基于有載分接開關激振的變壓器繞組松動故障診斷

董風舉 姚艷 史云峰 韓滿 寧瓏

摘 要：為實現變壓器繞組松動故障診斷，提出了基于暫態振動信號的繞組松動診斷方法。根據理論分析可得變壓器繞組松動時，其振動固有頻率會下降，而有載分接開關動作恰好會激發變壓器的自由振動，因此通過小波變換對變壓器振動信號進行處理，得到了其振動固有頻率。結果表明，變壓器在繞組松動時其固有頻率的確會下降，可以作為故障診斷依據。

關鍵詞：變壓器;有載分接開關;振動信號;故障診斷

中圖分類號：TM411? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0060-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.016

0? ? 引言

變壓器繞組是常見的故障部位，而且其處于油箱內部，檢修起來十分困難。基于振動信號的機械故障診斷方法為變壓器繞組故障檢測提供了很好的思路，目前已經有大量學者對此展開了研究，并證實了基于振動信號的變壓器故障診斷方法的可行性[1-2]。

現階段基于振動信號的變壓器故障診斷方法以穩態振動信號為主[3]，穩態振動信號獲取容易，信號穩定，通過判斷振動的幅度或能量占比可以較為方便地實現變壓器的在線監測。但此類方法受溫度、負載電流等因素影響較大，當溫度升高，電流、電壓增大，振動信號幅值也會隨之增大，給故障診斷帶來了一定的困擾。并且由于變壓器不同型號之間的差異性，振動幅值也有所差異，使得故障診斷的判斷標準不具有通用性，因此，現階段該方法還未實現大規模應用。有學者提出了基于變壓器啟動瞬間合閘振動信號的變壓器故障診斷方法[4]，為變壓器的故障診斷提供了新思路，但該方法受合閘角的影響，現階段準確率還有待提高。

本文提出了一種基于有載分接開關動作時暫態振動信號的變壓器繞組松動診斷方法，與傳統方法相比具有物理意義明確、重復性好等優點。

1? ? 變壓器繞組松動診斷原理

變壓器的繞組可以用彈簧—質量—阻尼模型來描述[5]，經典模型如圖1所示。

圖1中將線餅簡化為質量單元，質量為m，將墊塊看作彈簧，剛度系數為k，c表示阻尼系數，T0表示壓緊力。根據相關實驗研究，墊塊的形變量與壓緊力滿足如下關系[6]：

T=Aa

+b

（1）

式中：A為墊塊的受力面積;Δl為墊塊在壓力作用下產生的形變量;a、b為常數;L為墊塊的厚度。

那么墊塊的剛度系數可寫成式（2）的形式：

k==a+

（2）

由式（2）可知，墊塊所受壓緊力越大，產生的形變量也就越大，剛度系數也會隨之增大，所以在變壓器繞組發生松動時，壓緊力下降，其剛度系數也會下降。而剛度系數又正比于固有頻率的平方[7]，對于單自由度系統而言，固有頻率ωn可表示為：

ωn2=k/m（3）

穩態振動分量的幅值B為：

B=（4）

式中：ω為電磁力頻率;q為電磁力大小;2n=c/m。

所以，繞組松動必然導致固有頻率的變化，進而引起振動信號幅值發生變化。

工程上一般采用激振器或沖擊錘獲取機械結構的頻響曲線，從而得到機械結構的固有頻率，某型號沖擊錘的沖擊響應如圖2所示，即沖擊錘可以在一定范圍內產生一個寬頻沖擊，比如利用鋼材料的錘頭，在2 000 Hz以內可以認為它的沖擊頻譜為一常數。

設機械系統的頻響函數為H（jω），系統輸出為O（jω），輸入為I（jω），如果輸入頻譜為常數，那么輸出頻譜與頻響函數便極為相似，可近似等效。

H（jω）=（5）

利用這一特性便可以通過激振錘激發機械系統的頻率響應，再結合式（3）可知，激振錘產生的沖擊信號中包含了頻率為ωn的頻率分量，將使得式（3）中分母達到最小值，引發共振，此時頻響曲線中便會出現一個峰值，由此可以近似得到機械結構的固有頻率。

但利用沖擊錘得到變壓器的固有頻率顯然是不方便的，首先沖擊錘的力量較小，可能不足以激發變壓器的固有頻率，其次在運行過程中對變壓器進行敲擊也多有不便。因此，本文提出了利用變壓器有載分接開關動作時的暫態振動信號來實現對變壓器繞組松動故障的診斷。

有載分接開關動作時產生的沖擊信號與沖擊錘產生的沖擊信號類似，都可以激發變壓器的固有振動分量，可以將有載分接開關動作時產生的暫態振動信號看作是系統的沖擊響應，其振動頻譜便可近似看作是變壓器的頻響函數。

當變壓器的機械狀態發生變化時，變壓器在有載分接開關沖擊下的振動信號也必然發生變化，并且該沖擊是由變壓器自身產生的，不會干擾變壓器的運行，也不會對變壓器造成損壞，因此可以將開關動作時的暫態信號作為研究對象來實現對變壓器繞組松動的診斷依據。

2? ? 基于暫態振動信號的故障診斷方法

對一臺110 kV變壓器開關動作時的振動信號進行測量，傳感器采用電壓型振動加速度傳感器，采集儀采樣精度為24位，采樣頻率為64 kHz，將振動加速度傳感器通過磁吸附的方式布置于油箱側面，如圖3所示。

通過改變繞組壓緊力得到正常狀態和繞組松動狀態的振動信號，如圖4所示。

對于暫態信號采用傅里葉變換進行分析存在一定的局限性，因此本文采用小波變換對振動信號進行時頻分析。基函數采用復Morlet小波，得到兩種狀態下的時頻圖。截取0～2 500 Hz范圍內的時頻圖并求取其峰值點，經過篩選得到時頻圖中的主要峰值點坐標，如圖5所示。

經過對比可以發現，繞組松動后，各階固有頻率均有所減小，與前文理論分析結果一致，即繞組松動后，剛度系數減小，固有頻率會有所降低。同時，也證實了變壓器有載分接開關動作時的暫態信號的確包含了較為豐富的機械狀態信息，可以作為故障診斷的依據。

3? ? 結語

本文提出采用有載分接開關動作時的暫態振動信號對變壓器繞組松動進行診斷，并通過理論和實驗證明了變壓器在繞組松動時其固有頻率會降低，可以將其作為故障診斷的依據。

[參考文獻]

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[2] 汲勝昌，張凡，師愉航，等.基于振動信號的電力變壓器機械狀態診斷方法研究綜述[J].高電壓技術，2020，46（1）：257-272.

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[4] 許洪華，王菁怡，李勇，等.基于合閘暫態振動信號分析的變壓器繞組松動缺陷早期診斷[J].變壓器，2021，58（1）：52-58.

[5] 劉寶穩，馬宏忠，李凱，等.大型變壓器繞組軸向固有頻率振動分布特性與試驗分析[J].高電壓技術，2016，42（7）：2329-2337.

[6] 謝坡岸.振動分析法在電力變壓器繞組狀態監測中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[7] GARCIA B，BURGOS J C，ALONSO A M.Transformer tank vibration modeling as a method of detecting winding deformations—Part I：theoretical foundation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：164-169.

收稿日期：2022-01-10

作者簡介：董風舉（1980—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：電力施工及采購。