500kV變壓器表面震動信號測量研究

深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦 王凱悅

1 引言

不同變壓器表面震動信號呈個性化分布，即不同的變壓器表面震動信號存在差異性[1-2]。雖然從原理上講變壓器的主要震動源即鐵心和繞組的震動都有特定頻率，但受自身結構和運行環(huán)境等因素的影響，變壓器表面震動信號的分布規(guī)律并不相同，若要借助震動分析法對變壓器進行狀態(tài)評價和故障診斷，需對每臺變壓器表面震動信號特征進行統(tǒng)計和分析[3-5]。對運行中的變壓器不同工況下、表面不同測點處的震動信號進行統(tǒng)計分析，有助于利用震動分析法評價變壓器的運行狀態(tài)和診斷部分內(nèi)部故障[6-7]。為此，文中針對兩種結構的500kV自耦變壓器表面不同測點的震動信號進行測量，所測變壓器均經(jīng)過停電試驗驗證不存在內(nèi)部故障，利用震動分析法對所測變壓器進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。

2 變壓器表面測振點的選擇

2.1 三相一體自耦強迫油循環(huán)風冷變壓器測振點布置

對比常見的500kV自耦變壓器，該變壓器體積較為龐大，三相一體化布局使其內(nèi)部結構相比單相變壓器復雜。在其箱體較寬的一個側面靠近箱體底部與內(nèi)部繞組所對應的箱體表面位置均勻布置3 個測振點；另一個較寬的側面由于設置有油泵和冷卻風扇，為排除冷卻系統(tǒng)電機震動的干擾，未設置測振點；兩個較窄的側面直接對應的是變壓器內(nèi)部的鐵心，側面2 由于布置有爬梯等較多的附件，為減少附件機構對信號傳輸過程的影響，此處選擇側面1設置一組傳感器。

結合該變壓器三相五柱式鐵心結構，此處為較寬側面既有繞組震動又有鐵心震動；較窄的側面所測量到的表面震動信號以鐵心震動為主，但不能排除繞組震動傳導至表面的震動。由于該變壓器結構較為緊湊，表面布置有大量的機械強化部件導致表面的結構復雜，所測的信號無法徹底排除箱體表面機械結構對震動信號傳遞特性的影響。

2.2 單相三繞組自耦自然油循環(huán)風冷變壓器測振點布置

文中選取的500kV單相自耦變壓器結構，四個側面中有兩個側面布置有冷卻器，另外兩個側面分別是高壓套管和中低壓及中性點套管。其軸心為一個主心柱加兩個旁柱的單相三柱式結構，繞組套在主心柱上，從內(nèi)到外依次為低壓繞組、調(diào)壓繞組、公共繞組和串聯(lián)繞組。

單相變壓器測振點總體分布如圖1所示。

圖1 單相變壓器測振點分布

3 變壓器表面震動信號的測量

3.1 同一負荷不同測振點的震動信號

三相一體變壓器測點震動信號如圖2所示。

圖2 三相一體變壓器測點震動信號

由圖2可知，三相一體變壓器測振點4信號中含有大量50Hz、100Hz 的倍頻成分，100Hz 成分含量很小，表現(xiàn)出典型的鐵心震動特性，而測振點1、2、3信號中含有一定量的100Hz成分，應該是既有鐵心震動的特性又有繞組震動的特性。

單相變壓器測點震動信號如圖3所示。

圖3 單相變壓器測點震動信號

由圖3可知，單相變壓器4 個測振點中均含有50Hz 或其倍頻成分以及100Hz 及其倍頻，符合鐵心震動的頻率分布，說明4 個測振點信號中均含有鐵心震動成分。由于繞組震動主要以100、200、300Hz為主，對比測點1和測點3震動信號頻譜圖，可以得出測點1和測點3中鐵心震動比較明顯，與變壓器內(nèi)部結構相對應；根據(jù)該變壓器內(nèi)部結構，測點2和測點4應該既有鐵心震動又有繞組震動，根據(jù)測量結果也可以發(fā)現(xiàn)這兩個測點震動頻率中既有鐵心震動成分又有繞組震動成分，且由于鐵心震動和繞組震動的頻率有重疊部分，所以難以直接判斷測點2和測點4中具體是以鐵心震動為主還是以繞組震動為主。

3.2 同一測振點不同負荷的震動信號

單相變壓器表面信號中，測振點1 在負荷增大時表面震動信號的100Hz成分有明顯增大，200Hz成分明顯縮小，400Hz 成分也增大；測振點2 信號在負荷增大時，100Hz、200Hz、300Hz、400Hz成分增加，500Hz 減小。隨著負荷的變化，繞組震動中的100Hz、200Hz、300Hz 頻率成分將會有明顯變化，鐵心震動的頻率成分與電源頻率及電壓有關，不應有明顯變化。但是從兩臺變壓器不同負荷時表面信號的變化來看，隨著負荷的變化變壓器表面信號的頻率成分發(fā)生顯著差異變化，但是表面信號的變化趨勢與理論計算公式并不吻合。

3.3 主變表面震動信號的盲源分離

利用自適應相關函數(shù)對仿真信號和實際測量到的變壓器震動信號進行降噪，仿真信號的自相關降噪結果如圖4所示。

圖4 仿真信號的自相關降噪結果

盲源分離算法可以分別將鐵心震動和繞組震動信號分離[8]。為此本文選擇單相變壓器表面震動信號作為盲源分離的源信號，同時采集測振點1 和測振點2 的表面震動信號。由于實際測量中的信號中不可避免會有一定的噪聲干擾，且多數(shù)盲源分離算法在含噪聲的條件下效果并不理想，因此本文先對測量的震動信號進行降噪，在設備狀態(tài)檢測中應用廣泛。自相關處理可以將周期性信息進行有效保存，將非周期的噪聲信號有效去除，降噪后原始信號的周期性和差異性等信息得以保存。

利用一個周期為0.1s，幅值為1 的正弦信號模擬震動信號，疊加噪聲后進行自相關降噪，降噪后信號在一定時延范圍內(nèi)周期性與原信號一致。同時測量單相變壓器測點1和2的表面震動信號，經(jīng)時延自相關降噪后的時域震動信號，測點1和測點2測量到的時域信號如圖5所示。

圖5 測點1和測點2測量到的時域信號

利用自適應盲源對測量到的震動信號進行處理，時域盲源分離信號如圖6所示。

圖6 時域盲源分離信號

從盲源分離信號的頻譜可以看出，分離信號1頻率成分主要為100Hz、350Hz、450Hz，以及少量的200Hz、300Hz、400Hz，較為符合鐵心震動的特征；分離信號2 頻率成分主要為100Hz、200Hz、300Hz、400Hz，以及少量的500Hz、600Hz成分，更加符合繞組震動的特征。

在被測主變停電檢修期間，對其空載運行時的震動信息進行測量，在主變220kV 斷路器合閘后，且35kV、500kV 均未合閘時，此時震動信號以鐵心震動為主。主變空載時1號測振點震動信號如圖7所示，其與正常運行時盲源分離得到的鐵心震動信號存在一定差別，這個現(xiàn)象可能由于空載合閘時的鐵心的非線性所導致，若要得到更加精確的額定電壓下空載震動信號，需要在額定電壓下長時間充電運行，主變正常停送電倒閘操作時不符合長時間充電運行的條件。

圖7 主變空載時1號測振點震動信號

4 結語

結合變壓器的結構，對實際運行中兩種結構的500kV 自耦變壓器表面不同測振點的震動信號進行測量，并利用自適應盲源對變壓器表面震動信號進行處理，得到兩路源信號。在某被測變壓器停送電時，測量約等于鐵心震動信號的短時空載震動信號，其與該變壓器盲源分離的某路源信號較為接近，間接驗證該盲源分離算法的有效性。由于無法直接測量實際運行中變壓器繞組的震動信號，所以盲源分離結果中另外一路信號與繞組震動信號的符合程度無法精確驗證，需要借助更加先進的測量手段。