振動的電力變壓器繞組變形故障診斷新方法

鄧慶民 李靜

摘要：電力變壓器在電力系統運行的過程中起著非常大的作用，電力變壓器可以對電壓進行調節和控制，從而保證整個電力系統運行的穩定性和安全性。在電力變壓器中，振動是引起電力變壓器產生故障的原因之一，同時也是識別變壓器繞組變形故障的重要特征。因此在對電力變壓器進行繞組變形故障診斷的時候一定要對電力變壓器的振動狀態進行檢測，從而分析出電力變壓器的繞組變形故障。

關鍵詞：電力變壓器；繞組變形故障；診斷方法

一、變壓器振動信號分析

電力變壓器振動的主要來自于鐵芯和繞組的振動，當電力變壓器在正常運行的過程中，硅鋼片的磁致伸縮引起了鐵芯的振動，當電流通過繞組的時候，電流會在繞組中間、線餅之間以及線匝之間產生電動力，從而引起繞組的振動。因為作用在導體上的電動力和電流以及磁場強度的乘積和漏磁通與電流形成正比，所以變壓器繞組導體所承受的電動力以及繞組振動的加速度正比與負載電流的平方，進而可以推算出振動信號的基頻是負載電流基頻的2倍，即是100HZ。變壓器在運行中會產生很多的故障，這些故障的共同點就是振動信號的基頻增加，而且哪怕變壓器內部沒有存在故障，那么100HZ分量也會比較大，而且會隨著負載電流的變化會很明顯。所以說在利用振動信號來判斷變壓器是否出現故障時，僅僅是依靠振動信號100HZ分量的增加是無法正確判斷出變壓器是否有故障的，也無法判斷出變壓器的故障屬于哪一類的故障。所以如果想要快速、準確的識別出變壓器的繞組辨變形故障，還應該結合其他的特征來進行判斷。

在變壓器的磁感應中，磁感應強度B和磁場強度H之間存在有非線性的關系，所以如果當變壓器繞組發生變形之后，變壓器振動中就會產生50HZ和150HZ等分數次諧波。通過多次研究發現，振動信號分量為50HZ和150HZ的都可以作為區別變壓器變形故障與其他故障的有利依據。除此之外，在變壓器電流和磁通之間還存在有非線性，而且磁通中還存在有高次諧波的成分。當變壓器出現不同故障的時候，變壓器振動的不同頻率的成分變化也有所不同，結合這些頻率的不同變化就可以對變壓器的故障做進一步的判斷。

二、電力變壓器一般振動的診斷方法

在對電力變壓器的故障位置進行初步診斷的時候，工作人員一般都是通過延時效應來進行定位，通過相位差來定位等。在對變壓器的振動故障進行監測的過程中，首先需要在電力變壓器中選擇一個合適的監測點，在下面圖1中我們可以看到在變壓器上有6個可以選擇的監測點，但是這6個監測點并不是每一個都能有效的監測出變壓器的故障，在這六個監測點之中，除了第5點之外，其余的1.2.3.4.6點都不能同時對變壓器的高壓側和低壓側的振動進行檢測，所以這五個檢測點都不是最合適的監測點。所以只有第5點是合適的，只有變壓器正面中間的第五點可以在最短的路徑中獲得變壓器高壓側以及低壓側的振動信息。這是在要求選擇一個監測點的前提下，最好是選擇第5點，但是如果要對變壓器的各個方面進行監測，收集振動數據，那么其他5個監測點也可以使用。

三、電力變壓器繞組變形故障診斷模型和方法

（一）診斷模型

在電力變壓器的運行過程中，當電力變壓器的繞組發生故障的時候，電力變壓器油箱的表面的振動情況也會有所不同，其表現出來的振動信號也會發生很大的變化，不同頻率段的振動信號會表現出不同程度的衰減或者是增強的現象。因此工作人員需要對振動不同頻率段中的信號進行分析，從而獲得電力變壓器的故障信息。

電力變壓器故障征兆和故障原因之間存在很大的關系，所以在單一頻率變化的基礎上來對變壓器的故障進行診斷，那么很容易會使故障診斷出現誤差，不能滿足故障診斷的要求。在電力變壓器利用振動進行故障檢測的過程中，與正常的振動信號相比，故障產生的振動信號在同一頻率內信號產生的能量會有很大的差別，在這些頻帶中有的信號能量會減小，但是有的信號能量會增大。通過大量的實驗研究，并且結合電力變壓器出現繞組并行故障后各振動頻帶出現變化的規律，我們可以建立以下3個診斷特征構成的繞組變形故障診斷模型。以下公式為公式（1）

在這三個公式中，ET50ET100ET150ET200這四個分別是變壓器油箱頂面的振動信號50、100、150、200HZ分量的能量值。EF100是變壓器油箱正面中間部分振動信號100HZ分量的能量值，其中公式中的C1C2C3分別是特征1.2.3的特征值。以下公式為公式（2）

要想從監測的變壓器油箱表面振動信號來確定繞組的狀況，首先需要根據以上公式確定在正常與故障狀態下特征向量T的特征值。

當電力變壓器的高、低壓繞組中有一個出現變形后，那么原來頻率幅度值就會出現很大的變化。在變壓器變形故障中，變壓器表面的振動情況和變壓器的繞組的壓緊情況以及變壓器的位移和變形情況息息相關，變壓器振動頻率變化將引起作為標準特征向量的正常狀態變壓器振動特征向量的變化。如果變壓器發生故障，就會導致當前特征向量TX與標準特征向量TN進行比較，就可以很快的判斷出變壓器的變形故障。

（二）診斷方法

在上文中我們建立了變壓器故障診斷模型，下面就來研究一下故障診斷的具體方法。

步驟1：分別在變壓器正常運行狀態下和未知狀態下，對油箱頂部和正面中部的6個監測點的振動信號進行采集。

步驟2：當獲取到變壓器正面中部振動信號基頻分量的能量，如果變壓器在未知狀態下的故障特征有很明顯的增加，那么就說明在變壓器的內部是存在有故障的。

步驟3：在上面兩個步驟完成之后，再利用公式（1）和公式（2）分別計算出繞組正常狀態下和未知狀態下的特征向量TX和TN。

步驟4：計算監測點1.2.3位置的 ，如果在這其中 都是正值，那么就可以直接判斷出變壓器內部存在有繞組變形的故障。

步驟5：在變壓器的6個監測點中選擇出變壓器繞組軸向振動的監測點，也就是變壓器油箱頂部三相繞組想對應的監測點即監測點1.2.3，如果從這三個監測點所獲得的振動信號中，其中有一個監測點的振動信號滿足下列方程組： 此公式為公式（3）。在公式（3）中 分被是變壓器監測位置1.2.3處 和 的值。通過以上公式就可以初步認定監測點n的位置就是變壓器發生故障的位置。

綜上所述，本文主要介紹了通過變壓器的振動頻率來對變壓器進行繞組變形故障診斷的方法。首先本文對電力變壓器的診斷信號進行分析，然后再對電力變壓器的一般故障診斷方法進行簡單敘述。從而讓我們更好的判斷出變壓器的繞組變形故障，為電力變壓器的正常運行提供有利的保障。

參考文獻：

[1]馬宏忠，耿志慧，陳楷，王春寧，李凱，李勇.基于振動的電力變壓器繞組變形故障診斷新方法[J].電力系統自動化，2013，37（08）：89-95.

[2]張彬，徐建源，陳江波，李輝，林莘，臧狀.基于電力變壓器振動信息的繞組形變診斷方法[J].高電壓技術，2015，41（07）：2341-2349.