電力變壓器繞組振動及傳播特性研究

張晗 楚修楠

【摘 ?要】變壓器在電力系統中具有輸電、變電的重要作用，其運行情況關系到整個電網運行的安全性、可靠性。變壓器繞組和鐵芯故障是變壓器的主要故障，且占總故障的比例很大。對變壓器繞組運行狀態進行監測與診斷，不僅可以提前發現變壓器繞組故障，而且還對傳統的預防性試驗進行了補充。基于此，本文主要對電力變壓器繞組振動及傳播特性進行分析探討。

【關鍵詞】電力變壓器;繞組振動;傳播特性

1、前言

作為電力系統的關鍵設備之一，電力變壓器的正常運行對電網的安全可靠性起到決定性作用。變壓器的歷年統計資料表明，繞組線圈是故障重點部位之一，全國110kV及以上電壓等級的變壓器事故中由繞組故障引起的占69.8%，而引發事故的缺陷部分主要表現在鐵心、線圈及引線、套管和分接開關。因此，對變壓器繞組和鐵心的狀態進行監測具有重大意義。

2、鐵心及繞組振動機理

變壓器振動是由于變壓器本體（鐵心、繞組等的統稱）的振動及冷卻裝置的振動產生的。鐵心的振動主要由硅鋼片的磁致伸縮現象以及渦流作用下硅鋼片之間的相互吸引力引起。由于階梯接縫以及無緯粘帶在鐵心綁扎方面的應用，目前變壓器鐵心的振動主要取決于硅鋼片的磁致伸縮現象。

由于變壓器鐵心材料存在非線性等原因，實際中鐵心磁通密度的波形并非標準正弦波，因此鐵心振動信號中除了基頻分量外，含有大量高次諧波成分。對于在頻率為50Hz的電力系統中工作的變壓器鐵心而言，除了基頻100Hz分量以外，200、300和400Hz分量也較明顯。當變壓器繞組線圈中流過負載電流時，由于漏磁場的存在，繞組間、線餅間、線匝間產生動態電磁力，引起繞組的振動。

變壓器繞組的振動由一個穩態分量以及逐漸衰減的分量組成，故在理想狀態下穩定運行的變壓器繞組的振動加速度信號也是電源頻率的2倍（≈100Hz）。實際情況中，由于變壓器繞組絕緣墊塊材料的非線性特性，繞組的振動信號中也可能存在100Hz的倍頻諧波。同時，在長時間帶負荷運行中，由于緊固件松動、短路沖擊等原因繞組會發生形變，振動頻譜中的高次諧波隨之逐步增大。

3、變壓器繞組振動及傳播特性試驗研究

利用上述點振源的傳播特性可以為繞組振動在變壓器油中的傳播提供一些定性的結論，但實際上由于變壓器繞組結構復雜，波在傳播的過程中不但會衰減，還會受到附近繞組結構的阻擋形成折反射，不易精確求解;振動波在油箱內的壓力分布是近場輻射形成的，難以將繞組等效為點振源進行分析。此外，由振動產生的油壓會反作用于繞組振動，形成耦合等原因，為定量研究繞組振動在油中的傳播特性帶來了困難。因此，有必要利用試驗手段研究繞組振動傳播特性，并結合上述理論對試驗結果進行分析。

3.1繞組軸向及徑向振動的對比分析

在負載試驗條件下，對繞組的徑向振動和上下鐵軛的軸向振動分別進行測量。其中，利用德國PolytecGmbH公司制造的便攜式數字激光測振儀PDV-100，對繞組的徑向振動進行測量，該激光測振儀的工作頻帶為0～22kHz，傳輸時延為1ms，量程為20mm/s，分辨率為0.1μm/s（有效值）。由于壓釘的剛性連接，上下鐵軛緊固件可以認為與繞組上下壓板的具有相同的軸向振動加速度。采用壓電式振動加速度傳感器對上下鐵軛的軸向振動進行研究，傳感器的參數如表1所示。采集卡采用同步采樣方式，采樣速率為10kS/s，采樣深度16bit，采樣時間長度為1s。

將高壓繞組從上到下依次記為1～41餅，利用激光測振儀測得繞組不同線餅在額定電流下100Hz振動加速度幅值在所測得的9個測點位置振動加速度幅值中，最大值為0.52m/s2，最小值為0.26m/s2，9個測點的平均振動加速度為0.38m/s2。從振動幅值的分布規律來看，振動幅值由繞組中部向繞組端部遞減，與徑向電磁力的分布規律相似。

將等均勻間隔分布在上下鐵軛夾件的振動加速度傳感器按照從左往右的順序依次命名為上鐵軛1～7號測點、下鐵軛1～7號測點。各測點振動信號的頻譜以100Hz為主，上下鐵軛夾件的振動分布呈現出“V”形，鐵軛夾件靠近繞組壓釘的振動要略高于夾件中部的振動，這是由于繞組的軸向振動經壓釘傳播至鐵軛，因此靠近壓釘區域的振動略強于中間部位。由于重力的作用，使得繞組在對稱分布的電磁力的作用下的振動并不對稱，繞組下部的振動略小于上部的振動。

3.2繞組振動的傳播特性

正常運行時變壓器繞組的軸向和徑向振動通過變壓器油傳播至油箱表面，除此之外軸向振動還會通過繞組底部的壓板等緊固件經油箱底部傳播至油箱表面，為了研究振動經油傳播和固液傳播的特性，利用龍門吊吊起繞組和鐵心本體，避免振動的固體傳播途徑，進而對繞組在“懸浮”和正常狀態下的油箱表面振動功率的主要傳播路徑及分布規律進行研究。同時，將變壓器油箱的正面和右側面按照10cm×10cm劃分測量網格以獲得油箱表面各處的振動特點。

對于大型電力變壓器而言，其上下鐵軛夾件及油箱底部的剛度大，使得經壓板傳播至箱底和油箱表面的繞組振動信號微弱，因此繞組振動在油中的傳遞特性對振動測點的選擇有重要意義。油箱表面振動受到繞組振動與油箱結構的共同影響，繞組振動強烈部位所對應的油箱表面的振動功率較大，因此在選擇變壓器油箱表面的振動測點時，應該盡量選擇離繞組振動強烈區域較近的油箱表面進行振動監測，以獲得較好的信噪比。

4、結語

變壓器繞組故障類型各種各樣，需要深入研究并分析不同故障時變壓器繞組的振動特點。通過變壓器繞組不同的振動特點判斷出繞組的故障類型，另外在變壓器繞組故障位置的確定等方面都需要深入的研究。

參考文獻：

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（作者單位：國網新疆電力有限公司檢修公司）