学术简报｜交直流混杂模式下变压器励磁-振动特性研究
现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）、国网北京丰台供电公司的研究人员潘超、衣双园、蔡国伟、郑永健，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文，针对直流扰动下电力变压器铁心振动问题，提出一种励磁-振动谐响应模型。
建立交直流混杂模式下的变压器电磁耦合状态方程，基于能量扰动原理计算动态电感与时域电流两个状态变量，在此基础上研究励磁电流辨识方法，利用励磁电流表征变压器的励磁饱和状态，构建励磁-振动谐响应模型。仿真模拟变压器在交直流混杂模式运行的电磁特性，计算不同直流扰动下的励磁电流与铁心振动加速度，并对励磁电流进行谐波分析，总结励磁电流变化规律和铁心振动特性之间的关系。
搭建220V单相变压器交直流混杂动模实验平台，在不同直流扰动下，利用励磁参数辨识模块辨识励磁电流，利用振动监测模块采集变压器铁心振动信号，并将仿真结果与实验数据进行对比，验证仿真模型的正确性。
电力变压器交直流混杂运行会严重危害到设备自身和电网的安全稳定运行。当直流流入变压器中，会使铁心产生偏磁效应而达到过饱和状态，对应的工作点发生偏移、励磁电流畸变、谐波增大、无功剧增。进而导致变压器损耗增加、振动增大、铁心松动、绕组变形等一系列不良后果。目前，抗直流扰动能力已成为电力变压器设计运行所考察的关键指标。
目前，学者们针对交直流混杂模式下的变压器铁心振动问题做了大量研究。
有学者对无取向硅钢片的二维磁致伸缩特性进了模拟和测量。
有学者通过磁场和机械力场的耦合方程分析变压器的振动位移与模态振型。
有学者研究表明，硅钢片磁致伸缩效应与内部磁场的变化情况密切相关，变压器铁心振动特性与励磁联系密切。
有学者计算了永磁同步电机铁心谐波磁场下磁致伸缩引起的电工钢片噪声，获取谐波磁场与磁致伸缩及噪声的对应关系。但是关于交直流混杂模式下变压器励磁状态与铁心振动响应的关系鲜有研究。
本文针对变压器直流扰动铁心振动问题，研究变压器励磁与铁心振动之间的关系。提出一种变压器励磁-振动谐响应模型，采用能量平衡有限元法求解变压器磁场模型，基于时域微分电路辨识励磁电流，利用励磁电流表征励磁饱和状态。
同时，基于磁场模型计算铁心磁场能量，并进行谐响应分析，获取振动加速度。利用励磁-振动谐响应模型对直流扰动下变压器振动特性进行仿真计算，分析不同直流水平下变压器励磁状态与铁心振动的变化情况和对应关系，并总结其规律。搭建变压器交直流混合运行动模实验平台测量励磁电流和铁心振动加速度，对本文所提模型进行验证。
图6 实验原理接线图
图10 10kV变压器振动测量点分布图
针对变压器交直流混杂运行时的偏磁特性，研究了励磁电流-励磁状态-铁心振动之间的关系，得出以下结论：
1）建立变压器励磁-振动谐响应模型，模拟分析变压器在交直流混杂模式运行的电磁特性，研究不同直流扰动下的励磁状态与铁心振动加速度，通过对比仿真结果和实验数据，验证了本文所建模型的正确性。
2）基于励磁电流辨识表征变压器的励磁饱和状态，对励磁电流进行谐波分析，结果表明，在直流扰动下变压器励磁饱和程度加深，对应励磁电流畸变，谐波含量升高，漏磁增大，导致变压器铁心振动加剧。
3）通过铁心振动谐响应分析变压器铁心在直流扰动下的振动加速度频谱，高频振动分量主要集中于前10次谐波；随着直流水平的上升，高频振动分量的幅值增大，频谱分布变得更为复杂。当铁心固有频率与振动频率发生共振时，造成的危害最大。