振動的電力變壓器繞組變形故障診斷新方法

鄧慶民 李靜

摘要：電力變壓器在電力系統(tǒng)運行的過程中起著非常大的作用，電力變壓器可以對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而保證整個電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。在電力變壓器中，振動是引起電力變壓器產(chǎn)生故障的原因之一，同時也是識別變壓器繞組變形故障的重要特征。因此在對電力變壓器進(jìn)行繞組變形故障診斷的時候一定要對電力變壓器的振動狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而分析出電力變壓器的繞組變形故障。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；繞組變形故障；診斷方法

一、變壓器振動信號分析

電力變壓器振動的主要來自于鐵芯和繞組的振動，當(dāng)電力變壓器在正常運行的過程中，硅鋼片的磁致伸縮引起了鐵芯的振動，當(dāng)電流通過繞組的時候，電流會在繞組中間、線餅之間以及線匝之間產(chǎn)生電動力，從而引起繞組的振動。因為作用在導(dǎo)體上的電動力和電流以及磁場強度的乘積和漏磁通與電流形成正比，所以變壓器繞組導(dǎo)體所承受的電動力以及繞組振動的加速度正比與負(fù)載電流的平方，進(jìn)而可以推算出振動信號的基頻是負(fù)載電流基頻的2倍，即是100HZ。變壓器在運行中會產(chǎn)生很多的故障，這些故障的共同點就是振動信號的基頻增加，而且哪怕變壓器內(nèi)部沒有存在故障，那么100HZ分量也會比較大，而且會隨著負(fù)載電流的變化會很明顯。所以說在利用振動信號來判斷變壓器是否出現(xiàn)故障時，僅僅是依靠振動信號100HZ分量的增加是無法正確判斷出變壓器是否有故障的，也無法判斷出變壓器的故障屬于哪一類的故障。所以如果想要快速、準(zhǔn)確的識別出變壓器的繞組辨變形故障，還應(yīng)該結(jié)合其他的特征來進(jìn)行判斷。

在變壓器的磁感應(yīng)中，磁感應(yīng)強度B和磁場強度H之間存在有非線性的關(guān)系，所以如果當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形之后，變壓器振動中就會產(chǎn)生50HZ和150HZ等分?jǐn)?shù)次諧波。通過多次研究發(fā)現(xiàn)，振動信號分量為50HZ和150HZ的都可以作為區(qū)別變壓器變形故障與其他故障的有利依據(jù)。除此之外，在變壓器電流和磁通之間還存在有非線性，而且磁通中還存在有高次諧波的成分。當(dāng)變壓器出現(xiàn)不同故障的時候，變壓器振動的不同頻率的成分變化也有所不同，結(jié)合這些頻率的不同變化就可以對變壓器的故障做進(jìn)一步的判斷。

二、電力變壓器一般振動的診斷方法

在對電力變壓器的故障位置進(jìn)行初步診斷的時候，工作人員一般都是通過延時效應(yīng)來進(jìn)行定位，通過相位差來定位等。在對變壓器的振動故障進(jìn)行監(jiān)測的過程中，首先需要在電力變壓器中選擇一個合適的監(jiān)測點，在下面圖1中我們可以看到在變壓器上有6個可以選擇的監(jiān)測點，但是這6個監(jiān)測點并不是每一個都能有效的監(jiān)測出變壓器的故障，在這六個監(jiān)測點之中，除了第5點之外，其余的1.2.3.4.6點都不能同時對變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的振動進(jìn)行檢測，所以這五個檢測點都不是最合適的監(jiān)測點。所以只有第5點是合適的，只有變壓器正面中間的第五點可以在最短的路徑中獲得變壓器高壓側(cè)以及低壓側(cè)的振動信息。這是在要求選擇一個監(jiān)測點的前提下，最好是選擇第5點，但是如果要對變壓器的各個方面進(jìn)行監(jiān)測，收集振動數(shù)據(jù)，那么其他5個監(jiān)測點也可以使用。

三、電力變壓器繞組變形故障診斷模型和方法

（一）診斷模型

在電力變壓器的運行過程中，當(dāng)電力變壓器的繞組發(fā)生故障的時候，電力變壓器油箱的表面的振動情況也會有所不同，其表現(xiàn)出來的振動信號也會發(fā)生很大的變化，不同頻率段的振動信號會表現(xiàn)出不同程度的衰減或者是增強的現(xiàn)象。因此工作人員需要對振動不同頻率段中的信號進(jìn)行分析，從而獲得電力變壓器的故障信息。

電力變壓器故障征兆和故障原因之間存在很大的關(guān)系，所以在單一頻率變化的基礎(chǔ)上來對變壓器的故障進(jìn)行診斷，那么很容易會使故障診斷出現(xiàn)誤差，不能滿足故障診斷的要求。在電力變壓器利用振動進(jìn)行故障檢測的過程中，與正常的振動信號相比，故障產(chǎn)生的振動信號在同一頻率內(nèi)信號產(chǎn)生的能量會有很大的差別，在這些頻帶中有的信號能量會減小，但是有的信號能量會增大。通過大量的實驗研究，并且結(jié)合電力變壓器出現(xiàn)繞組并行故障后各振動頻帶出現(xiàn)變化的規(guī)律，我們可以建立以下3個診斷特征構(gòu)成的繞組變形故障診斷模型。以下公式為公式（1）

在這三個公式中，ET50ET100ET150ET200這四個分別是變壓器油箱頂面的振動信號50、100、150、200HZ分量的能量值。EF100是變壓器油箱正面中間部分振動信號100HZ分量的能量值，其中公式中的C1C2C3分別是特征1.2.3的特征值。以下公式為公式（2）

要想從監(jiān)測的變壓器油箱表面振動信號來確定繞組的狀況，首先需要根據(jù)以上公式確定在正常與故障狀態(tài)下特征向量T的特征值。

當(dāng)電力變壓器的高、低壓繞組中有一個出現(xiàn)變形后，那么原來頻率幅度值就會出現(xiàn)很大的變化。在變壓器變形故障中，變壓器表面的振動情況和變壓器的繞組的壓緊情況以及變壓器的位移和變形情況息息相關(guān)，變壓器振動頻率變化將引起作為標(biāo)準(zhǔn)特征向量的正常狀態(tài)變壓器振動特征向量的變化。如果變壓器發(fā)生故障，就會導(dǎo)致當(dāng)前特征向量TX與標(biāo)準(zhǔn)特征向量TN進(jìn)行比較，就可以很快的判斷出變壓器的變形故障。

（二）診斷方法

在上文中我們建立了變壓器故障診斷模型，下面就來研究一下故障診斷的具體方法。

步驟1：分別在變壓器正常運行狀態(tài)下和未知狀態(tài)下，對油箱頂部和正面中部的6個監(jiān)測點的振動信號進(jìn)行采集。

步驟2：當(dāng)獲取到變壓器正面中部振動信號基頻分量的能量，如果變壓器在未知狀態(tài)下的故障特征有很明顯的增加，那么就說明在變壓器的內(nèi)部是存在有故障的。

步驟3：在上面兩個步驟完成之后，再利用公式（1）和公式（2）分別計算出繞組正常狀態(tài)下和未知狀態(tài)下的特征向量TX和TN。

步驟4：計算監(jiān)測點1.2.3位置的 ，如果在這其中 都是正值，那么就可以直接判斷出變壓器內(nèi)部存在有繞組變形的故障。

步驟5：在變壓器的6個監(jiān)測點中選擇出變壓器繞組軸向振動的監(jiān)測點，也就是變壓器油箱頂部三相繞組想對應(yīng)的監(jiān)測點即監(jiān)測點1.2.3，如果從這三個監(jiān)測點所獲得的振動信號中，其中有一個監(jiān)測點的振動信號滿足下列方程組： 此公式為公式（3）。在公式（3）中 分被是變壓器監(jiān)測位置1.2.3處 和 的值。通過以上公式就可以初步認(rèn)定監(jiān)測點n的位置就是變壓器發(fā)生故障的位置。

綜上所述，本文主要介紹了通過變壓器的振動頻率來對變壓器進(jìn)行繞組變形故障診斷的方法。首先本文對電力變壓器的診斷信號進(jìn)行分析，然后再對電力變壓器的一般故障診斷方法進(jìn)行簡單敘述。從而讓我們更好的判斷出變壓器的繞組變形故障，為電力變壓器的正常運行提供有利的保障。

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