短路電流沖擊下變壓器振動(dòng)特性研究

谷紅霞, 于 虹， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

?

短路電流沖擊下變壓器振動(dòng)特性研究

谷紅霞1, 于 虹2， 趙振剛1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

針對(duì)短路電流的沖擊下，變壓器振動(dòng)特性研究，構(gòu)造了短路電流對(duì)變壓器振動(dòng)影響的沖擊平臺(tái)，研究了傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)的分布規(guī)律以及相關(guān)系數(shù)閾值選擇。在此基礎(chǔ)上，通過波形時(shí)域分析以及仿真研究，探討了繞組短路故障對(duì)傳遞函數(shù)的影響，得出了預(yù)緊力與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系，最終，明確了短路電流沖擊下變壓器振動(dòng)特性的關(guān)系，為進(jìn)一步利用振動(dòng)法分析變壓器故障奠定了基礎(chǔ)。

短路電流沖擊； 傳遞函數(shù)； 相關(guān)系數(shù)； 預(yù)緊力； 振動(dòng)分析法

0 引 言

電力變壓器作為大型電力設(shè)備，一經(jīng)損壞,維修周期較長(zhǎng)，涉及范圍廣，危害較大，因此，保證電力變壓器安全可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行具有重要意義[1,2]。

據(jù)相關(guān)資料顯示，電力變壓器繞組是較容易發(fā)生故障的部件之一，截至2006年底,全國110 kV及以上等級(jí)電力變壓器因外部短路故障造成損壞的事故達(dá)到事故總數(shù)的50 %。經(jīng)查，由繞組變形引起的變壓器故障占到了絕大多數(shù)[3,4]。鄧蕊,孫寶元在變壓器絕緣紙板微水分測(cè)量系統(tǒng)分析了變壓器的特性[5]。變壓器本身抗短路能力不足是造成其故障的主要原因，然而繞組抗短路能力的喪失是一個(gè)逐漸積累的過程，因此，盡早發(fā)現(xiàn)繞組故障對(duì)于電力變壓器長(zhǎng)期正常運(yùn)行具有重要意義[6]。

振動(dòng)分析法是一種在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，可解決故障及時(shí)識(shí)別的難題。目前，對(duì)于電流信號(hào)與變壓器振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系沒有很深入的研究。本文采用傳遞函數(shù)方法將振動(dòng)信號(hào)與短路電流聯(lián)系起來，研究不同測(cè)點(diǎn)、短路故障、繞組預(yù)緊力對(duì)變壓器振動(dòng)以及傳遞函數(shù)的影響。

1 傳遞函數(shù)理論基礎(chǔ)

利用自功率譜密度函數(shù)求傳遞函數(shù)。采用傳遞函數(shù)的幅頻特性能夠較好地體現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)與電流平方之間的關(guān)系，而忽略相位信息，同樣可以反映變壓器振動(dòng)在短路電流沖擊下的變化[7]

(1)

式中Sxx(ω)和Syy(ω)為輸入輸出的自譜，用信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換可求得[8]。將短路沖擊電流的平方作為輸入信號(hào)，加速度振動(dòng)信號(hào)作為輸出信號(hào)，利用式(1)即可求出電流平方與振動(dòng)之間的傳遞函數(shù)的幅頻特性。

為了研究大電流沖擊下的變壓器振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了振蕩衰減的大電流產(chǎn)生回路來近似模擬實(shí)際的短路電流，對(duì)一臺(tái)特制的單相變壓器進(jìn)行沖擊，實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示。

圖1 短路沖擊實(shí)驗(yàn)電路

2 傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)研究

2.1 相關(guān)系數(shù)選取

在短路電流基礎(chǔ)上得到的傳遞函數(shù)幅頻如圖2(a)，在振動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上得到的傳遞函數(shù)幅頻如圖2(b)所示，圖中只給出了0～150 Hz頻段內(nèi)的幅頻。在大于150 Hz的頻段上，振動(dòng)信號(hào)自譜微小的變化會(huì)引起傳遞函數(shù)幅頻特性極大的變化，所以,關(guān)注0～150 Hz頻段內(nèi)部的變化能更好地評(píng)估不同情況下的幅頻變化。

圖2 傳遞函數(shù)幅頻

為了能夠清晰直觀地分析不同情況下的幅頻差別，引用相關(guān)系數(shù)來衡量傳遞函數(shù)幅頻圖的相似程度。符合工程需要的相關(guān)系數(shù)計(jì)算如式(2)

Rxy=-log(1-LRxy)

(2)

設(shè)定一個(gè)相關(guān)系數(shù)閾值，傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于該閾值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)變壓器繞組的傳遞函數(shù)沒有變化；當(dāng)傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)小于該閾值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)變壓器繞組的傳遞函數(shù)發(fā)生了變化。鑒于變壓器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用多個(gè)傳遞函數(shù)進(jìn)行比較判斷，將150 Hz頻段均分為3段，分別為0～50 Hz頻段，50～100 Hz頻段， 100～150 Hz頻段，計(jì)算出了不同采集點(diǎn),不同電流下的傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)[9，10]如圖3所示。

圖3 不同頻段內(nèi)傳遞函數(shù)相關(guān)系數(shù)

2.2 短路故障對(duì)傳遞函數(shù)的影響

將變壓器高壓繞組的相鄰兩個(gè)層線餅之間人為短路，繞組上部9#線餅短路稱為短路故障1(故障T)，繞組中部22#線餅短路稱為短路故障2(故障M)，繞組下部32#線餅短路稱為短路故障3(故障B)。忽略分散性的影響，在上中下三部分設(shè)置信號(hào)采集點(diǎn)分別記為信號(hào)采集點(diǎn)1,2,3。以采集點(diǎn)1與采集點(diǎn)3為例進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)加速度幅值分析，采集點(diǎn)1處的振動(dòng)信號(hào)幅值在短路1情況下明顯最大，這與振動(dòng)信號(hào)采集點(diǎn)的位置有很大關(guān)系：在線餅上部短路時(shí)，繞組短路位置正好對(duì)應(yīng)于箱體上采集點(diǎn)1的位置，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)傳播到采集點(diǎn)1損耗最小，振動(dòng)最劇烈；在繞組下部短路也有相同的規(guī)律，從信號(hào)圖中采集點(diǎn)3中可以得到驗(yàn)證。所以,在選擇計(jì)算相關(guān)系數(shù)的采集點(diǎn)時(shí)，最好使用對(duì)應(yīng)位置的采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)。不同短路電流下振動(dòng)信號(hào)的加速度幅值如圖4所示。

圖4 不同短路故障下加速度幅值的變化

3 仿真分析

為了研究繞組內(nèi)部短路故障對(duì)短路電流，漏磁場(chǎng)和短路電動(dòng)力帶來的影響，在已建變壓器模型上將指定的線餅短路，保證其他線餅的激勵(lì)源和邊界條件不變，重新進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置短路故障后，充電電壓8 kV下的電流變化如圖5所示。當(dāng)電流很大時(shí)，鐵芯還沒有飽和，所以繞組的電感值只與繞組的匝數(shù)有關(guān)。繞組餅間短路后，會(huì)使電感值有所減小，但是減小的比例只占到4.7 %，影響很小，所以測(cè)得的電流波形相差很小。

圖5 充電電壓8 kV下的電流波形

繞組各線餅的軸向電動(dòng)力最大值如圖6所示，在電流基本不變的情況下，低壓側(cè)軸向電動(dòng)力在9#線餅之前基本沒有變化，高壓側(cè)軸向電動(dòng)力的變化主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：有短路故障的軸向電動(dòng)力比正常情況下大，在高壓繞組上、下對(duì)稱的位置設(shè)置的短路故障對(duì)軸向電動(dòng)力的影響是一致的；在繞組中部設(shè)置短路故障時(shí)，靠近繞組端部的線餅上的軸向電動(dòng)力方向發(fā)生了轉(zhuǎn)向，力的效果從壓縮繞組變?yōu)槔炖@組。一般情況下，高壓繞組的軸向電動(dòng)力的作用就是壓縮繞組。因此，在繞組內(nèi)部設(shè)置短路故障給電動(dòng)力帶來的影響很大，可使電動(dòng)力在不同的線餅處發(fā)生轉(zhuǎn)向，改變了繞組的振動(dòng)狀態(tài)。

圖6 繞組軸向電動(dòng)力

在同一電流下，變壓器短路故障與正常狀態(tài)下計(jì)算傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，短路故障的相關(guān)系數(shù)最大為0.549 3，但是與設(shè)定的相關(guān)系數(shù)閾值1.1相比，依然減小了50 %。說明與正常狀態(tài)下相比短路故障下的傳遞函數(shù)已經(jīng)發(fā)生了很大變化。

改變預(yù)緊力下的短路沖擊試驗(yàn)。調(diào)整變壓器繞組的預(yù)緊力并用壓力傳感器測(cè)量得到預(yù)緊力的大小，設(shè)定預(yù)緊力的大小分別為1 500，2 000，2 500 N。在每一個(gè)預(yù)緊力下進(jìn)行變壓器短路沖擊試驗(yàn)。不同預(yù)緊力下加速度幅值的變化如圖7所示，預(yù)緊力為2 500 N時(shí)，加速度幅值最小。

圖7 不同預(yù)緊力下加速度幅值

同一電流下，計(jì)算改變預(yù)緊力與變壓器正常狀態(tài)傳遞函數(shù)的相關(guān)系數(shù)。關(guān)注采集點(diǎn)2處傳遞函數(shù)的幅頻特性在0～50 Hz內(nèi)的變化，結(jié)果如表1所示，相關(guān)系數(shù)最大值為0.737 2，比相關(guān)系數(shù)的閾值1.1小約33 %。同樣可以認(rèn)為，此時(shí)，與正常狀態(tài)相比改變預(yù)緊力情況下的傳遞函數(shù)的幅頻特性，已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，判定在預(yù)緊力為1 500，2 000，2 500 N時(shí)，變壓器已經(jīng)出現(xiàn)故障。

表1 不同預(yù)緊力下的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

利用變壓器振動(dòng)信號(hào)和電流自功率譜密度求傳遞函數(shù)幅頻特性的方法，建立了短路電流與振動(dòng)信號(hào)之間的耦合關(guān)系；通過對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)在不同短路電流下的相關(guān)性研究，確定了衡量變壓器函數(shù)幅頻特性相關(guān)系數(shù)的閾值。在此基礎(chǔ)上，分別研究了短路故障以及預(yù)緊力降低等故障條件下相關(guān)系數(shù)的變化規(guī)律。傳遞函數(shù)受到變壓器短路電流的影響：當(dāng)短路電流差別不大時(shí)，兩次短路沖擊下，傳遞函數(shù)呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性；當(dāng)短路電流出現(xiàn)較為明顯的差別時(shí)，傳遞函數(shù)的相關(guān)性明顯降低，短路故障以及預(yù)緊力變化對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響表明：利用相關(guān)系數(shù)可以對(duì)繞組的機(jī)械狀況提供一定的參考依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 劉京誠,任小宇,陳小強(qiáng),等.基于光纖F-P傳感器變壓器鐵心在線監(jiān)測(cè)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(5):58-60.

[2] 康建爽,蔣書波,程明霄,等.MEMS技術(shù)在變壓器故障監(jiān)測(cè)中應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(12):21-23.

[3] 吳國躍.電力變壓器繞組變形實(shí)測(cè)中的影響因素[J]．高電壓技術(shù)，2001，27(3)：81-84．

[4] 陳志勇.頻率響應(yīng)法對(duì)變壓器繞組變形的分析[J]．河北電力技術(shù)，2002，21(4)：45-49．

[5] 鄧 蕊,孫寶元,李萬全,等.變壓器絕緣紙板微水分測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(3):62-64.

[6] 朱建新.電力變壓器繞組變形故障的測(cè)量分析與判斷[J].變壓器,2000,37(6)：21-24．

[7] 徐 輝,于 虹,錢國超.變壓器繞組振動(dòng)特性仿真研究[J].云南電力技術(shù)，2015 ，43(9)：35-37.

[8] 臧利川,田 沛,李 博.基于歷史數(shù)據(jù)概率分布的變壓器在線預(yù)警研究[J]．云南電力技術(shù)，2015，43(12)：48-50.

[9] 何文林,陳金法,應(yīng)高亮，等.頻響分析法測(cè)試變壓器繞組變形的研究[J].中國電力,2000,33(12):39-42．

[10] 謝宇風(fēng),劉 溟.變壓器繞組變形頻響法分頻點(diǎn)研究[J]．華中電力，2005，18(2)：39-43.

[11] 鄭宗強(qiáng).基于電網(wǎng)電壓跟蹤的微電網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換多儲(chǔ)能能控制[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016,35(12)：82-86.

Research on vibration characteristic of transformer in short-circuit current impact

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd, Kunming 650217,China)

Under the impact of short-circuit current,the vibration characteristics of transformer is an important feature of vibration analysis method.To study this feature,firstly construct impact platform of influence of short-circuit current on transformer vibration,and then use this platform to study the distribution rule of correlation coefficient of transfer function and correlation coefficient threshold selection.On this basis,by waveform time-domain analysis and simulation research,explore the effects of winding short-circuit fault on transfer function, and finally study the relationship between the preload and the correlation coefficient,via the above study,define the relationship between the vibration characteristics of transformers under impact of short-circuit current, it laid the foundation for further analysis on transformer fault by vibration method.

impact of short-circuit current; transfer function; correlation coefficient; preload; vibration analysis method

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0042—03

2016—08—26

TM 41

A

1000—9787(2017)08—0042—03

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器，測(cè)試計(jì)量等。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究，E—mail:1625677252@qq.com。