面向振動信號分析方法的電力變壓器故障檢測分析

摘 要：針對變壓器的故障診斷及定位方法，探討了面向振動分析法的變壓器故障診斷技術。該技術涉及鐵心和繞組振動的原理，以及機械結構變化對頻率集中度和振動穩定性的影響。通過互信息方法，實現了故障位置的精準定位。實驗表明，振動分析法不僅能提供與傳統方法相當或更優的檢測精度，還具有非侵入式和實時的監測優勢，是電力系統維護和故障預防的重要手段。

關鍵詞：振動分析法 變壓器 故障檢測 振動測試系統

中圖分類號：TM413

Analysis of Fault Detection of Power Transformer Based on Vibration Signal Analysis Method

LI Zhichao GE Hao ZHAO Xinyi XIANG Zimo SHI Yiying

State Grid Beijing Tongzhou Power Supply Company， Beijing City， 101100 China

Abstract： According to the fault diagnosis and positioning method of transformer， the transformer fault diagnosis technology based on Vibration Analysis method is discussed. The technique involves the principle of core and winding vibration， and the influence of mechanical structural changes on frequency concentration and vibration stability. Through the mutual information method， the precise positioning of the fault position has been achieved. The experiment shows that the Vibration Analysis method can not only provide a comparable or better detection accuracy than the traditional method， but also has the advantages of non-invasive and real-time monitoring， which is an important means of power system maintenance and fault prevention.

Key Words： Vibration Analysis method; Transformer; Fault detection; Vibration testing system

變壓器在電力系統中至關重要，但長期運行易發生故障。傳統故障檢測需斷電，影響供電且可能造成二次傷害。因此，發展無須斷電的在線監測技術尤為必要。本研究通過分析變壓器在正常運行與故障狀態下的振動信號特征，探討了基于振動分析法的變壓器故障診斷技術，實現了對變壓器潛在故障的早期預警及精準定位。

1 變壓器振動的原理

鐵心振動的主要成因在于硅鋼片展現的磁致伸縮特性。若將電源電壓為 ，單位為伏特（V），則可以推導出，鐵心振動的加速度為：

式（1）中：為硅鋼片沿軸向的尺寸，單位為mm；為硅鋼片磁致伸縮率，單位為H/m；為磁場中的磁感應強度，單位為T；為硅鋼片的橫截面積，單位為mm2；為電源電壓幅值，單位為V；-為鐵心對應的繞組匝數，以匝數為單位。由此可知，鐵心振動加速度與電源電壓的關系成正比，即。

但考慮鐵芯在實際運行中會受到磁滯效應和渦流效應的雙重影響，導致磁致伸縮特性與磁感應強度之間呈現出一種復雜的非線性關系。因此，在表征振動信號時，可將100Hz作為基準頻率，并適當引入少量整數倍的高頻分量[1]。

2 變壓器振動頻率集中度與機械結構穩定性

正常工作的變壓器振動信號穩定，但機械結構變動會導致其變化。振動分析法通過分析信號差異評估變壓器狀態。本研究采用實時信號分析與歷史數據比對雙維度方法。變壓器振動源于鐵心和繞組，基頻為100 Hz，含高頻成分，主要分布于1 000 Hz以下。本文分析此頻段內振動分量。在典型條件下，基頻成分占主導，高頻成分較少，成分比例穩定，據此定義頻率集中度指標。

式（2）中：表示頻率為的振動諧波的幅值，單位為m/s2。

振動頻率分量的比重可通過DFC來量化，特別是針對100 Hz成分的顯著性。DFC計算實時，分析瞬時振動數據，不依賴長期歷史記錄。變壓器機械穩態時，振動信號集中在100 Hz，DFC值趨近1。高頻成分增多時，頻率分布散亂，DFC值下降。實時監控DFC值可評估變壓器工作狀態。

3 變壓器故障定位

根據變壓器振動原理，本文利用互信息方法構建了一種框架，將變壓器振動信號特征參數與影響變壓器運行狀態的因素聯系起來，實現精準定位故障位置。互信息描述了一個變量在另一個變量已知時不確定性降低的程度，即兩個變量間共享的信息量。互信息值越高，變量間相關性越強[3]。隨機變量的不確定性可通過熵度量：

式（3）中，是隨機變量取特定值的概率，已知隨機變量，那么隨機變量的條件熵為：

則隨機變量和的互信息為：

繞組振動與電流平方直接相關，電流增大時，繞組振動增強。鐵心振動與電壓平方正相關，電壓增加導致鐵心振動加劇。變壓器中，繞組振動、鐵心振動及總振動間有關系。鐵心異常時，振動。模式變化，整體振動水平調整[4]。為識別振動變化原因及定位故障，可采用互信息分析法計算電流、電壓變化量與總振動變化量的互信息，判斷原因并定位故障，定義故障關聯度指標[4]：

式（6）中：為振動影響因素，包括電壓和電流的變動；為振動信號特征參數變化量；FCD是振動影響因子與特征參數相關度的量化指標，用于評估相關性，其增加表示故障可能性增大。基于振動分析的變壓器診斷方法優于傳統技術，可實現在線實時監控和準確故障定位，但存在傳感器安裝和信號特征提取的難點。傳感器布置需考慮設備結構和故障特征，缺乏統一標準。振動信號復雜，缺乏完備故障特征數據庫，難以實現精確對應。

5 變壓器故障檢測實驗

針對前述分析，本文提出基于振動信號分析的電力變壓器故障檢測方法。該方法通過振動信號特征分析，提出頻率集中度和振動穩定性指標進行狀態監測，并結合互信息方法實現故障診斷與定位。為驗證本文方法的使用價值，本文與傳統變壓器繞組檢測方法進行了對比。具體實驗過程及結果如下。

5.1 故障概況

某變壓器于2022年9月投入運行，額定容量240 MVA，額定電壓1 100/ kV，額定頻率50 Hz。2023年檢修時采用傳統檢測技術未能判斷原因，故采用本文設計的基于振動分析法的故障監測與診斷分析方法。

5.2 實驗過程

在實驗開始前，需對變壓器進行信號采集。鑒于實驗室目前不具備直接獲取變壓器繞組信號的條件，對繞組形變引起的故障信號采集較為困難。本次研究引入了變壓器繞組的等值電路參數（、、、、、、、），并利用這些參數進行變壓器繞組狀態的綜合診斷分析。常規條件下，變壓器繞組未變形的狀態為餅狀，一旦形變發生，各線圈將表現出不同程度和特征的形變。變壓器繞組穩態工作時域波形如圖1所示，波動范圍在-0.15到+0.15之間，時間跨度為0～2.5 s，運行正常。但持續運行10 min后，如圖2所示，出現不同頻率振動。工作頻率在0～100 Hz時，振動幅值為0.000～0.030；100～300 Hz時，振動幅值為0.005～0.025；300～500 Hz時，振動幅值為0.010～0.020。數據表明，0～300 Hz內振動幅值較高，可能存在嚴重運行問題，須檢測維修。

5.3 實驗結果

依據上述實驗條件，本文選定兩種不同狀態的變壓器繞組：一為未變形狀態，標記為未變形1-4；另一為變形狀態，標記為變形A-D。考慮到變壓器型號的差異，每種型號對應不同的繞組配置。本研究在確保各變壓器對地電容相等的前提下，對比了傳統繞組檢測方法和本研究提出的基于振動分析的繞組檢測方法在測量變壓器對地電容方面的效果。相關的實驗數據和分析結果詳見表1。

從表2的實驗結果來看，本文設計的基于振動分析的故障檢測方法與傳統方法相比，具有更高的一致性和精確度。對于未變形繞組，本文方法與實際對地電容值接近，誤差極小，表明振動分析法能準確反映變壓器繞組狀態。對于變形繞組（變形A至D），本文方法同樣匹配度高，誤差范圍小，證明該技術能準確診斷繞組異常變形。相較于傳統方法，本文設計的振動分析在變形繞組檢測中更為精確，可能因其更敏感于繞組變形引起的微小變化。

6 結語

通過振動信號的分析和實驗驗證，本研究展示了基于振動分析法的變壓器故障診斷技術在準確性方面的優勢。該技術能夠在不中斷變壓器服務的情況下，有效地監測其運行狀態，并及時識別出潛在的故障。與傳統方法相比，本文提出的技術在不僅可以提供與傳統方法相當或更優的檢測精度，還能通過其非侵入式和實時的監測優勢，成為電力系統維護和故障預防中的重要手段。

參考文獻

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[2] 楊凱東.變壓器繞組的振動信號檢測方法分析[J].電子技術，2023，52（5）：304-306.

[3] 吳欣燁.面向振動信號多特征值的電力變壓器故障檢測方法分析[J].中國高新科技，2023（15）：85-87.

[4] 陳月，許秀英，梁春英，等.變壓器故障診斷及分析方法[J].農機使用與維修，2023（8）：124-128.

[5] 李楠，馬宏忠，崔佳嘉，等.電力變壓器繞組振動聲紋特性分析[J].應用聲學，2022，41（5）：785-793.