電力變壓器油箱固有頻率測(cè)試及其影響分析

劉伯強(qiáng),劉　敏（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司,西安　710065）

電力變壓器油箱固有頻率測(cè)試及其影響分析

劉伯強(qiáng),劉敏
（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司,西安710065）

摘要：振動(dòng)參數(shù)是電力變壓器設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試與運(yùn)行的關(guān)鍵，它影響著變壓器的使用壽命。本文基于電力變壓器的振動(dòng)產(chǎn)生原理和共振現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，探討了變壓器內(nèi)壁固有頻率測(cè)試中點(diǎn)的分布原則和油箱固有頻率測(cè)試儀器的方案設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；共振現(xiàn)象；固有頻率測(cè)試；油箱；內(nèi)壁；方案設(shè)計(jì)

0　引言

電力變壓器振動(dòng)不但會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音污染環(huán)境，也會(huì)導(dǎo)致電力變壓器在持續(xù)的共振狀態(tài)下產(chǎn)生內(nèi)部磨損，長(zhǎng)久下去就會(huì)造成設(shè)備損壞，影響生產(chǎn)進(jìn)程。

1　電力變壓器振動(dòng)機(jī)理分析

本文所研究的是油浸式電力變壓器，這種變壓器油箱存在一定的固有頻率，所以在使用方法方面存在限制性。它在運(yùn)行時(shí)很容易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，增大變壓器在運(yùn)行時(shí)的噪音。本文要做的就是對(duì)其進(jìn)行固有頻率和振動(dòng)的測(cè)量，評(píng)價(jià)和研究電力變壓器油箱的固有振動(dòng)意義。

1.1變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的原理

電力變壓器之所以會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)是由于它其中的鐵芯、冷卻元件和繞組在設(shè)備運(yùn)行時(shí)本體發(fā)生共振。具體來(lái)說(shuō)就是設(shè)備運(yùn)行時(shí)硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致鐵芯的周期性振動(dòng)，負(fù)載電流產(chǎn)生了繞組匝間的電動(dòng)力振動(dòng)，而冷卻元件中的漏磁引起了變壓器油箱壁的振動(dòng)。前兩者所產(chǎn)生的共同振動(dòng)使振動(dòng)聲波均勻的向四周發(fā)射，而冷卻裝置自身產(chǎn)生的振動(dòng)與噪音也通過(guò)磁致接頭將振動(dòng)間接傳遞給變壓器油箱。據(jù)調(diào)查，三者共振所產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)可以以100Hz的基頻進(jìn)行傳播，而在油箱表面測(cè)量也會(huì)發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)信號(hào)中存在大量的高階諧波分量[1]。

1.2共振原理的計(jì)算

電力變壓器油箱產(chǎn)生共振屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，所以可以假設(shè)油箱所受到的驅(qū)動(dòng)力為是驅(qū)動(dòng)力的幅值，作為驅(qū)動(dòng)力的角頻率出現(xiàn)，因此在單自由度系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力作用下變壓器油箱的強(qiáng)迫振動(dòng)運(yùn)動(dòng)公式即為：

在公式中，x、y、k表示了共振所產(chǎn)生的質(zhì)量、阻尼、剛度。將這三個(gè)變量帶入公式中，就有：

所以就有：

如果阻尼變量較小時(shí)，就可以為上述運(yùn)動(dòng)方式列出微分方程，它的解應(yīng)該為：

公式迎合了小阻尼情況下變壓器油箱內(nèi)壁的受迫振動(dòng)，即阻尼振動(dòng)和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)疊加情況。當(dāng)阻尼振動(dòng)在進(jìn)行一段時(shí)間后，會(huì)由于振動(dòng)頻率的減小而衰減，最終忽略不計(jì)。所以當(dāng)受迫振動(dòng)完全進(jìn)入穩(wěn)定的等幅振動(dòng)周期內(nèi)，就可以表達(dá)為：

當(dāng)變壓器的本體振動(dòng)產(chǎn)生大量的高階諧波時(shí)，振動(dòng)的某一頻率分量就會(huì)導(dǎo)致油箱產(chǎn)生較大的共振振幅，而且越來(lái)越大。變壓器在這種長(zhǎng)期的劇烈共振中將會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部的設(shè)備磨損就會(huì)縮短它的壽命。為了減少變壓器的故障發(fā)生，應(yīng)該在其油箱內(nèi)壁選取一定的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行固有頻率的測(cè)試[2]。

2　油箱內(nèi)壁的測(cè)點(diǎn)布置

為了進(jìn)行固有頻率的測(cè)試，應(yīng)該首先在變壓器油箱的內(nèi)壁進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置。其原則就是按照內(nèi)壁的加強(qiáng)筋放置來(lái)歸納和簡(jiǎn)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便于測(cè)點(diǎn)的布置。

由于電力變壓器的主體規(guī)格和結(jié)構(gòu)形式都是不同的，所以在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置時(shí)一定要首先考慮加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)與油箱內(nèi)壁的關(guān)系?？梢允紫壤眉訌?qiáng)筋將油箱內(nèi)壁進(jìn)行幾何分割，變?yōu)槿舾蓚€(gè)矩形單元。然后定義每個(gè)單元的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，再進(jìn)行各個(gè)單元的尺寸測(cè)量，最后在每個(gè)單元上確定布點(diǎn)的數(shù)量。如果加強(qiáng)筋將內(nèi)壁分割為L(zhǎng)=600mm內(nèi)一個(gè)布點(diǎn)，那么它的具體布點(diǎn)原則就應(yīng)該如表1.

表1　電力變壓器油箱內(nèi)壁的測(cè)試布點(diǎn)基本原則

按照以上原則，本文利用一臺(tái)三相的油浸式電力變壓器，通過(guò)它的油箱內(nèi)壁結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行測(cè)量布點(diǎn)的研究。如果它的頂部尺寸為1200mmx600mm，那么按照上述原則就可以得知該油箱內(nèi)壁可以布置2個(gè)測(cè)試點(diǎn)。而當(dāng)寬方向?yàn)?00mm時(shí)，可以布置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

3　電力變壓器油箱固有頻率測(cè)試儀器的具體設(shè)計(jì)

3.1測(cè)點(diǎn)的選擇布置、

按照上文提到的測(cè)點(diǎn)布置方法，應(yīng)該在變壓器的頂端三相鐵芯和油箱內(nèi)壁的四周選擇11個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)它們來(lái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。所以測(cè)點(diǎn)的選擇原則如圖1.

3.2變壓器油箱內(nèi)壁的固有頻率測(cè)量

無(wú)論是設(shè)備內(nèi)元件的單獨(dú)振動(dòng)還是共振，整體上振動(dòng)系統(tǒng)都屬于線性振動(dòng)，所以可以根據(jù)已得到的激振力數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)油箱內(nèi)壁的激勵(lì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，再通過(guò)對(duì)輸入輸出信號(hào)的測(cè)量進(jìn)行傳遞函數(shù)分析來(lái)獲得固有頻率。所以根據(jù)已知的激振力與油箱內(nèi)壁相應(yīng)來(lái)導(dǎo)出它們之間的關(guān)系Y(可用導(dǎo)納)為：

在公式中，X即為油箱表面所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)，k為油箱壁表面的剛度，F(xiàn)是輸入力信號(hào)，而為頻率比，所以就有：

由上述計(jì)算可知，當(dāng)可用導(dǎo)納Y的幅值為1時(shí)，它所產(chǎn)生的激勵(lì)力響應(yīng)與共振系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)特性曲線相關(guān)，所以在共振頻率下可用導(dǎo)納Y的值會(huì)根據(jù)共振頻率的增大而增大，這樣就可以通過(guò)Y來(lái)判斷出各個(gè)階段的共振頻率值。

3.3力輸入錘擊法對(duì)固有頻率變化的測(cè)試

利用沖擊力錘配合力傳感器、壓電式加速度傳感器以及電荷調(diào)理電路數(shù)據(jù)分析儀等等進(jìn)行固有頻率的測(cè)試。其具體測(cè)試方法為用沖擊力錘(沖擊脈寬頻率為3kHz響應(yīng)范圍)對(duì)油箱表面錘擊，產(chǎn)生激振，此時(shí)所產(chǎn)生的力信號(hào)就會(huì)吸附于已經(jīng)布置好的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)點(diǎn)通過(guò)振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量這些力所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)，然后利用傳遞函數(shù)分析方法來(lái)測(cè)量各個(gè)測(cè)試點(diǎn)在響應(yīng)后所得到的不同固有頻率。這其中力信號(hào)所產(chǎn)生的第一個(gè)峰值就是共振系統(tǒng)的第一階段固有頻率，按照測(cè)試以此類推，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)可以測(cè)試出各個(gè)峰值下所代表的各個(gè)階段固有頻率。

3.4測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)此前在油箱壁上布置的11個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)試沖擊力錘所產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的固有頻率特性影響，具體利用到了固有頻率的傳遞函數(shù)。我們以測(cè)點(diǎn)布置中的頂點(diǎn)2號(hào)點(diǎn)為例，這一點(diǎn)布置于油箱的頂部，當(dāng)沖擊力錘敲擊油箱時(shí)，在1kHZ范圍內(nèi)它的固有頻率變化如圖2。

如圖2所示，2號(hào)點(diǎn)的固有頻率由低變高，最高達(dá)到900Hz范圍，主要分為四個(gè)階段。它的頻率特性幅值變化小于側(cè)面的測(cè)點(diǎn)，所以可以按照無(wú)阻尼的固有頻率公式來(lái)推理：

當(dāng)質(zhì)量越大時(shí)，它所產(chǎn)生的固有頻率就越低。因?yàn)?號(hào)點(diǎn)處于油箱頂部，它的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單但是有鐵芯連接，整體承載了來(lái)自于繞組和鐵芯的共同重力，所以它的結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此在這個(gè)階段固有頻率很低[3]。

4　總結(jié)

按照本文分析可知，油箱受到共振影響所產(chǎn)生的固有頻率和質(zhì)量有關(guān)，也和其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，但當(dāng)電力變壓器長(zhǎng)期處于振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，即使是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的油箱頂點(diǎn)也會(huì)由于固件的松動(dòng)而導(dǎo)致其部位的固有頻率升高，這對(duì)整個(gè)設(shè)備都是相當(dāng)不利的。所以總體來(lái)說(shuō)，該測(cè)試對(duì)設(shè)備的壽命周期保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]汲勝昌,門陽(yáng),劉昱雯等.運(yùn)行中電力變壓器油箱表面振動(dòng)特性的研究[J].電工電能新技術(shù),2007,26(02):24-28.

[2]唐志興.三相變壓器共振回路的非周期振動(dòng)[J].廣西師范大學(xué),2000,12(30):55-56.

[3]趙宏飛,馬宏忠,李凱等.電力變壓器油箱固有頻率測(cè)試及其影響分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(11):165-169.