油浸式變壓器繞組振動(dòng)影響因素研究

閆志強(qiáng)，雷 霞，何建平，李琪菡

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

油浸式變壓器繞組振動(dòng)影響因素研究

閆志強(qiáng)1，雷 霞1，何建平1，李琪菡2

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

變壓器繞組振動(dòng)信號(hào)能夠反應(yīng)其繞組運(yùn)行狀態(tài)。為了研究變壓器繞組振動(dòng)的影響因素，在分析繞組振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，將負(fù)載電流和軸向預(yù)緊力對(duì)繞組振動(dòng)的影響進(jìn)行了理論分析。采用短路電流法對(duì)變壓器在不同電流下的振動(dòng)信號(hào)、溫升實(shí)驗(yàn)下的連續(xù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，并進(jìn)行了模擬繞組松動(dòng)故障測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與理論分析一致：繞組振動(dòng)隨負(fù)載電流的增大而增強(qiáng)，隨軸向預(yù)緊力增強(qiáng)而減弱，隨溫度上升而下降。結(jié)果可對(duì)進(jìn)一步研究基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器故障診斷技術(shù)提供參考。

變壓器；繞組振動(dòng)；繞組松動(dòng)；影響因素

0 引言

變壓器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，隨著運(yùn)行年限的增加，鐵心松動(dòng)與繞組松動(dòng)等問題將大大降低變壓器承受短路沖擊的能力，進(jìn)而造成電力系統(tǒng)故障，因此監(jiān)測(cè)變壓器鐵心和繞組狀態(tài)對(duì)變壓器穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。變壓器本體主要由鐵心、繞組、油箱以及冷卻設(shè)備組成。運(yùn)行過程中，繞組負(fù)載電流產(chǎn)生電動(dòng)力引起繞組振動(dòng)，振動(dòng)隨繞組電流的變化而變化，當(dāng)繞組變形或松散時(shí)，繞組振動(dòng)信號(hào)將發(fā)生變化，因此可以通過測(cè)量變壓器振動(dòng)信號(hào)，從而監(jiān)測(cè)變壓器繞組狀態(tài)。

在變壓器繞組振動(dòng)方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其中Watts等人對(duì)繞組的模型以及在短路沖擊下的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究[1-3]；Uchiyama等研究了絕緣墊塊對(duì)繞組振動(dòng)的影響[4]；中國(guó)電科院王洪方建立了變壓器繞組軸向非線性振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并研究了軸向預(yù)緊力與繞組軸向振動(dòng)特性的關(guān)系[5-7]；西安交通大學(xué)汲勝昌從理論與實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面研究了變壓器振動(dòng)與負(fù)載電流、軸向預(yù)緊力等的關(guān)系[8，9]。中國(guó)科技大學(xué)吳書有建立了變壓器振動(dòng)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合繞組振動(dòng)理論對(duì)變壓器繞組變形進(jìn)行了人為故障設(shè)置[10]，利用振動(dòng)預(yù)測(cè)模型對(duì)繞組故障進(jìn)行初步診斷。目前在繞組振動(dòng)方面的研究，主要是在模型建立及實(shí)驗(yàn)室模擬方面。

本文在對(duì)變壓器繞組振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究了影響變壓器繞組振動(dòng)信號(hào)的因素，如電流、軸向預(yù)緊力、運(yùn)行溫度等。采用短路電流法進(jìn)行了不同電流下的繞組振動(dòng)信號(hào)測(cè)試、連續(xù)溫升實(shí)驗(yàn)下的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試及模擬繞組松動(dòng)故障測(cè)試。加速度幅值分析及基于快速傅里葉分析法(FFT)的頻域分析表明：繞組振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)弱與負(fù)載電流呈正相關(guān)，與繞組軸向預(yù)緊力大小呈負(fù)相關(guān)，隨溫度上升，變壓器絕緣油粘度下降，繞組振動(dòng)強(qiáng)度減弱。

1 變壓器繞組振動(dòng)機(jī)理

1.1 變壓器振動(dòng)信號(hào)傳播途徑

變壓器的振動(dòng)由其內(nèi)部的鐵心、繞組、冷卻裝置、有載調(diào)壓開關(guān)等零件的振動(dòng)組成。不同部件引起的振動(dòng)在頻率上有所不同：在小于100 Hz的低頻段集中的是由冷卻系統(tǒng)工作產(chǎn)生的冷卻設(shè)備振動(dòng)；而由有載調(diào)壓分接開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的振動(dòng)分布在大于100 Hz的頻段[11-12]。變壓器本體的振動(dòng)是由繞組和鐵心振動(dòng)組成，是變壓器振動(dòng)的主要組成部分。

變壓器本體和冷卻裝置引起的振動(dòng)會(huì)通過各種途徑向油箱傳播，圖1為變壓器振動(dòng)傳播途徑示意圖。

圖1 變壓器振動(dòng)信號(hào)傳播路徑示意圖

由圖1可知，變壓器箱體內(nèi)的絕緣油是本體部件的振動(dòng)向外傳遞的主要介質(zhì)：繞組振動(dòng)經(jīng)絕緣油向油箱傳遞，鐵心振動(dòng)通過絕緣油及墊腳和緊固螺栓等支撐單元向箱體傳遞。對(duì)于存在冷卻裝置的變壓器、風(fēng)扇或油泵等冷卻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也通過支撐單元傳遞至油箱表面。由此可知，變壓器絕緣油和支撐單元是變壓器振動(dòng)信號(hào)傳遞過程中的重要介質(zhì)。

由實(shí)驗(yàn)可得，變壓器本體振動(dòng)和附加設(shè)備(冷卻系統(tǒng)、調(diào)壓開關(guān)等)的振動(dòng)信號(hào)在頻率上區(qū)別明顯：只有存在于100 Hz以下的信號(hào)來自冷卻設(shè)備的振動(dòng)，因此可以使用濾波等手段將振動(dòng)信號(hào)分離，分別進(jìn)行分析[13]。而變壓器的本體振動(dòng)，即繞組和鐵心的振動(dòng)特性與繞組、鐵心的壓緊狀況、繞組的位移和變形密切相關(guān)，故變壓器箱體表面的振動(dòng)信號(hào)可以反映變壓器繞組及鐵心的狀況。

1.2 繞組振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

變壓器繞組上下都有鐵厄壓緊固定，主體由絕緣墊塊和銅線段組成，運(yùn)行時(shí)受繞組內(nèi)部電流與漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力的影響，是由粘彈性聯(lián)系的實(shí)體線段組成的機(jī)械系統(tǒng)[14]。

2 影響變壓器繞組振動(dòng)的因素

變壓器在運(yùn)行過程中受各種因素的影響，包括電流、電壓、功率因數(shù)、諧波等，這些因素都會(huì)對(duì)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生影響。本文主要分析繞組電流、軸向預(yù)緊力及絕緣油粘度對(duì)繞組振動(dòng)信號(hào)的影響。

2.1 繞組電流

假設(shè)變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)繞組電流為：

it=Imcosωt

(1)

式中：Im為穩(wěn)態(tài)短路電流幅值；ω為電流角頻率。

繞組線圈所處位置漏磁場(chǎng)可近似認(rèn)為是時(shí)變函數(shù)，隨繞組振動(dòng)、導(dǎo)線位置而變化，漏磁場(chǎng)在空間的分布也是時(shí)變的[13]。根據(jù)畢奧-沙伐爾定律，導(dǎo)體L在某點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(2)

(3)

繞組中電流在軸向產(chǎn)生軸向漏磁場(chǎng)Bzt，軸向漏磁場(chǎng)與繞組電流相互作用產(chǎn)生輻向力Fx；同樣，繞組電流在輻向產(chǎn)生輻向漏磁場(chǎng)Bxt，輻向漏磁場(chǎng)與負(fù)載電流相互作用產(chǎn)生軸向力Fz。根據(jù)洛侖茲力公式可求得這2個(gè)力分別為[15]：

Fx=itBzt·2πR

(4)

Fz=itBxt·2πR

(5)

式中：R為繞組圓環(huán)半徑。將軸向及輻向電磁力進(jìn)行整合，繞組所受電磁力為：

(6)

從式(6)可知，變壓器繞組所受電磁力與電流平方成正比，即隨電流上升繞組振動(dòng)加強(qiáng)；繞組振動(dòng)基頻為電網(wǎng)頻率的2倍，一般為100 Hz，且不隨電流的變化而變化。

2.2 軸向預(yù)緊力

變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行與變壓器的軸向預(yù)緊力緊密相關(guān)，只有當(dāng)變壓器的軸向預(yù)緊力大于短路電動(dòng)力的時(shí)候才能保證變壓器不發(fā)生失衡故障[16]。

正常運(yùn)行時(shí)繞組的軸向預(yù)緊力總是大于短路力，保證了變壓器的正常運(yùn)行，因此變壓器的振動(dòng)信號(hào)不會(huì)發(fā)生太大的變化。但是若繞組的軸向預(yù)緊力下降，當(dāng)變壓器發(fā)生短路且短路電流達(dá)到足夠使軸向短路力大于軸向預(yù)緊力的時(shí)候，在軸向短路力的沖擊下會(huì)導(dǎo)致[17-22]：

1)繞組內(nèi)部摩擦力增大導(dǎo)致線餅與絕緣墊塊間的匝間絕緣破損，進(jìn)而引起短路。

2)當(dāng)變壓器發(fā)生短路時(shí)，若繞組中已經(jīng)存在線餅和絕緣墊塊的松動(dòng)，在短路力的沖擊下，松動(dòng)部位將發(fā)生位移，導(dǎo)致線餅和墊塊的坍塌等。

因此，當(dāng)繞組軸向預(yù)緊力變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓器的運(yùn)行狀態(tài)的變化，進(jìn)而影響其振動(dòng)信號(hào)特征量。而繞組線圈的松動(dòng)，絕緣墊塊的老化等因素都會(huì)導(dǎo)致繞組軸向預(yù)緊力的下降。

2.3 溫度對(duì)變壓器繞組振動(dòng)的影響

由前文分析可知，變壓器絕緣油是變壓器振動(dòng)信號(hào)傳播的重要介質(zhì)，絕緣油的性能受溫度、電場(chǎng)、水分、氧氣等多種因素的影響[23]。所以，絕緣油的性能變化時(shí)，變壓器箱體的振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。其中，絕緣油的粘度對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)傳遞有較大影響，而粘度又受溫度影響。絕緣油的粘度隨溫度上升而下降，變壓器常用的礦物油粘度隨溫度變化情況如表1所示。由表1可知，絕緣油的粘度隨溫度升高而指數(shù)下降。

表1 礦物絕緣油粘度

繞組電動(dòng)力不變時(shí)，溫度上升，絕緣油粘度下降，流動(dòng)速率下降，相同時(shí)間內(nèi)箱體位移減小，則箱體的振動(dòng)幅值減小。

3 繞組振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)布置

圖2 變壓器測(cè)試布點(diǎn)位置

一般認(rèn)為變壓器空載試驗(yàn)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)為鐵心振動(dòng)信號(hào)，因?yàn)榭蛰d電流小，繞組振動(dòng)小，可忽略；短路試驗(yàn)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)為繞組振動(dòng)信號(hào)，因?yàn)槎搪窌r(shí)繞組電流大，繞組振動(dòng)大，而短路時(shí)變壓器所加電壓低，磁通小，鐵心振動(dòng)小，可忽略。本文采用短路電流法進(jìn)行繞組振動(dòng)信號(hào)測(cè)試。

測(cè)試時(shí)選用PCB公司的三軸壓電式加速度傳感器以及NI公司的數(shù)據(jù)采集儀對(duì)變壓器繞組的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并改變其負(fù)載電流大小以研究電流對(duì)變壓器振動(dòng)的影響。

在振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中，一般對(duì)頂部信號(hào)和側(cè)面信號(hào)分別進(jìn)行測(cè)試，但是由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的條件，實(shí)驗(yàn)用變壓器散熱片安裝位置等原因，本文選擇了如圖2所示的幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，包括變壓器頂部A1、B2和C3，分別對(duì)應(yīng)變壓器的A、B、C三相繞組。如圖3所示為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置。

圖3 變壓器測(cè)試布點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置

4 試驗(yàn)研究

4.1 繞組電流對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

選取一臺(tái)容量1 000 kVA，電壓等級(jí)為10 kV的1#油浸式變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn)，短路電流分別選取10%、30%、50%、75%、100%、110%額定電流。

圖4所示為不同電流下變壓器各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的快速傅里葉變換(FFT)頻譜圖。由圖可知，A、B 2點(diǎn)的頻率集中在100 Hz，200 Hz、300 Hz處分量較小，大于500 Hz頻段振動(dòng)較弱，1 000 Hz以上頻段幾乎衰減至0。振動(dòng)幅度隨電流上升而上升，在電流較小，如10%和30%時(shí)，其振動(dòng)較弱。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)靠近變壓器C相處存在散熱用風(fēng)扇，因此C點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)中存在較多干擾，尤其電流較小時(shí)干擾更為明顯，但仍然可以看出，振動(dòng)信號(hào)主要集中在100 Hz，且基本滿足基頻(100 Hz)分量振動(dòng)幅度隨變壓器負(fù)載電流的增大而上升。

圖4 各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

由頻譜圖可知基頻信號(hào)幅值與負(fù)載電流的平方呈正比。為進(jìn)一步研究負(fù)載電流與振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系，擬合繞組振動(dòng)信號(hào)的加速度，得到基頻振動(dòng)幅值與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 變壓器振動(dòng)擬合曲線

由圖5可知，振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)弱與負(fù)載電流大小的正比關(guān)系，且B相的振動(dòng)強(qiáng)度最大，這是由于變壓器在運(yùn)行過程中，B相繞組同時(shí)受到來自A、C兩相繞組振動(dòng)的影響，因此在對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，繞組的位置會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖6所示為不同電流下各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖6 振動(dòng)加速度信號(hào)幅值圖

圖7 振動(dòng)加速度信號(hào)幅值隨溫度變化折線圖

由圖6可知變壓器振動(dòng)加速度幅值也隨電流上升而增大。

4.2 溫度對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

對(duì)容量為10 kVA的變壓器進(jìn)行不同溫度下的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試。

圖7為不同溫度下振動(dòng)加速度信號(hào)幅值變化折線圖。由圖可知，隨溫度的上升，振動(dòng)加速度幅值下降。所以，絕緣油粘度的變化除影響變壓器的絕緣及冷卻性能外，還對(duì)變壓器振動(dòng)產(chǎn)生影響。

4.3 繞組松動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

對(duì)變壓器進(jìn)行離線吊芯處理并調(diào)整其螺栓力，使繞組松動(dòng)，模擬繞組松動(dòng)故障，分別進(jìn)行30%、50%、100%額定電流短路試驗(yàn)。

以額定電流為例分析繞組松動(dòng)時(shí)振動(dòng)信號(hào)的變化，其頻譜圖如圖8所示。

圖8 振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

由頻譜可知，發(fā)生繞組松動(dòng)故障的振動(dòng)信號(hào)中，100 Hz以及200 Hz頻率處振動(dòng)加速度分量升高幅度較大，但頻率分布無較大變化：振動(dòng)頻率主要集中在100 Hz，200 Hz，大于500 Hz分段振動(dòng)較弱，大于1 000 Hz的高頻段衰減為零。同時(shí)，繞組松動(dòng)故障時(shí)變壓器振動(dòng)信號(hào)仍然隨負(fù)載電流上升而加強(qiáng)。

對(duì)模擬故障的變壓器振動(dòng)信號(hào)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與正常運(yùn)行的振動(dòng)信號(hào)幅值進(jìn)行對(duì)比分析，其折線圖如圖9所示。

圖9 振動(dòng)信號(hào)幅值折線圖

由圖9可知，變壓器的振動(dòng)加速度信號(hào)幅值隨負(fù)載電流上升而上升，當(dāng)繞組松動(dòng)時(shí)，由于繞組軸向預(yù)緊力下降，振動(dòng)強(qiáng)度上升。

5 結(jié)論

本文在對(duì)變壓器振動(dòng)繞組振動(dòng)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，討論了影響變壓器振動(dòng)的因素：負(fù)載電流、軸向預(yù)緊力、溫度。通過對(duì)變壓器短路試驗(yàn)下不同電流、連續(xù)溫升、繞組松動(dòng)故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試及分析，得到如下結(jié)論：

(1)正常運(yùn)行變壓器繞組的振動(dòng)基頻為電網(wǎng)頻率的2倍，即100 Hz。

(2)繞組負(fù)載電流的平方與繞組振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)弱呈正相關(guān)，電流上升振動(dòng)加強(qiáng)。

(3)繞組軸向預(yù)緊力與其振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)弱呈負(fù)相關(guān)，即預(yù)緊力上升振動(dòng)減弱。

(4)絕緣油粘度隨溫度上升而下降，變壓器的振動(dòng)強(qiáng)度與絕緣油的粘度呈正相關(guān)。

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Study on the Influence Factors of the Oil Immersed Transformer Winding Vibration

YAN Zhiqiang1, LEI Xia1, HE Jianping1, LI Qihan2

(1.School of Electrical and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065, China)

The vibration signal of the transformer winding can reflect its operation state.In order to study the influence factors of the transformer winding vibration, the load current and axial preload on the winding vibration is analyzed based on the analysis of the winding vibration mechanism.The vibration signal and the continuous vibration signal under different currents are tested by the method of short circuit current, and meanwhile, by intimating the winding looseness fault, some tests were also been conducted.The results are consistent with the theoretical analysis.The winding vibration increases with the increase of the load current, and decreases with the increase of axial preload.The results can provide a reference for further study of transformer fault diagnosis based on vibration signal.

transformer; winding vibration; winding looseness; influence factor

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.012

2017-04-12。

TM411

A

1672-0792(2017)06-0072-07

閆志強(qiáng)(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎饨^緣，變壓器故障診斷。

雷霞(1973-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)、調(diào)度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化等。

何建平(1957-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與控制。

李琪菡(1992-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎饨^緣，變壓器故障診斷。