油浸式變壓器繞組振動影響因素研究

閆志強，雷 霞，何建平，李琪菡

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

油浸式變壓器繞組振動影響因素研究

閆志強1，雷 霞1，何建平1，李琪菡2

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039； 2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065)

變壓器繞組振動信號能夠反應(yīng)其繞組運行狀態(tài)。為了研究變壓器繞組振動的影響因素，在分析繞組振動產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，將負(fù)載電流和軸向預(yù)緊力對繞組振動的影響進行了理論分析。采用短路電流法對變壓器在不同電流下的振動信號、溫升實驗下的連續(xù)振動信號進行了測試，并進行了模擬繞組松動故障測試。測試結(jié)果與理論分析一致：繞組振動隨負(fù)載電流的增大而增強，隨軸向預(yù)緊力增強而減弱，隨溫度上升而下降。結(jié)果可對進一步研究基于振動信號的變壓器故障診斷技術(shù)提供參考。

變壓器；繞組振動；繞組松動；影響因素

0 引言

變壓器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，隨著運行年限的增加，鐵心松動與繞組松動等問題將大大降低變壓器承受短路沖擊的能力，進而造成電力系統(tǒng)故障，因此監(jiān)測變壓器鐵心和繞組狀態(tài)對變壓器穩(wěn)定運行有著重要意義。變壓器本體主要由鐵心、繞組、油箱以及冷卻設(shè)備組成。運行過程中，繞組負(fù)載電流產(chǎn)生電動力引起繞組振動，振動隨繞組電流的變化而變化，當(dāng)繞組變形或松散時，繞組振動信號將發(fā)生變化，因此可以通過測量變壓器振動信號，從而監(jiān)測變壓器繞組狀態(tài)。

在變壓器繞組振動方面國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了大量的研究，其中Watts等人對繞組的模型以及在短路沖擊下的振動特性進行了研究[1-3]；Uchiyama等研究了絕緣墊塊對繞組振動的影響[4]；中國電科院王洪方建立了變壓器繞組軸向非線性振動的數(shù)學(xué)模型，并研究了軸向預(yù)緊力與繞組軸向振動特性的關(guān)系[5-7]；西安交通大學(xué)汲勝昌從理論與實驗2個方面研究了變壓器振動與負(fù)載電流、軸向預(yù)緊力等的關(guān)系[8，9]。中國科技大學(xué)吳書有建立了變壓器振動預(yù)測模型，結(jié)合繞組振動理論對變壓器繞組變形進行了人為故障設(shè)置[10]，利用振動預(yù)測模型對繞組故障進行初步診斷。目前在繞組振動方面的研究，主要是在模型建立及實驗室模擬方面。

本文在對變壓器繞組振動產(chǎn)生機理進行分析的基礎(chǔ)上，研究了影響變壓器繞組振動信號的因素，如電流、軸向預(yù)緊力、運行溫度等。采用短路電流法進行了不同電流下的繞組振動信號測試、連續(xù)溫升實驗下的振動信號測試及模擬繞組松動故障測試。加速度幅值分析及基于快速傅里葉分析法(FFT)的頻域分析表明：繞組振動信號強弱與負(fù)載電流呈正相關(guān)，與繞組軸向預(yù)緊力大小呈負(fù)相關(guān)，隨溫度上升，變壓器絕緣油粘度下降，繞組振動強度減弱。

1 變壓器繞組振動機理

1.1 變壓器振動信號傳播途徑

變壓器的振動由其內(nèi)部的鐵心、繞組、冷卻裝置、有載調(diào)壓開關(guān)等零件的振動組成。不同部件引起的振動在頻率上有所不同：在小于100 Hz的低頻段集中的是由冷卻系統(tǒng)工作產(chǎn)生的冷卻設(shè)備振動；而由有載調(diào)壓分接開關(guān)動作導(dǎo)致的振動分布在大于100 Hz的頻段[11-12]。變壓器本體的振動是由繞組和鐵心振動組成，是變壓器振動的主要組成部分。

變壓器本體和冷卻裝置引起的振動會通過各種途徑向油箱傳播，圖1為變壓器振動傳播途徑示意圖。

圖1 變壓器振動信號傳播路徑示意圖

由圖1可知，變壓器箱體內(nèi)的絕緣油是本體部件的振動向外傳遞的主要介質(zhì)：繞組振動經(jīng)絕緣油向油箱傳遞，鐵心振動通過絕緣油及墊腳和緊固螺栓等支撐單元向箱體傳遞。對于存在冷卻裝置的變壓器、風(fēng)扇或油泵等冷卻結(jié)構(gòu)的振動也通過支撐單元傳遞至油箱表面。由此可知，變壓器絕緣油和支撐單元是變壓器振動信號傳遞過程中的重要介質(zhì)。

由實驗可得，變壓器本體振動和附加設(shè)備(冷卻系統(tǒng)、調(diào)壓開關(guān)等)的振動信號在頻率上區(qū)別明顯：只有存在于100 Hz以下的信號來自冷卻設(shè)備的振動，因此可以使用濾波等手段將振動信號分離，分別進行分析[13]。而變壓器的本體振動，即繞組和鐵心的振動特性與繞組、鐵心的壓緊狀況、繞組的位移和變形密切相關(guān)，故變壓器箱體表面的振動信號可以反映變壓器繞組及鐵心的狀況。

1.2 繞組振動產(chǎn)生機理

變壓器繞組上下都有鐵厄壓緊固定，主體由絕緣墊塊和銅線段組成，運行時受繞組內(nèi)部電流與漏磁場產(chǎn)生的電磁力的影響，是由粘彈性聯(lián)系的實體線段組成的機械系統(tǒng)[14]。

2 影響變壓器繞組振動的因素

變壓器在運行過程中受各種因素的影響，包括電流、電壓、功率因數(shù)、諧波等，這些因素都會對振動信號產(chǎn)生影響。本文主要分析繞組電流、軸向預(yù)緊力及絕緣油粘度對繞組振動信號的影響。

2.1 繞組電流

假設(shè)變壓器穩(wěn)態(tài)運行時繞組電流為：

it=Imcosωt

(1)

式中：Im為穩(wěn)態(tài)短路電流幅值；ω為電流角頻率。

繞組線圈所處位置漏磁場可近似認(rèn)為是時變函數(shù)，隨繞組振動、導(dǎo)線位置而變化，漏磁場在空間的分布也是時變的[13]。根據(jù)畢奧-沙伐爾定律，導(dǎo)體L在某點處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為：

(2)

(3)

繞組中電流在軸向產(chǎn)生軸向漏磁場Bzt，軸向漏磁場與繞組電流相互作用產(chǎn)生輻向力Fx；同樣，繞組電流在輻向產(chǎn)生輻向漏磁場Bxt，輻向漏磁場與負(fù)載電流相互作用產(chǎn)生軸向力Fz。根據(jù)洛侖茲力公式可求得這2個力分別為[15]：

Fx=itBzt·2πR

(4)

Fz=itBxt·2πR

(5)

式中：R為繞組圓環(huán)半徑。將軸向及輻向電磁力進行整合，繞組所受電磁力為：

(6)

從式(6)可知，變壓器繞組所受電磁力與電流平方成正比，即隨電流上升繞組振動加強；繞組振動基頻為電網(wǎng)頻率的2倍，一般為100 Hz，且不隨電流的變化而變化。

2.2 軸向預(yù)緊力

變壓器的穩(wěn)定運行與變壓器的軸向預(yù)緊力緊密相關(guān)，只有當(dāng)變壓器的軸向預(yù)緊力大于短路電動力的時候才能保證變壓器不發(fā)生失衡故障[16]。

正常運行時繞組的軸向預(yù)緊力總是大于短路力，保證了變壓器的正常運行，因此變壓器的振動信號不會發(fā)生太大的變化。但是若繞組的軸向預(yù)緊力下降，當(dāng)變壓器發(fā)生短路且短路電流達到足夠使軸向短路力大于軸向預(yù)緊力的時候，在軸向短路力的沖擊下會導(dǎo)致[17-22]：

1)繞組內(nèi)部摩擦力增大導(dǎo)致線餅與絕緣墊塊間的匝間絕緣破損，進而引起短路。

2)當(dāng)變壓器發(fā)生短路時，若繞組中已經(jīng)存在線餅和絕緣墊塊的松動，在短路力的沖擊下，松動部位將發(fā)生位移，導(dǎo)致線餅和墊塊的坍塌等。

因此，當(dāng)繞組軸向預(yù)緊力變化時，會導(dǎo)致變壓器的運行狀態(tài)的變化，進而影響其振動信號特征量。而繞組線圈的松動，絕緣墊塊的老化等因素都會導(dǎo)致繞組軸向預(yù)緊力的下降。

2.3 溫度對變壓器繞組振動的影響

由前文分析可知，變壓器絕緣油是變壓器振動信號傳播的重要介質(zhì)，絕緣油的性能受溫度、電場、水分、氧氣等多種因素的影響[23]。所以，絕緣油的性能變化時，變壓器箱體的振動信號也會發(fā)生改變。其中，絕緣油的粘度對變壓器振動信號傳遞有較大影響，而粘度又受溫度影響。絕緣油的粘度隨溫度上升而下降，變壓器常用的礦物油粘度隨溫度變化情況如表1所示。由表1可知，絕緣油的粘度隨溫度升高而指數(shù)下降。

表1 礦物絕緣油粘度

繞組電動力不變時，溫度上升，絕緣油粘度下降，流動速率下降，相同時間內(nèi)箱體位移減小，則箱體的振動幅值減小。

3 繞組振動測試點布置

圖2 變壓器測試布點位置

一般認(rèn)為變壓器空載試驗測得的振動信號為鐵心振動信號，因為空載電流小，繞組振動小，可忽略；短路試驗測得的振動信號為繞組振動信號，因為短路時繞組電流大，繞組振動大，而短路時變壓器所加電壓低，磁通小，鐵心振動小，可忽略。本文采用短路電流法進行繞組振動信號測試。

測試時選用PCB公司的三軸壓電式加速度傳感器以及NI公司的數(shù)據(jù)采集儀對變壓器繞組的振動信號進行測試，并改變其負(fù)載電流大小以研究電流對變壓器振動的影響。

在振動測試試驗中，一般對頂部信號和側(cè)面信號分別進行測試，但是由于實驗現(xiàn)場的條件，實驗用變壓器散熱片安裝位置等原因，本文選擇了如圖2所示的幾個測試點，包括變壓器頂部A1、B2和C3，分別對應(yīng)變壓器的A、B、C三相繞組。如圖3所示為測試現(xiàn)場測點布置。

圖3 變壓器測試布點現(xiàn)場布置

4 試驗研究

4.1 繞組電流對振動信號的影響

選取一臺容量1 000 kVA，電壓等級為10 kV的1#油浸式變壓器進行短路試驗，短路電流分別選取10%、30%、50%、75%、100%、110%額定電流。

圖4所示為不同電流下變壓器各測試點振動信號的快速傅里葉變換(FFT)頻譜圖。由圖可知，A、B 2點的頻率集中在100 Hz，200 Hz、300 Hz處分量較小，大于500 Hz頻段振動較弱，1 000 Hz以上頻段幾乎衰減至0。振動幅度隨電流上升而上升，在電流較小，如10%和30%時，其振動較弱。由于現(xiàn)場測試時靠近變壓器C相處存在散熱用風(fēng)扇，因此C點的振動信號中存在較多干擾，尤其電流較小時干擾更為明顯，但仍然可以看出，振動信號主要集中在100 Hz，且基本滿足基頻(100 Hz)分量振動幅度隨變壓器負(fù)載電流的增大而上升。

圖4 各測試點振動信號頻譜圖

由頻譜圖可知基頻信號幅值與負(fù)載電流的平方呈正比。為進一步研究負(fù)載電流與振動強度的關(guān)系，擬合繞組振動信號的加速度，得到基頻振動幅值與負(fù)載電流之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 變壓器振動擬合曲線

由圖5可知，振動信號強弱與負(fù)載電流大小的正比關(guān)系，且B相的振動強度最大，這是由于變壓器在運行過程中，B相繞組同時受到來自A、C兩相繞組振動的影響，因此在對振動信號進行測試時，繞組的位置會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖6所示為不同電流下各測試點振動加速度幅值統(tǒng)計結(jié)果。

圖6 振動加速度信號幅值圖

圖7 振動加速度信號幅值隨溫度變化折線圖

由圖6可知變壓器振動加速度幅值也隨電流上升而增大。

4.2 溫度對振動信號的影響

對容量為10 kVA的變壓器進行不同溫度下的振動信號測試。

圖7為不同溫度下振動加速度信號幅值變化折線圖。由圖可知，隨溫度的上升，振動加速度幅值下降。所以，絕緣油粘度的變化除影響變壓器的絕緣及冷卻性能外，還對變壓器振動產(chǎn)生影響。

4.3 繞組松動對振動信號的影響

對變壓器進行離線吊芯處理并調(diào)整其螺栓力，使繞組松動，模擬繞組松動故障，分別進行30%、50%、100%額定電流短路試驗。

以額定電流為例分析繞組松動時振動信號的變化，其頻譜圖如圖8所示。

圖8 振動信號頻譜圖

由頻譜可知，發(fā)生繞組松動故障的振動信號中，100 Hz以及200 Hz頻率處振動加速度分量升高幅度較大，但頻率分布無較大變化：振動頻率主要集中在100 Hz，200 Hz，大于500 Hz分段振動較弱，大于1 000 Hz的高頻段衰減為零。同時，繞組松動故障時變壓器振動信號仍然隨負(fù)載電流上升而加強。

對模擬故障的變壓器振動信號幅值進行統(tǒng)計，并與正常運行的振動信號幅值進行對比分析，其折線圖如圖9所示。

圖9 振動信號幅值折線圖

由圖9可知，變壓器的振動加速度信號幅值隨負(fù)載電流上升而上升，當(dāng)繞組松動時，由于繞組軸向預(yù)緊力下降，振動強度上升。

5 結(jié)論

本文在對變壓器振動繞組振動機理分析的基礎(chǔ)上，討論了影響變壓器振動的因素：負(fù)載電流、軸向預(yù)緊力、溫度。通過對變壓器短路試驗下不同電流、連續(xù)溫升、繞組松動故障時振動信號的測試及分析，得到如下結(jié)論：

(1)正常運行變壓器繞組的振動基頻為電網(wǎng)頻率的2倍，即100 Hz。

(2)繞組負(fù)載電流的平方與繞組振動信號的強弱呈正相關(guān)，電流上升振動加強。

(3)繞組軸向預(yù)緊力與其振動信號的強弱呈負(fù)相關(guān)，即預(yù)緊力上升振動減弱。

(4)絕緣油粘度隨溫度上升而下降，變壓器的振動強度與絕緣油的粘度呈正相關(guān)。

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Study on the Influence Factors of the Oil Immersed Transformer Winding Vibration

YAN Zhiqiang1, LEI Xia1, HE Jianping1, LI Qihan2

(1.School of Electrical and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065, China)

The vibration signal of the transformer winding can reflect its operation state.In order to study the influence factors of the transformer winding vibration, the load current and axial preload on the winding vibration is analyzed based on the analysis of the winding vibration mechanism.The vibration signal and the continuous vibration signal under different currents are tested by the method of short circuit current, and meanwhile, by intimating the winding looseness fault, some tests were also been conducted.The results are consistent with the theoretical analysis.The winding vibration increases with the increase of the load current, and decreases with the increase of axial preload.The results can provide a reference for further study of transformer fault diagnosis based on vibration signal.

transformer; winding vibration; winding looseness; influence factor

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.012

2017-04-12。

TM411

A

1672-0792(2017)06-0072-07

閆志強(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電氣絕緣，變壓器故障診斷。

雷霞(1973-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力市場、調(diào)度自動化、配電自動化等。

何建平(1957-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電機與控制。

李琪菡(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為電氣絕緣，變壓器故障診斷。