極寒地區(qū)220 kV變壓器振動(dòng)測(cè)試與分析

王鳳良，府冬明，許志銘，張 楚，金軼風(fēng)

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030;2．廣東省電力科學(xué)研究院，廣州510080)

大型變壓器設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證電網(wǎng)的安全具有重要意義。國家電網(wǎng)公司對(duì)110 kV以上電壓等級(jí)電力變壓器的事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行時(shí)間小于15 a就發(fā)生損壞事故的電力變壓器臺(tái)次占發(fā)生損壞事故的電力變壓器統(tǒng)計(jì)總臺(tái)次的78.8%，繞組損壞和鐵心問題則分別占37.5%和21.7%［1］。由于這些設(shè)備在交接試驗(yàn)和運(yùn)行中的振動(dòng)特性并沒有統(tǒng)一的考核標(biāo)準(zhǔn)，中國目前對(duì)大型變壓器的振動(dòng)測(cè)試開展的工作不多，通過振動(dòng)對(duì)其進(jìn)行輔助故障診斷方面的工作則更少［2］。因此，為了積極開展變壓器繞組及鐵心狀況的診斷工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障隱患的變壓器，本文分析了變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)和低壓側(cè)三相繞組中部器身振動(dòng)隨繞組電流與當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓闆r，提出了變壓器器身振動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方案，并對(duì)變壓器器身振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行了分析，以利于延長設(shè)備使用壽命，預(yù)防變壓器突變事故的發(fā)生。

1 試驗(yàn)220 kV變壓器的主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)的大型變壓器設(shè)備選擇在大興安嶺電業(yè)局220 kV漠河一次變電站，試驗(yàn)設(shè)備為該變電站的220 kV變壓器，生產(chǎn)廠家為特變電工沈陽變壓器有限公司，于2010年8月25日開始投產(chǎn)。大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV主變?yōu)槿?、風(fēng)冷、三繞組、有載調(diào)壓變壓器，主要參數(shù)如表1、表2和表3所示。主變220 kV側(cè)調(diào)壓范圍為±8×1.25%，共17級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)分接頭在9級(jí)。正常運(yùn)行方式下220 kV、66 kV母線電壓允許變動(dòng)范圍為系統(tǒng)額定電壓的－3% ～7%，10 kV母線電壓允許變動(dòng)范圍為系統(tǒng)額定電壓為0%～7%。

表1 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV主變技術(shù)參數(shù)

表2 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變220 kV側(cè)高壓套管技術(shù)參數(shù)

表3 大興安嶺電業(yè)局漠河一次變66 kV側(cè)高壓套管技術(shù)參數(shù)

2 變壓器器身振動(dòng)的機(jī)理

電力變壓器器身振動(dòng)是由電力變壓器本體(即鐵心、繞組及冷卻裝置)的振動(dòng)所引起的。本體的振動(dòng)主要來源于以下幾個(gè)方面［3］:

1)硅鋼片的磁致伸縮所引起的鐵心周期性振動(dòng)。

2)硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力所引起的鐵心振動(dòng)。

3)繞組中負(fù)載電流產(chǎn)生的繞組匝間電動(dòng)力所引起的振動(dòng)，漏磁所引起的油箱壁振動(dòng)。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，主要的振動(dòng)來源來自磁致伸縮和繞組匝間電動(dòng)力引起的振動(dòng)。

電力變壓器本體振動(dòng)通過鐵心墊腳和絕緣油傳遞給油箱壁，使油箱壁產(chǎn)生振動(dòng)，以聲波的形式均勻地向四周輻射。冷卻裝置自身產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲是通過接頭等裝置將振動(dòng)傳遞給油箱壁。由于電力變壓器鐵心及繞組本身的在線監(jiān)測(cè)不能實(shí)現(xiàn)，而電力變壓器器身表面的振動(dòng)又與電力變壓器繞組、鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態(tài)密切相關(guān)，因此可以通過測(cè)量電力變壓器的振動(dòng)來反映繞組和鐵心的振動(dòng)情況。

因?yàn)榇胖律炜s的變化周期是工頻電源周期的1/2，所以磁致伸縮引起的電力變壓器本體的振動(dòng)與噪聲以2倍電源頻率為基頻(即頻率為100 Hz左右)。然而，鐵心的磁滯損耗、渦流損耗、沿鐵心內(nèi)框和外框的磁路長度不同，同時(shí)硅鋼片磁致伸縮率與磁感應(yīng)強(qiáng)度具有非線性關(guān)系，導(dǎo)致磁通出現(xiàn)較為明顯的畸變(即明顯地偏離了正弦形狀)，出現(xiàn)了高次諧波的磁通分量。另外，繞組內(nèi)電流的畸變也將導(dǎo)致匝間振動(dòng)力出現(xiàn)高頻分量，但電流的畸變程度比磁通的畸變程度低，故繞組引起的附加振動(dòng)比磁致伸縮在頻率上要低一些。

電力變壓器鐵心振動(dòng)與噪聲的頻率范圍通常在100～1 000 Hz，不同容量的電力變壓器，整體結(jié)構(gòu)不同，其箱體的振動(dòng)與噪聲頻譜也不相同。而根據(jù)文獻(xiàn)［4］的統(tǒng)計(jì)，不同型號(hào)的變壓器其油箱表面振動(dòng)的頻譜信號(hào)及各頻譜對(duì)應(yīng)的幅值差異明顯，可初步判斷不同型號(hào)的變壓器的振動(dòng)信號(hào)沒有可比性;對(duì)于相同型號(hào)的變壓器，在同一位置處振動(dòng)信號(hào)的頻譜分布特征與對(duì)應(yīng)幅值相差不大。因此，在缺乏歷史數(shù)據(jù)的情況下，可對(duì)同型號(hào)的電力變壓器的振動(dòng)信號(hào)按負(fù)載電流的平方歸一化處理后進(jìn)行比較分析，從而判斷各自的繞組及鐵心的壓緊情況。電力變壓器運(yùn)行工況沒有變化時(shí)，振動(dòng)幅值的當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相比相差在10% ～20%，則認(rèn)為電力變壓器可能存在故障隱患，需密切注意其運(yùn)行;若這一變化比率大于20%，則認(rèn)為可能發(fā)生了嚴(yán)重故障，建議停運(yùn)檢修［5］。

3 變壓器器身振動(dòng)的測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方案

本文涉及的變壓器器身振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)采集部分與后臺(tái)處理部分組成。通過振動(dòng)傳感器采集變壓器器身的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過采集儀對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后形成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析。由于加速度傳感器體積小、重量輕、穩(wěn)定性高，工作頻率范圍寬，適用于在強(qiáng)磁場工作環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，所以本文在對(duì)器身的振動(dòng)測(cè)量中選用了加速度傳感器。為了盡量保證振動(dòng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，保證傳感器的“浮地”連接，采用特殊絕緣材料將傳感器粘結(jié)在變壓器器身上進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集;為了保證傳輸導(dǎo)線的有效屏蔽，在導(dǎo)線接頭處用絕緣膠帶進(jìn)行纏繞，使傳輸導(dǎo)線“浮地”。

220 kV變壓器器身振動(dòng)測(cè)試方案:

1)利用加速度傳感器測(cè)取220 kV變壓器工作狀態(tài)下高壓側(cè)三相A、B、C繞組、中壓側(cè)三相Am、Bm、Cm繞組以及低壓側(cè)三相a、b、c繞組線圈中部的振動(dòng)情況，并結(jié)合三相電流的變化情況與當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓闆r進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析。

2)將極寒地區(qū)的該型號(hào)220 kV變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析整理，作為指紋留用，并結(jié)合負(fù)載電流的變化情況對(duì)極寒地區(qū)該型號(hào)變壓器進(jìn)行輔助故障診斷。

4 變壓器器身振動(dòng)測(cè)試分析

經(jīng)過對(duì)極寒地區(qū)220 kV變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三相繞組線圈中部振動(dòng)水平的連續(xù)監(jiān)測(cè)，各繞組電流的變化趨勢(shì)、當(dāng)?shù)貧鉁卦跍y(cè)試過程中的變化趨勢(shì)、振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)如圖1—圖6所示。

圖1 高壓側(cè)A、B、C三相電流與氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖2 高壓側(cè)A、B、C相繞組中部處的振動(dòng)趨勢(shì)

圖3 中壓側(cè)Am、Bm、Cm三相電流與氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖4 中壓側(cè)Am、Bm、Cm相繞組中部處的振動(dòng)趨勢(shì)

圖5 低壓側(cè)a、b、c三相電流與氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖6 低壓側(cè)a、b、c相繞組中部處的振動(dòng)趨勢(shì)

通過對(duì)高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)三相繞組中部的振動(dòng)測(cè)試，得到本次振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果如下:

1)漠河220 kV變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組中部振動(dòng)趨勢(shì)與繞組電流的變化趨勢(shì)相一致。

2)漠河220 kV變壓器高壓側(cè)三相(A、B、C)繞組、中壓側(cè)三相(Am、Bm、Cm)繞組以及低壓側(cè)三相(a、b、c)繞組中部振動(dòng)趨勢(shì)隨溫度的變化趨勢(shì)不明顯。

3)漠河220 kV變壓器中壓側(cè)三相(Am、Bm、Cm)繞組及低壓側(cè)三相(a、b、c)繞組中部振動(dòng)隨繞組電流的變化趨勢(shì)不明顯。

5 結(jié)論

1)漠河220 kV變壓器振動(dòng)測(cè)試積累了極寒地帶運(yùn)行良好的變壓器器身振動(dòng)情況的指紋數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步開展變壓器振動(dòng)測(cè)試工作奠定了基礎(chǔ)。

2)變壓器振動(dòng)測(cè)試時(shí)沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)點(diǎn)位置，沒有有效解決變壓器冷卻系統(tǒng)的干擾等問題。

3)將振動(dòng)分析方法應(yīng)用于變壓器故障診斷已經(jīng)成為變壓器故障診斷的有效手段。為了滿足變電站的特殊性，可建立變壓器振動(dòng)故障診斷中心，從在線監(jiān)測(cè)的變壓器器身的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷變壓器故障征兆，為變壓器狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

［1］ 馬宏彬，何金良，陳青恒.500 kV單相電力變壓器的振動(dòng)與噪聲波形分析［J］．高電壓技術(shù)，2008，34(8):1599 －1604．

［2］ Sokolov etc．V Effective methods of assessment of insulation system conditions in power transformers:a view basded on practical experience．Proceeding of the CIGRE Regional meeting，1999:659．

［3］ Weiser B，Pfutzner H．Relevance of magnetostriction and forces for the generation of audible noise of transformer cores［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3759 －3777．

［4］ 汲勝昌，門陽，劉昱雯，等．運(yùn)行中電力變壓器油箱表面振動(dòng)特性的研究［J］．電工電能新技術(shù)，2007，26(2):24 －28．

［5］ Zalya Berler，Alexander Golubev，Valery Rosov，etal．Vibroacoustic method of transformer clamping pressure monitoring［C］//Conference Record of 2000 IEEE International Symposium on Electrical insulation．Anaheim，CA，USA:［s．n］，2000:263 －266．