短路電流沖擊下變壓器振動特性研究

谷紅霞, 于 虹， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

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短路電流沖擊下變壓器振動特性研究

谷紅霞1, 于 虹2， 趙振剛1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

針對短路電流的沖擊下，變壓器振動特性研究，構造了短路電流對變壓器振動影響的沖擊平臺，研究了傳遞函數相關系數的分布規律以及相關系數閾值選擇。在此基礎上，通過波形時域分析以及仿真研究，探討了繞組短路故障對傳遞函數的影響，得出了預緊力與相關系數的關系，最終，明確了短路電流沖擊下變壓器振動特性的關系，為進一步利用振動法分析變壓器故障奠定了基礎。

短路電流沖擊； 傳遞函數； 相關系數； 預緊力； 振動分析法

0 引 言

電力變壓器作為大型電力設備，一經損壞,維修周期較長，涉及范圍廣，危害較大，因此，保證電力變壓器安全可靠運行對電力系統正常運行具有重要意義[1,2]。

據相關資料顯示，電力變壓器繞組是較容易發生故障的部件之一，截至2006年底,全國110 kV及以上等級電力變壓器因外部短路故障造成損壞的事故達到事故總數的50 %。經查，由繞組變形引起的變壓器故障占到了絕大多數[3,4]。鄧蕊,孫寶元在變壓器絕緣紙板微水分測量系統分析了變壓器的特性[5]。變壓器本身抗短路能力不足是造成其故障的主要原因，然而繞組抗短路能力的喪失是一個逐漸積累的過程，因此，盡早發現繞組故障對于電力變壓器長期正常運行具有重要意義[6]。

振動分析法是一種在線實時監測的方法，可解決故障及時識別的難題。目前，對于電流信號與變壓器振動信號之間的關系沒有很深入的研究。本文采用傳遞函數方法將振動信號與短路電流聯系起來，研究不同測點、短路故障、繞組預緊力對變壓器振動以及傳遞函數的影響。

1 傳遞函數理論基礎

利用自功率譜密度函數求傳遞函數。采用傳遞函數的幅頻特性能夠較好地體現振動信號與電流平方之間的關系，而忽略相位信息，同樣可以反映變壓器振動在短路電流沖擊下的變化[7]

(1)

式中Sxx(ω)和Syy(ω)為輸入輸出的自譜，用信號的自相關函數進行傅里葉變換可求得[8]。將短路沖擊電流的平方作為輸入信號，加速度振動信號作為輸出信號，利用式(1)即可求出電流平方與振動之間的傳遞函數的幅頻特性。

為了研究大電流沖擊下的變壓器振動特性，設計了振蕩衰減的大電流產生回路來近似模擬實際的短路電流，對一臺特制的單相變壓器進行沖擊，實驗電路圖如圖1所示。

圖1 短路沖擊實驗電路

2 傳遞函數相關系數研究

2.1 相關系數選取

在短路電流基礎上得到的傳遞函數幅頻如圖2(a)，在振動信號的基礎上得到的傳遞函數幅頻如圖2(b)所示，圖中只給出了0～150 Hz頻段內的幅頻。在大于150 Hz的頻段上，振動信號自譜微小的變化會引起傳遞函數幅頻特性極大的變化，所以,關注0～150 Hz頻段內部的變化能更好地評估不同情況下的幅頻變化。

圖2 傳遞函數幅頻

為了能夠清晰直觀地分析不同情況下的幅頻差別，引用相關系數來衡量傳遞函數幅頻圖的相似程度。符合工程需要的相關系數計算如式(2)

Rxy=-log(1-LRxy)

(2)

設定一個相關系數閾值，傳遞函數的相關系數大于該閾值時，認為此時變壓器繞組的傳遞函數沒有變化；當傳遞函數的相關系數小于該閾值時，認為此時變壓器繞組的傳遞函數發生了變化。鑒于變壓器的復雜結構，采用多個傳遞函數進行比較判斷，將150 Hz頻段均分為3段，分別為0～50 Hz頻段，50～100 Hz頻段， 100～150 Hz頻段，計算出了不同采集點,不同電流下的傳遞函數相關系數[9，10]如圖3所示。

圖3 不同頻段內傳遞函數相關系數

2.2 短路故障對傳遞函數的影響

將變壓器高壓繞組的相鄰兩個層線餅之間人為短路，繞組上部9#線餅短路稱為短路故障1(故障T)，繞組中部22#線餅短路稱為短路故障2(故障M)，繞組下部32#線餅短路稱為短路故障3(故障B)。忽略分散性的影響，在上中下三部分設置信號采集點分別記為信號采集點1,2,3。以采集點1與采集點3為例進行振動信號加速度幅值分析，采集點1處的振動信號幅值在短路1情況下明顯最大，這與振動信號采集點的位置有很大關系：在線餅上部短路時，繞組短路位置正好對應于箱體上采集點1的位置，此時振動信號傳播到采集點1損耗最小，振動最劇烈；在繞組下部短路也有相同的規律，從信號圖中采集點3中可以得到驗證。所以,在選擇計算相關系數的采集點時，最好使用對應位置的采集點的數據。不同短路電流下振動信號的加速度幅值如圖4所示。

圖4 不同短路故障下加速度幅值的變化

3 仿真分析

為了研究繞組內部短路故障對短路電流，漏磁場和短路電動力帶來的影響，在已建變壓器模型上將指定的線餅短路，保證其他線餅的激勵源和邊界條件不變，重新進行計算。設置短路故障后，充電電壓8 kV下的電流變化如圖5所示。當電流很大時，鐵芯還沒有飽和，所以繞組的電感值只與繞組的匝數有關。繞組餅間短路后，會使電感值有所減小，但是減小的比例只占到4.7 %，影響很小，所以測得的電流波形相差很小。

圖5 充電電壓8 kV下的電流波形

繞組各線餅的軸向電動力最大值如圖6所示，在電流基本不變的情況下，低壓側軸向電動力在9#線餅之前基本沒有變化，高壓側軸向電動力的變化主要體現在兩點：有短路故障的軸向電動力比正常情況下大，在高壓繞組上、下對稱的位置設置的短路故障對軸向電動力的影響是一致的；在繞組中部設置短路故障時，靠近繞組端部的線餅上的軸向電動力方向發生了轉向，力的效果從壓縮繞組變為拉伸繞組。一般情況下，高壓繞組的軸向電動力的作用就是壓縮繞組。因此，在繞組內部設置短路故障給電動力帶來的影響很大，可使電動力在不同的線餅處發生轉向，改變了繞組的振動狀態。

圖6 繞組軸向電動力

在同一電流下，變壓器短路故障與正常狀態下計算傳遞函數的相關系數，短路故障的相關系數最大為0.549 3，但是與設定的相關系數閾值1.1相比，依然減小了50 %。說明與正常狀態下相比短路故障下的傳遞函數已經發生了很大變化。

改變預緊力下的短路沖擊試驗。調整變壓器繞組的預緊力并用壓力傳感器測量得到預緊力的大小，設定預緊力的大小分別為1 500，2 000，2 500 N。在每一個預緊力下進行變壓器短路沖擊試驗。不同預緊力下加速度幅值的變化如圖7所示，預緊力為2 500 N時，加速度幅值最小。

圖7 不同預緊力下加速度幅值

同一電流下，計算改變預緊力與變壓器正常狀態傳遞函數的相關系數。關注采集點2處傳遞函數的幅頻特性在0～50 Hz內的變化，結果如表1所示，相關系數最大值為0.737 2，比相關系數的閾值1.1小約33 %。同樣可以認為，此時，與正常狀態相比改變預緊力情況下的傳遞函數的幅頻特性，已經發生了很大的改變，判定在預緊力為1 500，2 000，2 500 N時，變壓器已經出現故障。

表1 不同預緊力下的相關系數

4 結 論

利用變壓器振動信號和電流自功率譜密度求傳遞函數幅頻特性的方法，建立了短路電流與振動信號之間的耦合關系；通過對不同測點的傳遞函數在不同短路電流下的相關性研究，確定了衡量變壓器函數幅頻特性相關系數的閾值。在此基礎上，分別研究了短路故障以及預緊力降低等故障條件下相關系數的變化規律。傳遞函數受到變壓器短路電流的影響：當短路電流差別不大時，兩次短路沖擊下，傳遞函數呈現出較高的相關性；當短路電流出現較為明顯的差別時，傳遞函數的相關性明顯降低，短路故障以及預緊力變化對相關系數的影響表明：利用相關系數可以對繞組的機械狀況提供一定的參考依據和標準。

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Research on vibration characteristic of transformer in short-circuit current impact

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd, Kunming 650217,China)

Under the impact of short-circuit current,the vibration characteristics of transformer is an important feature of vibration analysis method.To study this feature,firstly construct impact platform of influence of short-circuit current on transformer vibration,and then use this platform to study the distribution rule of correlation coefficient of transfer function and correlation coefficient threshold selection.On this basis,by waveform time-domain analysis and simulation research,explore the effects of winding short-circuit fault on transfer function, and finally study the relationship between the preload and the correlation coefficient,via the above study,define the relationship between the vibration characteristics of transformers under impact of short-circuit current, it laid the foundation for further analysis on transformer fault by vibration method.

impact of short-circuit current; transfer function; correlation coefficient; preload; vibration analysis method

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0042—03

2016—08—26

TM 41

A

1000—9787(2017)08—0042—03

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器，測試計量等。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導師，主要從事光纖傳感器技術與應用方面的研究，E—mail:1625677252@qq.com。