一種變壓器繞組形變故障在線診斷技術(shù)

王奕飛

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制工程系，遼寧丹東118009）

一種變壓器繞組形變故障在線診斷技術(shù)

王奕飛

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制工程系，遼寧丹東118009）

文章研究了一種基于短路電抗與振動(dòng)分析相結(jié)合的繞組形變故障在線診斷方法。應(yīng)用了一種只需在線測(cè)量出變壓器高、低壓側(cè)繞組電壓、電流向量的短路電抗在線監(jiān)測(cè)算法對(duì)短路電抗進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，采用一種基于小波包能量熵的振動(dòng)信號(hào)處理方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)S11-M-500/35變壓器進(jìn)行繞組形變下的模擬負(fù)載試驗(yàn)和短路沖擊試驗(yàn)，得出繞組不同程度形變下變壓器短路電抗和振動(dòng)信號(hào)的變化特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)繞組產(chǎn)生較嚴(yán)重形變時(shí)，短路電抗法可及時(shí)反映出繞組的形變故障；當(dāng)繞組產(chǎn)生輕微形變時(shí)，振動(dòng)分析法可作為短路電抗法的有效補(bǔ)充，及時(shí)對(duì)繞組的微小形變進(jìn)行反映。采用二者相結(jié)合的診斷方法，對(duì)及時(shí)判斷變壓器繞組形變故障具有重要意義。

短路電抗法；振動(dòng)分析法；繞組形變故障；在線診斷

變壓器作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它的安全運(yùn)行直接關(guān)系到發(fā)電及供電系統(tǒng)的安全可靠性。在變壓器的眾多故障中，大約25%是由繞組形變引起的［1］。目前對(duì)變壓器繞組變形診斷的方法主要有低壓脈沖法、頻率響應(yīng)法和短路電抗試驗(yàn)法。以上三種變壓器繞組變形檢測(cè)方法均需變壓器退出運(yùn)行，屬于離線檢測(cè)方法，不能在線監(jiān)測(cè)變壓器繞組的狀況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。其中由于短路電抗法判斷繞組形變具有較好的重復(fù)性，較高的可靠性，并在多年的使用和實(shí)踐中得到了公認(rèn)的定量判據(jù)，已列入通用標(biāo)準(zhǔn)（GB1094.5或IEC76.5）中，但該方法需要變壓器退出運(yùn)行后對(duì)繞組進(jìn)行離線檢測(cè)，不能實(shí)時(shí)地反映出形變故障，同時(shí)靈敏度較低。另一方面，由于變壓器油箱表面的振動(dòng)情況與變壓器繞組的位移和形變程度有著十分密切的關(guān)系，因此通過(guò)振動(dòng)分析法對(duì)變壓器箱壁上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析可以間接的反映出變壓器的繞組故障。而且該方法屬于一種在線監(jiān)測(cè)方法，但振動(dòng)分析法對(duì)周圍環(huán)境條件要求較高，多種因素都會(huì)對(duì)變壓器的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生較大影響［2-3］。

為彌補(bǔ)單一診斷方法各自的不足，本文建立了基于短路電抗與振動(dòng)分析相結(jié)合的變壓器繞組形變?cè)诰€診斷方法。以S11-M-500/35變壓器為研究對(duì)象，首先建立了變壓器短路電抗在線監(jiān)測(cè)模型，并進(jìn)行了繞組形變下的模擬負(fù)載試驗(yàn)，對(duì)其短路電抗進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。之后對(duì)變壓器進(jìn)行了多次突發(fā)短路試驗(yàn)。試驗(yàn)中，只針對(duì)A相繞組進(jìn)行連續(xù)五次短路沖擊試驗(yàn)，使A相繞組較其他兩相繞組產(chǎn)生更為嚴(yán)重的形變，對(duì)比不同繞組形變下變壓器振動(dòng)信號(hào)的變化特點(diǎn)。

1 變壓器短路電抗在線監(jiān)測(cè)原理

變壓器內(nèi)部的電磁關(guān)系可以用變壓器的等效電路有效進(jìn)行反映，首先以單相雙繞組變壓器為例進(jìn)行分析，其T型等效電路模型如圖1所示。

圖1 變壓器T形等效電路

其中：Z1為一次側(cè)繞組的阻抗；Z12為二次側(cè)繞組阻抗歸算至一次側(cè)的阻抗；Zm為勵(lì)磁繞組的阻抗；U˙1、I˙1為一次繞組側(cè)的電壓向量和電流相量；U˙2，I˙2為二次繞組側(cè)的電壓向量和電流相量；U˙12，I˙12為二次繞組側(cè)的電壓、電流向量在一次側(cè)的歸算值；I˙m為變壓器的勵(lì)磁電流；k為變壓器的變比。

根據(jù)T形等效電路模型可得：

根據(jù)I12=I2/K，U12=KU2，可得

對(duì)于一臺(tái)特定的變壓器，一次側(cè)阻抗Z1和二次側(cè)阻抗Z2都為常量。因此，可設(shè)：

整理可得：

式中：R1+jX1=Z1為一次側(cè)繞組阻抗；R12+jX12= Z12為二次側(cè)歸算到一次側(cè)的阻抗值。

對(duì)（5）式進(jìn)行整理可得：

由式（4）可知，對(duì)變壓器一、二次側(cè)的電流、電壓的向量值進(jìn)行采集可以求得一組m、n、a、b的數(shù)值，并將其帶入式（6）：

對(duì)變壓器的負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，并測(cè)量不同負(fù)載下的U1i、U2i、I1i、I2i。其中i=1,2。

根據(jù)式（8）計(jì)算出兩組m、n、a、b后，可列寫(xiě)出如下矩陣：

由式（9）可解出X1，X12，而變壓器的短路電抗可表示為：XK=X1+X2。

對(duì)于三相變壓器，只需在每一相單獨(dú)應(yīng)用上述方法即可［4］。

2 變壓器短路電抗在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

本文研制了一臺(tái)變壓器繞組形變?cè)诰€監(jiān)測(cè)裝置。裝置采用“DSP+FPGA”的結(jié)構(gòu)，在DSP與AD芯片之間加入FPGA作數(shù)據(jù)緩存，裝置中的算法處理主要由DSP負(fù)責(zé)完成，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集部分的邏輯控制，這樣的結(jié)構(gòu)可以有效解決算法復(fù)雜性和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的矛盾，使高速數(shù)據(jù)采集與復(fù)雜的繞組形變故障判斷算法得以實(shí)現(xiàn)。變壓器繞組形變?cè)诰€監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

圖3 模擬負(fù)載試驗(yàn)接線圖

試驗(yàn)用變壓器型號(hào)為S11-M-500/10，其中Uk%=6.56，Pk=7259 W，I0%=0.8，P0=892 W。高壓側(cè)：電流互感器選用HL28型標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，精度等級(jí)0.01級(jí)，電壓互感器選用HJ12型標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，精度等級(jí)0.01級(jí)。低壓側(cè)：電流互感器選用HL28-1型電流互感器，精度等級(jí)0.05級(jí)，電壓互感器選用HJ12-1型電壓互感器，精度等級(jí)0.05級(jí)。試驗(yàn)中選用兩臺(tái)變壓器作為模擬負(fù)載運(yùn)行，型號(hào)分別為S11-M-200/10，S11-M-200/35的三相變壓器。試驗(yàn)接線原理圖如圖3所示。

首先將S11-M-200/35型變壓器高壓側(cè)短接，低壓側(cè)接入被試變壓器低壓端，以此作為被試變壓器的模擬負(fù)載，電源側(cè)施加電壓進(jìn)行模擬負(fù)載試驗(yàn)，在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)互感器獲取被試變壓器一二次側(cè)電流、電壓瞬時(shí)值，并算出第一組變量m1、n1、a1、b1；然后將模擬負(fù)載變壓器換為S11-M-200/10型變壓器，同樣將高壓側(cè)短接，低壓側(cè)接入被試變壓器低壓端，進(jìn)行模擬負(fù)載試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置獲取一二次側(cè)電流、電壓，算出第二組變量m2、n2、a2、b2。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 模擬負(fù)載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 短路電抗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)前，通過(guò)短路阻抗分析儀對(duì)變壓器的短路阻抗進(jìn)行離線測(cè)量并以此作為各相在線測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。將變壓器短路電抗的在線計(jì)算結(jié)果與離線值作對(duì)比，如果變化率超過(guò)2%，則說(shuō)明繞組已經(jīng)存在變形，應(yīng)該停機(jī)進(jìn)行檢修（GB1094.5中規(guī)定對(duì)于具有圓形同心式線圈的變壓器不大于2%）［5］。短路電抗的離線測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 短路電抗離線測(cè)量值

在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在線測(cè)量的短路電抗值與離線測(cè)量結(jié)果相比最大相差1.19%，由于測(cè)試系統(tǒng)精度原因，此誤差可判定為由傳感器誤差引起。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)可以看出A、B、C三相的短路電抗變化率均未超過(guò)2%，在國(guó)標(biāo)規(guī)定的范圍之內(nèi)。

3 繞組形變下短路電抗在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)裝置是否可以切實(shí)地檢測(cè)出變壓器的繞組形變故障。使A、B、C三相繞組在繞制的過(guò)程中加入人為故障設(shè)置，在三相繞組存在形變故障的情況下對(duì)變壓器的短路電抗進(jìn)行在線測(cè)量，并與離線時(shí)測(cè)量的短路電抗做對(duì)比。具體的繞組故障設(shè)計(jì)如下：

A相繞組故障設(shè)計(jì)為：低壓繞組輻向壓縮、高壓繞組輻向拉伸。

B相繞組故障設(shè)計(jì)為：低壓繞組不進(jìn)行楔形條及端絕緣的裝加使得繞組軸向松動(dòng)，高壓繞組正常。

C相繞組故障設(shè)計(jì)為：低壓繞組正常，高壓繞組在線圈兩端進(jìn)行繞組端部疊套故障設(shè)計(jì)。

繞組故障下的短路電抗在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 繞組形變下的短路電抗在線監(jiān)測(cè)值

從上圖中可以看出，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與離線測(cè)量短路電抗基準(zhǔn)值相比A相變化率為5.61%，B相變化率為3.18%，C相變化率為7.27%，三相繞組的短路電抗變化均超過(guò)了GB1094.5中規(guī)定的2%，證明了基于短路電抗法在線判斷繞組形變的可行性。

4 短路沖擊試驗(yàn)

當(dāng)繞組發(fā)生微小形變時(shí)，變壓器的短路電抗變化較小，依據(jù)短路電抗法判斷繞組形變較易發(fā)生錯(cuò)誤。為此，當(dāng)繞組發(fā)生微小形變時(shí)，采用振動(dòng)信號(hào)分析法作為短路點(diǎn)抗法的有效補(bǔ)充對(duì)繞組形變故障進(jìn)行判斷［6-7］。

為獲取繞組的微小形變，對(duì)變壓器進(jìn)行了短路沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)中只針對(duì)A相三分接進(jìn)行連續(xù)5次100%IN（此時(shí)短路電流峰值為293.5 A，對(duì)稱短路電流值為138.5 A，此分接下，短路電流最大，繞組所承受的電動(dòng)力也最大，繞組產(chǎn)生的形變也應(yīng)最為明顯）短路沖擊，B、C兩相未單獨(dú)進(jìn)行沖擊。短路試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 短路試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

為獲取短路沖擊前后繞組振動(dòng)信號(hào)的變化情況，分別在沖擊前、后對(duì)變壓器進(jìn)行了負(fù)載試驗(yàn)，測(cè)得其振動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中振動(dòng)傳感器選用BK公司的3050A型數(shù)據(jù)采集設(shè)備，振動(dòng)傳感器選擇朗斯壓電式加速度傳感器LC0154J。試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)定為6.4 kHz，由香濃采樣定理可知，分析頻率為6.4/2=3.2 kHz，圖8、圖9為A相短路試驗(yàn)前、后負(fù)載試驗(yàn)中獲取的變壓器箱體振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形。

圖8 短路試驗(yàn)前A相繞組振動(dòng)時(shí)域波形

圖9 短路試驗(yàn)后A相繞組振動(dòng)時(shí)域波形

從時(shí)域波形中可以看出，沖擊前后繞組的振動(dòng)除了幅值有所增加外并不能看出其他明顯的變化。

圖10 短路試驗(yàn)前、后吊心對(duì)比圖

從吊心對(duì)比圖10中可以看出與試驗(yàn)前相比A相繞組在經(jīng)歷5次短路沖擊后，繞組并未發(fā)生明顯形變。表2為每次沖擊前后測(cè)得的離線短路電抗值。

表2 短路電抗離線測(cè)量值

從表2中可以看出，相比于其他兩相，A相在經(jīng)歷5次短路沖擊后，短路電抗呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但是變化率并未超過(guò)2%。雖符合國(guó)標(biāo)規(guī)定，但相對(duì)與B、C兩相卻發(fā)生了明顯的規(guī)律性增長(zhǎng)，此時(shí)應(yīng)該予以重視。

將時(shí)域波形進(jìn)行快速傅立葉分析，在頻域中觀察其變化特性。如圖11、圖12所示。

圖11 短路試驗(yàn)前A相繞組振動(dòng)頻域波形

圖12 短路試驗(yàn)后A相繞組振動(dòng)頻域波形

從圖中可以看出，短路沖擊前，繞組的振動(dòng)頻率主要集中在0～1 000 Hz范圍內(nèi)，主要分布于50 Hz、100 Hz及其倍頻處。經(jīng)短路沖擊后，其50 Hz、100 Hz頻率處的振動(dòng)幅值明顯增加，其他頻率處的振動(dòng)幅值則相對(duì)減弱。相對(duì)于繞組正常時(shí)的振動(dòng)特性，這種幅頻特性的改變說(shuō)明繞組在經(jīng)過(guò)多次短路沖擊后已經(jīng)發(fā)生了累積形變，它使得頻域中一些頻率成分得到了增強(qiáng)，而另一些頻率成分得到了削弱，這樣的改變帶來(lái)最直接的反映就是發(fā)生繞組形變的變壓器各頻段內(nèi)的能量會(huì)發(fā)生明顯的變化。據(jù)此可以用來(lái)作為診斷繞組是否發(fā)生形變的依據(jù)。

運(yùn)用小波包能量熵算法，對(duì)短路沖擊前后A、B、C三相繞組各頻段能量進(jìn)行分析。由于分析頻率為3.2 kHz，因此對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，分解共得到32個(gè)頻段，每個(gè)頻段代表的頻率范圍為100 Hz，提取出前10個(gè)頻段內(nèi)的能量熵值（對(duì)應(yīng)的頻率范圍為0～1000 Hz）［8-10］。并將它們繪制成折線圖，如圖13所示。

圖13 短路試驗(yàn)前、后能量折線對(duì)比圖

從上圖中可以看出，A相繞組的能量折線圖相比于短路沖擊試驗(yàn)前產(chǎn)生了明顯的變化，第一、二個(gè)頻段內(nèi)能量明顯增高，并分別增高了0.221 4和0.060 0，其他頻段內(nèi)的能量則相對(duì)減小，這也驗(yàn)證了振動(dòng)信號(hào)在頻域中所分析的變化趨勢(shì)。而B(niǎo)、C兩相繞組則相比于短路沖擊試驗(yàn)前基本保持不變。

5 結(jié)論

本文采用了短路電抗法與振動(dòng)分析法相結(jié)合的繞組形變判斷方法，并研制成樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)變壓器繞組發(fā)生較明顯形變時(shí)，短路電抗法可有效的作出反映，短路電抗變化率較為明顯。當(dāng)繞組發(fā)生微小形變時(shí)，短路電抗無(wú)法有效作出反映時(shí)，可用振動(dòng)信號(hào)分析法對(duì)繞組的微小形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有效克服了單一診斷方法對(duì)診斷結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繞組狀態(tài)多參數(shù)、多緯度、多角度的綜合判斷，對(duì)變壓器繞組狀態(tài)的早期預(yù)防及故障診斷具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：龍海波）

An online diagnosis technology for transformer winding deformation failure

WANG Yi-fei
（Department of Automatic Control Engineering,Liaoning Mechatronics College，Dandong 118009，China）

An online fault diagnosis method of winding deformation failure based on short circuit reactance and vibration analysis methods was studied.A short-circuit reactance online monitoring algorithm was proposed to monitor the short-circuit reactance online.The vibration signal processing method based on wavelet packet entropy was used to analyze the vibration signal.Through the simulated load test and short-circuit impact test of S11-M-500/35transformer under winding deformation，the characteristics of short-circuit reactance and vibration signal of transformer under varying deformation were obtained.The results showed that the short-circuit reactance method could reflect the deformation failure of the winding when the winding was serious deformed. When the winding was slightly deformed，the vibration analysis method could be used as an effective supplement to the short-circuit reactance method.The combination of the two diagnostic methods is of great significance to determine the deformation of the transformer winding failure.

short-circuit reactance method；vibration analysis method；winding deformation failure；online diagnosis

TM407

A

1673-4939（2017）03-0168-08

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.04

2017-04-10

王奕飛（1989—），男，碩士研究生，研究方向：電氣裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。