振動分析法在變壓器故障診斷及隱患治理中的應用

蔡文方，聶 玲，應光耀，馬思聰，李衛(wèi)軍，王在華

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.武警士官學校，杭州 311400）

0 引言

截至2019年6月，國網公司已建成的“九交十直”特高壓交/直流輸電網絡，工程累計線路長度27 570 km，成功實施了國家“西電東送”戰(zhàn)略［1］，是緩解我國能源分布不均及負荷發(fā)展不平衡的重要載體，同時適應了大規(guī)模清潔能源的安全并網和高效消納。

大型電力變壓器是保證整個電網系統(tǒng)安全運行的關鍵設備，是電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質、經濟運行的重要保證，一旦發(fā)生故障，不但經濟損失嚴重，還可能造成大面積停電［2］，影響范圍甚廣。據資料顯示，全國運行時間在5年以上的變壓器，平均每100 臺中大約有2.6 臺存在不同程度的故障，涵蓋繞組、主絕緣及引線、套管、分接開關等。為檢測變壓器運行的安全可靠性，國內外已逐漸形成幾種相對成熟的檢測方式，包括短路阻抗法、低壓脈沖法、頻率響應分析法、超聲波檢測法等。但不同的檢測方法也都存在一定的局限性，比如高靈敏度的短路阻抗法需要大型試驗設備和大容量試驗電源，試驗周期長；低壓脈沖法抗干擾能力不佳；頻率響應分析法對輕微變形檢測效果欠佳等。

近些年，基于振動測試的變壓器故障診斷法開始興起，逐漸成為常規(guī)檢測方法的有力補充［3-9］。該方法通過監(jiān)測變壓器的振動數據并加以分析，可及早發(fā)現變壓器繞組變形、結構松動等故障隱患［10-13］。本文在長期對變壓器振動監(jiān)測及故障診斷的基礎上，形成一套行之有效的基于振動分析法的故障診斷及隱患治理流程，可為掌握換流站變壓器振動狀態(tài)、排除設備隱患提供技術支撐。

1 變壓器振動測試及故障診斷技術

1.1 基于振動分析法的變壓器故障診斷技術

不同于傳統(tǒng)的電氣檢測方法，振動分析法是從變壓器的機械結構特征出發(fā)，將其視為由質量、剛度、阻尼組成的機械整體，當其中任何結構件發(fā)生位移或受力變化時，其機械動力學特性均會改變，從而在振動現象上得到體現。

在鐵心壓緊、硅鋼片結合足夠緊密的情況下，鐵心的振動主要取決于硅鋼片的磁致伸縮。根據鐵心中的磁感應強度和硅鋼片變形量，得到磁致伸縮率計算公式如下：

式中：L為鐵心硅鋼片的原始尺寸；ΔL為鐵心硅鋼片最大變形量；εS為硅鋼片的飽和磁致伸縮率；V0為空載電壓；BS為飽和磁感應強度；Hc為矯頑力。

進而得到磁致伸縮引起的鐵心振動加速度［14］：

式中：N1為線圈匝數；A為鐵心橫截面積。

變壓器繞組輻向漏磁將在繞組線餅各層間產生軸向電磁力，引起繞組軸向振動，通過建立繞組軸向數學模型，可以得到軸向電磁力［15］為：

式中：I為繞組電流；B為磁感應強度。

可見，磁致伸縮引起的鐵心振動加速度與電壓的平方成近似線性關系，且振動基頻分量是空載電壓基頻的2 倍，即100 Hz。繞組的加速度也呈正弦規(guī)律變化，頻率分量主要為50 Hz 的整數倍，且主要為100 Hz 分量。繞組及鐵心的振動通過變壓器本體和絕緣油傳遞到變壓器油箱，因此可以通過在線測量電力變壓器油箱的表面振動來監(jiān)測其繞組和鐵心的運行狀況［15-16］。

與傳統(tǒng)檢測方法相比，基于振動分析法的變壓器診斷技術具有明顯優(yōu)勢：因其與變壓器沒有電氣連接，不影響設備運行；不需要停電試驗，可實現在線實時監(jiān)測；不依賴故障發(fā)熱，可提前預警，故障定位相對準確。而振動分析法的難點在于對振動測點的布置及對信號的特征量提取無統(tǒng)一標準，變壓器大小不一，殼體設計不同，造成測點布置沒有嚴格的標準可以依據，試驗人員一般根據設備結構和故障現象，結合自身經驗制定測點布置方案。另一方面，變壓器油箱表面的振動是鐵心、繞組、風扇、油泵等結構件的振動經過管道、緊固件、變壓器油等各種路徑耦合而來，振動源及傳播路徑相對復雜，要從這些信號中辨別出某一特征量，需要經過信號分析、分解等過程［17-18］，給故障的診斷帶來一定難度。特別是還未建立完整的變壓器故障特征量數據庫，未實現故障現象與振動信號特征量的一一對應，也給故障診斷帶來挑戰(zhàn)。

1.2 振動測試系統(tǒng)及作業(yè)流程

針對以上難點，結合多次現場經驗，總結出振動分析法測點布置方案、作業(yè)流程。對于變壓器的隱患排查，將其分為振動普測及專項檢測，振動普查即是通過現場測量，形成振動數據庫，便于今后分析比較；專項檢測，即針對普查發(fā)現的振動幅值或變化量超標的測點，針對性地制定測量方案，通過數據分析，研判故障原因并實施治理，直至振動指標合格。具體流程如圖1所示。

圖1 基于振動分析法的變壓器故障診斷流程

針對大型電力變壓器提出一種振動測點布置基本方法，即：把變壓器分為前、后、左、右4部分，每側變壓器上均勻布置若干測點組，每個測點組分為上、中、下3個測點，布置合適的加速度振動傳感器［19-21］。同時，可根據不同變壓器結構及振動的特殊性，適當調整測點布置方案。由傳感器采集變壓器各個部位振動信號，包括幅值、相位及頻譜等，然后將數據傳輸到振動數據采集儀，接入計算機進行專業(yè)分析。

振動測試系統(tǒng)包括振動傳感器、數據采集儀、分析軟件等（如圖2所示）。在專業(yè)軟件中對振動頻譜、幅值趨勢、諧波比重進行分析，然后經小波降噪、希爾伯特變換、盲源分離等信號處理手段提取故障特征矢量，判斷其運行狀態(tài)，診斷故障原因并實施治理。變壓器正常運行時，頻譜以100 Hz 為主，若發(fā)生小于100 Hz 頻率范圍內的振動，則主要考慮冷卻系統(tǒng)引起的振動；若變壓器振動中出現明顯的50 Hz頻譜，則表明變壓器內部可能出現了放電故障；若同時出現50 Hz和150 Hz頻譜，則可能是繞組變形、松動引起的磁滯回線不對稱引起的。在故障源定位方面，還輔以模態(tài)測試獲取結構件的固有頻率，鎖定故障源。

圖2 變壓器振動測試系統(tǒng)

2 特高壓電抗器放電故障診斷

2.1 故障概況

某1 000 kV 同塔雙回特高壓輸變電工程電抗器于2013 年9 月投入運行，額定容量240 Mvar，額定電壓1100/kV，額定頻率50 Hz。2015 年1 月檢修時發(fā)現油中色譜有階段性增長趨勢，2 月16 日—3 月26 日緩慢增長，4—8 月油中氣體含量穩(wěn)定，9月11日之后再度增長，數天后趨于穩(wěn)定，2016 年2 月27 日又再次增長。采用傳統(tǒng)檢測方法未能判斷出乙炔增加的原因，故開展基于振動分析法的故障監(jiān)測與診斷分析。

2.2 振動監(jiān)測與故障分析

根據電抗器的結構特點制定了專項檢測方案，在其本體上依次布置了9個速度傳感器和4個加速度傳感器，如圖3所示。經測試發(fā)現電抗器振動呈現時斷時續(xù)的異常突增現象：2 月27 日主頻率仍為鐵心振動的頻率100 Hz，其他頻率分量均為100 Hz 的倍數；從2 月28 日20：10 開始，出現了一個加速度幅值將近15 m/s2的50 Hz 分量，該頻率分量在2 月29 日—3 月8 日的檢測中均有出現，如圖4所示。

圖4 測點2A振動趨勢

可見，從2 月28 日起，電抗器內部出現了一個非鐵心的振源，振動頻率等于工頻50 Hz，而同期乙炔含量也出現明顯增長。振動在線監(jiān)測數據顯示：在乙炔平穩(wěn)期，電抗器的振動主頻率為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。

通過擬合分析繪制出電抗器的振幅分布情況，發(fā)現主要振源為X 柱附近的3V、3A、9V 測點位置，其振幅相對其他測點明顯更大，因此可以判斷箱體的工頻振動主要來自鐵心，位于X 柱靠接地引下線側。

2.3 診斷效果

返廠解體后發(fā)現X 柱芯柱地屏從上至下第34條與第35條銅帶存在明顯放電痕跡，如圖5所示，2 張地屏中的第34 條銅帶均存在斷裂。根據故障現象及解體檢查結果可判斷，X 柱心柱地屏銅帶放電是引起該臺電抗器油色譜多次異常的主要原因，振動在線監(jiān)測很好地實現了對故障源的定位。同時，A 柱地屏的銅排皺褶和局部黑色痕跡經檢驗為初步的間歇性放電痕跡［22］，即為缺陷發(fā)展前期征兆，這與振動監(jiān)測發(fā)現的2處高振動幅值相契合，也驗證了振動分析法在設備早期故障診斷上有一定的優(yōu)勢。

圖5 X柱地屏搭接內、外層放電痕跡

3 ±800 kV換流變冷卻器結構共振治理

3.1 故障簡介概況

某±800 kV 特高壓直流工程的受端換流站極II 高端換流變壓器額定容量為384.2 MVA，額定電壓510/kV（網側）/163/kV（閥側），配備4 組冷卻器，每組冷卻器包含4 臺風扇、1 臺潛油泵和1臺油流指示器。

2019 年3 月，在設備運行過程中，發(fā)現變壓器冷卻回油匯流管道振動異常偏大，平均幅值在150 μm以上，最大振動幅值超過180 μm，且存在波動不穩(wěn)定現象，規(guī)律不明顯，無法判斷故障原因，威脅到設備的安全穩(wěn)定運行。

3.2 振動測試分析

為全面評估設備的整體振動狀況，3月13—14日，現場根據設備結構及故障現象制定了振動測量方案，對換流變壓器本體、冷卻風扇、油管路、循環(huán)油泵、支承結構等進行測點布置，如圖6所示。

圖6 極II高端換流變壓器及其冷卻器測點布置

由表1監(jiān)測結果可以看出，各結構件測點振動數據具有以下特點：

1）當1號冷卻風扇組的第一臺風機啟動時，油管路振動最大；測點6 處的水平振動為181 μm，而垂直測點7和軸向測點8振動分別為10 μm和26 μm；各方向振動差距明顯，水平振動最大，垂直與軸向振動較小。

2）油管道端部位置水平振動最大，向中間位置振動逐漸遞減，差異明顯，如表1 中測點5、6所示。

表1 各測點振動幅值

3）變壓器本體振動、地腳振動僅5 μm以下。

4）冷卻風扇、地腳、油管路振動以10 Hz的分量為主；變壓器本體振動頻譜以100 Hz分量為主。

根據上述振動特征可以排除變壓器本體故障及地腳連接松動的可能，10 Hz的故障頻率并不是變壓器鐵心或繞組的特征頻率，初步判斷為結構剛度偏弱或存在共振現象。通過現場模態(tài)試驗分析，得出的頻響函數顯示該油管路的一階固有頻率為9.98 Hz，如圖7 所示，這與風扇的運轉頻率一致，驗證了結構共振的判斷［23］。

圖7 油管道模態(tài)試驗頻響函數

3.3 故障治理

結構共振的治理一般從兩方面實施：一是排查冷卻風扇本身是否存在故障，對冷卻風扇進行檢查、更換，盡可能降低激振力；二是調整結構的支撐剛度，使整體固有頻率避開激振力頻率，消除共振［24-25］。經處理，結構固有頻率下降至9.31 Hz，阻尼大幅提升，最終將油管路整體振動降至40 μm以下，達到優(yōu)秀值，如圖8所示。

圖8 換流變冷卻器振動治理效果

4 監(jiān)測電網擾動對變壓器運行的影響

4.1 直流系統(tǒng)投運對變壓器振動的影響

2010 年5 月初，在±800 kV 復奉直流系統(tǒng)調試階段，奉賢站將進行1 600 MW單極大地回線方式運行，為了評價其對周邊變壓器和電磁式互感器的影響，對奉賢站接地級周邊的部分500 kV 變電站和220 kV 變電站主變中性點直流分量、主變噪聲和振動及GIS的振動進行測試。

汾湖站500 kV主變各個振動測點的監(jiān)測顯示，直流投運對汾湖500 kV主變的振動沒有直接影響，其振動幅值及頻率均變化不大；而試驗期間共建220 kV 變壓器的振動監(jiān)測顯示，在直流電流投運過程中各測點振動均明顯增大，振動主頻300 Hz的幅值上升明顯，其他頻率的幅值也有一定程度的上升，包括250 Hz、350 Hz、400 Hz、450 Hz分量，如圖9所示。

圖9 直流投運前后共建站主變振動頻譜分量

4.2 單極不平衡運行對主變振動的影響

1）振動幅值明顯增加。復奉直流雙極平衡運行時，嘉興二期主變油箱表面振動幅值僅2～3 mm/s，切換為單極不平衡運行時，油箱表面的振動急劇增大，振動最大的測點幅值達到了11.5 mm/s，現場振感明顯。

2）振動頻譜明顯豐富。復奉直流雙極平衡運行方式下，嘉興二期主變油箱表面振動以300 Hz頻率為主，切換為單極不平衡運行方式后，250 Hz、300 Hz、350 Hz頻率成分的幅值均明顯增加，如圖10所示。

圖10 單雙級運行頻譜比較

同樣，杭州500 kV喬司變、金華500 kV雙龍變在運行中也出現多次不明原因的振動、噪音異常增大現象，且持續(xù)一段時間后又恢復正常。通過監(jiān)測振動數據及時指導調整電網運行方式后，變電站異常噪聲和振動情況均得到改善。

5 結語

在特高壓交直流混聯電網發(fā)展的趨勢下，系統(tǒng)運行方式將越來越復雜，通過采用振動分析法對變壓器及其電抗器進行振動監(jiān)測，可及早發(fā)現電網擾動、運行方式對設備的危害情況，在保障設備安全、維護電網穩(wěn)定方面具有一定的優(yōu)越性。

電網的不同運行方式對電力設備的振動影響不一，且與設備在電網中的節(jié)點位置相關，電力潮流等影響因素及機理還有待深入探討。另外，對變壓器振動測點的布置還沒有統(tǒng)一的標準，對技術人員的專業(yè)水平及經驗依賴較強。而故障類型與特征頻率的對應關系還有大量工作要做，典型的變壓器故障數據顯得尤為寶貴。

振動分析法通過完整的測點布置方案、監(jiān)測分析、診斷處理等成套技術，實現了對電抗器局部放電的精準診斷，完成對結構共振的有效治理，監(jiān)測電網運行方式改變對設備的影響，實現了設備內部缺陷的診斷和設備運行狀態(tài)的評估，是對傳統(tǒng)故障診斷方案的有力補充。