負載電流法在基于振動信號分析法監測變壓器鐵心狀況中的應用分析

呂繼龍（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江　哈爾濱　150078）

負載電流法在基于振動信號分析法監測變壓器鐵心狀況中的應用分析

呂繼龍
（哈爾濱變壓器有限責任公司，黑龍江哈爾濱150078）

振動法能夠有效的診斷變壓器運行中潛伏的故障。由于振動法在檢測出故障的同時還能夠檢測鐵心的狀況，為其進行充分的研究開辟了門路。文中提到了一種負載電流法，在不空載運行變壓器的情況下，能夠取得變壓器鐵心振動信號基頻成分。通過模擬變壓器實際運行的情況，觀察不同空載和負載電流情況下變壓器本體的震動加速信號，分析擬合的負載電流與振動加速信號基頻成分的關系曲線。實驗得出，負載電流為零時變壓器振動信號基頻成分的幅值與空載情況時變壓器振動信號基頻成分差異不大。由此可以看出，振動分析方法用于提取變壓器鐵心振動信號的基頻成分是可行的。最后，對鐵心故障采用負載電流法監測，發現該方法不失為初步判定鐵心狀況的有效方法。

負載電流法；振動信號；變壓器

變壓器的運行狀況關乎全電網的安全，繞組和鐵心是其重要組成部分。變壓器繞組、鐵心的壓緊狀況、繞組的位移以及變形狀態都有可能引起變壓器器身表面的振動。在測量變壓器器身的振動信號的同時，在線監測電力變壓器。從國外綜合文獻看，判斷變壓器鐵心的狀況一般是采用振動法監測變壓器鐵心故障，在空載條件情況下，測量變壓器器身的振動信號。本文在以不改變變壓器運行狀況的前提下，研究負載電流與器身振動信號之間的聯系，尋求得到變壓器鐵心振動信號的方法，監測變壓器鐵心振動信號的狀況。

一、理論依據

（一）振動原理分析

變壓器本體和冷卻裝置的振動是引起變壓器器身振動的主要原因。冷卻系統在小于100Hz會引起基本振動。硅鋼片的磁致伸縮、硅鋼片接縫處和疊片之間由于存在因漏磁而產生電磁吸引力，電流在繞組間、線餅間、線匝間產生動態電磁力以及油箱壁因漏電而引起的振動是致使本體振動的主要原因。

早前的國內外研究和實驗曾表明漏磁引起的鐵心振動對變壓器本體的振動的影響不顯著，變壓器本體振動主要是受鐵心和繞組震動的影響。隨著鐵心疊積方式的改進以及無緯環氧玻璃粘帶的采用，硅鋼片接縫處和疊片之間由于存在因漏磁而產生電磁吸引力越來越小，對鐵心振動的程度也越來越弱。由此可以看出，硅鋼片的磁致伸縮是引起鐵心振動的關鍵。

磁致伸縮的大小受外磁場大小和材料溫度的影響。正常運行的變壓器，鐵心的溫度并不會發生太大的變化。當負載變化時，在變壓器的相同分接位置，激磁電流在鐵心中產生的主磁通大小基本相當。因而，磁致伸縮對鐵心振動的影響基本不明顯。

磁致伸縮越大，磁感應越強烈，電源電流周期是磁致伸縮變化周期的兩倍。以兩倍的電源頻率為基頻，磁致伸縮引起鐵心振動。鐵心振動頻譜中不僅包括基頻還有高次諧波成分，是由不同的沿鐵心內框及外框磁通路徑長短和鐵心磁致伸縮的非線性所導致的。

（二）故障判斷和振動信號取得

鐵心在變壓器相同的分接位置處，其振動在空載、負載和負載時的變化大小沒有很大差異。負載電流越大，繞組的振動信號越大。鐵心壓緊不夠會導致硅鋼片發生松動。硅鋼片自身的重量引起鐵心發生彎曲變形，使硅鋼間的縫隙變大，同時也會使硅鋼片接縫處和疊片間的漏磁變大。

（三）驗證負載電流法的有效性

負載電流的大小會影響變壓器本體振動加速信號的高次諧波成分；另外，與材料的特性也密切相關。因而，從負載電流與本體振動信號的關系中取得鐵心的高次諧波成分是不可行的。在等效于電力變壓器實際運行中維持調壓器的輸入電壓值穩定的情況下，可以通過改變變壓器高壓測所接水電阻的阻值來改變負載電流的大小。

從表1看出，負載電流I與振動加速度信號基頻成分幅值F擬合關系所得的方程式為：F=7.04+12589.82I2。當負載電流為零時，動加速度信號基頻成分幅值為7.04mV。

表2為測量變壓器空載運行時，本體振動加速信號的統計結果。分析得出，當f=100Hz時，F=7.17mV。與利用負載電流法存在1.8%的誤差。因而，當誤差小于1.8%時，無須空載變壓器，可以通過負載電流與振動加速度信號基頻成分的關系方程式便可得出鐵心振動信號的基頻成分。

二、實際運用

綜合上文所述，通過減小鐵心的徑向壓緊力，對模擬故障采用負載電流法測量變壓器的振動信號。由表3，擬合得出故障時負載電流與振動加速度信號基頻成分幅值間的線性方程式為：Ff=10.3739+12583.75I2f。故障情況下，負載電流為零時，振動加速度信號基頻成分幅值為10.3739mV。由此可見，鐵心振動加速度信號基頻成分幅值比正常時增長了47.36%。

一般而言，當額定電流小于50%時，電力變壓器的運行狀況是不樂觀的。考慮負載電流在額定電流超過50%以上的情況，重新擬合數據，分析外推求得的空載振動值的影響情況和擬合點的數量及分布，其研究結果分別為：當鐵心運行正常時，F=6.96+12591.82I2；而在故障的情況下，Ff=10.3362+12587.84I2f。對比分析采用更多額定電流與采用50%以上額定電流下振動數據，發現擬合得到的直線方程與外推求得的空載振動值相當。由于噪音和虛假信號的影響較小，在現場想要運用這種方法準確地外推出空載振動信號的基頻成分值，可以在50%到滿負載間均勻地取三個或以上的擬合點。

結語

電壓變壓器器身振動信號、內部繞組、鐵心的狀況相互聯系，相互影響。其內容的廣泛性及信息的豐富性為開展變壓器的振動在線監測工作提供了好的依據。利用負載電流法在沒有空載變壓器的情況下，就可以判斷出鐵心的故障問題，并有效地提取變壓器鐵心的振動信號基頻成分。

表1　負載電流振動加速度信號基頻成分

表2　空載時變壓器本體振動信號基頻成分

表3　故障時鐵心負載電流與振動加速度信號基頻成分

[1]汲勝昌.變壓器繞組與鐵心振動特性及其在故障監測中的應用研究[D].西安交通大學，2003.

TM403

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