變電站鐵心電抗器振動(dòng)噪聲測(cè)試及分析研究

1、變電站鐵心電抗器振動(dòng)噪聲測(cè)試及分析研究 孫志1 張文春2 陳國(guó)珍11.江蘇省泰州供電公司 2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院針對(duì)某變電站10 kV串聯(lián)鐵心電抗器的振動(dòng)與噪聲較大，對(duì)其進(jìn)行了 振動(dòng)與噪聲測(cè)試，包括電抗器的固有頻率測(cè)試，以及電抗器在加載運(yùn)行狀 態(tài)時(shí)的振動(dòng)與噪聲測(cè)試，并對(duì)振動(dòng)與噪聲的相關(guān)性做了分析，得到了引起 振動(dòng)與噪聲較大的原因，為后續(xù)的減振降噪提供了依據(jù)。孫志高級(jí)工程師關(guān)鍵詞：鐵心電抗器/振動(dòng)測(cè)試/噪聲測(cè)試/相干性現(xiàn)代電力系統(tǒng)中越來(lái)越多的用電力電容器組來(lái) 進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，然而電力電容器組通常會(huì)使 系統(tǒng)電流產(chǎn)生較多的高次諧波。串聯(lián)電抗器能夠起到抑制 網(wǎng)絡(luò)高次諧波的作用，因此串聯(lián)鐵心電抗器是無(wú)功

2、補(bǔ)償成套裝置的重要組成部分 1。 近年來(lái)一些新建變電站串聯(lián)鐵心電抗器存在著振動(dòng)及噪聲過(guò)大問(wèn)題 2，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目 前，國(guó)內(nèi)外研究主要側(cè)重于高壓直流換流站內(nèi)的并聯(lián)電抗 器 3 及單個(gè)鐵心電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析 4，沒(méi)有考慮外 部整體振動(dòng)情況。部分測(cè)試主要為在封閉的試驗(yàn)室通過(guò)仿 真軟件進(jìn)行 5，并沒(méi)有與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合，具有一定的局 限性。針對(duì)某型 10 kV 串聯(lián)鐵心電抗器在加載運(yùn)行中出現(xiàn)振 動(dòng)與噪聲較大的現(xiàn)象，本文從實(shí)際環(huán)境測(cè)試的角度，對(duì)引起這種異?，F(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析。包括對(duì)電抗器的固有鐵軛線圈鐵心圖 1 干式串聯(lián)鐵心電抗器結(jié)構(gòu)圖從圖中可得出電抗器振動(dòng)主要有三個(gè)方面的原因。1

3、）相鄰鐵餅之間的磁吸力。 由于電抗器內(nèi)鐵心柱 分段，線圈通電后各段鐵心餅形成磁極，產(chǎn)生電磁力， 大小為頻率的測(cè)試，以及電抗器加載運(yùn)行時(shí)電抗器的振動(dòng)測(cè)試和B2S2F=(1)周圍聲場(chǎng)的噪聲測(cè)試，并對(duì)振動(dòng)與噪聲之間的相關(guān)性做了 分析，得到了造成電抗器振動(dòng)與噪聲較大的原因，從而為20式中 F電磁力 ；0真空磁導(dǎo)率 ；20S以后的減振降噪提供了依據(jù)。1電抗器振動(dòng)噪聲機(jī)理鐵心電抗器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。B氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度 ；S磁力線穿過(guò)磁極的總面積 ；磁通量。 工頻情況下74· 2014年第1期m= sin2t代入（1）式可得 2Ft= 2t S 2=m sin2t(2) 2 S電抗器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振

4、的可能性較小。3電抗器振動(dòng)與噪聲的測(cè)試與分析200由于電抗器在實(shí)際運(yùn)行中，出現(xiàn)了振動(dòng)與噪聲較大m令 Ft=，則電磁力簡(jiǎn)化為 ：20SFm的現(xiàn)象，下面通過(guò)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行分析，找出引起振動(dòng)與噪Ft= 2(1 cos2t)(3)聲較大的原因。圖 3 為測(cè)試流程，包括信號(hào)采集部分和分由上述公式可以看出，電抗器各相鄰餅之間 F 0，因此都是吸力，且大小與磁通的平方成正比。在工頻交變 磁場(chǎng)下，磁吸力的變化頻率為 100 Hz，這個(gè)力是不能完全 消除的，只能通過(guò)設(shè)計(jì)、制造等過(guò)程盡可能減小其影響。 2）鐵心磁致伸縮力。所謂磁致伸縮 6 是指鐵心勵(lì) 磁時(shí)，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

5、的尺寸要縮小，這種尺寸的變化稱為磁 致伸縮。磁致伸縮力使鐵心隨著勵(lì)磁頻率的變化做周期性的振動(dòng)。3）氣隙漏磁的旁路效應(yīng)。由于有氣隙存在，產(chǎn)生旁 路效應(yīng) 7，使得鐵心截面上磁通分布不均勻，且增加了漏 磁，從而造成電抗器鐵心及線圈振動(dòng)。下面分別對(duì) 10 kV 串聯(lián)鐵心電抗器的固有頻率以及加 載運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行測(cè)試，對(duì)引起電抗器振動(dòng)與 噪聲較大的原因進(jìn)行分析，其中電抗器的額定容量為 324 kvar。2電抗器固有頻率測(cè)試當(dāng)電抗器不帶電時(shí)，采用單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)響應(yīng)的方式 對(duì)其固有頻率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)先通過(guò)力錘對(duì)電抗器一固 定點(diǎn)進(jìn)行脈沖激勵(lì)，然后利用 ICP 加速度傳感器依次采集 各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，并

6、通過(guò)測(cè)試的信號(hào)對(duì)其固有頻率進(jìn)行 分析。測(cè)試儀器為 m+p 頻譜分析儀，傳感器為 ICP 加速 度傳感器，以及帶有力傳感器的力錘。析處理部分。其中分析處理部分包括 m+p 頻譜分析儀和 對(duì)測(cè)試進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)，信號(hào)采集部分包括 OMETRON 振動(dòng)速度傳感器、ICP 傳聲器，其中 OMETRON 振動(dòng)速度 傳感器為非接觸式的單向激光傳感器，用來(lái)保護(hù)測(cè)試儀器 以及測(cè)試者的安全。按照?qǐng)D 3 中的測(cè)試流程對(duì)鐵心電抗器 進(jìn)行振動(dòng)與噪聲測(cè)試后，就可以對(duì)其加載過(guò)程中出現(xiàn)較大 振動(dòng)和輻射噪聲的原因進(jìn)行分析。信號(hào)采集部分分析處理部分計(jì)算機(jī)傳聲器鐵心 電抗器m+p 頻譜 分析儀振動(dòng)速度傳感器圖 3 電抗器加載時(shí)振

7、動(dòng)與噪聲測(cè)試流程3.1 加載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)振動(dòng)測(cè)試分析321測(cè)點(diǎn)激光傳感器654987對(duì)加載運(yùn)行時(shí)的電抗器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，類似對(duì)其固有 頻率進(jìn)行測(cè)試，也是通過(guò) OMETRON 振動(dòng)速度傳感器對(duì) 其上不同位置上的測(cè)點(diǎn)上振動(dòng)進(jìn)行采集，然后再對(duì)測(cè)試結(jié) 果進(jìn)行分析。如圖 4 所示，為電抗器運(yùn)行時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖， 及表面的測(cè)點(diǎn)布置。425 Hz-67.252 m（m/s2）/ N）260 Hz-12.351 m（m/s2）/ N）120 Hz-34.197 m（m/s2）/ N）Imaginary（m/s2）/ N（a）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖（b）電抗器上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置Frequency/Hz圖 2 電抗器測(cè)點(diǎn)處傳遞函數(shù)分布

8、圖 2 為電抗器上各測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)曲線。 由圖可得，電抗器的固有頻率有 120 Hz、260 Hz、425 Hz， 并且不在電抗器運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部激勵(lì)頻率及其倍頻處，因此圖 4 電抗器加載運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速度測(cè)試時(shí)儀器布置圖 5 為電抗器上測(cè)點(diǎn) 1 表面法向振動(dòng)速度信號(hào)。由 圖 5a 中的振動(dòng)速度時(shí)域分布，電抗器上測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度隨 時(shí)間周期性變化，與電抗器內(nèi)部激勵(lì)源變化相對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng) 頻域信號(hào)分布可知，信號(hào)頻譜上 50 Hz 工頻分量幅值幾乎 為 0，表明測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)基本消除工頻干擾。測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信 號(hào)以 100 Hz 為基頻，伴隨其他倍頻成分，其中 100 Hz 處 振動(dòng)速度幅值最大。5 倍頻之后的

9、振動(dòng)非常小，頻率超過(guò) 1 000 Hz 后振動(dòng)已經(jīng)基本不存在，可以忽略。其他各測(cè)點(diǎn)銅（ m/s）振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域分布類似于測(cè)點(diǎn) 1。Time/sAmplitude（ m/s ）（a）振動(dòng)速度時(shí)域分布Frequency/Hz（b）振動(dòng)速度頻譜分布圖 5 電抗器上測(cè)點(diǎn) 1 處的振動(dòng)信號(hào)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表所示。從表中可以看出，電 抗器測(cè)點(diǎn)位置對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響，中部測(cè)點(diǎn) 4、5 和 6 處的振動(dòng)速度幅值明顯比上部測(cè)點(diǎn)和下部測(cè)點(diǎn)高，振幅 明顯超出了國(guó)家規(guī)范。從頻率分布來(lái)看，對(duì)于 50 Hz 工頻 電源而言，振動(dòng)頻譜以 100 Hz 為基頻，在 100500 Hz 范 圍內(nèi)所占比例最多。因此在

10、考慮減振及消除噪聲頻率分析 時(shí)，只考慮 100 Hz 基頻及對(duì)應(yīng) 200 Hz、300 Hz、400 Hz 和 500 Hz 的倍頻，超過(guò) 1 000 Hz 的高頻忽略不計(jì)。表 1 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜幅值大小100 Hz200 Hz300 Hz400 Hz測(cè)點(diǎn) 16.3721.6891.4942.543測(cè)點(diǎn) 20.941 80.300 60.333 60.281 9測(cè)點(diǎn) 38.2530.866 62.1620.4156測(cè)點(diǎn) 415.53726.96515.528-測(cè)點(diǎn) 53.68413.9032.9890.8685測(cè)點(diǎn) 710.6430.684 60.951 50.433 6測(cè)點(diǎn) 618.5922

11、8.1194.274 43.684 6為了更準(zhǔn)確地描述各測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)大小，本文選取某 一測(cè)試時(shí)段，計(jì)算得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度均方根值，然 后對(duì)振動(dòng)速度均方根值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖 6 所示。由各 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度均方根值可知，電抗器在位于線圈中間位置 的法向振動(dòng)速度較大，電抗器上部和下部振動(dòng)較小，因此 相應(yīng)減振措施應(yīng)從消除中心區(qū)域振動(dòng)入手。測(cè)點(diǎn)速度均方根圖 6 電抗器各測(cè)點(diǎn)速度（m/s）均方根值3.2 加載運(yùn)行時(shí)電抗器輻射噪聲分析Real / Pa在電抗器加載運(yùn)行時(shí)，利用 ICP 傳聲器，對(duì)其向周 圍輻射的噪聲也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試符合 ISO3745 2003 及 GB6882 86 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

12、測(cè)試結(jié)果如圖 7 所示。其 中圖 7a 為所測(cè)場(chǎng)點(diǎn)的時(shí)域噪聲信號(hào)，圖 7b 為所測(cè)場(chǎng)點(diǎn)噪 聲的自功率譜信號(hào)。Time/sLog / Pa（a）輻射噪聲時(shí)域分布Frequency/Hz測(cè)點(diǎn) 84.21100.879 80.936 6（b）輻射噪聲自功率譜測(cè)點(diǎn) 95.7450.489 30.743 21.961圖 7 電抗器上測(cè)點(diǎn) 1 處的振動(dòng)信號(hào)圖 7b 的噪聲自功率譜可知，在 50 Hz、100 Hz 等處76· 2014年第1期為峰值頻率點(diǎn)，這些頻率都在電抗器內(nèi)交流電產(chǎn)生的 50 Hz、100 Hz 基頻或者其倍頻處，沒(méi)有出現(xiàn)其他的噪聲 成分。即電抗器所輻射的噪聲主要是其內(nèi)部交流電

13、產(chǎn)生 的，包括內(nèi)部的電磁噪聲和激勵(lì)電抗器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的輻射 噪聲。3.3 振動(dòng)與噪聲相關(guān)性分析為了分析電抗器在加載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其周圍聲場(chǎng)的噪 聲與其表面振動(dòng)之間的關(guān)系，這里對(duì)電抗器表面上的振動(dòng) 與其周圍聲場(chǎng)之間的相關(guān)性做了分析。圖 8 為電抗器表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn) 1 和聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)信號(hào)之間的相干性分布，可知在頻率 100 Hz 時(shí)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn) 1 和噪聲測(cè)點(diǎn)之間的相干性比較好， 值達(dá)到了 0.93，從而可知聲場(chǎng)中 100 Hz 的噪聲是由電抗 器振動(dòng)所輻射的結(jié)構(gòu)聲。1800Amplitude /m600400200001k2k3k 3.2k Frequency/Hz圖 8 振動(dòng)測(cè)點(diǎn) 1 和聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)之間信號(hào)相干

14、性分布電抗器上其他振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和所測(cè)場(chǎng)點(diǎn)處噪聲也是在100 Hz 處相干性較好，并且由所測(cè)聲場(chǎng)場(chǎng)點(diǎn)處的噪聲在100 Hz 時(shí)較大，因此可知電抗器周圍的聲場(chǎng)是由其內(nèi)部100 Hz 激勵(lì)頻率所激發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)所輻射的噪聲。4結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)某 10 kV 串聯(lián)鐵心電抗器振動(dòng)與噪聲較大的 原因進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果 表明 ：1）電抗器的固有頻率有 120 Hz、260 Hz 和 425 Hz， 不在電抗器內(nèi)部激勵(lì)源的基頻與倍頻處，從而使電抗器不 易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象。2）電抗器加載運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，其 振動(dòng)是由于內(nèi)部 100 Hz 的交流電頻率激勵(lì)下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu) 受迫振動(dòng) ；并且

15、振動(dòng)較大部位出現(xiàn)在電抗器鐵心中心 區(qū)域。3）由對(duì)電抗器周圍的聲場(chǎng)的測(cè)試，其噪聲主要的頻 率成分有 50 Hz、100 Hz 及其倍頻 , 結(jié)合振動(dòng)與噪聲之間的相關(guān)性分析可知，100 Hz 是由電抗器振動(dòng)所輻射的結(jié) 構(gòu)聲，而 50Hz 可能是其所輻射的電磁噪聲，有待進(jìn)一 步研究。4）整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，其中振動(dòng)信 號(hào)的峰值點(diǎn)在激振頻率 100 Hz 及其倍頻處，而噪聲信號(hào) 的峰值點(diǎn)在 50 Hz 及其倍頻處。5）通過(guò)試驗(yàn)分析，電抗器的振動(dòng)超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 建議對(duì)電抗器進(jìn)行減振處理，以降低其振動(dòng)幅值和輻射 噪聲。參考文獻(xiàn)1 程錦 . 振動(dòng)法在線監(jiān)測(cè)變壓器繞組及鐵心狀況 J. 高 電壓技

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