500 kV單相發(fā)電機變壓器直流偏磁下振動試驗研究

方善臣,歐小冬,林　剛,黃佐流,李　英,王豐華

(1.大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司,云南昆明650000；2.特變電工衡陽變壓器有限公司,湖南衡陽421007；3.上海交通大學(xué),上海200030)

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500kV單相發(fā)電機變壓器直流偏磁下振動試驗研究

方善臣1,歐小冬1,林剛2,黃佐流1,李英2,王豐華3

(1.大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司,云南昆明650000；2.特變電工衡陽變壓器有限公司,湖南衡陽421007；3.上海交通大學(xué),上海200030)

摘要：對某500 kV單相發(fā)電機變壓器開展進行了直流偏磁試驗下的振動特性研究,對變壓器空載下和運行在8%～10%額定電流下不同直流工況時振動信號進行了分析研究,總結(jié)得出有無直流偏磁時變壓器各振動測點信號的變化規(guī)律,以及直流分量作用下振動信號頻譜的分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：500 kV單相發(fā)電機變壓器；直流偏磁；振動試驗；奇異譜和功率譜

1變壓器概況

分別基于空載與負載情況,對上述變壓器進行直流偏磁下500kV變壓器的振動特性試驗研究。空載試驗接線如圖1所示。圖1中,G為發(fā)電機,T1、T2為2臺型號相同的500kV變壓器,B1為中間變,E,R,L,C,g分別為直流電源、可調(diào)電阻、電感、保護電容以及放電間隙。具體試驗時,2臺試驗變壓器高壓側(cè)相連,T2低壓側(cè)空載,運行電壓為100%UN(UN為額定電壓)。通過2臺變壓器中性點分別注入0、1、1.75A直流電流到試驗變壓器。

圖1　空載直流偏磁試驗接線示意

負載試驗接線如圖2所示。2臺試驗變壓器低壓側(cè)并聯(lián)接電源,高壓側(cè)A1、A2并聯(lián),分接開關(guān)錯開一檔以產(chǎn)生環(huán)流來模擬負載電流,約56A。注入到變壓器高壓側(cè)的直流電流分別為0、1A和1.8A。

圖2　負載直流偏磁試驗接線示意

在空載試驗和負載試驗時,對不同直流電流下試驗變壓器T2的振動進行測試,采用DH186振動加速度傳感器測試振動,NI/CompactRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。振動傳感器均布置于2號變壓器上1/2油箱高度處,其中低壓側(cè)正面位置布置兩個振動傳感器,側(cè)面位置布置兩個振動傳感器,高壓側(cè)正面位置布置3個振動傳感器,共7個振動測點。

2信號特征量分析方法

現(xiàn)有振動特征量描述提取方法主要不足之處有：①難以準確描述測試信號的非平穩(wěn)信號特征；②難以解決信號特征的定量評價問題。為了更好地對變壓器的振動信號進行描述,本文在此分別使用奇異譜熵和功率譜熵對振動信號的特征量進行描述。其中,奇異譜熵對振動信號的時域信息進行描述,功率譜熵對振動信號的頻域信息進行描述。

2.1奇異譜熵

選定分析模式窗口的長度 M,通常也稱為嵌入維數(shù)。為了充分利用信號的信息,選定時延常數(shù)為 1,用此(M,1)的窗口順序截取信號中的模式數(shù)據(jù)進行分析。

構(gòu)造模式數(shù)據(jù)矩陣或嵌入空間中的軌跡矩陣。設(shè){xi},i=1,2,…，N是離散的振動信號,以(M,1)的模式窗口將{xi}順序分為N-M+1段模式數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了一個模式矩陣A,即：

(1)

對模式矩陣A進行奇異值分解。設(shè)計算獲得的奇異值為δ1≥δ2≥…≥δM,則δi構(gòu)成了振動信號的奇異值譜。

由奇異值與模式矩陣中模式的相應(yīng)關(guān)系,可以認為,奇異值譜{δi}是對振動信號在時域中的一種劃分。由此可定義時域中信號的奇異譜熵為

(2)

奇異譜熵反映了振動能量在奇異譜劃分下的不確定性,振動信號越簡單,能量越集中于少數(shù)幾個模式,奇異譜熵越??；相反,振動信號越復(fù)雜,能量就越分散,奇異譜熵越大。

2.2功率譜熵

基于振動信號的功率譜,也可給出其信息熵特征。信號的總能量是各頻率分量的能量之和。因此,各階頻率的功率譜S={S1,S2,…，SN}可看作是對原始信號的一種劃分。由此可定義其劃分的測度為

(3)

則其對應(yīng)的信息熵——功率譜熵為

(4)

功率譜熵反映了振動能量在頻域內(nèi)分布的情況。振動能量在各個頻率成分上分布的越均勻,信號越復(fù)雜,不確定性程度越大。反之,振動能量越集中于部分頻率成分,信號越簡單,功率譜熵也就越小。

3空載試驗結(jié)果分析

3.1無直流偏磁的情形振動信號分析

經(jīng)計算,1～7號振動測點的奇異譜熵分別為0.658 5、0.599 9、0.713 5、0.720 1、0.883 2、0.630 4、0.522 4,功率譜熵分別為1.307 7、1.669 3、1.504 0、1.716 7、2.400 2、1.914 8、1.388 3。可以看出：各個測點的奇異譜熵與功率譜熵均有一定程度的差異,說明各個測點振動信號在時域和頻域上均有差異。另外,5號測點的奇異譜熵與功率譜熵均為最大,說明該測點的振動信號最為復(fù)雜。結(jié)合試驗變壓器油箱壁結(jié)構(gòu),重點選取分別位于2號變壓器低壓側(cè)、側(cè)面以及高壓側(cè)的1、3號和7號振動測點進行分析，對其對應(yīng)的時域波形及頻譜分析可知：1、7號測點的振動信號時域幅值較為接近,3號測點的振動信號時域幅值較大。振動信號的頻譜分量主要為100Hz及其倍頻,集中在500Hz以內(nèi),300Hz分量幅值較大。

3.2直流分量為1 A的情形振動信號分析

直流分量為1A時,1～7號振動測點的奇異譜熵分別為0.826 3、0.932 6、0.975 1、0.966 6、0.887 1、0.906 8、0.832 7,功率譜熵分別為1.990 5、2.993 9、3.088 9、2.442 3、1.093 0、2.414 9、2.164 3。可以看出：各個振動測點對應(yīng)振動信號的奇異譜熵與功率譜熵各不相同,4號測點的奇異譜熵為最大,但3號測點的功率譜熵為最大。和空載的情形相比較,各個振動測點的奇異譜熵與功率譜熵均有不同程度的增加。

此外,各個測點振動信號的時域幅值呈現(xiàn)不同程度的增大,以3號測點的振動幅值為最大。頻譜分布中新出現(xiàn)了50Hz的倍頻信號,以450Hz分量最為明顯。另外,3號測點出現(xiàn)了較為豐富的頻譜分量,且頻寬更廣。

3.3直流為1.75 A的情形振動信號分析

直流分量為1.75A時,1～7號振動測點的奇異譜熵分別為0.894 0、1.079 2、1.156 9、1.162 0、1.042 6、0.989 5、0.946 9,功率譜熵分別為1.328 7、2.772 9、3.088 7、1.957 5、0.742 5、1.428 7、0.946 9?？梢钥闯觯焊鱾€振動測點對應(yīng)振動信號的奇異譜熵與功率譜熵各不相同,4號測點的奇異譜熵為最大,但3號測點的功率譜熵為最大,和直流為1A的情形類似。但振動信號的奇異譜值和直流為1A的情形相比較有所增大,功率譜值有所降低。

此外,各個測點振動信號的時域幅值呈現(xiàn)不同程度的增加,以3號測點的振動幅值為最大。振動信號頻譜分布中450Hz分量幅值最大。另外,3號測點出現(xiàn)了較為豐富的頻譜分量,且頻寬更廣。

3.4振動信號隨直流分量的變化分析

圖3、4分別為空載下振動信號各個測點奇異譜熵和功率譜熵隨外加直流的變化規(guī)律,可見：除去5號振動測點外,其它振動測點的振動信號奇異譜熵均隨著外加直流的增加而增大,說明在時域上振動信號能量越來越分散,信號復(fù)雜度升高。功率譜熵隨外加直流分量的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的總體趨勢,說明隨著直流分量的出現(xiàn),振動信號中有新的頻譜分量出現(xiàn)。但隨著直流分量的增加,振動信號頻譜分布更多的集中在某個特定頻率分量上。

圖3　振動信號各個測點奇異譜熵隨外加直流的變化規(guī)律

圖4　振動信號各個測點功率譜熵隨外加直流的變化規(guī)律

由圖3、4可以看出：所有測點的奇異譜熵在空載直流下隨著直流的增加,均呈增大趨勢,在時域內(nèi)振動更加復(fù)雜,功率譜熵隨著直流電流增加,各點呈獻不同的變化規(guī)律,波動更大,這與振動的復(fù)雜傳遞過程有關(guān)。

4負載試驗結(jié)果分析

4.1無直流偏磁振動信號特性分析

負載試驗時,為了安全起見,低壓側(cè)振動測點均不再測量,僅對3～7號振動測點的振動信號進行測量, 3～7號振動測點的奇異譜熵分別為0.790 5、0.839 5、0.868 5、0.738 7、1.262 8,功率譜熵分別為2.135 4、3.008 6、2.248 9、2.910 3、2.726 8?？梢钥闯觯焊鱾€測點的振動信號奇異譜熵與功率譜熵各不相同,但均大于空載試驗時無直流偏磁的情形,說明負載時振動信號更為復(fù)雜。

為與空載工況的結(jié)果進行對比分析,對3號振動測點振動信號時域波形及頻譜進行分析可知：變壓器在8.3%額定電流下運行時,振動信號頻譜分量主要為100Hz及其倍頻分量,且300Hz分量幅值最大,還有部分奇次頻率分量,但各個測點的頻譜分布并不相同。

4.2直流為1 A的振動信號分析

直流為1A時,3～7號振動測點的奇異譜熵分別為0.919 0、1.005 6、0.883 2、0.806 9、0.789 5,功率譜熵分別為2.310 9、2.280 1、1.875 0、3.053 3、2.976 9?？梢钥闯觯翰煌瑴y點振動信號奇異譜熵與功率譜熵有所不同。和無直流的情形相比較,奇異譜熵均有所增大,但功率譜熵部分測點有所增大,部分測點呈現(xiàn)遞減現(xiàn)象。

對3號振動測點時域波形和頻譜分布分析可知：振動信號的時域幅值有所增大。頻譜分布中,300Hz分量的幅值最大,且其幅值大于無直流的情形。此外,有較為明顯的450Hz分量出現(xiàn),且500Hz分量和550Hz分量的幅值均大于無直流的情形。

4.3直流為1.8 A的振動信號分析

直流為1.8A時,3～7號振動測點的奇異譜熵分別為1.371 7、1.353 6、1.234 1、1.241 0、1.238 8,功率譜熵分別為3.291 2、1.679 5、1.093 2、1.860 5、1.929 3?？梢钥闯觯翰煌瑴y點振動信號奇異譜熵與功率譜熵有所不同。和無直流的情形相比較,奇異譜熵均有所增大,但功率譜熵部分測點有所增大,部分測點呈現(xiàn)遞減現(xiàn)象。對3號振動測點時域波形和頻譜分布分析可知：3號振動測點的時域幅值較大。頻譜分布中,300Hz分量幅值最大,450Hz分量和550Hz分量幅值也較大。

4.4振動信號隨直流分量的變化分析

圖5為10%額定電流負載運行時振動信號各個測點奇異譜熵和功率譜熵隨外加直流的變化規(guī)律。由圖5可見：除去7號振動測點外,振動測點的振動信號奇異譜熵均隨著外加直流的增加而增大,意味著振動信號復(fù)雜度的增加。

圖5　振動測點奇異譜熵隨直流分量的變化規(guī)律

圖6為10%額定電流負載運行時振動信號各個測點功率譜熵隨外加直流的變化規(guī)律。由圖6可見：3號振動測點的振動信號功率譜熵隨外加直流的增加而增加,意味著振動信號的頻譜分量更為分散,信號復(fù)雜度升高。其余振動測點的振動信號功率譜熵隨直流分量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,說明隨著直流分量的出現(xiàn),振動信號中有新的頻譜分量出現(xiàn)。但隨著直流分量的增加,振動信號頻譜分布更多的集中在某個特定頻率分量上。

圖6　振動測點功率譜熵隨直流分量的變化規(guī)律

在小負載電流下,各測點振動基本呈現(xiàn)隨著直流電流增加,奇異譜熵增加的趨勢,說明時域范圍內(nèi)振動信號更加復(fù)雜。功率譜熵各測點呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,起伏更大,這與振動的復(fù)雜傳遞過程有關(guān),多數(shù)點體現(xiàn)出向部分頻率集中的特點。

5結(jié)論

對變壓器空載下和運行在8%～10%額定電流下不同直流工況時振動信號的分析結(jié)果表明：

(1)無直流偏磁時,變壓器各個振動測點的信號幅值各異,并關(guān)于橫軸對稱。頻譜分量均主要為100Hz分量及其倍頻分量,但各個頻譜分量與測點位置密切相關(guān)。

(2)直流偏磁時,變壓器振動信號的幅值隨直流分量的增加而增大。頻譜分布中開始出現(xiàn)50Hz的倍頻分量和100Hz的更高次倍頻分量。但是,振動各個頻譜分量與測點位置密切相關(guān),各個頻譜分量隨直流分量的增加呈現(xiàn)多樣性增加的特性。

(3)振動信號的奇異譜熵隨外加直流分量的增加而增大。但功率譜熵隨直流分量的變化分量不甚明顯,意味著振動信號頻譜分布具有多樣化的特征。

(4)負載工況下,變壓器的振動信號頻譜分量主要為100Hz分量及其倍頻,還有少許50Hz分量的倍頻分量出現(xiàn),但與測點位置密切相關(guān)。

(5)有直流分量作用時,變壓器振動信號時域幅值呈現(xiàn)增加趨勢,表現(xiàn)為奇異譜熵的增大。

(6)有直流分量作用時,變壓器振動信號的頻譜分布更為豐富,且部分頻率分量隨外加直流的增加而增加,增幅各異。表現(xiàn)為部分測點的功率譜熵隨直流分量的增加而增大,部分測點的功率譜熵隨直流分量的增加而降低。

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(責(zé)任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 11- 18

作者簡介：方善臣(1968—),男,廣西賓陽人,高級工程師,長期從事電力系統(tǒng)設(shè)備管理及研究工作．

中圖分類號：TM312

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0077- 04

VibrationResearchof500kVSingle-phaseGeneratorTransformerunderDCBiasTest

FANGShanchen1,OUXiaodong1,LINGang2,HUANGZuoliu1,LIYing2,WANGFenghua3

(1.DatangGuanyinyanHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Kunming650000,Yunnan,China;2.TBEAHengyangTransformerCo.,Ltd.,Hengyang421007,Hunan,China;3.ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)

Abstract:The vibration characteristic of a 500 kV single-phase generator transformer is studied by DC bias test. The vibration signals are analyzed for the transformer operated under no-load and 8%-10% rated current conditions respectively. The vibration changes of different measuring points under the operation conditions with or without DC bias are summarized, and the distributions of vibration signal singular spectrum and power spectrum under the action of DC component are also obtained．

Key Words:500 kV single-phase generator transformer; DC bias; vibration test; singular spectrum and power spectrum