基于振動(dòng)法的電力變壓器繞組變形測(cè)點(diǎn)分析

李學(xué)斌，金涌川，張 彬，孟慶璐，張遠(yuǎn)博

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

基于振動(dòng)法的電力變壓器繞組變形測(cè)點(diǎn)分析

李學(xué)斌1，金涌川2，張 彬1，孟慶璐3，張遠(yuǎn)博1

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

振動(dòng)分析法是一種診斷變壓器繞組機(jī)械變形的有效方法。針對(duì)當(dāng)前振動(dòng)法測(cè)點(diǎn)不確定問(wèn)題，通過(guò)變壓器振動(dòng)機(jī)理分析，以S11-M-500 kVA/35 kV試驗(yàn)變壓器為研究對(duì)象，分別對(duì)正常及故障繞組進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，獲取不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信息。采用歐幾里得距離法和基頻幅值對(duì)正常及故障繞組的不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信息進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明1/6測(cè)點(diǎn)處更適合用于繞組變形的振動(dòng)法檢測(cè)。

振動(dòng)機(jī)理；歐幾里得距離；振動(dòng)變形；測(cè)點(diǎn)選擇

Abstract:Vibration analysis is an effective method to diagnose the mechanical deformation of transformer windings. Aiming at the uncertain problems of vibration measure points,it carries out load test with the normal and fault winding respectively for vibration information of different measure points.Through vibration mechanism analysis of the transformer, it uses S11-M-500kVA/35kV test transformer as the research object. It uses the euclidean distance method and fundamental frequency amplitude to analyze the vibration information of the different measuring points of normal and fault windings.The analysis results show that 1/6 part measure points is more suitable forvibration method detection of the winding deformation.

Keywords：vibration mechanism；euclidean distance；winding deformation；measurement point selection

伴隨著我國(guó)電力工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力變壓器的裝機(jī)容量不斷增加，單機(jī)容量與電壓等級(jí)越來(lái)越高。作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，電力變壓器的運(yùn)行狀況對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，繞組變形及繞組壓緊松動(dòng)所引起的機(jī)械故障是變壓器故障的主要組成部分[1-4]?，F(xiàn)有的變壓器繞組檢測(cè)方法主要為離線檢測(cè)，如吊罩檢查、短路阻抗法(SCI)、頻率響應(yīng)法(FRA)、低壓脈沖法(LVI)等[5]。離線的檢測(cè)有很多局限性，只能做到預(yù)防檢測(cè)和事后檢測(cè)。振動(dòng)法在線監(jiān)測(cè)變壓器繞組變形由于其靈敏度高，與電力系統(tǒng)無(wú)電氣連接，監(jiān)測(cè)安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)受到研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[6]。

由于電力變壓器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)繞組各點(diǎn)的振動(dòng)不盡相同，加之傳播途徑的復(fù)雜性，油箱表面上的振動(dòng)并不都能有效地體現(xiàn)變壓器繞組狀況，因此對(duì)油箱表面的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究分析，合理地選擇振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)實(shí)現(xiàn)電力變壓器繞組機(jī)械狀況振動(dòng)法在線監(jiān)測(cè)和故障診斷至關(guān)重要[7-9]。

1 變壓器振動(dòng)機(jī)理

變壓器的振動(dòng)主要是由繞組和鐵芯振動(dòng)引起的[10]。繞組上產(chǎn)生的力主要為電動(dòng)力，鐵芯上產(chǎn)生的力主要為磁致伸縮力和洛侖茲力[11]。在變壓器原邊或副邊短路時(shí)，主要是繞組上的電動(dòng)力起作用；在空載或帶載工作時(shí)，鐵芯上的磁致伸縮力和繞組電動(dòng)力共同起作用[12]。因此，當(dāng)主要研究變壓器繞組振動(dòng)引起的油箱振動(dòng)時(shí)，可進(jìn)行變壓器負(fù)載試驗(yàn)以獲取研究數(shù)據(jù)。

作用在電力變壓器線圈上的電動(dòng)力與流過(guò)繞組電流的平方成正比：

F=Bi2

(1)

假定電力變壓器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)流過(guò)繞組的電流為

i=Imcosωt

(2)

式中：ω為電網(wǎng)頻率。

(3)

由式(3)可以看出，電動(dòng)力為負(fù)載電流頻率的2倍，而繞組振動(dòng)是由電動(dòng)力引起的。因此，繞組的振動(dòng)基頻也應(yīng)為負(fù)載電流頻率的2倍。當(dāng)負(fù)載電流為工頻50 Hz時(shí)，變壓器繞組的振動(dòng)基頻應(yīng)該為100 Hz，在油箱表面振動(dòng)分析中此頻率應(yīng)該作為一項(xiàng)重要特征加以研究。

2 試驗(yàn)方案及振動(dòng)數(shù)據(jù)采集

正常運(yùn)行的變壓器油箱外壁的振動(dòng)信號(hào)主要是鐵芯振動(dòng)和繞組振動(dòng)的疊加，頻率范圍集中在10～2 000 Hz，據(jù)此可以選擇合適的加速度傳感器來(lái)測(cè)量。加速度傳感器有壓電式、應(yīng)變式和伺服加速傳感器。伺服加速傳感器低頻響應(yīng)好，但是測(cè)量頻帶窄，小于500 Hz，不適合變壓器油箱外壁振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。壓電式與應(yīng)變式傳感器相比較，壓電式傳感器應(yīng)用更為廣泛，測(cè)量頻率為4～100 kHz。因此，壓電式傳感器可以用作油箱外壁振動(dòng)的測(cè)量。圖1為傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試圖，采用磁座固定方式。圖2為振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的流程框圖。

本文設(shè)置了三相正常繞組變壓器及A相模擬故障，型號(hào)均為S11-M-500/35，聯(lián)結(jié)組別為Yyn0。A相模擬故障的設(shè)置為低壓繞組幅向壓縮，高壓繞組幅向拉伸，模擬故障繞組實(shí)物如圖3所示。

圖1 傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖2 變壓器振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

(a)低壓繞組幅向壓縮

(b)高壓繞組幅向拉伸圖3 換位位置低壓繞組輻向壓縮及高壓繞組輻向拉伸實(shí)物圖

負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，鐵芯的振動(dòng)很微弱，可以認(rèn)為油箱的振動(dòng)是由繞組振動(dòng)引起的，因此，在負(fù)載試驗(yàn)下可以更好的分析油箱不同測(cè)點(diǎn)對(duì)于繞組振動(dòng)的反映情況，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)的選擇。正常繞組與模擬故障繞組變壓器分別進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，獲取振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。負(fù)載試驗(yàn)低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)施加三相電壓，一次側(cè)電壓從零逐漸增大，直到使得一次側(cè)負(fù)載電流達(dá)到額定電流IN(8.25 A)。負(fù)載電流分為一次側(cè)額定電流的100%(8.25 A)。其試驗(yàn)原理圖及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線如圖4所示。在試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選擇上，由研究成果可知變壓器油箱上下面、加強(qiáng)筋連接處等處振動(dòng)信號(hào)用于在線檢測(cè)繞組機(jī)械狀況的效果不好，加以排除，同時(shí)為減少變壓器出線處的電磁干擾，本文試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選取為三相繞組對(duì)應(yīng)低壓側(cè)油箱表面距地1/2、1/3、1/6位置處，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

(a)負(fù)載試驗(yàn)原理圖

(b)負(fù)載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接線圖圖4 變壓器負(fù)載試驗(yàn)原理圖及現(xiàn)場(chǎng)接線圖

圖5 變壓器整體結(jié)構(gòu)及傳感器位置

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)獲取的振動(dòng)信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，在時(shí)域上只可以在幅值上進(jìn)行對(duì)比，無(wú)法深入分析振動(dòng)信號(hào)的內(nèi)在差異。傅里葉變換是一種經(jīng)典的信號(hào)分析方法，它可以將時(shí)域信號(hào)分解為頻域信息，從而在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

(4)

(5)

式(4)為傅里葉變換，式(5)為其逆變換。利用式(4)可將時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。本文將模擬故障繞組與正常繞組振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，采用額定負(fù)載電流下的基頻振動(dòng)幅值變化率及全頻段振動(dòng)幅值歐幾里得距離2種量化信息量來(lái)表征振動(dòng)信號(hào)間的區(qū)分度。

采用歐幾里得距離來(lái)量化信號(hào)間的相似程度，距離越大，區(qū)分度越大，越便于繞組變形的檢測(cè)與分析。歐式距離是在M維空間中2個(gè)點(diǎn)的真實(shí)距離。本文中歐式距離可以看作信號(hào)間的相似程度，距離越大區(qū)分度越高。計(jì)算公式如下：

(6)

式中：d為歐幾里得距離，X與Y取為各頻段振動(dòng)幅值所組成的數(shù)組，n為數(shù)組中元素的個(gè)數(shù)。

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以A相為例，圖6為正常繞組負(fù)載試驗(yàn)額定電流下A相3個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域及頻域信號(hào)。表1為傅里葉變換后各頻率的振動(dòng)幅值大小。

由圖6可知，在時(shí)域圖中無(wú)法有效地獲取辨識(shí)度高的信息，需要在頻域上進(jìn)一步加以分析。在頻域圖中，繞組振動(dòng)引起的油箱三側(cè)點(diǎn)的振動(dòng)均以100 Hz為基頻，這與理論分析相符。

圖7為A相繞組正常時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)信號(hào)頻域?qū)Ρ葓D，由表1及圖7的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1/6測(cè)點(diǎn)處基頻100 Hz的振動(dòng)最大，為0.018 43 m/s2；1/3處次之，為0.014 91 m/s2；1/2處最小，為0.010 74 m/s2。而200 Hz、400 Hz、500 Hz處的振動(dòng)幅值基本相當(dāng)。

圖6 變壓器繞組正常時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)

表1 變壓器繞組正常時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)各頻率下振動(dòng)幅值 m/s2

圖8為A相繞組模擬故障時(shí)額定電流下油箱不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)信號(hào)頻域?qū)Ρ葓D，表2為額定負(fù)載電流不同測(cè)點(diǎn)A相模擬故障繞組頻域幅值。由圖8可以看出，故障繞組振動(dòng)信號(hào)在油箱上的振動(dòng)表現(xiàn)為1/6測(cè)點(diǎn)處基頻100 Hz振動(dòng)明顯大于其它2個(gè)測(cè)點(diǎn)，而200～500 Hz的振動(dòng)幅值基本相當(dāng)。表3為模擬故障繞組與正常繞組額定負(fù)載電流下相同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的振動(dòng)差異量化比較結(jié)果。1/6、1/3、1/2測(cè)點(diǎn)處歐幾里得距離分別為0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值變化率分別為68%、23%、13%。量化分析后，3個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)繞組變形的靈敏度區(qū)分明顯，1/6測(cè)點(diǎn)處的效果最好，1/3測(cè)點(diǎn)處次之，1/2測(cè)點(diǎn)處效果最差。

綜上所述，1/6測(cè)點(diǎn)處對(duì)于繞組振動(dòng)的反應(yīng)更靈敏，有利于減小變壓器其它振動(dòng)信號(hào)源的干擾，增大掛網(wǎng)運(yùn)行中采集到的混合信號(hào)中繞組振動(dòng)占比；在頻域分布上，1/6測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)的主能量集中于100 Hz基頻，在繞組發(fā)生機(jī)械變形后更為明顯。因此，在上述3個(gè)測(cè)點(diǎn)中，1/6測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)信號(hào)可以更好地體現(xiàn)繞組的機(jī)械狀態(tài)及振動(dòng)特征，更適合用于繞組變形狀態(tài)的振動(dòng)法在線檢測(cè)。

圖7 A相繞組正常時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)信號(hào)頻域?qū)Ρ葓D

圖8 A相繞組故障時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)信號(hào)頻域?qū)Ρ葓D

表2 變壓器繞組故障時(shí)額定電流下A相油箱側(cè)壁不同測(cè)點(diǎn)各頻率下振動(dòng)幅值m/s2

表3 模擬故障繞組與正常繞組額定負(fù)載電流下相同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)差異比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)振動(dòng)法檢測(cè)變壓器繞組變形振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇不明確的問(wèn)題，重點(diǎn)研究油箱表面低壓側(cè)側(cè)壁1/2、1/3、1/6測(cè)點(diǎn)處針對(duì)振動(dòng)法檢測(cè)繞組變形時(shí)的優(yōu)劣。構(gòu)建振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，制作35 kV變壓器正常繞組變壓器及模擬故障繞組變壓器，進(jìn)行系列負(fù)載試驗(yàn)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用歐幾里得距離和100 Hz幅值變化率對(duì)模擬故障繞組與正常繞組振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行量化分析，得到1/6、1/3、1/2測(cè)點(diǎn)處歐幾里得距離分別為0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值變化率分別為68%、23%、13%。表明1/6測(cè)點(diǎn)處對(duì)繞組變形的反應(yīng)更靈敏，更有利于振動(dòng)法在線檢測(cè)繞組變形故障。本文研究為振動(dòng)法電力變壓器繞組變形在線檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)選擇提供支持。

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Analysis of Transformer Winding Deformation Measure Points of Power Transformer Based on Vibration Method

LI Xuebin1，JIN Yongchuan2，ZHANG Bin1，MENG Qinglu3，ZHANG Yuanbo1

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2. State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Materials Branch Company，Shenyang，Liaoning 110006，China)

TM406

A

1004-7913(2017)07-0035-05

2017-04-24)

李學(xué)斌(1985)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高壓絕緣與試驗(yàn)、電力設(shè)備智能化及故障診斷研究工作。