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(wǎng)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(wǎng)陜西省電力公司檢修公司,西安710065）

摘要：振動參數(shù)是電力變壓器設(shè)計、安裝調(diào)試與運行的關(guān)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(chǎn)生原理和共振現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，探討了變壓器內(nèi)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(shè)計。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；共振現(xiàn)象；固有頻率測試；油箱；內(nèi)壁；方案設(shè)計

0　引言

電力變壓器振動不但會產(chǎn)生強烈的噪音污染環(huán)境，也會導(dǎo)致電力變壓器在持續(xù)的共振狀態(tài)下產(chǎn)生內(nèi)部磨損，長久下去就會造成設(shè)備損壞，影響生產(chǎn)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(xiàn)諧振現(xiàn)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(chǎn)生的原理

電力變壓器之所以會產(chǎn)生振動是由于它其中的鐵芯、冷卻元件和繞組在設(shè)備運行時本體發(fā)生共振。具體來說就是設(shè)備運行時硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致鐵芯的周期性振動，負(fù)載電流產(chǎn)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(chǎn)生的共同振動使振動聲波均勻的向四周發(fā)射，而冷卻裝置自身產(chǎn)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(jù)調(diào)查，三者共振所產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生共振屬于強迫振動，所以可以假設(shè)油箱所受到的驅(qū)動力為是驅(qū)動力的幅值，作為驅(qū)動力的角頻率出現(xiàn)，因此在單自由度系統(tǒng)的驅(qū)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(chǎn)生的質(zhì)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(yīng)該為：

公式迎合了小阻尼情況下變壓器油箱內(nèi)壁的受迫振動，即阻尼振動和簡諧運動疊加情況。當(dāng)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(dāng)受迫振動完全進入穩(wěn)定的等幅振動周期內(nèi)，就可以表達為：

當(dāng)變壓器的本體振動產(chǎn)生大量的高階諧波時，振動的某一頻率分量就會導(dǎo)致油箱產(chǎn)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(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部的設(shè)備磨損就會縮短它的壽命。為了減少變壓器的故障發(fā)生，應(yīng)該在其油箱內(nèi)壁選取一定的測點進行固有頻率的測試[2]。

2　油箱內(nèi)壁的測點布置

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

由于電力變壓器的主體規(guī)格和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與油箱內(nèi)壁的關(guān)系。可以首先利用加強筋將油箱內(nèi)壁進行幾何分割，變?yōu)槿舾蓚€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(shù)量。如果加強筋將內(nèi)壁分割為L=600mm內(nèi)一個布點，那么它的具體布點原則就應(yīng)該如表1.

表1　電力變壓器油箱內(nèi)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(nèi)壁結(jié)構(gòu)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(nèi)壁可以布置2個測試點。而當(dāng)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(shè)計

3.1測點的選擇布置、

按照上文提到的測點布置方法，應(yīng)該在變壓器的頂端三相鐵芯和油箱內(nèi)壁的四周選擇11個測點，根據(jù)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(nèi)壁的固有頻率測量

無論是設(shè)備內(nèi)元件的單獨振動還是共振，整體上振動系統(tǒng)都屬于線性振動，所以可以根據(jù)已得到的激振力數(shù)據(jù)來對油箱內(nèi)壁的激勵結(jié)構(gòu)進行控制，再通過對輸入輸出信號的測量進行傳遞函數(shù)分析來獲得固有頻率。所以根據(jù)已知的激振力與油箱內(nèi)壁相應(yīng)來導(dǎo)出它們之間的關(guān)系Y(可用導(dǎo)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(xiàn)是輸入力信號，而為頻率比，所以就有：

由上述計算可知，當(dāng)可用導(dǎo)納Y的幅值為1時，它所產(chǎn)生的激勵力響應(yīng)與共振系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)特性曲線相關(guān)，所以在共振頻率下可用導(dǎo)納Y的值會根據(jù)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(diào)理電路數(shù)據(jù)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(yīng)范圍)對油箱表面錘擊，產(chǎn)生激振，此時所產(chǎn)生的力信號就會吸附于已經(jīng)布置好的測點上，測點通過振動傳感器來測量這些力所產(chǎn)生的振動加速度信號，然后利用傳遞函數(shù)分析方法來測量各個測試點在響應(yīng)后所得到的不同固有頻率。這其中力信號所產(chǎn)生的第一個峰值就是共振系統(tǒng)的第一階段固有頻率，按照測試以此類推，再根據(jù)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(jié)果分析

根據(jù)此前在油箱壁上布置的11個測點來測試沖擊力錘所產(chǎn)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(shù)。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(dāng)沖擊力錘敲擊油箱時，在1kHZ范圍內(nèi)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(cè)面的測點，所以可以按照無阻尼的固有頻率公式來推理：

當(dāng)質(zhì)量越大時，它所產(chǎn)生的固有頻率就越低。因為2號點處于油箱頂部，它的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的，因此在這個階段固有頻率很低[3]。

4　總結(jié)

按照本文分析可知，油箱受到共振影響所產(chǎn)生的固有頻率和質(zhì)量有關(guān)，也和其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，但當(dāng)電力變壓器長期處于振動狀態(tài)時，即使是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的油箱頂點也會由于固件的松動而導(dǎo)致其部位的固有頻率升高，這對整個設(shè)備都是相當(dāng)不利的。所以總體來說，該測試對設(shè)備的壽命周期保護具有現(xiàn)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(shù),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(xué),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(shè)備,2013,33(11):165-169.