振動監測方法在特高壓電抗器缺陷分析中的應用

鄭一鳴，孫 翔，張建平，李 晨，于 淼

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

傳統油浸式電力設備有效的在線監測手段主要為油色譜分析方法、局部放電等。電力設備狀態檢修體系的構建以及智能變電站的建設都對電力設備在線監測手段提出了新的要求[1-4]。根據國家電網公司下發的《變電設備在線監測裝置質量提升方案》，為提升變電設備在線監測裝置使用效果和運行可靠性，充分發揮監測裝置的作用，保障主設備安全穩定運行，國網公司鼓勵有條件地開展基于新技術、新原理的在線監測裝置的工程應用性研究，對多樣化的監測技術提供運行條件[5-7]。

振動監測方法是一種利用傳感器采集設備箱體表面振動信號，再進一步應用相關系統分析監測信號以診斷設備內部缺陷、評估設備運行狀態的監測分析手段[8-12]。作為一種新型狀態監測方法，振動監測的主要優點在于監測系統與設備主體無任何電氣連接，安全可靠，抗干擾能力強，監測過程不會對電力設備的正常運行造成任何影響[14]。

以下應用振動監測手段，實時監測一臺乙炔含量異常的特高壓電抗器（以下簡稱高抗）箱壁的振動情況，通過分析定位了高抗內部可能的缺陷位置。經返廠解體分析，實際的缺陷部位與基于振動監測分析的定位基本一致，驗證了振動監測方法在電力設備缺陷分析中的有效性。

1 缺陷設備信息

該高抗采用雙器身串聯結構，其器身主要結構與內部繞組連結方式如圖1所示。鐵心采用2個單相帶旁軛式結構，2個鐵心中的心柱由鐵心餅組成。線圈為餅式繞組，兩柱串聯結構，每柱線圈皆為中部出線。設備主要技術參數見表1。

圖1 高抗器身結構與繞組連結

表1 高抗主要技術參數

2 振動在線監測

發現高抗油色譜異常后，在設備箱體上加裝了振動在線監測裝置，該裝置結構如圖2所示。在高抗外殼表面布置傳感器探頭，傳感器經信號線連接至振動檢測儀ADRE208-P，再經數據線連接至計算機進行實時展示。

圖2 振動在線監測裝置結構

位移和速度探頭的布置方式如圖3（a）所示，共布置了9個位移和速度監測點：4號探頭為速度監測點，其余為位移監測點；2，3，5，6，7，8號監測點布置在殼體表面，1和9號監測點布置在加強筋上。

加速度探頭裝設在在高抗外壁的4個方向，加速度探頭的分布位置所圖3（b）所示。

3 監測結果分析

3.1 振動位移（速度）監測結果分析

兩個區間內位移和速度的監測情況變化不大，數值基本穩定。4號速度監測點和9號位移監測點的監測結果如圖4所示。從時域看，在監測時間內振動信號存在波動但總體較為平穩，并未出現明顯的突變現象。

圖3 探頭布置

圖4 振動監測結果

每個監測點的最大測量值如表2所示。可以看出，2，3，9監測點的振動幅值較大。根據振動幅值的分布，通過擬合分析可以繪制高抗的振幅分布情況，進而發現主要振源有2個：一個為X柱靠近3號監測點和9號監測點位置，其振動幅值較大；另一個為A柱靠近2號監測點位置，其振動幅值較小。

典型的4號速度監測點和9號位移監測點的頻譜如圖5所示。可以看出，主振動頻率為100Hz，是工頻的2倍，因此可以判斷箱體的振動主要來自鐵心振動。

表2 最大測量值

3.2 振動加速度監測結果分析

圖5 加窗頻譜

按照圖3（b）的編號順序，1號探頭的振動加速度監測值穩定在2~4 m/s2，2號探頭的振動加速度監測值穩定在4~5 m/s2，3號探頭的振動加速度的顯示值為10倍的實測值（以下圖中顯示均為10倍值），監測值在2月28日之前穩定在20~25 m/s2（實際為2~2.5 m/s2），4號探頭的振動加速度監測值在2月28日之前穩定在8~10 m/s2。可見高抗X柱側和引下線側振動較為明顯，這與位移和速度探頭的監測結果一致。

從2月28日開始，3號、4號探測點出現大幅波動，其時域波形分別如圖6和圖7所示。可以看出，3號、4號探測點的監測值波動明顯，特別是3號探測點，其波動幅度達最高13 m/s2，說明在高抗X柱側出現了較大的振源。

圖6 2月28日加速度監測時域波形

圖7 2月29日加速度監測時域波形

圖8 加窗傅里葉分析

為進一步考察振動加速度頻域的變化，將2月27日和29日3號探頭監測值的加窗傅里葉分析示于圖8。

可以看出，2月27日的主頻率仍為鐵心振動的頻率100 Hz，其他的頻率分量均為100 Hz的倍數，而從2月28日20∶10開始，出現了一個幅值將近15 m/s2的50 Hz分量，該頻率分量在隨后2月29日—3月8日的檢測值中均有出現。可見，從2月28日起，高抗內部出現了一個非鐵心的振源，振動頻率等于工頻，而同期乙炔含量也出現明顯增長。

振動在線監測數據顯示，在乙炔平穩期，高抗的振動主頻率為100 Hz，應是由鐵心振動引起。而在乙炔增長期，疊加了非鐵心振動引起的工頻振源，定位結果顯示工頻振源位于X柱靠接地引下線側。

4 解體分析驗證

高抗返廠解體后發現X柱地屏表面有碳黑痕跡。X柱地屏（由2張組成）銅帶側出現放電碳化現象，2張地屏各1條銅帶出現斷裂（圖9）。

圖9 X柱地屏明顯放電痕跡

解體檢查發現X柱芯柱地屏第34條（從上至下）與第35條銅帶存在明顯放電痕跡，2張地屏中的第34條銅帶均存在斷裂；A柱地屏也發現銅排皺褶和局部少量黑色痕跡，銅條局部變色（圖10）。

圖10 X柱和A柱地屏銅條樣品

根據設備故障現象及解體檢查結果可判斷，引起該臺高抗油色譜異常的主要原因為X柱心柱地屏銅帶放電，驗證了振動在線監測的定位結論。A柱地屏也發現銅排皺褶和局部的少量黑色痕跡，經檢驗為初步的間歇性放電痕跡，即缺陷發展前期征兆。結合振動在線監測的現象，X柱的振動整體上更大，因此更容易造成地屏銅條的振動和位移。

5 結論

（1）振動在線監測數據顯示在乙炔平穩期，高抗的振動主頻率為100 Hz，是由鐵心振動引起。而在乙炔增長期，疊加了一個非鐵心振動引起的工頻振源，定位結果顯示振源位于X柱接地引下線側。

（2）解體發現X柱地屏與A柱地屏有少量黑跡，經檢驗和分析認為X柱地屏銅條明顯的放電燒灼現象為銅條位移、振動及放電所致，銅條斷裂系高溫發熱所致。該部位的缺陷系導致高抗油色譜異常的主要原因，與振動監測定位基本一致。A柱地屏也存在類似缺陷發生的早期癥狀，X柱與A柱振動的強弱對比與兩者缺陷程度相一致。

[1]許婧，王晶，高峰，等.電力設備狀態檢修技術研究綜述[J].電網技術，2000，24（8）∶48-52.

[2]JARDINE A K S，LIN D，BANJEVIC D.A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J].Mechanical Systems&Signal Processing，2006，20（7）∶1483-1510.

[3]GRALL A，BéRENGUER C，DIEULLE L.A conditionbased maintenance policy for stochastically deteriorating systems[J].Reliability Engineering&System Safety，2002，76（2）∶167-180.

[4]翟瑞聰，王紅斌，謝善益，等.電力設備狀態檢修系統研究與應用[J].廣東電力，2013，26（5）∶96-100.

[5]郭碧紅，楊曉洪.我國電力設備在線監測技術的開發應用狀況分析[J].電網技術，1999，23（8）∶65-68.

[6]XIE Z，BI T，JIN H，et al.Research on power supply of online monitoring equipment for high-voltage transmission and distribution line[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2016（22）∶16-21.

[7]姜磊，吳成琦.電力設備在線監測系統軟件框架的設計[J].高電壓技術，1999，25（4）∶35-37.

[8]徐劍，邵宇鷹，王豐華，等.振動頻響法與傳統頻響法在變壓器繞組變形檢測中的比較[J].電網技術，2011（6）∶213-218.

[9]徐志.基于振動法的變壓器在線監測研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[10]潘徽，宋政湘，牛博.基于振動的斷路器狀態檢測系統的設計與開發[J].高壓電器，2014（12）∶83-88.

[11]崔亞輝，張俊杰，徐亞濤，等.大型機組振動故障的早期預警技術[J].電力系統自動化，2016，40（4）∶136-139.

[12]KANG P，BIRTWHISTLE D.Characterization of vibration signals using continuous wavelet transform for condition assessment of on-load tap-changers[J].mechanical systems&signal processing，2003，17（3）∶561-577.

[13]KANG P，BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers.Part 1∶Automatic condition diagnostics[J].Generation，Transmission and Distribution，IEE Proceedings，2001，148（4）∶301-306.

[14]KANG P，BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers.part 2∶Detection of ageing from vibration signatures[J].IET Proceedings-Generation Transmission and Distribution，2001，148（4）∶307-311.