

2.1铁芯的磁致伸缩效应

铁芯硅钢片在电磁场作用下发生磁致伸缩引起的铁芯振动，是变压器空载噪声的主要来源。铁芯的磁致伸缩是由于励磁时硅钢片沿磁力线方向的尺寸会发生改变，励磁消失后，硅钢片又恢复原来的形状。变压器运行时，铁芯的硅钢片发生周期性伸长缩短的变化，引起铁芯的振动。一般来说，磁致伸缩率越大，磁通密度越大，引起的噪声也就越大。大型变压器的铁芯振动幅度较大，主要是由于铁芯尺寸比较大，对应的磁致伸缩的变化量也比较大所引起的。

由于变压器的电源周期是磁致伸缩变化周期的两倍，所以磁致伸缩引起的电力变压器本体振动和噪声都以100Hz为基频。由于磁致伸缩的非线性及沿铁芯内框和外框的磁路径长短不同等，使得高次谐波的分量存在，这就导致铁芯的振动频谱中还包含有100Hz倍频分量。因此在由铁芯振动引起的变压器振动和噪声频谱中，除了基频之外，也包含有明显的倍频分量。

2.2变压器绕组振动机理

变压器绕组通入电流后，在绕组所在空间和所包络空间的介质中将建立起辐向的和轴向的漏磁场，在漏磁场里的绕组间、线匝间、线饼间要受到电场力的作这个力叫做洛伦兹力或叫做电动力。绕组受到这个力的作用后就会产生振动，这就是绕组的振动原理。变压器在负载电流工况下噪声来源主要是绕组的振动。绕组的振动发出较沉闷的声音。

2.3铁芯的电磁吸力

依据电磁场理论，三相交流电磁场铁芯硅钢片接缝部位存在交变电磁吸力，铁芯在电磁力作用下将存在强烈的周期性往复运动的趋势。如果铁轭或心柱松动，及夹紧力不均匀或不够，铁芯与夹件之间的摩擦力不足以平衡电磁力，将导致铁芯硅钢片产生强烈周期性往复运动，使铁芯硅钢片间及接缝间产生摩擦和碰撞，将产生以100Hz为基频的振动。

3、电力变压器振动的影响因素分析

3.1油温对变压器振动的影响

在油浸式电力变压器振动的各影响因素中，油温变化也是关键的一环。变压器油温对于振动的影响体现在两个方面，一是直接影响，温度的变化对于铁心硅钢片磁致伸缩率以及绕组绝缘垫块的弹性模量都存在影响。根据相关机构的试验结果可知，磁致伸缩率值随着硅钢片温度的升高而增大，铁心温度与磁致伸缩率的普遍关系如图1所示，因此油温升高时铁心振动加剧。

图1温度对铁心磁致伸缩率的影响

油温对变压器振动的间接影响表现在对于变压器油的阻尼系数的影响以及热胀冷缩效应。作为变压器绕组振动的传递路径之一，变压器油对振动信号存在阻尼作用，变压器油箱表面测得的振动信号是经过衰减的。变压器油的粘度由油分子间相互作用力产生，当油温升高时，分子间隙变大，结构松散，导致粘连性减小，易流动性增加，因此变压器油的粘度降低，渗透性变好，对绕组产生振动的阻尼作用有所降低，导致油箱表面测得的振动信号有一定程度的增长。变压器油的膨胀系数一般取0.0007/℃，当油温升高时热胀冷缩效应加剧油箱表面的振动信号。

3.2分接开关位置的影响

在实际电力变压器上，高压绕组一般设置有多个抽头，抽头与分接开关相连，通过分接开关与不同的变压器绕组抽头连接来改变变压器高低压绕组的匝数比，从而达到调节变压器输出电压的目的。对某具有五档分接的变压器进行振动特性测试，保持负载不变改变运行电压（负载电流随之变化），不同分接开关位置下同一测点基频振动分量特性如图2所示。分接开关位置对变压器振动的影响实质上是运行电压对铁心振动的影响，最大分接位置时变压器油箱表面振动幅值大于相同负载电流下额定分接位置的振动幅值，与理论分析一致，基频振动与电压平方呈线性关系，不同分接位置下斜率相近。

图2分接开关位置对振动特性影响

3.3功率因数的影响

在电力变压器的运行过程中，当变压器绕组中通过电流时，在电流与漏磁场的作用下，绕组内产生电磁机械力，其大小决定于漏磁场的磁通密度与导线电流的乘积，而力的方向由左手定则决定。

在变压器实际运行中，功率因数并非固定不变的，为了探究功率因数的变化对变压器振动特性的影响，在保证负载阻抗值不变的前提下，调节负载电阻及电感的数值以模拟变压器负载功率因数的变化，振动特性随功率因数变化如图3所示。可以看出，100及300Hz处，振幅随功率因数上升而增大，而200Hz处振幅随功率因数变化不大。另外，同测点的基频振动随功率因数增长呈上升趋势，但该趋势是非线性的。图3所示证明，变压器的振动特性与其运行的功率因数关系密切，基频分量幅值随功率因数的变化而改变，在变压器振动监测的实际应用中不能忽略功率因数的影响。

图3功率因数对振动的影响

4、电力变压器减震措施

4.1内部结构的改进

内部降噪措施主要是降低铁芯的振动及控制振动的传播辐射，包括：1）使用高导磁硅钢片。降低变压器铁芯的磁通密度；磁通密度每降低0.1T，可使变压器的噪声降低2~3dB；2）改进变压器铁芯的制造工艺，选取有利的铁芯物理参数；3）切断向外界传播的途径，在器身与油箱的接合处加隔振胶垫。

4.2外部结构的改进

1）改进变压器油箱的结构，如加厚油箱壁，增加油箱加强筋的数目；2）把变压器的风冷却方式改为自冷却方式；3）在变压器油箱与基础之间加缓冲器，如防振胶垫或弹簧；4）在变压器油箱与散热器、储油柜、有载开关操作箱、气体继电器套路之间，低压套管与母线排或电缆之间，采用弹性连接，以减少变压器的共振。

5、结语

目前针对变压器的振动和噪声问题，已经开展了多方面的研究工作，工作人员要掌握电力变压器振动产生的机理和影响因素及其自身的振动和噪声特性，获得其振动和噪声之间的关系，并在具体的工作中针对具体的振动和噪声源提出有针对性的减振降噪方案来实现变压器减振降噪的目标，以达到变压器稳定安全的运转。

参考文献：

［１］祝丽花，杨庆新，闫荣格，等．考虑磁致伸缩效应电力变压器振动噪声的研究［Ｊ］．电工技术学报，２０１３，２８（４）：１－６．

［２］郭俊，汲胜昌，沈淇，等．盲源分离技术在振动法检测变压器故障中的应用［Ｊ］．电工技术学报，２０１２，２７（１０）：６８－７８．