穩態條件下變壓器繞組軸向振動特性及其影響因素

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摘 要：為了對影響變壓器繞組振動特性的因素進行研究，本文構建了電力變壓器的有限元模型，結合Maxwell等相關軟件提供輔助， 對基于穩態條件下的變壓器繞組軸向振動特性進行仿真計算，之后將計算結果與實測數據互相對比進行驗證。通過實驗、現場振動普測等數據進行統計分析，得出變壓器繞組軸向振動特性的影響因素。

關鍵詞：穩態條件;變壓器;繞組軸向;振動特性;影響因素

我國電網行業近幾年來獲得迅猛發展，變壓器作為電網運行過程中的關鍵設備，只有保持運行穩定性才能促進電網運行更加可靠。通過對國內外相關數據資料進行研究之后發現電壓器經常出現重點事故部分為繞組線圈，因此需要對穩態條件下的變壓器繞組軸向振動特性與其影響因素進行研究，才能確保變壓器的運行穩定。

一、穩態條件下變壓器繞組軸向振動特性影響因素仿真計算

將變壓器振動理論作為基礎，運行工況會對變壓器的振動產生影響。基于運行工況相同的基礎上，其他非故障因素也會對繞組的振動特性產生影響。通過繞組質量-彈簧模型可以看出，內部的繞組絕緣墊塊產生的力學特性會對軸向振動產生重要影響。絕緣墊塊為紙板，無論是溫度、濕度、應力等因素都會對其力學特性產生影響。

（一）預緊力因素

1.絕緣塊力學特性受到的影響

將絕緣墊塊的楊氏模量進行改變，就可以產生變壓器的軸向預緊力，也會對繞組的振動造成影響。若變壓器處于某種預緊力下，可以利用理論計算得出絕緣墊塊的所受應力，從而獲得絕緣墊塊楊氏模量的結果[1]。通過相關公式的計算，可以獲得繞組預緊力與墊塊楊氏模量中存在的關系。將實驗中變壓器的一層墊塊為例，計算獲得楊氏模量與繞組預緊力之間的關系，可以看出，基于繞組預緊力范圍基礎上，繞組墊塊楊氏模量與預緊力之間存在正比關系。

2.繞組軸向振動特性受到的影響

通過對繞組模型進行分析，對不同預緊力條件下的高壓繞在振動特性進行仿真計算與分析。通過計算結果可以看出，若預緊力增高，就會減少變壓器繞組的振動幅值。因此可以看出，若變壓器的繞組出現松動情況，就會增加基頻的振動分量。

（二）溫度因素

1.絕緣塊力學特性受到的影響

本文的實驗與計算中，將絕緣墊塊浸泡在不同油溫情況下，之后對絕緣墊塊的楊氏模量進行應力應變實驗。之后對實驗得到的楊氏模量數據進行計算，通過計算結果可以看出，若油溫增加，絕緣墊塊的楊氏模量會減少。

2.繞組振動特性受到的影響

將不同溫度條件下的絕緣墊塊楊氏模量擬合值結合繞組模型進行計算，從而獲得基于不同溫度狀態下的低壓繞組振動特性結果。從計算結果中可以看出，繞組基頻振幅與變壓器的浸油溫度數據間為正比關系，同時，在相同繞組的不同位置線餅的振動情況下，斜率基本相同。

（三）老化程度因素

1.絕緣墊塊力學特性受到的影響

本文采用了加速熱老化的方式，對不同老化程度的絕緣紙板試樣進行了準備。溫度與熱作用時間會對絕緣紙板的熱老化程度產生主要影響，在對其熱老化等效絕緣壽命進行計算時，使用了蒙辛格熱老化規則，熱老化系數采用了我國油浸式變壓器的標準工作溫度數據。設置樣品的制備溫度為130 [2]，之后對制備樣品進行了計算。還測試了每一個樣品的楊氏模量。通過實驗與計算結果可以看出，絕緣紙板楊氏模量與運行年限之間呈反比關系。

2.繞組振動特性受到的影響

將不同運行年限條件下的繞組墊塊應力應變曲線值利用繞組模型進行計算，會得出不同溫度條件下的低壓繞組振動特性結果。從結果可以看出，運行年限的提升，會加快變壓器繞組振動由于絕緣墊塊造成的老化速度。與此同時，若樣品等效的運行年限超過20a，會使振動幅度大幅提升，若等效運行時間在20a范圍內，絕緣墊塊老化因素不會對其振動增幅產生較大影響。

二、實驗分析

（一）繞組的松動情況

為了對穩態條件下的變壓器繞組預緊力對繞組振動特性產生的影響，對變壓器進行了人工模擬故障操作，之后繪制了箱體部分的振動頻譜圖。通過頻譜圖可以看出，若繞組出現松動故障，振動的加速度分量會快速增加。與此同時，預緊力與繞組的基頻振幅呈反比狀態，同時負載電流的水平上升，也會增加振動的斜率。

（二）升溫實驗

為了對溫度對變壓器振動特性產生的影響進行研究，對實驗中的變壓器采用了升溫實驗，并獲得振動值。通過實驗可以看出，變壓器的繞組在不同部分產生的振動，隨著溫度增加，會呈現線性上升的狀態，增長的斜率較為相似。同時，溫度的不斷上升，會使振動的主頻率基頻分量不斷上升。

（三）運行時間對振動特性產生影響

在實驗現場對變壓器進行了振動特性實驗，其中包括含有運行年限信息的機器，之后將不同運行年限基礎上的變壓器振動基頻分量值進行了檢測與統計。將統計結果與已經運行42a的剛出長變壓器振動基頻幅值進行對比，可以看出，變壓器的運行時間增加，就會造成變壓器基頻振動幅值呈現出增加的規律狀態。造成這種變化規律出現的主要因素可能是變壓器的墊塊老化[3]，減少了墊塊的彈性模量，從而增高了繞組基頻振動幅值，與仿真計算實驗中的結果相同。

三、結語

本文將實際變壓器為基礎，構建了繞組振動特性有限元仿真模型，之后使用模型對繞組的預緊力、溫度等因素對振動特性產生的影響進行計算與分析，并得出結論：第一，絕緣墊塊是變壓器繞組振動模型中的彈性元件，其力學特性會受到多方面因素的影響，若預緊力增加，其楊氏模量就會提升。同時若溫度與老化時間增加，就會降低絕緣墊塊的楊氏模量。第二，通過仿真計算與研究，發現變壓器的繞組預緊力若下降，軸向的振動幅值就會上升。若繞組溫度上升，軸向振動也會上升。若繞組老化時間較長，就會增加軸向的振動幅值。第三，變壓器的箱體振動信號中，基頻分量值與油溫呈正比，以線性的方式增長，若相同繞組增長斜率相似，就會使振動頻譜中高次諧波分量持續上升，還會具備較強的隨機性。

因此相關企業、單位需要將變壓器繞組軸向振動特性與其影響因素作為基礎加強變壓器的檢測力度，避免變壓器出現故障，為電網的可靠、穩定運行提供保障。

參考文獻：

[1]李付貴. 油浸式變壓器振動特性分析及油溫變化對振動的影響研究[D].東南大學，2017.

[2]閆志強，雷霞，何建平，李琪菡. 油浸式變壓器繞組振動影響因素研究[J]. 電力科學與工程，2017，33（06）：72-78.

[3]王萬超. 多次短路下變壓器繞組短路強度與穩定性研究[D].沈陽工業大學，2017.