振動波譜信號測量技術(shù)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用分析

陸一凡

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司賀州供電局 廣西 賀州 542800）

摘 要：通過手持式測量裝置檢測電力變壓器振動波譜信號，并用以分析繞組及鐵心狀態(tài)的嬗變過程。首先，利用壓電式加速度振動傳感器研制了手持式振動信號測量裝置，并用于帶電提取變壓器器身、冷卻器的振動波譜信號。其次，分析了不同振動源的傳播途徑、作用關(guān)系，并提出了針對性測點布置策略及采樣方式。最后，分析不同測點振動波譜信號的時域波形、頻譜，甄別干擾信號，診斷繞組及鐵心狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用、分析證實了手持式振動信號測量裝置可靠，所采用的壓電式加速度振動傳感器可克服磁場影響，所提出的時域波形、頻譜分析方法可清晰反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；振動波譜；信號采集；振動傳感器

引 言

電力變壓器的繞組變形及其引起的抗短路能力下降是嚴(yán)重的設(shè)備隱患，并將威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[1，2]。頻率響應(yīng)分析法能夠在變壓器不吊罩的情況下檢測電力變壓器繞組是否變形，具有較高的檢測靈敏度和準(zhǔn)確性；但是該方法僅適用于在電力變壓器停電情況下開展測試，故有礙于持續(xù)跟蹤分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，且影響輸變電設(shè)施可靠性[3-6]。

變壓器振動（聲響）波譜信號的特征向量是表征工況的重要參量。變壓器運(yùn)行時的磁致伸縮和漏磁將引起鐵心疊片及繞組之間振動，并通過絕緣油和鐵心墊腳將振動波譜信號傳遞至變壓器本體（油箱）表面。其中，變壓器空載時的振動主要來源于激磁電流作用下的鐵心振動；負(fù)載時則還疊加了負(fù)載電流作用下的繞組振動。因此可通過監(jiān)測油箱表面的振動波譜信號而評估繞組及鐵心的壓緊狀況、繞組的位移及變形狀態(tài)[7，8]，而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則也明確要求在必要時測量變壓器的箱殼振動情況[9]，但是當(dāng)前尚缺乏合適的檢測手段及評估標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于此，有必要研制測量電力變壓器振動波譜信號的裝置，并經(jīng)跟蹤測量設(shè)備的振動波譜信號，分析其繞組及鐵心狀態(tài)的嬗變過程。而本文所提的振動波譜信號測量裝置在變壓器測振方法，僅需將測量傳感器緊貼外殼后采集信號，并在計及器身振動水平與負(fù)載電流平方值的線性關(guān)系后，即可初判不同負(fù)載電流下的振動主要因素來源（鐵心、繞組）及其程度。

1 變壓器振動機(jī)理分析

1.1 變壓器振動來源

變壓器振動包括本體（含鐵心、繞組）、冷卻器風(fēng)機(jī)的振動，其中風(fēng)機(jī)振動主要集中在小于100Hz的范圍內(nèi)。本體的振動主要來源于[10]：

（1）硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心的振動隨著勵磁頻率的變化而周期性的變化。

（2）硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力引起鐵心的振動。

（3）電流通過鐵心繞組時，在繞組、線餅、線匝之間產(chǎn)生動態(tài)電磁力，引起鐵心的振動。

（4）漏磁引起郵箱壁（包括磁屏蔽結(jié)構(gòu)等）的振動。

隨著變壓器制造工藝不斷的提高以及鐵心疊加方法的改進(jìn)（如采用階梯接縫等），再加上芯柱和鐵軛均采用環(huán)氧玻璃粘帶綁扎，因此硅鋼片接縫處和疊片之間的電磁吸引力引起的鐵心振動，比硅鋼片磁致伸縮的鐵心振動要小的多。類似的經(jīng)驗和大量試驗數(shù)據(jù)表明，直流偏磁是造成變壓器振動加劇的主要原因[11，12]。

1.2 不同振動原因之間的關(guān)系

由于變壓器的鐵心振動大小與硅鋼片的磁致伸縮有直接的關(guān)系[13]，因此能夠影響硅鋼片的磁致伸縮的因素都將能影響鐵心振動的大小。除此之外，當(dāng)緊固鐵心的螺釘松動，鐵心硅鋼片之間的壓緊力減弱，硅鋼片間縫隙增大，其間的電磁吸引力隨之增大，鐵心的振動也就會因此而增大；假設(shè)鐵心硅鋼片發(fā)生變形或者彎曲，也會引起硅鋼片之間的電磁吸引力增大，以致引起鐵心的振動增大；如果發(fā)生線餅、線匝間短路或者鐵心多點接地等故障時，鐵心的溫度將急速升高，會導(dǎo)致硅鋼片的磁致伸縮也急速加大，鐵心的振動也將會變大。

因上述幾種原因造成變壓器振動變大的情況來看，鐵心與繞組的壓緊及變形情況與變壓器的振動有很大關(guān)系，因此變壓器鐵心和繞組良好的壓緊狀態(tài)可在很大程度上減小變壓器的振動。

1.3變壓器振動的傳播途徑

變壓器（油浸式）鐵心繞組的振動主要是通過絕緣油傳至油箱的[14]。鐵心的磁致伸縮振動有兩條途徑傳遞給油箱：其一是通過固定鐵心墊腳傳至油箱；其二是通過變壓器內(nèi)絕緣油傳至油箱。這兩種路徑傳遞的振動能量使變壓器油箱壁（包括磁屏蔽結(jié)構(gòu)等）產(chǎn)生振動。

變壓器冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇、油泵等裝置的振動通過螺栓或焊接與變壓器本體連接方式也會傳至變壓器油箱。所以，變壓器繞組、鐵心的振動以及冷卻系統(tǒng)裝置的振動通過各種途徑都會傳遞到變壓器本體表面，從而引起了變壓器本體的振動。因冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇、油泵振動引起的振動頻譜集中在100Hz以下，故這與變壓器本體的振動特性明顯不同，可以很容易地從變壓器整個振動頻譜信號中識別出來。變壓器繞組及鐵心的振動與繞組、鐵心的壓緊狀況以及繞組的彎曲和變形密切相關(guān)，因此通過測量變壓器油箱表面的振動信號即可反映出變壓器繞組及鐵心的狀況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 振動波譜信號提取

針對以測量變壓器油箱表面振動信號的目的，經(jīng)過理論與實際的探討而研制了手持式振動波譜信號測量采集裝置，該裝置具備振動波譜信號的接收、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和分析的功能。

測量系統(tǒng)需根據(jù)被測信號的特點來選取合適的振動傳感器、設(shè)計合理的信號處理電路，將被測模擬信號變換到數(shù)據(jù)采集卡的輸入范圍內(nèi)，并保證變換信號能準(zhǔn)確地反映原始模擬信號中各測量分量，然后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和軟件分析以及存儲設(shè)備存儲。

測量系統(tǒng)使用的振動傳感器通常有壓電式加速度振動傳感器和慣性式磁電振動兩種傳感器。本文測試采用的是壓電式加速度振動傳感器，其機(jī)械電氣部分采用的是壓電晶體的正壓電效應(yīng)。具體原理是傳感器內(nèi)部的壓電石英晶體在一定方向的外力作用下，晶體面或者被極化面上將產(chǎn)生電荷，由此可見這是由機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換過程，被稱為正壓電效應(yīng)；而慣性式磁電振動傳感器則是利用電磁感應(yīng)原理，可見壓電式加速度振動傳感器與慣性式磁電振動傳感器的區(qū)別，壓電式加速度振動傳感器不受外界磁場的干擾，而且頻響范圍寬，更適用于變電站的強(qiáng)電磁環(huán)境下。

且壓電式加速度振動傳感器不局限水平和垂直的安裝方式，而慣性式磁電振動傳感器卻需要區(qū)分水平和垂直，在通用性上略遜一籌。

在振動測試過程中，加速度振動傳感器在外界振動力的作用下，首先輸出±10V（供電電壓為±12V）電壓信號到手持式振動波譜信號測量裝置，其次經(jīng)前端放大電路1/2放大信號后，再由A/D轉(zhuǎn)換芯片將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲測試數(shù)據(jù)。

在計算分析過程中，首先將所測數(shù)據(jù)經(jīng)由傅里葉變換處理成正弦（亦或余弦）波形，進(jìn)而處理提取出測量數(shù)據(jù)中的頻譜進(jìn)行分析檢測。

2.2 測點布置及采樣方式

研制的手持式振動波譜信號測量裝置在采集變壓器本體油箱表面振動信號時分為傳感器部分和數(shù)據(jù)采集部分。其測點布置策略是：首先確定A相、C相在高壓側(cè)、低壓側(cè)及側(cè)面的測點，并確定B相在高壓側(cè)、低壓側(cè)的測點；其次，各相測點應(yīng)對稱，并易于定位和安裝傳感器。具體的采樣方法是：首先將振動傳感器固定在釹鐵硼永磁體底座上，再將整個裝置吸附固定在變壓器油箱表面，釹鐵硼永磁體吸附性強(qiáng)，且便于更換傳感器位置；其次，結(jié)合變壓器器身的結(jié)構(gòu)特征分別采用水平、垂直方式安裝振動傳感器，以便客觀地提取和分析振動波譜信號。測點布置策略如圖2所示，其中黃色圓圈代表垂直吸附安裝，紅色圓圈代表水平吸附安裝；實際應(yīng)用安裝示例如圖3所示。

同時，為了排除、過濾冷卻器風(fēng)機(jī)、油泵運(yùn)轉(zhuǎn)所致的干擾頻率數(shù)據(jù)，還同步測量風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的主要頻率。安裝示例如圖4所示。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

利用試制的測量裝置采集廣西賀州220kV道石站2號主變高壓側(cè)、低壓側(cè)振動信號。圖5、圖6分別為變壓器C相高壓側(cè)套管側(cè)油箱表面中部振動加速度信號的時域波形、頻譜，振動的測量單位為：g（加速度）。在試點應(yīng)用時，設(shè)定較高的采樣頻率以盡可能精確地反映變壓器振動頻譜。由圖5、圖6信號頻譜上可知，繞組和鐵心的振動信號以100Hz為主要頻率，雖仍有小于100Hz的頻率成分，但并無50Hz工頻成分的干擾，故可能因冷卻器風(fēng)機(jī)振動所致。

而圖7、圖8信號頻譜為冷卻散熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)在上圖測量同一方向的時域波形及頻譜。從圖7、圖8中可知，冷卻器風(fēng)機(jī)的振動頻率主要集中在5Hz左右。

而當(dāng)負(fù)荷為54.39MW時所測不同位置的振動的各頻率處振動幅值見表1。

分析以上采集提取的振動波譜信號，其與理論分析結(jié)果相近，可排除提取信號中存在因電磁場影響所致的干擾；還仍有必要在長期積累數(shù)據(jù)并比對分析中進(jìn)一步驗證，尤其是在變壓器負(fù)載調(diào)整或遭受短路電流沖擊后分析振動波譜信號的變化情況。

目前設(shè)備故障診斷技術(shù)已趨于數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，可以通過系統(tǒng)局域網(wǎng)傳輸設(shè)備診斷信息，甚至遠(yuǎn)程診斷，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷信息的異地傳輸，診斷的精確度也有提高。在裝備上也出現(xiàn)了虛擬診斷儀器。也有些診斷系統(tǒng)還安裝了報警系統(tǒng)應(yīng)用在客戶端。同時設(shè)備通過在線網(wǎng)絡(luò)及時上傳數(shù)據(jù)可保證信號的即時性。

4 結(jié)論

基于壓電式加速度振動傳感器能夠克服電磁場干擾，同時不局限安裝方式，并實現(xiàn)靈活帶電測量變壓器油箱表面的振動信號。此外，通過比對分析不同時期提取的時域波形、頻譜還可跟蹤分析變壓器繞組、鐵心的運(yùn)行狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)了當(dāng)前運(yùn)維中缺乏判斷振動變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手段的被動局面。在基于振動波譜分析電力變壓器本體振動的基礎(chǔ)上，有必要針對被測設(shè)備的負(fù)荷、短路沖擊電流、油溫等狀態(tài)參數(shù)建立一套變壓器數(shù)據(jù)庫，使之成為評估繞組及鐵心壓緊程度、繞組位移及變形的可靠依據(jù)。

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