極寒地區(qū)220 kV變壓器振動測試與分析

王鳳良，府冬明，許志銘，張 楚，金軼風(fēng)

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030;2．廣東省電力科學(xué)研究院，廣州510080)

大型變壓器設(shè)備的安全和穩(wěn)定運行對保證電網(wǎng)的安全具有重要意義。國家電網(wǎng)公司對110 kV以上電壓等級電力變壓器的事故統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運行時間小于15 a就發(fā)生損壞事故的電力變壓器臺次占發(fā)生損壞事故的電力變壓器統(tǒng)計總臺次的78.8%，繞組損壞和鐵心問題則分別占37.5%和21.7%［1］。由于這些設(shè)備在交接試驗和運行中的振動特性并沒有統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)，中國目前對大型變壓器的振動測試開展的工作不多，通過振動對其進行輔助故障診斷方面的工作則更少［2］。因此，為了積極開展變壓器繞組及鐵心狀況的診斷工作，及時發(fā)現(xiàn)有故障隱患的變壓器，本文分析了變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)和低壓側(cè)三相繞組中部器身振動隨繞組電流與當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓闆r，提出了變壓器器身振動的測試系統(tǒng)與測試方案，并對變壓器器身振動測試進行了分析，以利于延長設(shè)備使用壽命，預(yù)防變壓器突變事故的發(fā)生。

1 試驗220 kV變壓器的主要技術(shù)參數(shù)

試驗的大型變壓器設(shè)備選擇在大興安嶺電業(yè)局220 kV漠河一次變電站，試驗設(shè)備為該變電站的220 kV變壓器，生產(chǎn)廠家為特變電工沈陽變壓器有限公司，于2010年8月25日開始投產(chǎn)。大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV主變?yōu)槿唷L(fēng)冷、三繞組、有載調(diào)壓變壓器，主要參數(shù)如表1、表2和表3所示。主變220 kV側(cè)調(diào)壓范圍為±8×1.25%，共17級，標(biāo)準(zhǔn)分接頭在9級。正常運行方式下220 kV、66 kV母線電壓允許變動范圍為系統(tǒng)額定電壓的－3% ～7%，10 kV母線電壓允許變動范圍為系統(tǒng)額定電壓為0%～7%。

表1 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV主變技術(shù)參數(shù)

表2 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV側(cè)高壓套管技術(shù)參數(shù)

表3 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變66 kV側(cè)高壓套管技術(shù)參數(shù)

2 變壓器器身振動的機理

電力變壓器器身振動是由電力變壓器本體(即鐵心、繞組及冷卻裝置)的振動所引起的。本體的振動主要來源于以下幾個方面［3］:

1)硅鋼片的磁致伸縮所引起的鐵心周期性振動。

2)硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力所引起的鐵心振動。

3)繞組中負(fù)載電流產(chǎn)生的繞組匝間電動力所引起的振動，漏磁所引起的油箱壁振動。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，主要的振動來源來自磁致伸縮和繞組匝間電動力引起的振動。

電力變壓器本體振動通過鐵心墊腳和絕緣油傳遞給油箱壁，使油箱壁產(chǎn)生振動，以聲波的形式均勻地向四周輻射。冷卻裝置自身產(chǎn)生的振動與噪聲是通過接頭等裝置將振動傳遞給油箱壁。由于電力變壓器鐵心及繞組本身的在線監(jiān)測不能實現(xiàn)，而電力變壓器器身表面的振動又與電力變壓器繞組、鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態(tài)密切相關(guān)，因此可以通過測量電力變壓器的振動來反映繞組和鐵心的振動情況。

因為磁致伸縮的變化周期是工頻電源周期的1/2，所以磁致伸縮引起的電力變壓器本體的振動與噪聲以2倍電源頻率為基頻(即頻率為100 Hz左右)。然而，鐵心的磁滯損耗、渦流損耗、沿鐵心內(nèi)框和外框的磁路長度不同，同時硅鋼片磁致伸縮率與磁感應(yīng)強度具有非線性關(guān)系，導(dǎo)致磁通出現(xiàn)較為明顯的畸變(即明顯地偏離了正弦形狀)，出現(xiàn)了高次諧波的磁通分量。另外，繞組內(nèi)電流的畸變也將導(dǎo)致匝間振動力出現(xiàn)高頻分量，但電流的畸變程度比磁通的畸變程度低，故繞組引起的附加振動比磁致伸縮在頻率上要低一些。

電力變壓器鐵心振動與噪聲的頻率范圍通常在100～1 000 Hz，不同容量的電力變壓器，整體結(jié)構(gòu)不同，其箱體的振動與噪聲頻譜也不相同。而根據(jù)文獻［4］的統(tǒng)計，不同型號的變壓器其油箱表面振動的頻譜信號及各頻譜對應(yīng)的幅值差異明顯，可初步判斷不同型號的變壓器的振動信號沒有可比性;對于相同型號的變壓器，在同一位置處振動信號的頻譜分布特征與對應(yīng)幅值相差不大。因此，在缺乏歷史數(shù)據(jù)的情況下，可對同型號的電力變壓器的振動信號按負(fù)載電流的平方歸一化處理后進行比較分析，從而判斷各自的繞組及鐵心的壓緊情況。電力變壓器運行工況沒有變化時，振動幅值的當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相比相差在10% ～20%，則認(rèn)為電力變壓器可能存在故障隱患，需密切注意其運行;若這一變化比率大于20%，則認(rèn)為可能發(fā)生了嚴(yán)重故障，建議停運檢修［5］。

3 變壓器器身振動的測試系統(tǒng)與測試方案

本文涉及的變壓器器身振動測試系統(tǒng)由信號采集部分與后臺處理部分組成。通過振動傳感器采集變壓器器身的振動信號，經(jīng)過采集儀對振動信號進行處理后形成數(shù)字信號，由計算機進行顯示、存儲和分析。由于加速度傳感器體積小、重量輕、穩(wěn)定性高，工作頻率范圍寬，適用于在強磁場工作環(huán)境下進行測量，所以本文在對器身的振動測量中選用了加速度傳感器。為了盡量保證振動測試的準(zhǔn)確性，保證傳感器的“浮地”連接，采用特殊絕緣材料將傳感器粘結(jié)在變壓器器身上進行振動信號采集;為了保證傳輸導(dǎo)線的有效屏蔽，在導(dǎo)線接頭處用絕緣膠帶進行纏繞，使傳輸導(dǎo)線“浮地”。

220 kV變壓器器身振動測試方案:

1)利用加速度傳感器測取220 kV變壓器工作狀態(tài)下高壓側(cè)三相A、B、C繞組、中壓側(cè)三相Am、Bm、Cm繞組以及低壓側(cè)三相a、b、c繞組線圈中部的振動情況，并結(jié)合三相電流的變化情況與當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓闆r進行振動測試分析。

2)將極寒地區(qū)的該型號220 kV變壓器振動信號進行分析整理，作為指紋留用，并結(jié)合負(fù)載電流的變化情況對極寒地區(qū)該型號變壓器進行輔助故障診斷。

4 變壓器器身振動測試分析

經(jīng)過對極寒地區(qū)220 kV變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三相繞組線圈中部振動水平的連續(xù)監(jiān)測，各繞組電流的變化趨勢、當(dāng)?shù)貧鉁卦跍y試過程中的變化趨勢、振動測點的振動趨勢如圖1—圖6所示。

圖1 高壓側(cè)A、B、C三相電流與氣溫隨時間的變化趨勢

圖2 高壓側(cè)A、B、C相繞組中部處的振動趨勢

圖3 中壓側(cè)Am、Bm、Cm三相電流與氣溫隨時間的變化趨勢

圖4 中壓側(cè)Am、Bm、Cm相繞組中部處的振動趨勢

圖5 低壓側(cè)a、b、c三相電流與氣溫隨時間的變化趨勢

圖6 低壓側(cè)a、b、c相繞組中部處的振動趨勢

通過對高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三相繞組中部的振動測試，得到本次振動測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如下:

1)漠河220 kV變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組中部振動趨勢與繞組電流的變化趨勢相一致。

2)漠河220 kV變壓器高壓側(cè)三相(A、B、C)繞組、中壓側(cè)三相(Am、Bm、Cm)繞組以及低壓側(cè)三相(a、b、c)繞組中部振動趨勢隨溫度的變化趨勢不明顯。

3)漠河220 kV變壓器中壓側(cè)三相(Am、Bm、Cm)繞組及低壓側(cè)三相(a、b、c)繞組中部振動隨繞組電流的變化趨勢不明顯。

5 結(jié)論

1)漠河220 kV變壓器振動測試積累了極寒地帶運行良好的變壓器器身振動情況的指紋數(shù)據(jù)，為進一步開展變壓器振動測試工作奠定了基礎(chǔ)。

2)變壓器振動測試時沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的測點位置，沒有有效解決變壓器冷卻系統(tǒng)的干擾等問題。

3)將振動分析方法應(yīng)用于變壓器故障診斷已經(jīng)成為變壓器故障診斷的有效手段。為了滿足變電站的特殊性，可建立變壓器振動故障診斷中心，從在線監(jiān)測的變壓器器身的振動信號進行分析，進而判斷變壓器故障征兆，為變壓器狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

［1］ 馬宏彬，何金良，陳青恒.500 kV單相電力變壓器的振動與噪聲波形分析［J］．高電壓技術(shù)，2008，34(8):1599 －1604．

［2］ Sokolov etc．V Effective methods of assessment of insulation system conditions in power transformers:a view basded on practical experience．Proceeding of the CIGRE Regional meeting，1999:659．

［3］ Weiser B，Pfutzner H．Relevance of magnetostriction and forces for the generation of audible noise of transformer cores［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3759 －3777．

［4］ 汲勝昌，門陽，劉昱雯，等．運行中電力變壓器油箱表面振動特性的研究［J］．電工電能新技術(shù)，2007，26(2):24 －28．

［5］ Zalya Berler，Alexander Golubev，Valery Rosov，etal．Vibroacoustic method of transformer clamping pressure monitoring［C］//Conference Record of 2000 IEEE International Symposium on Electrical insulation．Anaheim，CA，USA:［s．n］，2000:263 －266．