基于振動檢測的變壓器繞組機械穩(wěn)定性評估

何文林，鄭一鳴

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 300014）

0 引言

變壓器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負著電能轉(zhuǎn)移、電壓變換的重任，其健康狀態(tài)直接影響電網(wǎng)的安全運行水平。投入電網(wǎng)運行的變壓器，隨著運行時間的推移，在固體絕緣件正常收縮或外部短路不良工況的作用下，機械穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢［1］。變壓器機械穩(wěn)定性下降使得抗短路能力呈現(xiàn)從量變到質(zhì)變的過程，當(dāng)變壓器抗短路能力下降到不足以承受某次短路電流時，極易引起變壓器故障，嚴重時會直接引起變壓器損壞［2-4］。及時準確評估變壓器機械穩(wěn)定性，對提高變壓器檢修針對性、減少變壓器短路損壞、提高電網(wǎng)運行的安全性具有積極作用［5-9］。

變壓器繞組機械穩(wěn)定性的改變，直接的反映是變壓器繞組形狀及不同電壓繞組間幾何尺寸的改變［10-11］。繞組形狀及尺寸的變化，在電氣上表現(xiàn)為電感、電容等參數(shù)的變化，在機械上表現(xiàn)為繞組彈性模量等參數(shù)的改變。基于電氣參數(shù)的變壓器機械穩(wěn)定性的檢測方法主要有變壓器繞組頻率響應(yīng)分析［12-13］和低電壓短路阻抗測試等［14-15］，這些方法對發(fā)現(xiàn)機械穩(wěn)定性不足的變壓器起到了積極作用，也有非常多的成功案例［16-17］，但這些測試方法屬于離線的方法，都需要將變壓器停役，在供電可靠性要求高的大背景下，難以滿足電網(wǎng)企業(yè)對變壓器機械穩(wěn)定性精益管控要求。基于機械參數(shù)的變壓器穩(wěn)定性檢測，主要的研究方向是通過檢測運行中變壓器油箱振動或變壓器周圍聲音［4，18］，實現(xiàn)變壓器機械穩(wěn)定性帶電檢測。

本文以變壓器運行時油箱外表面的振動信號為檢測參數(shù)，選擇振動傳感器的最佳布置部位，建立以振動信號頻率復(fù)雜度、振動平穩(wěn)性、能量相似度和振動相關(guān)性為特征值的評估指標體系，實現(xiàn)變壓器機械穩(wěn)定性帶電檢測和實時評估，以量化指標表述變壓器穩(wěn)定性下降的嚴重程度，在有限的檢修資源下，提高變壓器檢修的及時性和針對性。

1 變壓器機械穩(wěn)定性與運行中振動的關(guān)系

運行中的電力變壓器，繞組中存在負荷電流，繞組周圍存在漏磁場，在負荷電流與漏磁場的共同作用下，繞組的線匝間會產(chǎn)生電動力，該電動力引起變壓器繞組的機械振動。繞組的機械振動通過變壓器絕緣油、固體絕緣件等介質(zhì)傳遞到變壓器油箱外殼。當(dāng)繞組存在變形、整體位移等影響變壓器機械穩(wěn)定性的情況時，一方面會改變電動力的強度，另一方面也會影響到振動的傳遞特性，因此傳遞到變壓器油箱外殼的振動信號特征也不相同。

變壓器繞組電流與繞組間電動力的關(guān)系如圖1所示。

圖1 繞組間受力分析

當(dāng)變壓器繞組流過電流時，繞組間的電動力F與電流的（it）關(guān)系如式（1）所示，其中K是常量。其幅值與電流幅值的平方成正比，其頻率為電流（it）頻率的2倍［20］。

繞組振動模型通常采用質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，繞組的金屬導(dǎo)體等效為質(zhì)量塊m，繞組之間的固體絕緣件等效為彈簧k，變壓器油的特征決定阻尼系數(shù)。電動力F與振動位移x的關(guān)系如式（2）所示：

式中：c為常數(shù)。

變壓器用固體絕緣材料具有較強的非線性特性，在較大電流作用下會導(dǎo)致繞組的振動呈現(xiàn)明顯的非線性特征。繞組絕緣墊塊的應(yīng)力σ與變形量ε的關(guān)系，在一定應(yīng)力范圍內(nèi)可以表示為：

式中：a和b為常數(shù)。

聯(lián)立式（2）、式（3）可得繞組非線性振動模型：

式（4）的穩(wěn)態(tài)解中包含有二次項和三次項，因此，變壓器繞組中的振動信號除含有2倍于電流頻率的基波信號外，還會出現(xiàn)2次、3次等高次振動諧波成份。在一定的電動力作用下，振動信號的幅值及頻率分布特征與繞組的壓緊力、固體絕緣件的彈性模量直接相關(guān)，壓緊力及彈性模量正是影響變壓器機械穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。因此，分析變壓器油箱外殼振動信號特征，可以評估變壓器機械穩(wěn)定性。

2 變壓器振動檢測

可通過檢測變壓器油箱表面的振動信號，獲取繞組和鐵心的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，從而判斷變壓器機械穩(wěn)定性。變壓器振動檢測的核心是振動檢測設(shè)備技術(shù)性能和選取合適的振動傳感器位置。

2.1 振動檢測設(shè)備技術(shù)要求

變壓器振動檢測設(shè)備由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括傳感器、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊、中央處理器等，見圖2。軟件系統(tǒng)包括變壓器振動信號采集與處理模塊和機械穩(wěn)定性分析診斷模塊等。

圖2 變壓器振動檢測設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

1）振動傳感器參數(shù)

a）至少6路。

b）靈敏度：100～500 mV/g。

c）量程：0～10 g。

d）頻率：10 Hz～10 kHz。

e）防護等級：IP65。

2）振動信號采樣參數(shù)

a）分辨率：12位及以上。

b）采樣頻率：200 kHz及以上。

c）輸入量程：±10 V。

d）輸入阻抗：1 MΩ及以上。

e）精度：±2%。

f）采樣時間：不少于50 ms。

2.2 確定振動傳感器位置

變壓器油箱外殼有許多加強筋，且安裝有不同類型的輔助設(shè)施。油箱長軸方向的垂直面上通常有冷卻器、油泵和冷卻器用油管等；油箱長軸方向的水平面上有套管、油枕用油管等；油箱短軸方向的一側(cè)有分接開關(guān)等。加強筋和輔助設(shè)施會影響變壓器油箱表面的振動檢測結(jié)果。變壓器振動檢測傳感器安裝位置的選擇原則是盡量遠離加強筋和輔助設(shè)施。變壓器振動檢測傳感器安裝位置應(yīng)滿足以下要求：

1）傳感器安裝在變壓器長軸方向上，盡量減少分接開關(guān)的影響。

2）傳感器安裝位置應(yīng)選擇較大平面的區(qū)域，盡量遠離加強筋。

3）傳感器安裝位置的水平方向，盡量靠近變壓器繞組位置，遠離變壓器鐵心空窗。

4）傳感器安裝位置的垂直方向，對應(yīng)于變壓器繞組的上部、下部兩個檢測位置，對于體積較大的變壓器，可采用上部、中部、下部三點布置，但應(yīng)遠離變壓器油箱的頂部和底部。

三相變壓器典型的振動檢測點布置如圖3所示。

圖3 三相變壓器典型的振動檢測點布置

傳感器采用永磁體吸附于變壓器油箱表面，永磁體吸力不低于50 N。檢測點高度一般為油箱高度的處，每次檢測的測試點位置應(yīng)保持不變。

2.3 干擾識別

變壓器有載分接開關(guān)的操作及冷卻系統(tǒng)等輔助設(shè)施的振動會對油箱表面的測量結(jié)果造成影響。輔助設(shè)施機械振動信號的最大特征是信號幅值與電流的工頻周期之間無相位特征，即呈現(xiàn)出“白噪聲”的信號特征，且振動信號頻率與工頻周期頻率整數(shù)倍無關(guān)聯(lián)關(guān)系。

流過變壓器繞組的直流電流也會造成振動測試結(jié)果異常。繞組中存在直流時，振動干擾信號的最大特征是信號中存在較大幅值的非工頻偶次倍數(shù)諧波［20］。

3 機械穩(wěn)定性評估方法

應(yīng)用運行狀態(tài)下的變壓器振動檢測結(jié)果，采用振動相關(guān)性、振動平穩(wěn)性、能量相似度和頻率復(fù)雜度4種特征值，實現(xiàn)變壓器繞組、鐵心、整體的機械穩(wěn)定性狀況評估［21］。必要時，可結(jié)合變壓器的等值電容、低電壓短路阻抗、繞組頻率響應(yīng)分析等檢測結(jié)果進行綜合判斷。

3.1 振動相關(guān)性

振動相關(guān)性用于分析測點之間基頻振動信號的相關(guān)程度，是先驗性分析方法。該特征量主要反映變壓器繞組的機械穩(wěn)定性，振動相關(guān)性按下列公式計算［22］：

式中：aMPC為振動相關(guān)性；λ為振動特征矩陣的特征值；i為測點編號。

3.2 振動平穩(wěn)性

振動平穩(wěn)性用于分析測點振動信號的確定性，是非先驗性分析方法，主要反映變壓器鐵心的機械穩(wěn)定性。振動平穩(wěn)性按下列公式計算［23］：

式中：aDET為振動平穩(wěn)性；l為振動信號直方圖中的對角線長度；P（l）為振動直方圖中長度為l的對角線條數(shù)。

3.3 能量相似度

能量相似度用于分析測點振動能量之間的相似程度，是先驗性分析方法，主要反映變壓器繞組和鐵心整體機械穩(wěn)定性。能量相似度按下列公式計算［23］：

式中：aEDR為能量相似度；vi為第i特征向量；μ為特征向量的平均能量。

3.4 頻率復(fù)雜度

頻率復(fù)雜度用于分析變壓器的整體機械穩(wěn)定性狀態(tài)，是非先驗性分析方法。頻率復(fù)雜度按下列公式計算［23］：

式中：aFCA為頻率復(fù)雜度；pf為頻率f下的諧波比重。

4 變壓器機械穩(wěn)定性評估案例

4.1 案例概況

某220 kV 主變曾遭受低壓側(cè)近區(qū)短路，低壓側(cè)短路電流17.6 kA，超過該主變可承受短路電流值（14 kA），短路后的油色譜分析顯示存在微量乙炔。為判斷該變壓器機械狀態(tài)是否良好，明確繞組等部件是否在短路過程中發(fā)生變形，對該主變進行了基于振動原理的變壓器繞組機械穩(wěn)定性帶電檢測。該變壓器型號為OSFPS7-150000/220，1993 年8 月生產(chǎn)。振動測試采用杭州柯林電氣的KLJC-18A。

4.2 振動法變壓器繞組變形檢測流程

4.2.1 測點布置

振動檢測點選取距離變壓器繞組最近的油箱壁處，并且遠離加強筋及散熱裝置。檢測點對應(yīng)繞組的上部、下部兩點布置。振動檢測點布置如圖3所示。

4.2.2 傳感器固定方式

傳感器采用永磁體吸附于變壓器油箱表面，永磁體吸力不低于50 N。

4.2.3 采樣方式

采樣方式分手動和自動兩種。采樣頻率為10 kHz。每次采樣時間不少于50 ms。

4.3 測試結(jié)果

該變壓器典型測點的測試結(jié)果如圖4所示。從振動大小來看，該變壓器的振動幅值在正常范圍之內(nèi)。從振動頻譜看，該變壓器的振動主要分布在1 000 Hz 以下，高次諧波分量較少，但低頻部分出現(xiàn)了一些非整次諧波分量，噪聲現(xiàn)象較為明顯。

圖4 部分測點振動波形和頻譜

4.4 診斷結(jié)果

部分測點的振動特征值如表1所示，其中正常值來自300 余臺變壓器振動測試結(jié)果的統(tǒng)計數(shù)值。aFCA值表明該主變振動的頻率成分集中度不高，頻率組成較復(fù)雜，整體運行狀態(tài)較差。另外，aDET值都在0.1以下，說明測點對應(yīng)位置的機械機構(gòu)確定性極差，系統(tǒng)確定性也很低，變壓器整體出現(xiàn)機械故障的可能性很高。從aEDR值來看，各測點的值均超出閾值很多。從變壓器振動相關(guān)性aMPC值來看，該主變的aMPC值為0.67，可以判斷該變壓器機械穩(wěn)定性異常，可能存在故障。

表1 振動特征值結(jié)果

根據(jù)頻率復(fù)雜度分析、振動平穩(wěn)性分析、能量相似度分析、振動相關(guān)性分析，該變壓器的各個指標參數(shù)均嚴重超過閾值，因此診斷為機械穩(wěn)定性異常，其內(nèi)部可能存在繞組變形、鐵心松動等缺陷，存在較大的安全運行隱患，應(yīng)立即進行停電檢修。

4.5 吊罩檢查

隨后對該主變進行了吊罩解體，檢查發(fā)現(xiàn)該變壓器低壓側(cè)A 相繞組存在嚴重的扭曲變形，如圖5所示，與振動法測試結(jié)果一致。

圖5 主變繞組吊罩檢查

這是一起典型的通過振動法發(fā)現(xiàn)確診變壓器較為嚴重的繞組變形缺陷的案例，案例表明，基于振動原理的繞組機械穩(wěn)定性帶電測試方法對于繞組變形具有良好的檢測效果。

5 結(jié)語

投入電網(wǎng)運行的電力變壓器，在電、磁、熱的長期作用下，易發(fā)生近區(qū)短路、固體絕緣件自然收縮和線圈壓緊力變化，從而引起變壓器機械穩(wěn)定性下降。停電狀態(tài)下診斷變壓器繞組機械穩(wěn)定性的主要方法是低電壓短路阻抗和頻率響應(yīng)分析法，實踐證明其起到了很好的作用，但存在停電窗口難題。帶電情況下診斷變壓器繞組機械穩(wěn)定性已成為防止變壓器損壞的主要研究內(nèi)容，振動監(jiān)測是實現(xiàn)帶電情況下診斷變壓器繞組機械穩(wěn)定性重要手段。

本文給出了變壓器振動監(jiān)測傳感器安裝位置的確定方法，分析了冷卻系統(tǒng)、直流偏磁等干擾因素對振動監(jiān)測結(jié)果的影響，為準確測得變壓器振動信號提供了保障。

建立了基于振動監(jiān)測的變壓器機械穩(wěn)定性評估指標，結(jié)合典型案例論證了評估指標的可行性。評估閾值需有大量的變壓器案例做支撐，如何獲取準確的閾值是實現(xiàn)變壓器繞組機械穩(wěn)定性評估的主要難點，也是下一步的工作重點。