基于振動(dòng)的油浸式電力變壓器短路累積效應(yīng)試驗(yàn)研究

楊毅，張楚，劉石，杜勝磊，李力，楊賢

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

基于振動(dòng)的油浸式電力變壓器短路累積效應(yīng)試驗(yàn)研究

楊毅，張楚，劉石，杜勝磊，李力，楊賢

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

針對(duì)繞組累積損傷有可能導(dǎo)致變壓器突發(fā)性故障，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，以某油浸式電力變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行多次短路試驗(yàn)。通過(guò)分析短路試驗(yàn)前后及短路試驗(yàn)過(guò)程中油箱壁振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)多次短路沖擊后，無(wú)論短路電抗變化超標(biāo)與否，變壓器振動(dòng)信號(hào)的頻譜、幅值，鐵心振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值與施加電壓平方的線性關(guān)系、以及繞組振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值與流過(guò)繞組的負(fù)載電流平方的線性關(guān)系都會(huì)發(fā)生明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，多次短路沖擊會(huì)使變壓器內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械累積損傷，振動(dòng)信號(hào)能夠比較靈敏反映這種短路累積效應(yīng)的特征量。

油浸式電力變壓器；振動(dòng)；短路試驗(yàn)；機(jī)械累積損傷；特征量

電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，被喻為電網(wǎng)的心臟，其鐵心松動(dòng)和繞組變形會(huì)對(duì)電網(wǎng)的全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大威脅。由于變壓器油箱的振動(dòng)與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀況、位移及變形狀態(tài)密切相關(guān)，且測(cè)試方法與變壓器沒(méi)有電氣聯(lián)系、不影響設(shè)備正常運(yùn)行，振動(dòng)法近年來(lái)迅速發(fā)展成為一種重要的變壓器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

目前的變壓器振動(dòng)分析研究，主要集中于負(fù)載電流與繞組振動(dòng)、空載電壓與鐵心振動(dòng)的關(guān)系[1-6]，以及鐵心松動(dòng)、繞組變形等機(jī)械故障的振動(dòng)信號(hào)特征提取與分析[7-10]，其基本方法是首先測(cè)量正常狀態(tài)下的振動(dòng)，然后在變壓器本體上人為設(shè)置故障，研究分析故障狀態(tài)下變壓器的振動(dòng)變化情況。上述研究或許能給出判斷變壓器故障機(jī)械狀態(tài)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)閾值，但變壓器機(jī)械狀態(tài)不是突然損壞，而是存在一個(gè)逐步劣化的過(guò)程，也即累積效應(yīng)，上述文獻(xiàn)均沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，遭受過(guò)電壓或短路電流沖擊后，鐵心和繞組的機(jī)械性能會(huì)下降。如沒(méi)有及時(shí)預(yù)警，多次沖擊造成的機(jī)械損傷累積就有可能導(dǎo)致突發(fā)性故障，造成嚴(yán)重?fù)p失。本文以某油浸式電力變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行多次短路試驗(yàn)，研究短路前后穩(wěn)態(tài)工況下油箱壁振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律，從振動(dòng)的角度研究變壓器多次短路累積效應(yīng)表現(xiàn)出的特征量。

1 變壓器振動(dòng)機(jī)理分析

變壓器運(yùn)行時(shí)，硅鋼片的磁致伸縮會(huì)引起鐵心振動(dòng)，同時(shí)繞組在負(fù)載電流的電磁力作用下也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)本身和冷卻系統(tǒng)傳遞到變壓器的油箱，引起油箱的振動(dòng)。變壓器油箱壁的振動(dòng)與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀況、位移和繞組的變形程度有十分密切的關(guān)系；因此，可通過(guò)測(cè)量和分析變壓器油箱壁的振動(dòng)信號(hào)變化，研究變壓器繞組及鐵心機(jī)械狀態(tài)的變化。

1.1 鐵心振動(dòng)源分析

變壓器空載運(yùn)行時(shí)，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度

(1)

式中：Φ為鐵心主磁通；B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值；U0為電壓最大值；A為鐵心的截面積；N1為一次側(cè)繞組線圈的匝數(shù)；ω和t分別為角頻率、時(shí)間。

磁場(chǎng)強(qiáng)度

(2)

式中：μ為鐵心磁導(dǎo)率；Fc為矯頑力；Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

在磁場(chǎng)作用下，硅鋼片的微小變形量滿足以下條件[2]

(3)

式中：εs為硅鋼片的飽和磁致伸縮率；l為鐵心硅鋼片的原始尺寸。

對(duì)上式積分可得硅鋼片的磁致伸縮率

(4)

式中Δl為鐵心硅鋼片最大變形量。

由上式可知，硅鋼片的磁致伸縮率和鐵心振動(dòng)，與變壓器加載電壓的平方成正比，頻率為電壓頻率的2倍。

1.2 繞組受力分析

發(fā)生短路時(shí)，變壓器繞組中的短路電流為[11]：

(5)

式中：IK為對(duì)稱(chēng)短路電流均方根值；R、L分別為短路等效電阻和電感；φ為突發(fā)短路時(shí)電源電壓的初相位。

變壓器繞組受到的電磁力與電流平方成正比，即

(6)

從式(6)可知，變壓器遭受短路沖擊時(shí)，繞組除產(chǎn)生100 Hz的振動(dòng)頻譜分量外，還存在一定的 50 Hz 振動(dòng)分量。對(duì)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的變壓器，繞組中的電流沒(méi)有瞬態(tài)分量e-Rt/Lcosφ，故負(fù)載運(yùn)行時(shí)繞組的振動(dòng)頻率是電流頻率的2倍，即100 Hz。

2 測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)變壓器是1臺(tái)由廣東電網(wǎng)退運(yùn)的110 kV變壓器，其型號(hào)SFSZ8-40000/110，聯(lián)結(jié)組YNd11yn10，額定電壓121 kV/38.5 kV/10.5 kV，空載電流10.91 A，額定電流190.9 A/599.8 A/2 200 A，空載損耗44.03 kW。

振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)包括ICP型振動(dòng)加速度傳感器、恒流適配器、數(shù)據(jù)采集分析儀、磁座以及計(jì)算機(jī)等，整個(gè)便攜式變壓器振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成及測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。ICP型振動(dòng)加速度傳感器輸出的電壓信號(hào)，首先通過(guò)屏蔽電纜經(jīng)恒流適配器連接到數(shù)據(jù)采集分析儀，然后經(jīng)過(guò)網(wǎng)線接口將振動(dòng)信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。將傳感器安裝在油箱表面U、V、W相套管對(duì)應(yīng)位置，離地高度約為1.6 m，高壓側(cè)和低壓側(cè)各3個(gè)，共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。傳感器通過(guò)具有絕緣功能的永磁體磁座牢固地吸附在油箱表面，具有較好的抗電磁干擾能力，測(cè)量結(jié)束后也可方便地取下傳感器，從而達(dá)到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)便攜的目的。

圖1 變壓器振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)包括空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，所有試驗(yàn)均在沈陽(yáng)變壓器研究院股份有限公司虎石臺(tái)試驗(yàn)基地進(jìn)行。為從振動(dòng)的角度研究變壓器多次短路造成的機(jī)械損傷累積效應(yīng)，試驗(yàn)按照空、負(fù)載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)相互穿插的順序進(jìn)行，最后吊開(kāi)變壓器罩殼檢查。

空、負(fù)載試驗(yàn)以及短路試驗(yàn)的具體方案如下：空載試驗(yàn)時(shí)，先施加10%額定電壓，隨后依次增加10%，直至100%額定電壓，每個(gè)電壓平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間約為30 s；負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，先施加10%額定電流，隨后依次增加10%，直至100%額定電流，每個(gè)電流平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間約為30 s；短路沖擊試驗(yàn)以單相短路方式進(jìn)行。先后在U相、V相、W相施加70%～130%不同等級(jí)的對(duì)稱(chēng)短路電流(相對(duì)值)，在相同電流等級(jí)條件下試驗(yàn)3～5次，試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間均為0.25 s。若變壓器短路試驗(yàn)不合格，則中止短路試驗(yàn)。短路試驗(yàn)共進(jìn)行3次?？?、負(fù)載試驗(yàn)在每次短路試驗(yàn)前后完成，共計(jì)4次8個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)順序及每場(chǎng)短路試驗(yàn)結(jié)束后的短路電抗變化情況如圖2所示。

ΔXu、ΔXv、ΔXw分別為U、V、W相短路電抗變化率。圖2 空、負(fù)載試驗(yàn)及短路試驗(yàn)順序

3 振動(dòng)特征分析

由于短路引發(fā)的變壓器振動(dòng)具有突發(fā)性、持續(xù)時(shí)間短、難以捕捉等特點(diǎn)，本文重點(diǎn)從短路前后穩(wěn)態(tài)工況下油箱壁振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律著手，從振動(dòng)的角度研究變壓器多次短路累積效應(yīng)表現(xiàn)出的特征量。

3.1 空載振動(dòng)分析

由變壓器振動(dòng)機(jī)理分析可知，空載狀態(tài)下油箱振動(dòng)能反映鐵心振動(dòng)情況。在此通過(guò)改變低壓側(cè)電壓，測(cè)量各空載電壓下變壓器油箱壁的振動(dòng)，以此振動(dòng)信號(hào)研究變壓器鐵心的振動(dòng)。

獲得的單個(gè)空載狀態(tài)試驗(yàn)的典型圖譜如圖3、圖4所示。

U*—空載電壓標(biāo)幺值。圖3 變壓器油箱壁振動(dòng)與空載電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(a) 時(shí)域波形

(b) 頻譜圖圖4 額定電壓時(shí)的變壓器油箱壁振動(dòng)信號(hào)

從圖3、圖4中可以看出，變壓器油箱壁振動(dòng)與加載電壓正相關(guān)性良好，隨著加載電壓的階梯上升，變壓器振動(dòng)通頻值及各頻譜分量幅值均隨電壓值的升高而增大；振動(dòng)頻譜中除基頻分量(100 Hz)外，還有部分高頻分量，主要集中在700 Hz以下；200 Hz、300 Hz、500 Hz等高頻分量較100 Hz基頻分量的幅值隨電壓等級(jí)提高的增速更為明顯。變壓器空載時(shí)，振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)高頻分量的原因是：由于變壓器鐵心的磁路飽和，磁通和勵(lì)磁電流之間具有非線性關(guān)系，當(dāng)磁通為正弦波時(shí)，勵(lì)磁電流的波形為一尖頂波[12]，用傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)分析，其中除基波外還有較強(qiáng)的三次諧波和更高的奇次諧波，使得振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)奇次諧波成分，并隨空載電壓的升高而迅速增大。

以U相高壓套管一側(cè)的油箱壁的振動(dòng)為例，匯總4個(gè)空載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，比較各空載狀態(tài)下變壓器油箱壁振動(dòng)的變化，見(jiàn)表2。

表2 各空載試驗(yàn)的變壓器油箱壁振動(dòng)加速度

U?通頻/(m·s-2)第1次試驗(yàn)第2次試驗(yàn)第3次試驗(yàn)第4次試驗(yàn)060285039503430687070399062706700944080583069809091155090776104310832521101082109527263153U?基頻/(m·s-2)第1次試驗(yàn)第2次試驗(yàn)第3次試驗(yàn)第4次試驗(yàn)060271016101680111070360025102640165080513036703850267090651046904820357100805052905240402

(a) 通頻幅值與空載電壓的關(guān)系

(b) 基頻幅值與空載電壓關(guān)系的擬合直線圖5 變壓器油箱壁振動(dòng)加速度與空載電壓的關(guān)系

3.2 負(fù)載振動(dòng)分析

由變壓器振動(dòng)機(jī)理分析可知，負(fù)載狀態(tài)下油箱振動(dòng)能反映繞組振動(dòng)情況，在此改變低壓側(cè)繞組電流，測(cè)量各負(fù)載電流下變壓器油箱壁的振動(dòng)，以油箱壁振動(dòng)信號(hào)變化研究變壓器繞組的振動(dòng)。

獲得的單個(gè)負(fù)載試驗(yàn)的典型圖譜如圖6、圖7所示。

I*—負(fù)載電流標(biāo)幺值。圖6 變壓器油箱壁振動(dòng)與負(fù)載電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(a) 時(shí)域波形

(b) 頻譜圖圖7 額定電流時(shí)的變壓器油箱壁振動(dòng)信號(hào)

從圖6和圖7中可以看出，變壓器油箱壁振動(dòng)與負(fù)載電流正相關(guān)性良好，隨著加載電流的階梯上升，變壓器振動(dòng)幅值均隨電流值的升高而增大；振動(dòng)頻譜中，主要是基頻分量，還有少部分50 Hz分量，基本沒(méi)有高頻分量，與理論分析結(jié)果一致。

以U相套管側(cè)的油箱壁振動(dòng)為例，4個(gè)負(fù)載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 各負(fù)載試驗(yàn)的變壓器油箱壁振動(dòng)加速度

I?通頻/(m·s-2)第1次試驗(yàn)第2次試驗(yàn)第3次試驗(yàn)第4次試驗(yàn)060545049904500559070630063306060733080809079608080926091027105009881072101292126710501311I?基頻/(m·s-2)第1次試驗(yàn)第2次試驗(yàn)第3次試驗(yàn)第4次試驗(yàn)060472037303540367070618050304670542080799066706470713091006087408050928101257109208901109

(a) 通頻幅值與負(fù)載電流的關(guān)系

(b) 基頻幅值與負(fù)載電流關(guān)系的擬合直線圖8 變壓器油箱壁振動(dòng)加速度與負(fù)載電流的關(guān)系

短路試驗(yàn)結(jié)束后，吊開(kāi)罩殼檢查發(fā)現(xiàn)V相、W相繞組變形嚴(yán)重，與短路電抗測(cè)試結(jié)果吻合，U相繞組輕微變形。但U相短路電抗測(cè)試結(jié)果卻顯示阻抗在試驗(yàn)過(guò)程中一直沒(méi)有什么變化，而且V相、W相阻抗變化超標(biāo)之前的多次測(cè)試，也顯示阻抗在此前的試驗(yàn)過(guò)程中也沒(méi)有什么變化。這說(shuō)明短路電抗法對(duì)繞組輕微變形、多次短路沖擊對(duì)變壓器內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)變化的反映還不夠靈敏。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果表明，振動(dòng)信號(hào)能較為靈敏地反映油浸式電力變壓器本體機(jī)械狀態(tài)的變化，可作為短路沖擊造成的變壓器內(nèi)部機(jī)械損傷累積程度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某油浸式電力變壓器進(jìn)行多次短路試驗(yàn)，研究了油箱壁振動(dòng)信號(hào)在試驗(yàn)過(guò)程中的變化情況，得到以下結(jié)論：

a)變壓器遭受多次短路電流沖擊，內(nèi)部機(jī)械狀態(tài)存在一個(gè)逐步劣化的過(guò)程，繞組變形具有較為明顯的機(jī)械損傷累積效應(yīng)。

b)相比短路電抗數(shù)據(jù)，振動(dòng)信號(hào)能更靈敏地反映多次短路沖擊對(duì)變壓器本體機(jī)械狀態(tài)產(chǎn)生的累積損傷效應(yīng)。多次短路沖擊試驗(yàn)后，空負(fù)載狀態(tài)下，變壓器振動(dòng)信號(hào)的頻譜、幅值都會(huì)發(fā)生變化，其中100 Hz基頻分量在通頻中的占比會(huì)降低，鐵心振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值與施加電壓的平方、以及繞組振動(dòng)信號(hào)的基頻幅值與流過(guò)繞組的負(fù)載電流平方的線性度降低，且擬合直線的斜率也發(fā)生了變化。

振動(dòng)信號(hào)可作為變壓器機(jī)械損傷累積效應(yīng)的物理量，以上只是研究得到的初步定性結(jié)果，但如何用振動(dòng)特征值定量描述變壓器內(nèi)部機(jī)械損傷的程度，后續(xù)還需更進(jìn)一步研究。

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(編輯 霍鵬)

Experiment on Short Circuit Cumulative Effect of Oil-immersed Power Transformer Based on Vibration Signals

YANG Yi, ZHANG Chu, LIU Shi, DU Shenglei, LI Li, YANG Xian

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In allusion to the problem of sudden fault of the transformer probably caused by winding cumulative damages which may seriously threaten safe and stable operation of the power grid, one oil-immersed power transformer is taken for studying short circuit experiments. By analyzing change law of vibration signals of the oil tank wall before and after experiments and in the process of short circuit experiments, it is observed that after several times of short circuit impact, no matter whether change of short circuit reactance exceeds standard or not, frequency spectrum and amplitude of vibration signals of the transformer, linear relationship between fundamental frequency amplitude of vibration signal of the iron core and square of applied voltage as well as linear relationship between fundamental frequency amplitude of winding vibration signals and square of load current flowing through winding will all change obviously. Experimental results indicate that repeated short circuit impact will produce mechanical cumulative damages inside the transformer and vibration signals can sensitively reflect characteristic quantity of this kind of short circuit cumulative effect.

oil-immersed power transformer; vibration; short circuit experiment; mechanical cumulative damage; characteristic quantity

2016-07-28

2016-10-14

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJQQ20153006)；中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(K-GD2014-170)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.021

TH113.1；TM411

A

1007-290X(2016)12-0115-06

楊毅(1987)，男，湖南湘潭人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力設(shè)備振動(dòng)測(cè)試、故障診斷與處理方面的研究工作。

張楚(1985)，男，江蘇徐州人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)和汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)方面的研究工作。

劉石(1974)，男，湖北黃石人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要從事大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號(hào)檢測(cè)分析、特征提取、故障診斷以及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡、虛擬儀器軟件的開(kāi)發(fā)等方面的研究工作。