基于繞組振動監測的變壓器運行狀態研究

裴琦瑋

（晉能控股煤業集團大斗溝有限公司，山西 大同 037003）

引言

繞組中的負載電流在變壓器鐵芯和繞組之間形成磁流間隙，繞組中的導體受到漏磁場中電磁力的影響，會導致變壓器產生強迫振動。而繞組的振動一般是由變壓器的油箱表面振動反映出來的，變壓器在額定工況下工作時，內部電磁力并不會對繞組產生振動影響，但當變壓器發生短路事故或閃變脈沖時，線圈中的電流會立即增加幾十倍，使漏磁場的磁感應強度增大，對繞組施加的電磁力會變得很大，甚至會使繞組發生轉動、變形和絕緣破壞，從而導致變壓器損壞引發電路事故。因此通過監測變壓器油箱表面的振動，識別振動特征，來判定變壓器的運行狀態，能夠有效識別變壓器的不良狀態，及早發現電路事故隱患。

1 變壓器繞組振動源分析

當變壓器負載過大或處于短路故障時，繞組電流瞬時增大。由于繞組處于漏磁場中，電流和電磁產生的電磁力直接作用于變壓器繞組上，電磁力的強弱受到電磁場強度和電流強度的共同影響，通常默認將電壓器的漏磁場方向分解為橫向（By）和軸向（Bx）兩個方向，按照電磁力的方向判定規格可知，橫向漏磁場產生的電磁力方向為軸向（Fy），軸向漏磁場電磁力則為橫向（Fx），漏磁場與電磁力的關系如圖1所示。

圖1 變壓器繞組漏磁場與電磁力關系示意圖

變壓器負載過大或突然產生短路故障時，產生的橫向和軸向的電磁力是導致繞組振動，變壓器故障的主要原因。對于雙繞組變壓器而言，內繞組和外繞組的電磁力方向在同一時刻的方向是相反的，如果產生橫向電磁力，當電磁力大小超過繞組的機械強度，則發生繞組機械變形，可能會造成繞組絕緣層破壞甚至是線圈斷裂；如果產生軸向電磁力，則可能發生繞組、夾件或壓板的機械變形，甚至使上鐵芯頂起，對整個變壓器鐵芯結構產生破壞，導致變壓器功能受損[1-3]。

變壓器繞組和鐵芯的振動是由內部漏磁場產生的電磁力引起的，振動會通過變壓器的結構傳送到油箱表面，監測變壓器油箱表面的振動，分析振動特征可以推斷出繞組或鐵芯的運行狀態。變壓器繞組發生振動時，通過變壓器油箱的傳遞，引起變壓器表面振動，而鐵芯振動除了以上振動傳遞方式外，還可以通過鐵芯與變壓器表面中間的連接構件完成振動傳遞，具體振動傳遞示意見圖2。

圖2 變壓器振動的傳遞路徑示意圖

2 變壓器振動監測系統設計

通過對變壓器繞組和鐵芯的振動產生機理以及振動傳遞路徑分析，振動通過變壓器表面振動反饋出來，基于此變壓器振動監測系統的原理為通過傳感器采集變壓器表面振動信息數據，通過分析振動特征來判定變壓器內部繞組或鐵芯的運行狀態。系統的結構組成為振動信息采集模塊、信息數據處理與計算模塊、監測結構顯示與反饋模塊。數據處理與計算模塊通過接收振動信息采集模塊數據，經過振動特征計算，將處理結果通過數據傳輸系統傳輸到顯示與反饋模塊，即上位機，用戶通過上位機顯示可以識別出變壓器運行狀態。

振動信息采集模塊的核心構建為振動傳感器，振動傳感器有加速度型、電容式、速度型等多種，每種類型傳感器的振動監測范圍和干擾頻率不同。變壓器表面的振動是內部繞組和鐵芯振動的疊加振動，經檢測可知，頻率單位在10～2 500 Hz之間，適合使用LC0144S型加速度振動傳感器，且該類型傳感器體積小，在該頻率下的抗干擾能力優秀。傳感器的性能參數見表1。

表1 LC0144S型加速度振動傳感器性能參數

LC0144S型加速度振動傳感器內部設計有微型IC放大器，是一種集振動監測傳感器與電荷放大器于一體的功能型傳感器，可以直接與調理電路連接，在保證功能與精度的同時，極大地降低系統的組成結構，其余外部信號調理電路的連接方式見圖3。

信號調理電路主要實現傳感器信號的過濾與放大，單一監測功能的振動加速度傳感器采集的數據無法與數據卡直接通信，信號中包含噪聲和直流量等原始信號，會對信號處理單元造成干擾，集成信號調理電路的振動加速度傳感器可以通過低通濾波器和抗混疊濾波器過濾掉振動本身信號以外的噪聲、直流量等干擾信號，同時還能將傳感器監測到的信號放大，達到數據采集卡的采樣區間[4-6]。

3 運行效果

圖3 LC0144S型加速度振動傳感器結構與信號調理電路連接示意圖

將設計的振動監測系統安裝在S11-M-500/35型電力變壓器上，進行短路振動故障試驗，60%規定短路電流下對變壓器A相進行試驗，加速度振動傳感器均布在變壓器外表面，振動信號時域和頻域圖見圖4。

圖4 60%規定短路電流下變壓器A相短路振動信號時域圖和頻域圖

從振動信號時域波形可以看出，發生短路時，變壓器的振動振幅較大，明顯區別于變壓器正常運行狀態。振動可以分為兩個階段，第一階段為電磁力發生導致的鐵芯或繞組被迫運動，第二階段為慣性振動。短路振動發生時，振動振幅會瞬時增大，然后保持一定時間后，被迫振動結束，進入振幅逐漸減小的慣性振動階段。通過振動頻域圖看出，發生短路時，振動傳遞到油箱表面時，最大振動頻率約100 Hz。由電磁力計算公式可知，電磁力的大小與作用在繞組上的電流平方成正比，說明電流強度超過一定安全值后，會對變壓器結構造成很大影響。通過短路試驗結果與理論計算對比，該變壓器振動監測系統來判定繞組和鐵芯的運行狀態有效可行。

4 結論

本文針對電力變壓器繞組和鐵芯的振動源以及振動發生機理，分析了振動的傳遞路徑，設計變壓器振動監測系統，采用S11-M-500/35型電力變壓器為實驗對象，驗證振動監測系統的運行效果。通過本文研究形成以下結論。

1）變壓器振動監測系統結構組成為：振動信息采集模塊、信息數據處理與計算模塊、監測結構顯示與反饋模塊。振動信息采集模塊的核心構建為振動傳感器，本系統采用集振動監測傳感器與電荷放大器于一體的LC0144S型加速度振動傳感器；

2）將振動監測系統應用在S11-M-500/35型電力變壓器上，進行60%規定短路電流短路振動故障試驗，系統顯示短路振動分為被迫運動和慣性運動兩個階段，最大振動頻率約100 Hz，系統監測結果與理論計算結果相近，系統可靠有效。