基于振動信號分析的變壓器故障診斷研究進展

王廣庭，李陽海，楊　濤，蘇世瑋，趙家毅

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，武漢 430077，2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074）

基于振動信號分析的變壓器故障診斷研究進展

王廣庭1，李陽海1，楊濤2，蘇世瑋2，趙家毅2

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，武漢 430077，2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074）

近年來，利用電力變壓器振動信號分析來診斷變壓器的故障已經成為研究的新熱點，該方法成為變壓器故障診斷常規(guī)方法的有力補充。本文介紹了變壓器常見的故障及其診斷方法，闡述了變壓器振動法故障診斷的基本原理、基本過程，回顧總結了國內外變壓器振動法故障診斷技術的發(fā)展情況，指出目前在變壓器振動故障診斷的研究中存在的問題，并分析了其未來有價值的研究方向。

振動與波；變壓器，振動信號分析，故障診斷

電力變壓器是電網中最重要的設備，是輸變電系統(tǒng)的心臟，其能否安全經濟運行直接關乎到電網能否安全、高效、經濟地運行。但是由于變壓器長期在電網中運行，難免會發(fā)生各種故障和事故。如何減少變壓器的故障，并對這些故障進行診斷和原因分析是變壓器設計、運維中的熱點問題。在長期理論研究和實踐中，積累了許多有效的故障分析方法，其中基于振動信號分析的變壓器故障診斷方法，是近年來在變壓器故障診斷領域的新熱點，也是對電力變壓器故障診斷方法的有力補充。

1　變壓器常見故障及診斷方法

1.1變壓器常見故障

常見的變壓器故障可細分為內部故障和外部故障，內部故障是指變壓器本體內部絕緣或繞組出現(xiàn)的故障，外部故障是指變壓器輔助設備出現(xiàn)的故障［1］。變壓器外部故障為變壓器油箱外部絕緣套管及其引出線上發(fā)生的各種故障，其主要類型有：絕緣套管閃烙或破碎而發(fā)生的接地（通過外殼）短路，引出線之間發(fā)生相間故障等而引起變壓器內部故障或繞組變形等。內部故障為變壓器油箱內發(fā)生的各種故障，其主要類型有：各相繞組之間發(fā)生的相間短路，繞組線匝之間發(fā)生的匝間短路，繞組或引出線通過外殼發(fā)生的接地故障等。根據(jù)相關資料整理1990-1999年之間的328臺100 kV及以上電壓等級電力變壓器事故和故障，分析得表1［2］。

表1　電力變壓器故障統(tǒng)計

此外，由于變壓器故障涉及面較廣，具體類型的劃分方式較多，若從變壓器的主體結構劃分，又可分為繞組故障，鐵芯故障，分接開關故障和套管及其它附件故障。由上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，變壓器的內部故障是變壓器的主要故障，變壓器的繞組和鐵芯的故障是變壓器的主要故障部件，其常見典型的內、外部故障樹如圖1所示，繞組和鐵心故障樹如圖2-圖3所示。

圖1　變壓器故障

圖2　繞組故障

圖3　鐵芯故障

當前針對繞組和鐵芯故障的相關研究中，都是單獨對繞組或鐵芯進行故障分析，并沒有以一個完整的變壓器作為研究對象。這些研究雖然可以對變壓器的具體部件的故障狀態(tài)診斷做出相關分析，有一定的指導意義，然而變壓器的整體故障狀態(tài)與具體某個部件之間還是有較大差距的，因此如何確定實際變壓器整體的故障狀態(tài)的研究才更具有現(xiàn)實意義。

1.2變壓器常用故障診斷方法

變壓器的外部故障大都是由于其內部故障波及外部產生的，根據(jù)統(tǒng)計資料，變壓器的繞組與鐵芯是變壓器發(fā)生故障的主要部件。而目前針對這些主要的故障部位已經有了多種理論和實踐上的檢測方法。主要的方法有：電氣預防性試驗，通過檢查變壓器的出廠缺陷，判斷設備是否符合設計要求；油色譜分析法，通過測試油中的異常物質含量來達到診斷故障的目的；噪聲診斷法，利用變壓器的振動噪聲來檢測繞組和鐵芯的狀況；基于專家系統(tǒng)的人工智能診斷方法，利用專家經驗來填補其余方法在故障診斷上的不足［3-5］。這些方法各有優(yōu)劣，對變壓器的故障診斷亦大有裨益。近些年來，技術手段的提高使得基于振動信號分析的方法在變壓器故障診斷上的應用開始成為熱門。

2　變壓器振動法故障診斷機理

2.1振動法故障診斷的機理

振動分析法是一種體外檢測的分析方法，它利用傳感器獲取變壓器運行過程中的振動信號，提取出其時域、頻域的信息，通過分析這些信息，對比正常運行下的信息，來評估變壓器的工作狀態(tài)，分析其可能有的故障［6］。

振動是電力變壓器運行過程中不可避免的狀態(tài)，電力變壓器振動主要來自兩個方面：鐵芯振動，繞組振動。鐵芯通常由硅鋼片疊制而成，鐵磁性物質在磁化狀態(tài)改變時會引起磁致伸縮效應，在交變磁場作用下，引起振動。而繞組中的負載電流會在鐵心與繞組之間及繞組周圍產生漏磁場，產生電磁力，而引起繞組的振動。此外，還有變壓器的冷卻系統(tǒng)比如風扇、油泵等，其本身也會產生振動。

因為變壓器器身各位置的振動特征和距離最近的振源密切相關，因此可以根據(jù)器身各處測得的振動信號改變程度可以方便地判斷哪一部分發(fā)生故障，即利用振動信號實現(xiàn)確切的故障定位。振動信號可利用傳感器測得，振動信號的分析則有時域、頻域、小波等等處理辦法。

2.2振動信號測試與分析

振動信號測試分析最常用的是模態(tài)分析的方法。模態(tài)是結構系統(tǒng)的固有振動特性，每一個模態(tài)有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種近代方法，其實質是一種坐標變換，目的在于把原物理坐標系統(tǒng)中描述的相應向量，轉換到“模態(tài)坐標系統(tǒng)”中，然后根據(jù)頻率、阻尼、模態(tài)振型這些本質特征來描述結構。

在這一分析過程中，可利用有限元分析軟件Ansys對變壓器進行三維實體建模和模態(tài)分析求解，得到正常和故障狀態(tài)下變壓器各階固有頻率和對應的振型；與此同時，還可以通過試驗進行分析，其主要流程是，首先通過在變壓器表面廣布測點進行測試，得到振動的最佳測點；利用最佳測點，在負載和空載下，模擬故障工況，得到不同工況下的振動信號。最后，綜合分析，得到變壓器正常及故障狀態(tài)下振動信號的幅值特性和頻率特性。

2.3變壓器故障的數(shù)值模擬

對變壓器的數(shù)值模擬，可以用軟件Ansys實現(xiàn)，它融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，可以用來求解多種工程實際中的問題。使用Ansys對變壓器（油浸式）進行三維實體建模和求解的過程如下：

（1）根據(jù)實測變壓器幾何尺寸，建立變壓器的幾何結構模型。

（2）設置繞組、鐵芯、箱體等部件的材料屬性，包括密度、泊松比及彈性模量值等。

（3）對幾何模型進行合理網格劃分，并設定自由度約束。

（4）對模型進行相關分析（模態(tài)、諧響應、瞬態(tài)分析等）

（5）將計算結果與實驗結果進行比對，根據(jù)實驗結果對模型進行修正。

（6）將模型修正后，重復計算。

下面以某變壓器的高壓繞組松動故障為例說明振動法數(shù)值模擬的基本過程。根據(jù)變壓器繞組的實際結構，繞組線餅等效為實體圓環(huán)，共66餅，餅間均勻分布8塊墊塊。單元總數(shù)為81 400，模型節(jié)點總數(shù)為539 976。如圖4所示。

圖4　變壓器高壓繞組有限元模型

在繞組底部施加固定端約束，并施加軸向預緊力，得到繞組前4階的振型如圖5所示。

圖5　變壓器高壓繞組正常工況下前4階振型

將軸向預緊力縮小為原來的50%，模擬繞組松動的工況，得其前4階模態(tài)振型如圖6所示。

圖6　變壓器高壓繞組松動工況下前4階振型

前后兩次模態(tài)分析的前4階頻率對比如表2所示。

表2　繞組前4階固有頻率結果對比

通過模態(tài)分析的結果，可以發(fā)現(xiàn)，隨著預緊力變小，繞組的固有頻率會相應地變小，即可以得出松動工況下，繞組的固有頻率會變小這一結論。

在變壓器故障診斷分析中，相關研究多是對一個或幾個部件單獨分析。這些研究有一定的意義，但因未考慮變壓器的其他因素，與實際情況存在差距，對指導實際故障診斷乏善可陳。在振動信號實際測量時，只能測量油箱表面的振動信號，無法獲得各部件的振動信號。因此，如果用油箱表面測得的振動信號與算得的各部件參數(shù)作對比分析，無疑會有較大誤差。而將變壓器整體建模，充分考慮各個因素的影響，將會大大增強計算結果的準確性與價值。

3　振動法故障診斷的國內外研究概況

3.1國外發(fā)展狀況

從上世紀80年代中期開始，國外就有相關針對變壓器油箱表面的振動信號特征的研究。具體的工作主要是研究變壓器振動模型的建立問題，圍繞變壓器的振動模型參數(shù)與振動信號之間的關系、振動信號本身的變化規(guī)律等方面開展研究。但這些均局限于變壓器振動信號本身以及其振動模型的建立，并未深入研究振動信號在故障診斷上的應用［7-9］。

20世紀90年代中后期，提出在線監(jiān)測變壓器表面振動信號的設想，振動信號在故障診斷方面的研究工作也開始展開。已有美國、俄羅斯和加拿大等幾個國家對振動信號分析法進行了初步研究，俄羅斯已經進入現(xiàn)場試用，結果證實該法適于各類變壓器。但未對振動特性進行充分研究，如對繞組、鐵芯等振動的影響因素研究不足，因此分析需要豐富的經驗［8-9］。

此外，西班牙的Garcia和Burgos等人研究了振動信號在傳播路徑上相位、幅值變化情況，及其與電路、電壓、溫度之間的關系［10-13］。美國的Z.Berler等和加拿大的Peter等將負載下測得的鐵芯振動信號從整體信號中分離，得到繞組的振動信號，對其進行傅立葉變化后得到振動信號的頻率響應［14-15］。這些相關研究對振動信號分析方法的發(fā)展具有重要意義。

3.2國內發(fā)展狀況

國內的相關研究，西安交通大學起步最早，它在振動法的應用和機理上做了初步研究；此外，上海交通大學用建模方法分析變壓器振動也取得了一些成果，但變壓器振動故障診斷的深入研究還有許多方面工作要做［16］。

目前，國內對變壓器振動與測試方面的研究重點，主要集中在以下三個方面：一是通過研究變壓器發(fā)生振動的機理，進行故障原因、故障發(fā)展與趨勢預測等分析；二是分析變壓器產生的振動信號，包括譜分析、噪音分離技術等；三是對變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的研制，包括測點布置、信號隔離及故障分析等［3］。當前國內相關的主要研究總結如下：

西安交大汲勝昌等［17］利用變壓器振動測試系統(tǒng)，對空載條件下鐵芯的振動和負載條件下繞組的振動進行研究。最后，得出空載狀況下鐵芯的振動和電壓大小有關，且振動信號的基頻（100 Hz處）幅值與電壓的平方呈線性關系；繞組的振動水平與負載電流大小有關，其振動信號的基頻成分與負載電流的平方呈較好的線性關系。研究內容對于推廣振動信號分析法具有重要意義。

此外，他們還結合振動法原理，根據(jù)測量對象的特點，在合理選擇儀器及測試措施的基礎上，發(fā)明了一套完整的測試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)成功地測取變壓器在空載條件下鐵心的振動信號［18］。其研究結果表明，利用振動法對變壓器進行在線監(jiān)測是能夠實現(xiàn)的。

上海交大的謝坡岸等利用變壓器振動故障診斷法，研究了1臺500 kVA、10 kV/0.4 kV模擬變壓器在空載狀況下其箱壁振動加速度幅值和繞組壓緊力之間的關系［19］。通過貼在變壓器器身上的振動傳感器來監(jiān)測空載時變壓器器身振動加速度信號的變化情況，從而診斷內部繞組的壓緊情況。該方法簡單方便，并且與整個導電系統(tǒng)沒有電氣連接，能夠實現(xiàn)安全、穩(wěn)定地進行在線監(jiān)測。

此外，他們還利用有限元模型及振動試驗的測試結果得到繞組在不同預緊力下的特性參數(shù)；進而結合測量的變壓器箱體壁振動，整體模型，及繞組的特性參數(shù)來分析繞組預緊力的狀況［20］。結果表明，預緊力變化對振動信號有較明顯影響，利用算得的響應變化圖表可預測繞組線圈的壓緊狀況。研究為通過檢測箱蓋和箱壁的振動來診斷繞組的壓緊狀況積累了經驗。

華中科大顏秋容等利用從振動信號中提取有效特征來監(jiān)測變壓器器身振動信號預估其機械故障［21］。在小波分析結果和振動信號特點的基礎上，提出了頻段-能量方法，實現(xiàn)振動不同頻段能量分布的量化分析。其結果表明，小波變換在提取振動信號特征方面優(yōu)勢很大，利用這一方法，還可以獲取實時振動信號各頻段上的能量分布狀態(tài)，據(jù)此可有效進行變壓器機械故障的在線診斷。

廣東電網樊小鵬等對變壓器采用了隔振處理，來降低變壓器產生的結構噪聲［22］。廣東電網鄧小文利用復小波變換法對變壓器繞組的模態(tài)參數(shù)進行識別，識別精度較高，且具有較好的抗干擾性能，可為變壓器繞組結構振動特性分析及基于振動分析法的變壓器繞組狀態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)［23］。

4　變壓器振動法故障診斷發(fā)展趨勢展望

從目前的研究現(xiàn)狀來看，利用振動法進行變壓器故障診斷上依舊存在很多問題，其難點在于如何建立最符合實際的有限元模型，特別是如何模擬絕緣油對變壓器振動的影響，目前暫未見有相關研究報道。此外，如何通過振動信號的特征參數(shù)來判斷變壓器的故障狀態(tài)則是另一個難題。

因此，從理論上看，亟待加強對變壓器振動故障的機理研究，主要包括：故障模型的建立與分析、振動信號與故障的對應關系、故障判定準則的確定、故障診斷趨勢預測、振動信號測試與分析方法等等。從實踐上看，變壓器振動故障在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的研發(fā)方面還有很多的工作要做。比如，測試儀器的選擇、測點的布置、抗干擾措施的研究、還有檢測軟件的開發(fā)等等。具體而言，未來變壓器振動法故障診斷的研究可以從以下幾個方面展開：

（1）建立變壓器的振動模型進行分析，研究典型故障對其振動模型的影響。通過對變壓器故障產生原因以及故障機理進行分析，建立故障振動響應關系。

（2）通過故障數(shù)據(jù)分析研究故障評判指標，對典型故障進行區(qū)分。結合故障響應實驗數(shù)據(jù)對理論結果進行修正，提取變壓器典型故障特征。

（3）將最終的研究成果應用到變壓器振動故障中，判別故障種類，為變壓器的檢修和維護提供理論支撐，為傳統(tǒng)振動故障診斷方法進行補充并提供新的思路。

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Review of Fault Diagnosis for Power Transformers Based on Vibration SignalAnalysis

WANG Guang-ting1，Ll Yang-hai1，YANGTao2，SU Shi-wei2，ZHAO Jia-yi2
（1.State Grid Hubei Electric Power Testing&Research Institute，Wuhan 430077，China；2.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

In recent years，the method of fault diagnosis for transformers based on their vibration signals has become a new research focus.This method is a powerful substantial supplement of the traditional method for power transformer’s fault diagnosis.This paper describes the common faults and their diagnostic methods of power transformers，and elaborates the basic process and the basic principles of this diagnosis method.Furthermore，this paper reviews the development of the fault diagnosis technology for power transformers and points out the problems and difficulties of fault diagnosis of transformers.Finally，this paper presents the valuable research concentrations of transformer’s fault diagnosis in the future.

vibration and wave；transformer；vibration signal analysis；fault diagnosis

TM4

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.031

1006-1355（2016）05-0150-05+179

2016-04-01

王廣庭（1978-），男，武漢市人，碩士，主要研究方向為旋轉機械振動故障診斷和汽輪機試驗研究。E-mail:99873978@qq.com