振動(dòng)分析法在變壓器故障診斷及隱患治理中的應(yīng)用

蔡文方，聶 玲，應(yīng)光耀，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.武警士官學(xué)校，杭州 311400）

0 引言

截至2019年6月，國網(wǎng)公司已建成的“九交十直”特高壓交/直流輸電網(wǎng)絡(luò)，工程累計(jì)線路長度27 570 km，成功實(shí)施了國家“西電東送”戰(zhàn)略［1］，是緩解我國能源分布不均及負(fù)荷發(fā)展不平衡的重要載體，同時(shí)適應(yīng)了大規(guī)模清潔能源的安全并網(wǎng)和高效消納。

大型電力變壓器是保證整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，是電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證，一旦發(fā)生故障，不但經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，還可能造成大面積停電［2］，影響范圍甚廣。據(jù)資料顯示，全國運(yùn)行時(shí)間在5年以上的變壓器，平均每100 臺中大約有2.6 臺存在不同程度的故障，涵蓋繞組、主絕緣及引線、套管、分接開關(guān)等。為檢測變壓器運(yùn)行的安全可靠性，國內(nèi)外已逐漸形成幾種相對成熟的檢測方式，包括短路阻抗法、低壓脈沖法、頻率響應(yīng)分析法、超聲波檢測法等。但不同的檢測方法也都存在一定的局限性，比如高靈敏度的短路阻抗法需要大型試驗(yàn)設(shè)備和大容量試驗(yàn)電源，試驗(yàn)周期長；低壓脈沖法抗干擾能力不佳；頻率響應(yīng)分析法對輕微變形檢測效果欠佳等。

近些年，基于振動(dòng)測試的變壓器故障診斷法開始興起，逐漸成為常規(guī)檢測方法的有力補(bǔ)充［3-9］。該方法通過監(jiān)測變壓器的振動(dòng)數(shù)據(jù)并加以分析，可及早發(fā)現(xiàn)變壓器繞組變形、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等故障隱患［10-13］。本文在長期對變壓器振動(dòng)監(jiān)測及故障診斷的基礎(chǔ)上，形成一套行之有效的基于振動(dòng)分析法的故障診斷及隱患治理流程，可為掌握換流站變壓器振動(dòng)狀態(tài)、排除設(shè)備隱患提供技術(shù)支撐。

1 變壓器振動(dòng)測試及故障診斷技術(shù)

1.1 基于振動(dòng)分析法的變壓器故障診斷技術(shù)

不同于傳統(tǒng)的電氣檢測方法，振動(dòng)分析法是從變壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，將其視為由質(zhì)量、剛度、阻尼組成的機(jī)械整體，當(dāng)其中任何結(jié)構(gòu)件發(fā)生位移或受力變化時(shí)，其機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性均會改變，從而在振動(dòng)現(xiàn)象上得到體現(xiàn)。

在鐵心壓緊、硅鋼片結(jié)合足夠緊密的情況下，鐵心的振動(dòng)主要取決于硅鋼片的磁致伸縮。根據(jù)鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度和硅鋼片變形量，得到磁致伸縮率計(jì)算公式如下：

式中：L為鐵心硅鋼片的原始尺寸；ΔL為鐵心硅鋼片最大變形量；εS為硅鋼片的飽和磁致伸縮率；V0為空載電壓；BS為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；Hc為矯頑力。

進(jìn)而得到磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)加速度［14］：

式中：N1為線圈匝數(shù)；A為鐵心橫截面積。

變壓器繞組輻向漏磁將在繞組線餅各層間產(chǎn)生軸向電磁力，引起繞組軸向振動(dòng)，通過建立繞組軸向數(shù)學(xué)模型，可以得到軸向電磁力［15］為：

式中：I為繞組電流；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

可見，磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)加速度與電壓的平方成近似線性關(guān)系，且振動(dòng)基頻分量是空載電壓基頻的2 倍，即100 Hz。繞組的加速度也呈正弦規(guī)律變化，頻率分量主要為50 Hz 的整數(shù)倍，且主要為100 Hz 分量。繞組及鐵心的振動(dòng)通過變壓器本體和絕緣油傳遞到變壓器油箱，因此可以通過在線測量電力變壓器油箱的表面振動(dòng)來監(jiān)測其繞組和鐵心的運(yùn)行狀況［15-16］。

與傳統(tǒng)檢測方法相比，基于振動(dòng)分析法的變壓器診斷技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：因其與變壓器沒有電氣連接，不影響設(shè)備運(yùn)行；不需要停電試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測；不依賴故障發(fā)熱，可提前預(yù)警，故障定位相對準(zhǔn)確。而振動(dòng)分析法的難點(diǎn)在于對振動(dòng)測點(diǎn)的布置及對信號的特征量提取無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，變壓器大小不一，殼體設(shè)計(jì)不同，造成測點(diǎn)布置沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，試驗(yàn)人員一般根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和故障現(xiàn)象，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)制定測點(diǎn)布置方案。另一方面，變壓器油箱表面的振動(dòng)是鐵心、繞組、風(fēng)扇、油泵等結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)經(jīng)過管道、緊固件、變壓器油等各種路徑耦合而來，振動(dòng)源及傳播路徑相對復(fù)雜，要從這些信號中辨別出某一特征量，需要經(jīng)過信號分析、分解等過程［17-18］，給故障的診斷帶來一定難度。特別是還未建立完整的變壓器故障特征量數(shù)據(jù)庫，未實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象與振動(dòng)信號特征量的一一對應(yīng)，也給故障診斷帶來挑戰(zhàn)。

1.2 振動(dòng)測試系統(tǒng)及作業(yè)流程

針對以上難點(diǎn)，結(jié)合多次現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出振動(dòng)分析法測點(diǎn)布置方案、作業(yè)流程。對于變壓器的隱患排查，將其分為振動(dòng)普測及專項(xiàng)檢測，振動(dòng)普查即是通過現(xiàn)場測量，形成振動(dòng)數(shù)據(jù)庫，便于今后分析比較；專項(xiàng)檢測，即針對普查發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)幅值或變化量超標(biāo)的測點(diǎn)，針對性地制定測量方案，通過數(shù)據(jù)分析，研判故障原因并實(shí)施治理，直至振動(dòng)指標(biāo)合格。具體流程如圖1所示。

圖1 基于振動(dòng)分析法的變壓器故障診斷流程

針對大型電力變壓器提出一種振動(dòng)測點(diǎn)布置基本方法，即：把變壓器分為前、后、左、右4部分，每側(cè)變壓器上均勻布置若干測點(diǎn)組，每個(gè)測點(diǎn)組分為上、中、下3個(gè)測點(diǎn)，布置合適的加速度振動(dòng)傳感器［19-21］。同時(shí)，可根據(jù)不同變壓器結(jié)構(gòu)及振動(dòng)的特殊性，適當(dāng)調(diào)整測點(diǎn)布置方案。由傳感器采集變壓器各個(gè)部位振動(dòng)信號，包括幅值、相位及頻譜等，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸駝?dòng)數(shù)據(jù)采集儀，接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行專業(yè)分析。

振動(dòng)測試系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、分析軟件等（如圖2所示）。在專業(yè)軟件中對振動(dòng)頻譜、幅值趨勢、諧波比重進(jìn)行分析，然后經(jīng)小波降噪、希爾伯特變換、盲源分離等信號處理手段提取故障特征矢量，判斷其運(yùn)行狀態(tài)，診斷故障原因并實(shí)施治理。變壓器正常運(yùn)行時(shí)，頻譜以100 Hz 為主，若發(fā)生小于100 Hz 頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)，則主要考慮冷卻系統(tǒng)引起的振動(dòng)；若變壓器振動(dòng)中出現(xiàn)明顯的50 Hz頻譜，則表明變壓器內(nèi)部可能出現(xiàn)了放電故障；若同時(shí)出現(xiàn)50 Hz和150 Hz頻譜，則可能是繞組變形、松動(dòng)引起的磁滯回線不對稱引起的。在故障源定位方面，還輔以模態(tài)測試獲取結(jié)構(gòu)件的固有頻率，鎖定故障源。

圖2 變壓器振動(dòng)測試系統(tǒng)

2 特高壓電抗器放電故障診斷

2.1 故障概況

某1 000 kV 同塔雙回特高壓輸變電工程電抗器于2013 年9 月投入運(yùn)行，額定容量240 Mvar，額定電壓1100/kV，額定頻率50 Hz。2015 年1 月檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)油中色譜有階段性增長趨勢，2 月16 日—3 月26 日緩慢增長，4—8 月油中氣體含量穩(wěn)定，9月11日之后再度增長，數(shù)天后趨于穩(wěn)定，2016 年2 月27 日又再次增長。采用傳統(tǒng)檢測方法未能判斷出乙炔增加的原因，故開展基于振動(dòng)分析法的故障監(jiān)測與診斷分析。

2.2 振動(dòng)監(jiān)測與故障分析

根據(jù)電抗器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定了專項(xiàng)檢測方案，在其本體上依次布置了9個(gè)速度傳感器和4個(gè)加速度傳感器，如圖3所示。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)電抗器振動(dòng)呈現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的異常突增現(xiàn)象：2 月27 日主頻率仍為鐵心振動(dòng)的頻率100 Hz，其他頻率分量均為100 Hz 的倍數(shù)；從2 月28 日20：10 開始，出現(xiàn)了一個(gè)加速度幅值將近15 m/s2的50 Hz 分量，該頻率分量在2 月29 日—3 月8 日的檢測中均有出現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)2A振動(dòng)趨勢

可見，從2 月28 日起，電抗器內(nèi)部出現(xiàn)了一個(gè)非鐵心的振源，振動(dòng)頻率等于工頻50 Hz，而同期乙炔含量也出現(xiàn)明顯增長。振動(dòng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：在乙炔平穩(wěn)期，電抗器的振動(dòng)主頻率為100 Hz，應(yīng)是由鐵心振動(dòng)引起。而在乙炔增長期，疊加了非鐵心振動(dòng)引起的工頻振源。

通過擬合分析繪制出電抗器的振幅分布情況，發(fā)現(xiàn)主要振源為X 柱附近的3V、3A、9V 測點(diǎn)位置，其振幅相對其他測點(diǎn)明顯更大，因此可以判斷箱體的工頻振動(dòng)主要來自鐵心，位于X 柱靠接地引下線側(cè)。

2.3 診斷效果

返廠解體后發(fā)現(xiàn)X 柱芯柱地屏從上至下第34條與第35條銅帶存在明顯放電痕跡，如圖5所示，2 張地屏中的第34 條銅帶均存在斷裂。根據(jù)故障現(xiàn)象及解體檢查結(jié)果可判斷，X 柱心柱地屏銅帶放電是引起該臺電抗器油色譜多次異常的主要原因，振動(dòng)在線監(jiān)測很好地實(shí)現(xiàn)了對故障源的定位。同時(shí)，A 柱地屏的銅排皺褶和局部黑色痕跡經(jīng)檢驗(yàn)為初步的間歇性放電痕跡［22］，即為缺陷發(fā)展前期征兆，這與振動(dòng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的2處高振動(dòng)幅值相契合，也驗(yàn)證了振動(dòng)分析法在設(shè)備早期故障診斷上有一定的優(yōu)勢。

圖5 X柱地屏搭接內(nèi)、外層放電痕跡

3 ±800 kV換流變冷卻器結(jié)構(gòu)共振治理

3.1 故障簡介概況

某±800 kV 特高壓直流工程的受端換流站極II 高端換流變壓器額定容量為384.2 MVA，額定電壓510/kV（網(wǎng)側(cè)）/163/kV（閥側(cè)），配備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。

2019 年3 月，在設(shè)備運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)變壓器冷卻回油匯流管道振動(dòng)異常偏大，平均幅值在150 μm以上，最大振動(dòng)幅值超過180 μm，且存在波動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，規(guī)律不明顯，無法判斷故障原因，威脅到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 振動(dòng)測試分析

為全面評估設(shè)備的整體振動(dòng)狀況，3月13—14日，現(xiàn)場根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象制定了振動(dòng)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)等進(jìn)行測點(diǎn)布置，如圖6所示。

圖6 極II高端換流變壓器及其冷卻器測點(diǎn)布置

由表1監(jiān)測結(jié)果可以看出，各結(jié)構(gòu)件測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：

1）當(dāng)1號冷卻風(fēng)扇組的第一臺風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，油管路振動(dòng)最大；測點(diǎn)6 處的水平振動(dòng)為181 μm，而垂直測點(diǎn)7和軸向測點(diǎn)8振動(dòng)分別為10 μm和26 μm；各方向振動(dòng)差距明顯，水平振動(dòng)最大，垂直與軸向振動(dòng)較小。

2）油管道端部位置水平振動(dòng)最大，向中間位置振動(dòng)逐漸遞減，差異明顯，如表1 中測點(diǎn)5、6所示。

表1 各測點(diǎn)振動(dòng)幅值

3）變壓器本體振動(dòng)、地腳振動(dòng)僅5 μm以下。

4）冷卻風(fēng)扇、地腳、油管路振動(dòng)以10 Hz的分量為主；變壓器本體振動(dòng)頻譜以100 Hz分量為主。

根據(jù)上述振動(dòng)特征可以排除變壓器本體故障及地腳連接松動(dòng)的可能，10 Hz的故障頻率并不是變壓器鐵心或繞組的特征頻率，初步判斷為結(jié)構(gòu)剛度偏弱或存在共振現(xiàn)象。通過現(xiàn)場模態(tài)試驗(yàn)分析，得出的頻響函數(shù)顯示該油管路的一階固有頻率為9.98 Hz，如圖7 所示，這與風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率一致，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)共振的判斷［23］。

圖7 油管道模態(tài)試驗(yàn)頻響函數(shù)

3.3 故障治理

結(jié)構(gòu)共振的治理一般從兩方面實(shí)施：一是排查冷卻風(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［24-25］。經(jīng)處理，結(jié)構(gòu)固有頻率下降至9.31 Hz，阻尼大幅提升，最終將油管路整體振動(dòng)降至40 μm以下，達(dá)到優(yōu)秀值，如圖8所示。

圖8 換流變冷卻器振動(dòng)治理效果

4 監(jiān)測電網(wǎng)擾動(dòng)對變壓器運(yùn)行的影響

4.1 直流系統(tǒng)投運(yùn)對變壓器振動(dòng)的影響

2010 年5 月初，在±800 kV 復(fù)奉直流系統(tǒng)調(diào)試階段，奉賢站將進(jìn)行1 600 MW單極大地回線方式運(yùn)行，為了評價(jià)其對周邊變壓器和電磁式互感器的影響，對奉賢站接地級周邊的部分500 kV 變電站和220 kV 變電站主變中性點(diǎn)直流分量、主變噪聲和振動(dòng)及GIS的振動(dòng)進(jìn)行測試。

汾湖站500 kV主變各個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)的監(jiān)測顯示，直流投運(yùn)對汾湖500 kV主變的振動(dòng)沒有直接影響，其振動(dòng)幅值及頻率均變化不大；而試驗(yàn)期間共建220 kV 變壓器的振動(dòng)監(jiān)測顯示，在直流電流投運(yùn)過程中各測點(diǎn)振動(dòng)均明顯增大，振動(dòng)主頻300 Hz的幅值上升明顯，其他頻率的幅值也有一定程度的上升，包括250 Hz、350 Hz、400 Hz、450 Hz分量，如圖9所示。

圖9 直流投運(yùn)前后共建站主變振動(dòng)頻譜分量

4.2 單極不平衡運(yùn)行對主變振動(dòng)的影響

1）振動(dòng)幅值明顯增加。復(fù)奉直流雙極平衡運(yùn)行時(shí)，嘉興二期主變油箱表面振動(dòng)幅值僅2～3 mm/s，切換為單極不平衡運(yùn)行時(shí)，油箱表面的振動(dòng)急劇增大，振動(dòng)最大的測點(diǎn)幅值達(dá)到了11.5 mm/s，現(xiàn)場振感明顯。

2）振動(dòng)頻譜明顯豐富。復(fù)奉直流雙極平衡運(yùn)行方式下，嘉興二期主變油箱表面振動(dòng)以300 Hz頻率為主，切換為單極不平衡運(yùn)行方式后，250 Hz、300 Hz、350 Hz頻率成分的幅值均明顯增加，如圖10所示。

圖10 單雙級運(yùn)行頻譜比較

同樣，杭州500 kV喬司變、金華500 kV雙龍變在運(yùn)行中也出現(xiàn)多次不明原因的振動(dòng)、噪音異常增大現(xiàn)象，且持續(xù)一段時(shí)間后又恢復(fù)正常。通過監(jiān)測振動(dòng)數(shù)據(jù)及時(shí)指導(dǎo)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式后，變電站異常噪聲和振動(dòng)情況均得到改善。

5 結(jié)語

在特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)發(fā)展的趨勢下，系統(tǒng)運(yùn)行方式將越來越復(fù)雜，通過采用振動(dòng)分析法對變壓器及其電抗器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，可及早發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)擾動(dòng)、運(yùn)行方式對設(shè)備的危害情況，在保障設(shè)備安全、維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定方面具有一定的優(yōu)越性。

電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式對電力設(shè)備的振動(dòng)影響不一，且與設(shè)備在電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)，電力潮流等影響因素及機(jī)理還有待深入探討。另外，對變壓器振動(dòng)測點(diǎn)的布置還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對技術(shù)人員的專業(yè)水平及經(jīng)驗(yàn)依賴較強(qiáng)。而故障類型與特征頻率的對應(yīng)關(guān)系還有大量工作要做，典型的變壓器故障數(shù)據(jù)顯得尤為寶貴。

振動(dòng)分析法通過完整的測點(diǎn)布置方案、監(jiān)測分析、診斷處理等成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對電抗器局部放電的精準(zhǔn)診斷，完成對結(jié)構(gòu)共振的有效治理，監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行方式改變對設(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備內(nèi)部缺陷的診斷和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評估，是對傳統(tǒng)故障診斷方案的有力補(bǔ)充。