變壓器繞組掃頻激振試驗研究

我國關于變壓器狀態檢測中應用的振動分析法的相關研究晚于國外，目前進行的研究停留在實驗與理論仿真層面[1]。中國電力科學研究院學者王洪方在這方面的研究中較有代表性，其主持研究并建立了軸向振動數學模型，此模型主要依托軸向非線性振動特性的相關原理得以實現，其研究的內容主要對變壓器中的絕緣墊塊進行相關特性的分析，此外還對軸向振動特性與預緊力進行分析[2]。

西安交通大學學者李彥明、汲勝昌的研究范疇是針對變壓器的負載電流與電壓、油箱表面振動特性的相關研究，在變壓器箱壁的振動研究中，數據主要依靠小波包分析法獲得，進而得出結論油箱表面的振動情況可以檢測變壓器故障。上海交通大學機械與電氣工程學科的研究團隊主要研究的內容是變壓器的繞組狀態，應用到的分析方法是振動分析法，研究的過程以及實踐建立在大量的理論與模型基礎上，以及實踐現場應用經驗，并擁有較為全面的數據，結果更具指導意義。本文的研究是建立在掃頻激振試驗系統上，分別針對典型故障與正常工作情況的下變壓器繞組振動開展細致深入研究。

1 振動頻響法

經過有限元動力學以及變壓器的繞組模態實驗的結果表明，繞組的基本形態發生了變化，頻率的固有位置發生了偏移，和繞組的機械頻率響應函數將顯著變化。為了實現繞組狀態的診斷，對于頻率響應函數的變化要做到精準測量。在進行變壓器繞組形變的模態實驗中，外設的激振器產生激振強度即激振力，信號的采集依托于振動傳感器，其布置于繞組之上，得到機械頻響函數，此實驗所需設備數量多，操作過程較為繁瑣，針對大型的變壓器現場實驗來說較為困難，除了實驗困難之外，在現場實驗中器械的絕緣位置直接與空氣接觸，對于器械造成損害[3]。

變壓器繞組軸向多自由度結構體系強迫振動方程表達式：[M][X]+[C][X]+[K][X]=[f(t)]，式中[M]是繞組質量矩陣；[K]是繞組剛度矩陣；[C]是繞組阻尼矩陣；[f(t)]是繞組激勵力向量；[X]是繞組位移。應用傅氏變換對表達式整理變換，獲得關于振動加速度的頻響函數表達式：

振動頻率響應分析（VFRA）定義了繞組性質和加速度的頻率響應函數Ha（jω），換成理論依據可以理解為，繞組質量、阻尼和剛度的變化會引起加速度的頻率響應函數Ha（jω）也會隨之改變。

VFRA 法主要依靠加速度傳感器進行振動信號采集，加速度傳感器布置在運行變壓器上，振動信號[X(jω)]的傳遞路徑主要包含鐵芯結構與絕緣油兩種，然后計算出繞組加速頻響函數[Ha(jω)]。由于不同的信號傳輸路徑，所述[X（jω）]頻率響應函數在包裝盒壁上的不同的測量點測得的卷繞加速度的[HA（jω）]也不同。因此當VFRA 方法被用于檢測變壓器繞組變形時，所對應的頻率響應函數需在相同測量點不同的時間段縱向比較后方可對變壓器繞組的狀態進行判斷，確認其是否已經發生狀態改變[4]。

2.振動頻響測試系統

據圖1所示，在變壓器箱壁上根據標準布置振動傳感器對激振響應信號進行檢測；在繞組中的注入電流的檢驗依靠電流傳感器完成，設備內部設置有反饋控制裝置，這一裝置可以有效的控制電流的穩定并實現掃頻輸出[5]；電流、振動加速度兩個傳感器輸出的信號由采集模塊進行收集，信號收集后進行濾波與放大，兩項行為分別源自對振蕩與電流信號的操作。參數設置的位置在信號分析顯示終端，采集模塊進行信號的接收操作，在進行信號發送的同時進行信號的存儲，對振動信號進行分析；掃頻范圍和終端電流大小是信號控制模塊設定的依據，采集信號后對其進行對比，通過對比分析數據獲得激振電源控制信號，進而以恒定的形式輸出激振電源；輸出電流的大小和頻率建立在恒流掃頻激振電源的控制模塊輸出上。

圖1 變壓器繞組振動頻響測試系統示意圖

3.繞組掃頻激振試驗

3.1 試驗對象及測試內容描述

高壓變壓器繞組的編號SZ11-63000/110，出廠變準額定電壓數值110kV，以YNd11的方式進行聯接。

測試方案步驟：對變壓器的低壓繞組進行短接測試；在進行測試的變壓器高壓一側接入激勵信號，45～310Hz為激勵信號的掃頻范圍，進而獲得逐一相對的振動頻響曲線（掃頻試驗）；重復操作掃頻試驗，前提是需要在器械靜置3天后方可，此試驗可多次重復操作進行；通過典型故障情況對變壓器吊芯；當上述所有操作全部完成之后，再次重復掃頻試驗。

設定的變壓器繞組故障相關描述。模擬變壓器4個不同狀態下松弛故障：進行吊芯操作之前并未發現故障；在進行三次吊芯操作時以80%NF為壓釘預緊力的松動標準；在進行三次吊芯操作時以50%NF為壓釘預緊力的松動標準；在進行三次吊芯操作時將壓釘全部松開。關于變壓器4個不同狀態下形變相關問題的模擬：進行吊芯操作之前并未發現故障；當進行第一次吊芯操作時出現墊塊掉落的情況；在進行二次吊芯操作時對其軸向位置進行敲擊并使其變形；在進行三次吊芯操作時將位于端部的墊塊抽出、并對其軸向位置進行敲擊使其變形。不同工作環境情況的繞組特性應用頻率響應法獲得，進行測試實驗的數據整理記錄工作。

圖2 變壓器箱壁振動測點示意圖

圖3 變壓器繞組振動頻響測試系統示意圖

3.2 測試結果

在各測量點下如圖4、5中所示的變壓器繞組在正常和典型故障下的頻率響應曲線。可以看出，與變壓器的正常工況相比，對應每個測量點在松動或變形故障下的頻率響應曲線都有一定的變化。當繞組松動即當預張緊力減小時，頻率響應曲線的共振峰值會偏向低頻率一側，相反當振動幅度增加且墊塊發生掉落時，頻率響應曲線的幅值會下降且峰值點會隨之產生變化。輻向形變時頻響曲線幅值則會增加，峰值點進行偏移。

圖4 繞組正常與松動時的頻響曲線

圖5 繞組正常與形變時的頻響曲線

4 繞組掃頻曲線特性分析

驗證繞組的兩個“不變”試驗，分別指繞組狀態與掃頻曲線。重點針對變壓器的A相繞組進行重復的操作試驗。依據上文提出的步驟方法操作獲得關于A相繞組相對的頻響曲線。第二次試驗操作的要在變壓器靜置3天后方可。觀察分析圖6可知，變壓器測試結果中發現繞組的機械狀態保持不變時，另一個基本保不變的數據是同一測點的振動頻響曲線，并且VFRA 曲線在實驗結果中擁有高度的重復特性，相同點體現在共振峰值處的頻率點，以及頻率點的振幅數值。

圖6 變壓器繞組正常工況下的兩次掃頻試驗結果

圖7 變壓器繞組正常與典型故障工作環境下的頻響曲線

表1 頻響曲線相關系數

通過圖7觀察到，在低頻段范圍內振幅-頻率響應曲線之間同步性大，變化僅僅出現在高頻段。應用到實踐中時必須要考慮電力行業的相關計算標準，從而計算的低頻數據更符合實際，中、高頻段的曲線系數見表1，表中高、中、低頻段對應的數據分別是600kHz～1000kHz、100kHz～600kHz、1Hz～100kHz。從表中可知，依照FRA的結論，測試變壓器的形變程度為輕度變形；變壓器的松動故障在測試結果的判定中為正常情況。可見針對故障檢測問題上，FRA 曲線具有極好的成效，但是存在一定局限性，即針對極小的松動故障識別效果不好。

5.結語

通過進行正常與故障情況下的變壓器振動頻率響應測試情況的試驗結果，得出分析結果：可重復性是繞組振動頻率掃描試驗的明顯特性優點，在變壓器中繞組的狀態改變與其振動的頻率響應曲線之間擁有很大的關聯性；實踐中，一個典型的故障如松動或變形發生在變壓器繞組中，振動的頻率響應曲線也顯著變化，這表現為頻率偏移以及峰值頻率響應的變化，變化的程度依照繞組故障的程度而變化。