電力變壓器油箱固有頻率測試及其影響分析

劉伯強,劉　敏（國網陜西省電力公司檢修公司,西安　710065）

電力變壓器油箱固有頻率測試及其影響分析

劉伯強,劉敏
（國網陜西省電力公司檢修公司,西安710065）

摘要：振動參數是電力變壓器設計、安裝調試與運行的關鍵，它影響著變壓器的使用壽命。本文基于電力變壓器的振動產生原理和共振現象出現的原因，探討了變壓器內壁固有頻率測試中點的分布原則和油箱固有頻率測試儀器的方案設計。

關鍵詞：電力變壓器；共振現象；固有頻率測試；油箱；內壁；方案設計

0　引言

電力變壓器振動不但會產生強烈的噪音污染環境，也會導致電力變壓器在持續的共振狀態下產生內部磨損，長久下去就會造成設備損壞，影響生產進程。

1　電力變壓器振動機理分析

本文所研究的是油浸式電力變壓器，這種變壓器油箱存在一定的固有頻率，所以在使用方法方面存在限制性。它在運行時很容易出現諧振現象，增大變壓器在運行時的噪音。本文要做的就是對其進行固有頻率和振動的測量，評價和研究電力變壓器油箱的固有振動意義。

1.1變壓器振動產生的原理

電力變壓器之所以會產生振動是由于它其中的鐵芯、冷卻元件和繞組在設備運行時本體發生共振。具體來說就是設備運行時硅鋼片的磁致伸縮導致鐵芯的周期性振動，負載電流產生了繞組匝間的電動力振動，而冷卻元件中的漏磁引起了變壓器油箱壁的振動。前兩者所產生的共同振動使振動聲波均勻的向四周發射，而冷卻裝置自身產生的振動與噪音也通過磁致接頭將振動間接傳遞給變壓器油箱。據調查，三者共振所產生的噪聲與振動可以以100Hz的基頻進行傳播，而在油箱表面測量也會發現其振動信號中存在大量的高階諧波分量[1]。

1.2共振原理的計算

電力變壓器油箱產生共振屬于強迫振動，所以可以假設油箱所受到的驅動力為是驅動力的幅值，作為驅動力的角頻率出現，因此在單自由度系統的驅動力作用下變壓器油箱的強迫振動運動公式即為：

在公式中，x、y、k表示了共振所產生的質量、阻尼、剛度。將這三個變量帶入公式中，就有：

所以就有：

如果阻尼變量較小時，就可以為上述運動方式列出微分方程，它的解應該為：

公式迎合了小阻尼情況下變壓器油箱內壁的受迫振動，即阻尼振動和簡諧運動疊加情況。當阻尼振動在進行一段時間后，會由于振動頻率的減小而衰減，最終忽略不計。所以當受迫振動完全進入穩定的等幅振動周期內，就可以表達為：

當變壓器的本體振動產生大量的高階諧波時，振動的某一頻率分量就會導致油箱產生較大的共振振幅，而且越來越大。變壓器在這種長期的劇烈共振中將會處于不穩定狀態，內部的設備磨損就會縮短它的壽命。為了減少變壓器的故障發生，應該在其油箱內壁選取一定的測點進行固有頻率的測試[2]。

2　油箱內壁的測點布置

為了進行固有頻率的測試，應該首先在變壓器油箱的內壁進行測點布置。其原則就是按照內壁的加強筋放置來歸納和簡化其內部結構，以便于測點的布置。

由于電力變壓器的主體規格和結構形式都是不同的，所以在進行測點布置時一定要首先考慮加強筋結構與油箱內壁的關系。可以首先利用加強筋將油箱內壁進行幾何分割，變為若干個矩形單元。然后定義每個單元的長度為L，再進行各個單元的尺寸測量，最后在每個單元上確定布點的數量。如果加強筋將內壁分割為L=600mm內一個布點，那么它的具體布點原則就應該如表1.

表1　電力變壓器油箱內壁的測試布點基本原則

按照以上原則，本文利用一臺三相的油浸式電力變壓器，通過它的油箱內壁結構來進行測量布點的研究。如果它的頂部尺寸為1200mmx600mm，那么按照上述原則就可以得知該油箱內壁可以布置2個測試點。而當寬方向為600mm時，可以布置1個測試點。

3　電力變壓器油箱固有頻率測試儀器的具體設計

3.1測點的選擇布置、

按照上文提到的測點布置方法，應該在變壓器的頂端三相鐵芯和油箱內壁的四周選擇11個測點，根據它們來進行振動測量。所以測點的選擇原則如圖1.

3.2變壓器油箱內壁的固有頻率測量

無論是設備內元件的單獨振動還是共振，整體上振動系統都屬于線性振動，所以可以根據已得到的激振力數據來對油箱內壁的激勵結構進行控制，再通過對輸入輸出信號的測量進行傳遞函數分析來獲得固有頻率。所以根據已知的激振力與油箱內壁相應來導出它們之間的關系Y(可用導納)為：

在公式中，X即為油箱表面所測得的振動信號，k為油箱壁表面的剛度，F是輸入力信號，而為頻率比，所以就有：

由上述計算可知，當可用導納Y的幅值為1時，它所產生的激勵力響應與共振系統中的頻率響應特性曲線相關，所以在共振頻率下可用導納Y的值會根據共振頻率的增大而增大，這樣就可以通過Y來判斷出各個階段的共振頻率值。

3.3力輸入錘擊法對固有頻率變化的測試

利用沖擊力錘配合力傳感器、壓電式加速度傳感器以及電荷調理電路數據分析儀等等進行固有頻率的測試。其具體測試方法為用沖擊力錘(沖擊脈寬頻率為3kHz響應范圍)對油箱表面錘擊，產生激振，此時所產生的力信號就會吸附于已經布置好的測點上，測點通過振動傳感器來測量這些力所產生的振動加速度信號，然后利用傳遞函數分析方法來測量各個測試點在響應后所得到的不同固有頻率。這其中力信號所產生的第一個峰值就是共振系統的第一階段固有頻率，按照測試以此類推，再根據測點可以測試出各個峰值下所代表的各個階段固有頻率。

3.4測試結果分析

根據此前在油箱壁上布置的11個測點來測試沖擊力錘所產生振動對各個測點的固有頻率特性影響，具體利用到了固有頻率的傳遞函數。我們以測點布置中的頂點2號點為例，這一點布置于油箱的頂部，當沖擊力錘敲擊油箱時，在1kHZ范圍內它的固有頻率變化如圖2。

如圖2所示，2號點的固有頻率由低變高，最高達到900Hz范圍，主要分為四個階段。它的頻率特性幅值變化小于側面的測點，所以可以按照無阻尼的固有頻率公式來推理：

當質量越大時，它所產生的固有頻率就越低。因為2號點處于油箱頂部，它的結構雖然簡單但是有鐵芯連接，整體承載了來自于繞組和鐵芯的共同重力，所以它的結構是相對穩定的，因此在這個階段固有頻率很低[3]。

4　總結

按照本文分析可知，油箱受到共振影響所產生的固有頻率和質量有關，也和其內部的結構有關，但當電力變壓器長期處于振動狀態時，即使是結構穩固的油箱頂點也會由于固件的松動而導致其部位的固有頻率升高，這對整個設備都是相當不利的。所以總體來說，該測試對設備的壽命周期保護具有現實意義。

參考文獻：

[1]汲勝昌,門陽,劉昱雯等.運行中電力變壓器油箱表面振動特性的研究[J].電工電能新技術,2007,26(02):24-28.

[2]唐志興.三相變壓器共振回路的非周期振動[J].廣西師范大學,2000,12(30):55-56.

[3]趙宏飛,馬宏忠,李凱等.電力變壓器油箱固有頻率測試及其影響分析[J].電力自動化設備,2013,33(11):165-169.