近年来,由于多条直流输电线路投入运行,在单级大地运行时,直流电流从变压器中性点入侵,造成变压器异常声响时有发生,影响运行安全性。在直流入侵变压器时,变压器励磁电流中的直流部分使磁化强度达到磁化曲线拐点以上,变压器铁心处于饱和状态,同时由于直流偏磁的存在,导致变压器励磁振动、噪声增大和磁通波形畸变引起的变压器铁心损耗增加和过热问题。国家标准DL/T605 高压直流接地极技术中规定,通过变压器绕组中的直流电流应不大于额定电流的0.7%。在这种状态下的电气性能和机械振动噪声情况与铁心在直流偏磁下的磁致伸缩相关,与铁心结构型式相关。

针对硅钢片材料在直流偏磁下的特性开展了测试研究,某种牌号的硅钢片在直流偏磁下的励磁特性曲线和损耗曲线如图1和图2所示。

与变压器振动、噪声相关的材料磁滞伸缩定义如下

（1）

式中,L为长度。单纯从铁心硅钢片的磁致伸缩来计算变压器的噪声是比较困难的。变压器制造厂家一般多采用理论与经验公式相结合的估算方法。典型B-λ曲线如图3所示。磁致伸缩噪声的表征Awv(dBA)为磁致伸缩振动速度的声压水平（A计权）,充分考虑振动速度和不同频率下振幅对声压的影响,与变压器的噪声具有更强的对应性,即

（2）

式中,ρ为空气密度;c为声速;fi为磁致伸缩i次谐波频率;λi为磁致伸缩i次谐波振幅;αi为fi处滤波加权因子;Pe0为最低可闻声压,常数。

目前在工厂开展的直流偏磁试验采用如图4接线方式。

该台产品为三相双绕组有载调压电力变压器,铁心为三相三柱结构,采用2台同规格产品开展直流偏磁试验,接线如图4b所示。试验结果见表1。

空载、励磁电压100%、直流为5A 状态下的测试结果,其噪声、振动信号典型测点曲线图如图5所示。

对于三相三柱的变压器产品,在直流偏磁状态下,由于三相直流磁通同相位,不能在铁心中形成闭合回路,直流磁通在外空间闭合,铁心中靠近线圈部位的磁通发生变化,油箱和油箱磁屏蔽（如果有）通过直流磁通产生振动噪声,这些因素使产品的直流偏磁励磁电流、空载损耗和噪声略有增加,而不像其他铁心结构产品在直流偏磁下噪声增加的多,振动和噪声的最大频率略有变化。

该台产品为三相三绕组有载调压电力变压器,铁心为三相五柱结构。同样采用2台产品完成直流偏磁试验,结果如表2、图6和图7所示。

上述测试在油箱壁表面安装振动测量探头,噪声也同时测量的同一工况（3A直流偏磁）下的振动和噪声频谱,对比发现,其频谱特性,均含有100、150、200、250、300、350、400Hz……频谱成分相同,但是最大突出频率不完全相同,振动的最大频率450Hz,出现了奇次谐频,噪声最大频率600Hz。

对于三相五柱铁心变压器,三相相同的直流磁通在铁心旁柱内闭合,在交流上叠加的直流磁通引起磁密单向饱和时,励磁电流增加明显,损耗略有增加,噪声增加明显。

试验产品的基本情况如下所示。

产品型号：DSP–223000/500 单相四柱串联变压器,如图8所示。

电压：550/ -2×2.5%/20kV。

电流：HV：720.27 A;LV：11 150 A。

阻抗：15%。

直流偏磁试验情况见表3。

噪声：单相223 000/500kV直流偏磁试验中,1A 的直流偏磁情况下,2台的合成值比未加直流时增加12.5%;2A直流偏磁情况下,2台的合成值增加16.7%。噪声与直流偏磁电流的关系如图9所示。

以一台ODFS–334000/500进行了模拟负载电流下直流偏磁试验,共进行了直流1A、2A、3A和4A下偏磁空载试验及模拟负载电流下直流1A、2A偏磁试验。

直流偏磁负载试验方案,利用中压并联,分接错开档位,产生环流,模拟负荷电流的方法,产品基本参数如下所示。

产品型号：ODFS–334 000/500,额定容量：334 000/ 334 000/100 000 kV·A,电压组合：(505/ )/(230/ ± 2×2.5%)/36 kV。

铁心结构型式为单相三柱,如图10所示。直流偏磁试验情况,在空载状态下,1A、2A、3A和4A下直流偏磁试验,进行了振动、噪声、空载损耗和空载电流等试验。空载下噪声与直流偏磁电流的关系如图11所示。

中压错开档位,低压励磁,模拟负载电流下,直流1A偏磁试验,进行了振动、噪声、空载损耗、环流电流和光纤测温等试验。

振动测试：试验中进行了噪声、振动检测,并分析比较以上工况下噪声、振动的幅值和频谱特征,检测结果表明,在直流偏磁工况下,当直流电流大于2A时,变压器噪声、振动幅值将明显增加,其振动频谱主频由低频100Hz主频变为以350Hz为主频,同时还存在其他高频谐波频率的复杂振动。

有载偏磁-错档- 2A启动过程频谱三维图如图12所示,ODFS-334000/500直流偏磁试验结果见表4。箱壁测点振动加速度在几种状态下的对比如图13所示。

频谱特征分析：①无偏磁。振动主频100Hz,存在200Hz、300Hz、400Hz、500Hz的频率成分;②空载偏磁1A。振动主频200Hz,500Hz以内50Hz的奇、偶次谐振频率成分明显;③空载偏磁2A。振动主频350Hz,800Hz以内50Hz的奇、偶次谐振频率成分明显;④空载偏磁3A。振动主频350Hz,高频奇、偶次谐振频率成分明显;⑤空载偏磁4A。振动主频350Hz,高、低频奇、偶次谐振频率成分明显;⑥有载0A、1A。振动主频200Hz,500Hz以内50Hz的奇、偶次谐振频率成分明显;⑦有载2A。振动主频350Hz,高频奇、偶次谐振频率成分明显。

噪声特征：小电流偏磁对噪声不产生影响,但偏磁电流大于1A后,噪声明显增加。

由以上数据可以看出,偏磁电流大小是影响噪声、振动大小的主要因素。在模拟的负载电流较小时,负载电流对噪声、振动不会产生明显影响。偏磁电流大于1A后,偏磁才导致噪声、振动明显增加。

在直流偏磁工况下,当直流电流大于2A时,变压器噪声、振动幅值将明显增加,其振动频谱主频由低频100Hz主频变为以350Hz为主频,同时还存在其他高频谐波频率的复杂振动。在确定直流偏磁电流导致声功率预期增加时,此直流偏磁电流与空载电流之比是一个重要的参数。

通过这几台产品的直流偏磁试验测量发现,三相三柱直流磁通在铁心外空间闭合,耐受直流偏磁能力较强,损耗、励磁电流和噪声水平增加不大,三相五柱和单相三柱,单相四柱铁心,由于HL = NI,根据高压入侵直流的电流值和匝数以及铁心直流磁通路径长度,在直流场强度大于140A/m时,直流偏磁电流引起的噪声增加非常明显,励磁电流为空载时的5〜7倍。

（1）变压器根据类型或铁心结构对直流偏磁耐受能力不完全相同,单相变压器由于可为直流磁通提供低磁阻通路,铁心截面较小,而在变压器直流偏磁下较容易发生单向磁通饱和,能够耐受的直流偏磁能力较小。三相铁心变压器耐受直流能力较强,励磁电流、损耗和噪声只略有增加。三相五柱变压器在直流偏磁下励磁电流、噪声增加明显。

（2）直流磁通在铁心中闭合时,变压器噪声增加明显,在直流变大时,噪声频谱中含有奇、偶次谐波。

（3）变压器应充分考虑运行带负载时,负载电流漏磁通与铁心中主磁通的相互迭加作用,变压器带负载下,允许的直流偏磁能力与空载时略有不同。

（4）在油箱表面振动敏感点的振动测量表明,振动与噪声具有相关性,频谱略有差异。

（5）变压器运行建议：由单相变压器构成的组式变压器,应对允许通过的直流量应有所限制。根据直流偏磁试验情况,建议允许直流偏磁电流2~4A。建议对电站所在地直流偏磁情况进行监测,采取系统保护预防措施,保护变压器运行安全。电网系统应根据变压器空载和带部分负载的直流偏磁试验结果,在保证系统和变压器安全运行的前提下,提出切实可行的变压器耐受直流偏磁要求,不宜过高。

（6）直流偏磁问题突出的地区的变压器应当开展设计阶段的变压器主要结构部件的自振动频率计算,器身、线圈和油箱等主要部件的自振频率应避开100、200、350等直流偏磁突出倍频,避免共振的发生。

（7）根据噪声特性和变压器的铁心结构特点,可以实现对变压器产品的直流偏磁状态评估,对正在运行的变压器运行状态分析具有重要实际意义。