變壓器繞組故障振動監(jiān)測的研究現(xiàn)狀

陳家佳, 紀(jì)冬梅

(上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

電力變壓器是組成復(fù)雜電網(wǎng)以及較大電力系統(tǒng)不可或缺的重要設(shè)備,其安全運行對電網(wǎng)安全具有重大意義。大型電力變壓器的故障主要分為內(nèi)部故障和外部故障2種。內(nèi)部故障主要分為繞組故障、鐵心故障、分接開關(guān)故障及其他故障,是變壓器的主要故障方式。其中繞組故障所占比例很高[1],如2004年全國110 kV及以上電壓等級的變壓器事故中有約70%事故的原因為繞組故障[2]。

根據(jù)電網(wǎng)事故統(tǒng)計分析可知,出口短路故障是導(dǎo)致大多數(shù)變壓器故障的原因。在短路電流的沖擊下,繞組會產(chǎn)生松動及變形,而隨著沖擊次數(shù)的不斷累加,其變形程度也在不斷增加。這將導(dǎo)致繞組在振動加劇的同時,機械性能不斷下降。當(dāng)短路事故再次發(fā)生時,其機械性能下降導(dǎo)致抗短路性能下降,最終導(dǎo)致故障的發(fā)生[3]。在這種情況下,壓緊線圈是變壓器維修的主要方式[4]。

變壓器的安全性能影響其可靠性、電能質(zhì)量和經(jīng)濟成本。電力變壓器發(fā)生災(zāi)難性故障可能會對環(huán)境造成嚴(yán)重影響,如火災(zāi)、變壓器漏油等。因此,對變壓器進行在線監(jiān)測以及故障診斷十分必要。電力變壓器繞組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)能夠在整個電力變壓器生命周期內(nèi)降低成本,提高電力變壓器的可用性和可靠性。故障診斷后采取技術(shù)措施可延長其使用壽命,從而保障電網(wǎng)的安全。由于變壓器故障的主要原因是因繞組變形、繞組和鐵心壓緊松動等引起的機械故障,因此開展變壓器繞組故障診斷研究具有十分重要的意義。

1 變壓器繞組振動機理

變壓器振動方式主要有本體振動、冷卻系統(tǒng)振動以及其他方式等,其中本體振動研究較多,主要包括繞組振動和鐵心振動。圖1為變壓器本體振動來源及傳播途徑示意[5]。

圖1 變壓器振動來源及傳播途徑示意

繞組是變壓器發(fā)生故障較多的部位,因此許多學(xué)者對變壓器振動的產(chǎn)生機理進行了研究。汲勝昌等人[6]認(rèn)為,繞組振動是變壓器在短路過程中的主要振動方式。朱葉葉等人[2]指出,變壓器繞組在經(jīng)受負(fù)載載荷時會產(chǎn)生電磁力,電磁力是引起繞組振動的主要原因。徐志等人[7-8]認(rèn)為,變壓器繞組在電流和磁場的共同作用下產(chǎn)生了令繞組強制振動的驅(qū)動力,并傳遞至變壓器不同部件。幾乎所有類型的故障都會引起電力系統(tǒng)電流的突然增大,從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的故障和已安裝設(shè)備運行不一致,嚴(yán)重影響變壓器的絕緣性能。

繞組之間產(chǎn)生的不同方向的作用力使得其發(fā)生變形。陸楊[3]認(rèn)為,帶有相反電流的繞組之間產(chǎn)生排斥力后,由于實際的繞組結(jié)構(gòu)的高度不對稱,必然會產(chǎn)生軸向分力使繞組之間的高度差繼續(xù)增大。李樹卿等人[9]認(rèn)為,由于變壓器有縱向和橫向的作用力且高壓和低壓繞組中的電流方向相反,使得高壓繞組受到橫向向外的拉伸力,低壓繞組受到指向繞組內(nèi)部的橫向壓縮力,造成繞組在電磁力作用下發(fā)生了不可恢復(fù)的變形,而變形又向著增大且不對稱的方向發(fā)展,最終導(dǎo)致繞組變形的不斷累積。汲勝昌等人認(rèn)為,變壓器在短路狀態(tài)下的振動信號可以用來監(jiān)測繞組線圈的狀態(tài)是否發(fā)生變形或松動。張友強等人[10]認(rèn)為,繞組振動是一個復(fù)雜的機電耦合過程,變壓器繞組所處漏磁場可近似為一個時變函數(shù),漏磁場在空間的分布隨繞組振動及導(dǎo)線位置的變化而發(fā)生變化。

2 變壓器繞組振動模型

2.1 等效力學(xué)模型

變壓器繞組的振動模型主要由等效力學(xué)模型和運動方程組成。文獻[7]將繞組視為由質(zhì)量為m的質(zhì)量塊組成的系統(tǒng),繞組間的阻尼系數(shù)為C,且之間有絕緣墊塊隔開,用彈性系數(shù)為K的彈簧表示,壓緊裝置以彈性系數(shù)KB和KH的彈簧來代替[7]。圖2表示的是繞組建模的物理模型。此模型將每一部分都用相同的系數(shù)代替,為最簡易的模型之一。

圖2 變壓器繞組等效模型

文獻[11]建立的繞組等效系統(tǒng)模型如圖3所示。其中A和B處位移為零,即zA=zB=0;各線餅間墊塊的彈性系數(shù)為K1,K2,K3,…,Kn-1,KB,KH為繞組與絕緣墊塊的彈性系數(shù),假設(shè)線餅狀態(tài)相同KB=K1=K2=…=Kn-1=KH;C1,C2,C3,…,Cn為各線餅的阻尼系數(shù);m1,m2,m3,…,mn為線餅的等效質(zhì)量。F1,F2,F3,…,Fn為各線餅所承載的電磁力;假設(shè)線餅只有z1,z2,z3,…,zn為軸向位移分量。此模型與圖2模型相比,串聯(lián)的每一部分都用不同的系數(shù)代替,但A和B處位移為零。

圖3 變壓器繞組等效系統(tǒng)模型

根據(jù)繞組的結(jié)構(gòu)特點設(shè)置的繞組振動模型如圖4所示。在圖4中,左側(cè)將繞組等效為集中的質(zhì)量塊,其中鐵心的剛度為無窮大,右側(cè)為等效力學(xué)模型,其中A和B端固定,彈性系數(shù)用不同的系數(shù)表示,具體為K1,K2,K3,…,Kn。z為軸向位移分量。線餅的振動系統(tǒng)具有n個自由度。線餅之間絕緣墊塊的力學(xué)性能是非線性的,其剛度會隨著壓力的變化而變化。該模型可以通過比較在不同預(yù)緊力下特定線餅的振動幅值的實測值和分析值,較為準(zhǔn)確地反映振動特性。

圖4 繞組振動模型

2.2 運動方程

根據(jù)牛頓第二運動定律,將繞組看作一個整體質(zhì)量塊的運動,并將繞組所受電磁力代入,得各線圈單元的運動方程[7]為

M′g+2bI0Imcosnwt+

(1)

式中:M′——繞組質(zhì)量;

z——線圈單元的相對位移;

C′——振動的阻尼系數(shù);

K′——剛度系數(shù);

b——磁感應(yīng)強度;

I0——直流分量;

Im——最大電流;

g——重力加速度;

w——電網(wǎng)頻率。

C′=∑C,K′=KB+KH,M=Nm,其中,M,C′為常數(shù),此時假設(shè)繞組忽略壓緊力對振動變化產(chǎn)生的影響,但K′根據(jù)壓緊力的變化而變化,故不是常數(shù)。

求得繞組因所受電動力作用而引起的振動加速度的幅值為[3]

(2)

式中:A——振動加速度;

G——特解系數(shù)。

利用廣義坐標(biāo)形式下的拉格朗日方程可得其微振動方程為[11]

Mz″+Cz′+Kz=Q(t)

(3)

式中:z——各線餅的位移,z=[z1z2…zn]T;

Q——各線餅所受穩(wěn)態(tài)電磁力,Q=[F1F2…Fn]T;

M——系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣,M=diag[mi];

C——系統(tǒng)的阻尼矩陣,C=trid[ci];

K——系統(tǒng)的剛度矩陣,K=trid[ki]。

其中C和K可通過測量或模態(tài)計算獲得。

假設(shè)墊塊彈性系數(shù)保持不變,并遵從胡克定律,為了方便計算,省去阻尼項最終得到的振動模型為

?

(4)

用矩陣可以表示為

MZ″+KZ=F

(5)

曹辰等人[8]提出的繞組振動的動力學(xué)方程為

Mz(t)″+Cz(t)′+Kz(t)=F(t)

(6)

式中:z(t)″,z(t)′,z(t)——變壓器繞組振動的位移、速度及加速度;

k0——結(jié)構(gòu)剛度系數(shù);

c0——結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù);

F(t)——繞組受力。

變壓器繞組是一個典型的復(fù)雜多自由度機械系統(tǒng),而繞組軸向振動是電磁力激勵下的強迫振動,滿足的動力學(xué)方程[12]為

Ms(t)″+Cs(t)′+Ks(t)=F(t)

(7)

式中:s(t),s(t)′,s(t)″——模型節(jié)點處的位移、速度和加速度。

若將繞組視為自由振動,即F(t)=0,忽略阻尼影響,則式(9)可簡化為

Ms(t)″+Ks(t)=0

(8)

3 變壓器繞組的振動監(jiān)測成果

3.1 變壓器振動的監(jiān)測方法

現(xiàn)有在線監(jiān)測電力變壓器的方法主要有振動法和噪聲法,相比噪聲法,振動法在線監(jiān)測電力變壓器更為可行。振動法工作原理是通過振動傳感器在線監(jiān)測繞組或鐵心狀況,通過吸附在變壓器箱體上的加速度傳感器,測得變壓器受短路電流沖擊時的加速度量幅值來間接反映繞組的狀態(tài)。加速度量幅值的大小變化,可以根據(jù)振動速度總振級和振動速度烈度指數(shù)來反映。該方法不需要電氣連接,更加安全可靠,具有更高的測量靈敏度,可以敏銳地反映變壓器繞組狀態(tài)的變化[13]。

3.2 繞組故障振動信號特征

研究表明,電磁力與繞組所受電流的平方成正比。當(dāng)電磁力頻率達到100 Hz時能判別繞組變形和松動故障[14]。電磁力與負(fù)載電流的平方呈線性關(guān)系。電磁力的大小決定著繞組振動加速度的大小。電磁力越大,繞組的振動加速度也越大。負(fù)載電流的平方與繞組振動加速度成正比。

徐志等人[7]利用自制的變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng),進行了變壓器器身的對稱以及不對稱負(fù)載的振動測試試驗,探究了變壓器偏磁振動特征。研究發(fā)現(xiàn),偏磁電流與繞組的振動幅度有關(guān),在負(fù)載情況一樣時,繞組的振動幅度與偏磁電流的關(guān)系成正比;在有相同的偏磁電流時,變壓器在負(fù)載情況下的振動比空載情況下的振動大。POPOV M[15]發(fā)現(xiàn),最大諧振過電壓與勵磁持續(xù)時間和諧振頻率有關(guān)。

3.3 實驗監(jiān)測成果

洪凱星等人[1]通過在變壓器繞組上施加1～10 MPa的壓強發(fā)現(xiàn),在工頻電流下的電磁力的頻率為100 Hz,且呈上下分布。趙宏飛等人[16]在變壓器低壓繞組短路的情況下,通過變壓器高壓側(cè)的電壓調(diào)節(jié)使得通過低壓側(cè)的電流變動,模擬了變壓器在額定運行工況下大電流的情況,證明了基于振動法的短路試驗的研究意義,為在線監(jiān)測提供了參考。陸楊[3]提出的變壓器繞組振動烈度檢測方法具有較高的靈敏度,且能判別連續(xù)沖擊電流下的繞組狀態(tài)。RAHMATIAN M等人[17]提出了串聯(lián)故障和分流故障下的兩種絕緣失效定位方案,在故障監(jiān)測中獲得了較好的結(jié)果。文獻[18]設(shè)計了基于變壓器油中溶解氣體分析方法和粗糙集方法的故障自動診斷系統(tǒng),具有直觀、方便、可擴展性好等特點,測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的有效性。

洪凱星等人[1]發(fā)現(xiàn)繞組的固有頻率與繞組的壓緊力成正比,所提出的模型能反映變壓器繞組的實際振動特性,為電力變壓器振動在線監(jiān)測與故障診斷提供了一個有效的方法。謝坡岸等人[4]證明了變壓器箱壁上的振動加速度隨著內(nèi)部繞組的壓緊狀態(tài)的變化產(chǎn)生較為明顯的波動。陸楊[3]分析了預(yù)緊力與繞組振動加速度之間的關(guān)系,認(rèn)為要保證繞組的固有振動頻率遠離電動力的強迫振動頻率需要有足夠的預(yù)緊力,但由于碰撞等原因,繞組實際的預(yù)緊力會減小。曹辰等人[8]通過有限元的仿真模擬以及負(fù)載試驗,對繞組4種預(yù)緊力情況下的振動特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)隨著繞組預(yù)緊力的減小,繞組振動加速度增大。由此證明了監(jiān)測振動信號可以判別繞組的松動情況。

3.4 實際工程案例

徐晨博等人[14]利用變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)和信息模型,實現(xiàn)了變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。該模型最終在某電力公司500 kV變電站中投入使用。POPOV M[15]對變壓器繞組的諧振效應(yīng)進行了深入的研究和分析,利用一種基于變壓器繞組阻抗矩陣的精確方法來確定諧振。該方法通過測試線圈進行了驗證。

4 結(jié) 語

繞組故障是電力變壓器安全運行的一大隱患,因此對變壓器繞組進行故障檢測十分必要。振動監(jiān)測法可以研究變壓器在不同繞組狀態(tài)下的振動特性,具有一定的適用性。但目前振動監(jiān)測法還存在一定的不足,期待后續(xù)研究在變壓器診斷領(lǐng)域能有進一步的發(fā)展。