110 kV電力變壓器繞組模態(tài)研究

谷紅霞, 于 虹, 錢國(guó)超, 趙振剛, 李英娜, 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 652017;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,云南 昆明 652017)

110 kV電力變壓器繞組模態(tài)研究

谷紅霞1, 于 虹2, 錢國(guó)超2, 趙振剛1, 李英娜1, 李 川1

(1.昆明理工大學(xué)信息與自動(dòng)化學(xué)院,云南昆明652017;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南昆明652017)

變壓器繞組等效的機(jī)械結(jié)構(gòu)體,一旦發(fā)生改變,其模態(tài)將發(fā)生相應(yīng)變化,此時(shí)對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,即可檢測(cè)繞組輕微變形。對(duì)變壓器繞組進(jìn)行模態(tài)分析：利用ANSYS對(duì)繞組進(jìn)行幅向建模分析,分別得到了繞組故障與正常情況下頻響曲線的變化規(guī)律。開展真實(shí)110 kV變壓器模態(tài)實(shí)驗(yàn),并與ANSYS仿真結(jié)果對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性,同時(shí),為下一步研制振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

振動(dòng)頻響法； 模態(tài)分析； ANSYS仿真； 繞組實(shí)驗(yàn)； 振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

0 引 言

電力變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行,其繞組受到過(guò)載電流沖擊的頻率較高,此時(shí),強(qiáng)大的電磁力極易導(dǎo)致繞組變形故障,且繞組變形具有累積效應(yīng),若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除,將導(dǎo)致電力變壓器毀壞[1,2]。變壓器繞組故障檢測(cè)方法可分為在線與離線兩大類,離線檢測(cè)由于需要變壓器停運(yùn),不利于電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠性運(yùn)行,不滿足檢測(cè)需求。在線檢測(cè)主要方法有短路阻抗法,脈沖頻率響應(yīng)法,振動(dòng)頻響法等。短路阻抗法與脈沖頻率響應(yīng)法這兩種電測(cè)方法,適用于變壓器繞組發(fā)生較明顯的變形,但對(duì)輕微變形,尤其是當(dāng)變壓器運(yùn)行中受到短路沖擊或長(zhǎng)期自身振動(dòng)而發(fā)生軸向壓緊力減小松動(dòng)、扭曲變形的情形并不敏感[3～8]。

振動(dòng)頻響法從繞組機(jī)械結(jié)構(gòu)出發(fā),每種機(jī)械結(jié)構(gòu)均有其對(duì)應(yīng)的模態(tài),機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,模態(tài)也會(huì)變化,此時(shí),對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)體采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,模態(tài)參數(shù)中的固有頻率亦會(huì)發(fā)生改變[9]。因此,對(duì)繞組的機(jī)械結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行模態(tài)分析,不僅可以得到繞組各種狀態(tài)下的固有頻率,為振動(dòng)頻響法檢測(cè)特定變壓器繞組變形提供依據(jù)[10],也可以從對(duì)實(shí)際變壓器進(jìn)行模態(tài)測(cè)試中汲取經(jīng)驗(yàn),為下一步將此方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中奠定基礎(chǔ)。因此,對(duì)110kV變壓器進(jìn)行模態(tài)研究具有十分重要的意義。

1 變壓器模態(tài)實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的理論分析可知,對(duì)一個(gè)自由度為N的比例阻尼系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其第r階模態(tài)坐標(biāo)為

(1)

(2)

則結(jié)構(gòu)上任意測(cè)點(diǎn)l的響應(yīng)為

(3)

單激勵(lì)力作用于p點(diǎn)時(shí),激勵(lì)力向量變?yōu)?/p>

F=[0…0…fp(ω) …0…0]

(4)

模態(tài)力為

Fr=φprfp(ω)

(5)

根據(jù)式(1)、式(3)、式(5)得到

(6)

據(jù)此可得測(cè)量點(diǎn)l和激勵(lì)點(diǎn)p之間的頻率響應(yīng)函數(shù)為

(7)

(8)

式中φl(shuí)r為l測(cè)點(diǎn)的r階模態(tài)陣型參數(shù)；φpr為p測(cè)點(diǎn)的r階模態(tài)陣型參數(shù)；Mr為系統(tǒng)r階質(zhì)量矩陣；ωr為系統(tǒng)的第r階固有頻率；εr為第r階阻尼比；ω為系統(tǒng)固有頻率。由式(8)可見(jiàn),通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)求得的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)包含了結(jié)構(gòu)的所有模態(tài)參數(shù)信號(hào)。

2 變壓器繞組受力分析與模態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1 變壓器振動(dòng)信號(hào)傳播及其繞組受力分析

變壓器的振動(dòng)信號(hào)主要由鐵芯,繞組以及冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生[11]。雖然鐵芯會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),但其機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固,不易發(fā)生變形,所以其模態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。變壓器的冷卻系統(tǒng)振動(dòng)特性頻譜主要在100Hz以下,與變壓器繞組振動(dòng)頻譜特性不同。因此,對(duì)變壓器表面振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)產(chǎn)生的固定頻率變化,主要由繞組變形引起。因此,采用振動(dòng)頻響法對(duì)變壓器繞組變形進(jìn)行檢測(cè)。

變壓器繞組振動(dòng)主要由漏磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的電磁力引起,根據(jù)電磁場(chǎng)理論,對(duì)于處于電磁場(chǎng)中的電流元,其受到的電磁力可表示為

(9)

圖1 變壓器繞組磁通示意

2.2 ANSYS建模仿真與分析

利用ANSYS軟件[12]對(duì)變壓器繞組進(jìn)行模態(tài)分析的建模過(guò)程如下：首先根據(jù)實(shí)測(cè)變壓器高壓繞組幾何尺寸,采用三維實(shí)體建模,建立繞組幾何結(jié)構(gòu)模型,設(shè)置繞組及絕緣墊塊材料屬性,主要包括繞組密度、泊松比及彈性模量值等。對(duì)模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析,得到繞組各階固有頻率及對(duì)應(yīng)振型。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型修正,得到正常狀態(tài)下前四階模態(tài)仿真圖與諧響應(yīng)曲線。如圖2和圖3所示。

圖2 正常狀態(tài)下1～4階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型

圖3 正常狀態(tài)下的諧響應(yīng)

對(duì)變壓器繞組松動(dòng)與變形等典型故障下的機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算分析。其中,變壓器繞組松動(dòng)時(shí),計(jì)算其模態(tài)特性與諧響應(yīng)特性,繞組幅向變形通過(guò)設(shè)置墊塊斷落實(shí)現(xiàn)。繞組幅向變形狀態(tài)前四階模態(tài)仿真圖與諧響應(yīng)曲線如圖4和圖5所示。

圖4 故障狀態(tài)下1～4階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型

圖5 故障狀態(tài)下的諧響應(yīng)特性

通過(guò)ANSYS仿真以及正常與故障狀態(tài)下諧響應(yīng)曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)：前4階固有頻率均遠(yuǎn)離100Hz激勵(lì)頻率,說(shuō)明繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好；變壓器繞組存在松動(dòng)或變形等故障時(shí),各階固有頻率均向低頻方向偏移,繞組松動(dòng)或變形時(shí),其頻響函數(shù)的典型峰值及其對(duì)應(yīng)的頻率均發(fā)生變化,因此,可通過(guò)檢測(cè)變壓器繞組振動(dòng)頻響特性實(shí)現(xiàn)繞組狀態(tài)的診斷。

2.3 110 kV電力變壓器繞組幅向模態(tài)實(shí)驗(yàn)

國(guó)內(nèi)首先采用110kV真實(shí)變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示：幅向測(cè)試采用電渦流位移傳感器進(jìn)行測(cè)試,共放置30個(gè)測(cè)點(diǎn),通過(guò)振動(dòng)傳感器對(duì)繞組產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集,繞組幅向變形通過(guò)設(shè)置繞組凹陷進(jìn)行模擬。

圖6 變壓器幅向模態(tài)實(shí)驗(yàn)示意

限于篇幅僅給出故障區(qū)域底部振動(dòng)信號(hào)波形,如圖7所示,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,實(shí)驗(yàn)僅對(duì)前兩階進(jìn)行激振,前兩階固有頻率較低,但與正常狀態(tài)下固有頻率進(jìn)行對(duì)比,仍然發(fā)現(xiàn)固有頻率向低頻方向運(yùn)動(dòng)。

圖7 正常與故障情況下繞組振動(dòng)頻響

3 基于振動(dòng)頻響法的檢測(cè)系統(tǒng)研究

基于幅向變形模態(tài)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,開發(fā)了實(shí)際的檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)原理如圖6所示,為提供一個(gè)穩(wěn)定可靠且適合現(xiàn)場(chǎng)使用的激振電源,獲取高信噪比的振動(dòng)頻響曲線,研制了恒頻激振電源,恒流掃頻激振電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,三相交流電經(jīng)過(guò)三相整流之后變成直流電源,再經(jīng)兩級(jí)輸入濾波后送入橋式逆變電路,對(duì)橋式逆變電路中的IGBT開關(guān)管進(jìn)行高頻PWM控制,橋式逆變器經(jīng)PWM控制后將輸出逆變后的波形送入變壓器并經(jīng)濾波后輸出需求的電流。

圖8 高壓變頻器主電路

本文僅就幅向變形作出重點(diǎn)分析,但實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)墊塊脫落與混合故障幅向變形等故障均做了相應(yīng)實(shí)驗(yàn),由圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:在故障情況下，相同的頻率,故障繞組的振幅更高,說(shuō)明在同等條件下,故障繞組的振幅更高,相對(duì)來(lái)講更易發(fā)生故障;在幅向變形的情況下,振動(dòng)頻響曲線有向低頻移動(dòng)的趨勢(shì),由于實(shí)驗(yàn)繞組變形不明顯,所以偏移趨勢(shì)幅度較小,但仍然可以看出其向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果與仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,此方法可用于電力變壓器繞組故障檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)變壓器繞組的模態(tài)進(jìn)行了分析,首先進(jìn)行了仿真,其次,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,二者相互印證,得出了繞組軸向故障下頻響曲線的變化規(guī)律,最后,研發(fā)了實(shí)際系統(tǒng),對(duì)在運(yùn)變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)應(yīng)用此方法可靈敏地進(jìn)行變壓器故障檢測(cè),且實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與前期實(shí)驗(yàn)理論相一致,證明了該方法的可行性。

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Researchon110kVpowertransformerwindingmodal

GU Hong-xia1, YU Hong2, QIAN Guo-chao2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.FacultyofInformationandAutomationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming652017,China；2.YunnanPowerGridElectricPowerResearchInstituteCoLtd,Kunming652017,China)

Transformer wingding can be equal to a mechanical structure,if the structure is changed,its modal will be changed.Vibration signal frequency response analysis is carried out.So it can detect the winding deformation So it is significant to analyze the winding modal.In order to make the modal analysis for the winding,the winding picture change model is established with ANSYS,and the result shows the trend of vibration frequency curve with the comparing the normal winding and deformation winding.Experiment of real transformer is carried out,the simulation result is verified correct by comparing with experimental result,and it lay a foundation for research and fabrication of vibration detecting system.

vibration frequency method;modal analysis; ANSYS simulation;winding experiment;vibration detecting system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0051—03

2016—09—12

TM 403

A

1000—9787(2017)10—0051—03

谷紅霞(1990-),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器、測(cè)試計(jì)量等。李 川(1971-),男,通訊作者,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。