大型電力變壓器冷卻器振動故障診斷與處理

蔡文方，應(yīng)光耀，葛賢祥，馬思聰，李衛(wèi)軍，王在華

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.巨人通力電梯有限公司溫州分公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

我國能源資源與負(fù)荷中心分布不均的特征明顯，水利資源主要集中在西南數(shù)省，煤炭資源主要集中在山西、陜西和內(nèi)蒙古西部地區(qū)，太陽能、風(fēng)能等新能源資源也主要分布在西部、北部地區(qū)，而負(fù)荷中心主要集中在東部沿海地區(qū)[1]。為緩解這一矛盾，國家積極推動“西電東送”戰(zhàn)略，滿足大容量、遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸電要求，同時適應(yīng)了大規(guī)模清潔能源的安全并網(wǎng)和高效消納。

大型電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，是保證整個電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。變壓器一旦發(fā)生故障不但經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，檢修時間長，嚴(yán)重時還可能造成大面積停電，擾亂正常的社會活動和企業(yè)生產(chǎn)[2]，影響范圍很廣。因此，對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測不容忽視。近些年，基于振動測試的變壓器故障診斷法開始興起，逐漸成為常規(guī)方法的有力補(bǔ)充。該方法通過檢測變壓器的振動及對振動數(shù)據(jù)的分析，可判斷變壓器的運(yùn)行狀況，及早發(fā)現(xiàn)變壓器繞組變形、結(jié)構(gòu)松動等故障隱患[3-7]。本文介紹了某直流換流站變壓器冷卻器振動異常偏大故障，通過現(xiàn)場詳細(xì)的振動測試，準(zhǔn)確診斷故障原因，通過改變結(jié)構(gòu)連接剛度，將振動降為優(yōu)秀值，保證主設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 設(shè)備及故障簡介

1.1 設(shè)備概況

某換流站為±800 kV特高壓直流工程的受端站，全站共有28臺換流變壓器（以下簡稱“換流變”），單臺容量為384.2 MVA，4座12脈動換流閥，6回500 kV交流出線，4大組16小組交流濾波器，總?cè)萘繛? 820 Mvar。其中極Ⅱ高端換流變8211BY/Y A相變壓器，額定電壓510/kV/163 kV/kV，總重量516 t。

極Ⅱ高端換流變冷卻器為強(qiáng)迫油循環(huán)雙回路風(fēng)冷卻器，每臺換流變4組冷卻器，每組冷卻器包含4臺風(fēng)扇、1臺潛油泵和1臺油流指示器。冷卻器結(jié)構(gòu)如圖1所示，每組冷卻器潛油泵將換流變本體頂部的油吸至冷卻器內(nèi)部換熱管內(nèi)進(jìn)行換熱，經(jīng)過冷卻后的油從底部兩根油管回流至換流變壓器本體內(nèi)，循環(huán)往復(fù)，將換流變運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過油循環(huán)完成換熱，使換流變壓器油溫始終保持在適宜的范圍內(nèi)。

圖1 極Ⅱ高端換流變及其冷卻器

1.2 振動現(xiàn)象

在近期運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)換流變冷卻回油匯流管道振動異常偏大，振動值明顯高于其他相的油管道振動。據(jù)運(yùn)檢人員反映，位于4號冷卻風(fēng)扇組背面的油管道振動最大，幅值平均在150 μm左右，最大振動幅值超過180μm，且存在波動不穩(wěn)定現(xiàn)象，振動規(guī)律不明顯，無法判斷故障原因，已威脅到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)場急需明確故障原因，評估主設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并采取有效減振措施保證設(shè)備及電網(wǎng)的安全。

2 振動測試分析

2.1 測點(diǎn)布置

2019年3月13—14日，根據(jù)振動現(xiàn)象及特征，為完整獲得設(shè)備的整體振動數(shù)據(jù)，現(xiàn)場制定了振動測量方案，對換流變壓器本體、冷卻風(fēng)扇、油管路、循環(huán)油泵、支承結(jié)構(gòu)等設(shè)備進(jìn)行長時間振動監(jiān)測，以明確故障機(jī)理，從而指導(dǎo)后續(xù)的診斷及治理工作?，F(xiàn)場重要測點(diǎn)布置如圖2—3所示，其中測點(diǎn)1，2為風(fēng)機(jī)的垂直、水平振動；測點(diǎn)3，4為冷卻器支撐地腳垂直振動；測點(diǎn)5，6為油管道水平振動；測點(diǎn)7為油管道垂直振動；測點(diǎn)8為油管道軸向振動；測點(diǎn)9，10為變壓器本體振動。

圖2 冷卻器測點(diǎn)布置

圖3 油管道測點(diǎn)布置

2.2 振動測試

分別對1—4號冷卻風(fēng)扇組單獨(dú)啟動時的油管道振動情況進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)件測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：

（1）在切換冷卻風(fēng)扇組時，油管道振動變化明顯。當(dāng)1號風(fēng)冷卻風(fēng)扇組啟動時，油管道振動最大，振動幅值在106～181μm波動；2號、3號冷卻風(fēng)扇組啟動時，油管道振動幅值在25～88 μm波動；4號冷卻風(fēng)扇組啟動時，油管道振動最小，振動幅值在30～51μm波動，如表1所示。

表1 不同風(fēng)扇組啟動時油管道振動 μm

（2）進(jìn)一步測試表明，當(dāng)1號冷卻風(fēng)扇組的第一臺風(fēng)機(jī)啟動時，油管路振動最大。測點(diǎn)6處的水平振動幅值為150μm時，垂直測點(diǎn)7與軸向測點(diǎn)8振動幅值分別為10μm和26μm?？梢姼鞣较蛘駝硬罹嗝黠@，水平振動最大，垂直與軸向振動較小，數(shù)據(jù)見表2。

表2 1號冷卻風(fēng)扇啟動時各測點(diǎn)振動值 μm

（3）油管道上的測點(diǎn)6振動明顯大于測點(diǎn)5振動；進(jìn)一步測試表明，油管道水平振動端部最大，向中間位置振動逐漸減小，差異明顯。

（4）變壓器本體振動始終無變化，期間均保持在10μm左右；地腳測點(diǎn)僅5μm以下，無變化，參見表2。

（5）冷卻風(fēng)扇測點(diǎn)1和2，地腳測點(diǎn)3和4，油管路振動測點(diǎn)5—8的頻譜均以10 Hz的分量為主，如圖4—5所示；變壓器本體測點(diǎn)9，10的頻譜以100 Hz分量為主，見圖6（以1號冷卻風(fēng)扇組啟動時的振動為例）。

（6）1號冷卻風(fēng)扇自身振動測點(diǎn)振動偏大，測點(diǎn)2振動幅值為64μm。

2.3 結(jié)果分析

圖4 風(fēng)機(jī)測點(diǎn)2振動頻譜

圖5 油管道測點(diǎn)6振動頻譜

圖6 變壓器本體測點(diǎn)10振動頻譜

根據(jù)上述振動特征可以得出以下結(jié)論：

（1）變壓器本體振動較小，且不受運(yùn)行狀態(tài)的影響，可以排除變壓器本身存在故障[8-9]。

（2）冷卻器地腳振動幅值很小，地腳連接、受力良好，不存在松動。

（3）冷卻風(fēng)扇組啟停與油管道振動緊密相關(guān)，同時所測油管道的振動頻譜以10 Hz分量為主，與換流變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率一致（600 r/min），而與循環(huán)油泵的運(yùn)行頻率不符（1 450 r/min），與變壓器本體振動頻譜也不符（100 Hz），由此可判斷振動激振力來自冷卻風(fēng)扇。

（4）油管路水平振動明顯大于其他兩個方向振動，測點(diǎn)6振動幅值明顯大于測點(diǎn)5振動幅值，且根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)，測點(diǎn)6位于油管路末端，處于懸臂狀態(tài)，判斷其剛性偏弱。

（5）試驗(yàn)表明，當(dāng)1號風(fēng)機(jī)振動幅值為65μm左右時，振動油管道測點(diǎn)6振動幅值達(dá)150μm以上，最大時會波動到180μm，明顯大于風(fēng)機(jī)本身的振動，即風(fēng)機(jī)的激振力導(dǎo)致的振動在油管道處被放大，這表明該結(jié)構(gòu)剛度偏弱或存在共振現(xiàn)象。

為驗(yàn)證該結(jié)論，現(xiàn)場對該油管路進(jìn)行固有頻率測試，其頻率響應(yīng)函數(shù)顯示其一階固有頻率為9.98 Hz，如圖7所示，與冷卻風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速重合，故引發(fā)結(jié)構(gòu)共振。

圖7 油管道頻率響應(yīng)函數(shù)

3 處理措施

通過以上振動測試分析，故障原因明確為由于冷卻風(fēng)扇的激勵，冷卻器油管路共振而引起的振動放大現(xiàn)象。換流變冷卻器整體由油管路、散熱片、冷卻風(fēng)機(jī)、油泵、表計及相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接件眾多，某處的連接松動、過緊等都直接關(guān)系局部的連接剛度，甚至影響整體的固有頻率[13-14]。據(jù)此，可從兩方面實(shí)施現(xiàn)場故障治理：一是排除冷卻風(fēng)扇本身是否存在故障，對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行檢查、更換，盡可能降低激振力；二是調(diào)整結(jié)構(gòu)的支撐剛度，使整體固有頻率避開激振力頻率，消除共振。

3.1 減小激振力

拆下1號風(fēng)扇消音器，未發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇及電機(jī)有明顯缺陷，為避免風(fēng)扇葉片角度、安裝同心度等存在偏差，現(xiàn)場更換1號冷卻風(fēng)扇葉片，檢查、緊固電機(jī)地腳螺栓。處理后再次啟動，風(fēng)機(jī)振動幅值降為40μm，油管路振動幅值在120～130μm，見圖8。可見，更換新葉片減小了激振力，但油管路振動沒有得到同比例的下降，問題的根源不在于冷卻風(fēng)扇。

圖8 更換風(fēng)扇后油管路振動趨勢

3.2 調(diào)整連接剛度

現(xiàn)場觀察冷卻器結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇組通過結(jié)構(gòu)框架支撐，地腳螺栓振動較小（參見表2），未見松動，檢查其他各連接部件也未發(fā)現(xiàn)有松動跡象。但發(fā)現(xiàn)開關(guān)油散熱器（見圖9），其通過單側(cè)螺栓固定在變壓器油管路上（見圖10），其整體振動也異常偏大。根據(jù)振動現(xiàn)象及測試數(shù)據(jù)分析，判斷該處連接剛度偏弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率下降，落入風(fēng)扇工作頻率附近，引發(fā)共振。

圖9 開關(guān)油散熱器

圖10 開關(guān)油散熱器連接

共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受激勵的頻率與其某階固有頻率接近時，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。通常情況下共振是有害的，會引起機(jī)械和結(jié)構(gòu)很大的變形和動應(yīng)力，甚至造成破壞性事故。

共振時的激勵頻率稱為共振頻率，近似等于機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率。對于最簡單的單自由度系統(tǒng)，其固有頻率為，為防止共振可以從兩方面改變結(jié)構(gòu)的固有頻率：改變剛度k和改變參振質(zhì)量m，從而使機(jī)械的固有頻率避開激勵頻率[15-16]。對于已有的結(jié)構(gòu)，改變質(zhì)量往往不現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)場從改變結(jié)構(gòu)剛度入手具有可操作性。

對該連接螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，并加裝橡膠墊，改變整體支撐剛度，從而使系統(tǒng)的固有頻率避開激振頻率，同時增加阻尼，從而達(dá)到減振效果，如表3所示。

表3 處理前后油管路固有頻率及阻尼

現(xiàn)場在專業(yè)振動儀器監(jiān)測下，通過剛度調(diào)整，振動幅值有明顯下降，最終將油管路整體振動幅值降至40μm以下，達(dá)到優(yōu)秀值，如圖11所示。

圖11 調(diào)整連接剛度后油管路振動趨勢

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場測試分析，定位振動激勵源在冷卻風(fēng)扇上，但導(dǎo)致振動異常偏大的根本原因是結(jié)構(gòu)剛度存在問題?，F(xiàn)場通過結(jié)構(gòu)件的連接剛度，改變系統(tǒng)固有頻率，從而使其避開風(fēng)扇的工作頻率，避免結(jié)構(gòu)共振，將油管道振動降至優(yōu)秀值，保證了設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大型電力變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場振動測點(diǎn)的布置需要通盤考慮及重點(diǎn)監(jiān)測，完整的振動測量方案才能提供完備的振動數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)故障診斷與準(zhǔn)確定位的前提。對于結(jié)構(gòu)共振故障，現(xiàn)場首選還是將激振力降低到最小程度，在改變固有頻率方面，對于已有的結(jié)構(gòu)，改變質(zhì)量往往不現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)場改變結(jié)構(gòu)剛度往往具有可操作性。