基于振動法的電力變壓器繞組變形測點分析

李學斌，金涌川，張 彬，孟慶璐，張遠博

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽 110006)

基于振動法的電力變壓器繞組變形測點分析

李學斌1，金涌川2，張 彬1，孟慶璐3，張遠博1

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽 110006)

振動分析法是一種診斷變壓器繞組機械變形的有效方法。針對當前振動法測點不確定問題，通過變壓器振動機理分析，以S11-M-500 kVA/35 kV試驗變壓器為研究對象，分別對正常及故障繞組進行負載試驗，獲取不同測點振動信息。采用歐幾里得距離法和基頻幅值對正常及故障繞組的不同測點振動信息進行分析，分析結果表明1/6測點處更適合用于繞組變形的振動法檢測。

振動機理；歐幾里得距離；振動變形；測點選擇

Abstract:Vibration analysis is an effective method to diagnose the mechanical deformation of transformer windings. Aiming at the uncertain problems of vibration measure points,it carries out load test with the normal and fault winding respectively for vibration information of different measure points.Through vibration mechanism analysis of the transformer, it uses S11-M-500kVA/35kV test transformer as the research object. It uses the euclidean distance method and fundamental frequency amplitude to analyze the vibration information of the different measuring points of normal and fault windings.The analysis results show that 1/6 part measure points is more suitable forvibration method detection of the winding deformation.

Keywords：vibration mechanism；euclidean distance；winding deformation；measurement point selection

伴隨著我國電力工業的蓬勃發展，電力變壓器的裝機容量不斷增加，單機容量與電壓等級越來越高。作為電力系統的重要設備，電力變壓器的運行狀況對電力系統的穩定運行至關重要。據有關資料統計，繞組變形及繞組壓緊松動所引起的機械故障是變壓器故障的主要組成部分[1-4]。現有的變壓器繞組檢測方法主要為離線檢測，如吊罩檢查、短路阻抗法(SCI)、頻率響應法(FRA)、低壓脈沖法(LVI)等[5]。離線的檢測有很多局限性，只能做到預防檢測和事后檢測。振動法在線監測變壓器繞組變形由于其靈敏度高，與電力系統無電氣連接，監測安全穩定等優點受到研究學者的廣泛關注[6]。

由于電力變壓器體積較大，結構復雜，掛網運行時繞組各點的振動不盡相同，加之傳播途徑的復雜性，油箱表面上的振動并不都能有效地體現變壓器繞組狀況，因此對油箱表面的振動信號進行研究分析，合理地選擇振動測點位置對實現電力變壓器繞組機械狀況振動法在線監測和故障診斷至關重要[7-9]。

1 變壓器振動機理

變壓器的振動主要是由繞組和鐵芯振動引起的[10]。繞組上產生的力主要為電動力，鐵芯上產生的力主要為磁致伸縮力和洛侖茲力[11]。在變壓器原邊或副邊短路時，主要是繞組上的電動力起作用；在空載或帶載工作時，鐵芯上的磁致伸縮力和繞組電動力共同起作用[12]。因此，當主要研究變壓器繞組振動引起的油箱振動時，可進行變壓器負載試驗以獲取研究數據。

作用在電力變壓器線圈上的電動力與流過繞組電流的平方成正比：

F=Bi2

(1)

假定電力變壓器穩定運行時流過繞組的電流為

i=Imcosωt

(2)

式中：ω為電網頻率。

(3)

由式(3)可以看出，電動力為負載電流頻率的2倍，而繞組振動是由電動力引起的。因此，繞組的振動基頻也應為負載電流頻率的2倍。當負載電流為工頻50 Hz時，變壓器繞組的振動基頻應該為100 Hz，在油箱表面振動分析中此頻率應該作為一項重要特征加以研究。

2 試驗方案及振動數據采集

正常運行的變壓器油箱外壁的振動信號主要是鐵芯振動和繞組振動的疊加，頻率范圍集中在10～2 000 Hz，據此可以選擇合適的加速度傳感器來測量。加速度傳感器有壓電式、應變式和伺服加速傳感器。伺服加速傳感器低頻響應好，但是測量頻帶窄，小于500 Hz，不適合變壓器油箱外壁振動信號測量。壓電式與應變式傳感器相比較，壓電式傳感器應用更為廣泛，測量頻率為4～100 kHz。因此，壓電式傳感器可以用作油箱外壁振動的測量。圖1為傳感器現場安裝測試圖，采用磁座固定方式。圖2為振動數據采集系統的流程框圖。

本文設置了三相正常繞組變壓器及A相模擬故障，型號均為S11-M-500/35，聯結組別為Yyn0。A相模擬故障的設置為低壓繞組幅向壓縮，高壓繞組幅向拉伸，模擬故障繞組實物如圖3所示。

圖1 傳感器現場安裝圖

圖2 變壓器振動數據采集系統示意圖

(a)低壓繞組幅向壓縮

(b)高壓繞組幅向拉伸圖3 換位位置低壓繞組輻向壓縮及高壓繞組輻向拉伸實物圖

負載試驗時，鐵芯的振動很微弱，可以認為油箱的振動是由繞組振動引起的，因此，在負載試驗下可以更好的分析油箱不同測點對于繞組振動的反映情況，優化測點的選擇。正常繞組與模擬故障繞組變壓器分別進行負載試驗，獲取振動試驗數據。負載試驗低壓側短路，在高壓側施加三相電壓，一次側電壓從零逐漸增大，直到使得一次側負載電流達到額定電流IN(8.25 A)。負載電流分為一次側額定電流的100%(8.25 A)。其試驗原理圖及試驗現場接線如圖4所示。在試驗測點選擇上，由研究成果可知變壓器油箱上下面、加強筋連接處等處振動信號用于在線檢測繞組機械狀況的效果不好，加以排除，同時為減少變壓器出線處的電磁干擾，本文試驗測點選取為三相繞組對應低壓側油箱表面距地1/2、1/3、1/6位置處，試驗測點如圖5所示。

(a)負載試驗原理圖

(b)負載試驗現場接線圖圖4 變壓器負載試驗原理圖及現場接線圖

圖5 變壓器整體結構及傳感器位置

3 試驗數據分析

試驗獲取的振動信號為時域信號，在時域上只可以在幅值上進行對比，無法深入分析振動信號的內在差異。傅里葉變換是一種經典的信號分析方法，它可以將時域信號分解為頻域信息，從而在頻域上對信號進行分析。

(4)

(5)

式(4)為傅里葉變換，式(5)為其逆變換。利用式(4)可將時域振動信號轉換到頻域進行分析。本文將模擬故障繞組與正常繞組振動信號進行對比，采用額定負載電流下的基頻振動幅值變化率及全頻段振動幅值歐幾里得距離2種量化信息量來表征振動信號間的區分度。

采用歐幾里得距離來量化信號間的相似程度，距離越大，區分度越大，越便于繞組變形的檢測與分析。歐式距離是在M維空間中2個點的真實距離。本文中歐式距離可以看作信號間的相似程度，距離越大區分度越高。計算公式如下：

(6)

式中：d為歐幾里得距離，X與Y取為各頻段振動幅值所組成的數組，n為數組中元素的個數。

本文試驗數據分析以A相為例，圖6為正常繞組負載試驗額定電流下A相3個測點的時域及頻域信號。表1為傅里葉變換后各頻率的振動幅值大小。

由圖6可知，在時域圖中無法有效地獲取辨識度高的信息，需要在頻域上進一步加以分析。在頻域圖中，繞組振動引起的油箱三側點的振動均以100 Hz為基頻，這與理論分析相符。

圖7為A相繞組正常時額定電流下A相油箱側壁不同測點處振動信號頻域對比圖，由表1及圖7的數據可以發現，1/6測點處基頻100 Hz的振動最大，為0.018 43 m/s2；1/3處次之，為0.014 91 m/s2；1/2處最小，為0.010 74 m/s2。而200 Hz、400 Hz、500 Hz處的振動幅值基本相當。

圖6 變壓器繞組正常時額定電流下A相油箱側壁不同測點振動信號

表1 變壓器繞組正常時額定電流下A相油箱側壁不同測點各頻率下振動幅值 m/s2

圖8為A相繞組模擬故障時額定電流下油箱不同測點處振動信號頻域對比圖，表2為額定負載電流不同測點A相模擬故障繞組頻域幅值。由圖8可以看出，故障繞組振動信號在油箱上的振動表現為1/6測點處基頻100 Hz振動明顯大于其它2個測點，而200～500 Hz的振動幅值基本相當。表3為模擬故障繞組與正常繞組額定負載電流下相同測點振動的振動差異量化比較結果。1/6、1/3、1/2測點處歐幾里得距離分別為0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值變化率分別為68%、23%、13%。量化分析后，3個測點對于檢測繞組變形的靈敏度區分明顯，1/6測點處的效果最好，1/3測點處次之，1/2測點處效果最差。

綜上所述，1/6測點處對于繞組振動的反應更靈敏，有利于減小變壓器其它振動信號源的干擾，增大掛網運行中采集到的混合信號中繞組振動占比；在頻域分布上，1/6測點處振動的主能量集中于100 Hz基頻，在繞組發生機械變形后更為明顯。因此，在上述3個測點中，1/6測點處振動信號可以更好地體現繞組的機械狀態及振動特征，更適合用于繞組變形狀態的振動法在線檢測。

圖7 A相繞組正常時額定電流下A相油箱側壁不同測點處振動信號頻域對比圖

圖8 A相繞組故障時額定電流下A相油箱側壁不同測點處振動信號頻域對比圖

表2 變壓器繞組故障時額定電流下A相油箱側壁不同測點各頻率下振動幅值m/s2

表3 模擬故障繞組與正常繞組額定負載電流下相同測點振動信號差異比較

4 結束語

本文針對振動法檢測變壓器繞組變形振動測點選擇不明確的問題，重點研究油箱表面低壓側側壁1/2、1/3、1/6測點處針對振動法檢測繞組變形時的優劣。構建振動測試平臺，制作35 kV變壓器正常繞組變壓器及模擬故障繞組變壓器，進行系列負載試驗獲取試驗數據。采用歐幾里得距離和100 Hz幅值變化率對模擬故障繞組與正常繞組振動信號進行量化分析，得到1/6、1/3、1/2測點處歐幾里得距離分別為0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值變化率分別為68%、23%、13%。表明1/6測點處對繞組變形的反應更靈敏，更有利于振動法在線檢測繞組變形故障。本文研究為振動法電力變壓器繞組變形在線檢測的測點選擇提供支持。

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Analysis of Transformer Winding Deformation Measure Points of Power Transformer Based on Vibration Method

LI Xuebin1，JIN Yongchuan2，ZHANG Bin1，MENG Qinglu3，ZHANG Yuanbo1

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2. State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Materials Branch Company，Shenyang，Liaoning 110006，China)

TM406

A

1004-7913(2017)07-0035-05

2017-04-24)

李學斌(1985)，男，碩士，高級工程師，主要從事高壓絕緣與試驗、電力設備智能化及故障診斷研究工作。