變壓器振動監(jiān)測與診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

趙永 胡遠(yuǎn)芳 李周晨聽 張建文

摘要：本文對變壓器振動機(jī)理、振動影響因素、故障診斷方法等幾個方面展開了現(xiàn)狀的研究和歸納，并針對目前振動法的研究現(xiàn)狀提出了展望。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);電力變壓器;變壓器振動;變壓器狀態(tài)監(jiān)測

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，根據(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示2002-2006年國家電網(wǎng)llOkV及以上電壓等級的變壓器共發(fā)生了162臺次事故。大多為繞組故障，包括使得繞組扭曲、傾斜、塌陷、鼓包和位移等永久失穩(wěn)變形[1]。

在90年代中后期，國內(nèi)外對基于變壓器振動信號的變壓器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)開展了大量的研究工作。與傳統(tǒng)檢測方法不同，振動法對變壓器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，既能保證監(jiān)測的在線性，又能同時對變壓器的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和電氣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。實驗證明該方法可廣泛應(yīng)用于各類變壓器且故障監(jiān)測準(zhǔn)確率高達(dá)80%-90%[2]。

本文將針對基于變壓器振動信號的變壓器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀，從監(jiān)測機(jī)理、數(shù)學(xué)模型、振動影響因素、振動信號采集及分析和故障狀態(tài)判斷幾方面入手，對現(xiàn)有的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，同時對不同的研究成果開展局限性分析，擬歸納出較為全面的變壓器在線監(jiān)測研究現(xiàn)狀和應(yīng)用重點。

1 變壓器振動機(jī)理

變壓器在運(yùn)行時，其鐵芯和繞組在磁場和電場作用下，分別會受到磁致伸縮形變、洛倫茲力和電動力的作用，周期變化的交變磁場使得鐵芯和繞組受力呈現(xiàn)周期性的往復(fù)規(guī)律，使得鐵芯和繞組成為了變壓器內(nèi)部振動源。繞組和鐵芯的振動特性受到自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的影響，在不同的運(yùn)行狀況下體現(xiàn)出不同的振動幅值和頻譜。在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了基于變壓器振動信號的鐵芯及繞組狀態(tài)檢測技術(shù)[3]。

1.1 幾種振動源

1.1.1 振動源分類

振源分為變壓器本體的振動和冷卻附件振動，本體振動有：

（1）鐵芯部件隨勵磁頻率而周期得振動;

（2）硅鋼片疊片間存在由漏磁產(chǎn)生得電磁吸引力引起鐵芯振動;

（3）繞組中通過電流，使得繞組在交變磁場下受到周期的電動力作用，產(chǎn)生振動。

冷卻附件振動則有冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運(yùn)行時產(chǎn)生的振動，除此之外，漏磁現(xiàn)象也會引起變壓器箱壁產(chǎn)生振動[4]。

1.1.2 振動信號的部分頻譜特性

研究表明鐵芯與繞組產(chǎn)生的振動頻譜范圍通常在100-500Hz之間，其中鐵芯的振動頻譜中除在100Hz處有明顯分量外，其在200Hz-800Hz等倍頻處的幅值都非常明顯‘5]。變壓器容量和振動信號頻譜基頻分量幅值成正比，和倍頻分量幅值成反比H。鐵芯質(zhì)量、鐵芯芯柱與鐵軛尺寸會影響振動程度，鐵芯質(zhì)量的減少和鐵芯窗/直徑比例減少都會減小振動強(qiáng)度和頻譜幅值[6]。此外，有載調(diào)壓分接開關(guān)動作時產(chǎn)生瞬態(tài)振動，其頻率量級為kHz級別，是明顯有別于穩(wěn)定工況振動的高頻振動，導(dǎo)致調(diào)壓操作時，振動信號頻譜中會出現(xiàn)kHz的分量。而冷卻附件（風(fēng)扇）只存在于100 Hz以下的振動信號，因此可對振動信號進(jìn)行分離，過濾冷卻附件帶來的信號干擾[7]。

1.2 振動信號的傳遞路徑

變壓器內(nèi)部繞組、鐵芯作為振動源，將振動產(chǎn)生的機(jī)械波通過變壓器油和剛體結(jié)構(gòu)傳遞到變壓器箱壁上，同時，冷卻附件及漏磁引起的箱壁振動也會產(chǎn)生機(jī)械波與之耦合，最終將振動信號體現(xiàn)在變壓器箱壁上。圖1為變壓器振動信號的傳播路徑圖。

在負(fù)載情況下，變壓器的主要振動源為繞組和鐵芯，絕緣油是主要傳遞介質(zhì)，二者的振動經(jīng)過絕緣油和固定件及變壓器剛體結(jié)構(gòu)向變壓器箱壁傳遞，同時，二者產(chǎn)生的振動會相互疊加;在空載情況下，主要振源為鐵芯，振動機(jī)械波也主要通過絕緣油和鐵芯緊固螺絲以及其他剛體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。除正常的振動機(jī)械波通過介質(zhì)傳遞到箱壁外，鐵芯的磁致伸縮現(xiàn)象會引起變壓器箱壁體積膨脹，從而產(chǎn)生振動。磁致伸縮現(xiàn)象導(dǎo)致鐵芯膨脹，膨脹導(dǎo)致鐵芯的體積發(fā)生變化，使得變壓器油受到體積壓力，油壓力將驅(qū)動油箱殼體膨脹收縮振動[8]。

2 變壓器振動信號的影響因素

2.1 負(fù)載電流大小對振動信號的影響

變壓器在其他外部激勵和本身機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的情況下，文獻(xiàn)[9]通過實驗證明了變壓器油箱壁振動與負(fù)載電流平方的正相關(guān)性良好，負(fù)載電流與變壓器油箱壁振動加速度100Hz基頻幅值的擬合關(guān)系如圖2所示。在變壓器遭受短路沖擊時，繞組除產(chǎn)生100Hz的振動頻譜分量外，還存在一定的50Hz振動分量。

2.2 外加電壓大小對振動信號的影響

由鐵芯振動機(jī)理可知，鐵芯的振動加速度與磁場強(qiáng)度平方成正比。外部所加電壓的變化將會引起鐵芯磁通密度發(fā)生突變，從而導(dǎo)致鐵芯受力發(fā)生變化，最終使得鐵芯振動加速度產(chǎn)生突變。文獻(xiàn)[10]中實例也證明電壓驟降時，變壓器振動明顯增大。

2.3 功率因素對振動信號的影響

在振動傳遞過程中，電流與電壓的相位差存在，無法滿足振動信號的線性疊加前提[11]，導(dǎo)致鐵芯和繞組的振動在傳遞過程并不是線性的疊加過程，相位差的存在會使得振動信號的傳遞疊加過程產(chǎn)生高次諧波，因此功率因數(shù)對振動信號的影響不可忽略。鐵芯與繞組產(chǎn)生的振動加速度相位差φ為：

式中，φ為電流與電壓得相位差;φ0。為負(fù)載電流初始相位; β為固定條件下求得的與繞組參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

通過調(diào)節(jié)負(fù)載的電阻和電感數(shù)值模擬變壓器的負(fù)載功率因數(shù)的變化，對隨之變化的振動特性進(jìn)行了觀測，頻譜中在100Hz及300Hz處的振幅隨功率因數(shù)增大而增大，變化趨勢呈現(xiàn)非線性，不同負(fù)載下的振動頻譜如圖3[13]所示。

2.4溫度對振動信號的影響

變壓器絕緣油性能將影響振動信號。溫度的改變會使得絕緣油的分子密度和活躍程度發(fā)生變化，從而改變了絕緣油的阻尼大小。絕緣油粘滯程度隨溫度升高而下降[12]，其流動性增加，對振動的阻尼作用有所降低，使得表面測得的振動信號有所增強(qiáng)，變壓器絕緣油油溫的改變由于受到膨脹系數(shù)的影響，當(dāng)油溫升高時，箱體表面振動信號增強(qiáng)[13]。

溫度的變化還將改變繞組、絕緣墊塊和硅鋼片等部件的彈性模量，從而使得傳遞出的振動信號變化。

2.5 預(yù)緊力對振動信號的影響

繞組預(yù)緊力主要指軸向預(yù)緊力，軸向預(yù)緊力不足時，如若遭受短路沖擊，會使得線餅匝間絕緣破損短路嚴(yán)重時還會導(dǎo)致線餅崩塌等。文獻(xiàn)[13]通過仿真試驗證明隨著預(yù)緊力減小，振動加速度幅值顯著增大。

用于固定鐵芯的預(yù)緊力，通過影響鐵芯的振動阻尼和磁滯回線使得鐵芯振動特性發(fā)生改變。文獻(xiàn)[14]研究表明，36%的變壓器故障是由繞組遭受短路沖擊后造成的。對變壓器的電氣參數(shù)和振動信號進(jìn)行研究，能夠?qū)︻A(yù)緊力不足情況下，短路沖擊造成繞組形變等故障進(jìn)行有效識別。

2.6 外部冷卻附件對振動信號的影響

外部冷卻設(shè)備如風(fēng)扇運(yùn)行時也會產(chǎn)生振動，其振動產(chǎn)生的機(jī)械

波與變壓器本體所產(chǎn)生的振動相互疊加后傳遞到變壓器箱體上。實例表明運(yùn)行中的風(fēng)扇其本身振動頻譜雖然主要集中在100Hz以下，但其振動會影響附近箱壁上的振動信號，導(dǎo)致100Hz及400Hz附近產(chǎn)生畸變和大峰值的200Hz分量出現(xiàn)，在風(fēng)扇開啟后，靠近風(fēng)扇的某相振動頻譜如圖4所示[15]：

雖然風(fēng)扇等設(shè)備運(yùn)行導(dǎo)致振動信號頻譜的基頻附近產(chǎn)生了畸變，但由于風(fēng)扇運(yùn)行過程在外加電氣條件不變的情況下，可視為一個穩(wěn)態(tài)的過程，對變壓器振動信號的影響作用也是穩(wěn)定的，因此，在工程應(yīng)用中，去除風(fēng)扇振動信號，并不影響通過振動信號對故障狀況的診斷。

3 故障診斷技術(shù)

目前較為成熟可靠的、基于振動法的變壓器在線監(jiān)測及故障的診斷技術(shù)，在故障診斷方面主要采取了兩種不同的思路：一種是通過實驗或仿真模擬故障狀態(tài)，列舉出有限種故障特征，將列舉出的故障特征與經(jīng)過過濾處理的振動信號進(jìn)行對比判定故障狀態(tài)。另一種是采集足夠數(shù)量正常工況下的變壓器振動信號，建立正常工況的變壓器振動信號數(shù)據(jù)庫或模型，一旦監(jiān)測到振動信號與數(shù)據(jù)庫或模型之間的差異性達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，則判定此時變壓器處于故障狀態(tài)。

3.1 基于故障特征識別的診斷技術(shù)

3.1.1 振動信號的濾波降噪

在實際應(yīng)用中，采集的振動信號包括了外部環(huán)境和自身冷卻附件（風(fēng)扇）干擾，在進(jìn)行振動信號的故障診斷之前，應(yīng)先對振動信號進(jìn)行濾波降噪處理，本文總結(jié)了幾種廣泛應(yīng)用于振動信號降噪處理的方法。

傅里葉變換被廣泛應(yīng)用于振動信號的頻譜分析，但考慮到傅里葉變換在對非平穩(wěn)隨機(jī)信號進(jìn)行變換時會造成遺漏，使用小波理論對變壓器信號進(jìn)行分析，采用特定的分解層數(shù)的系數(shù)作為特征矢量，作為故障判定依據(jù)[15]，但是小波分析其自適應(yīng)能力較差。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]提出使用自適應(yīng)能力較強(qiáng)的EMD算法通過希爾伯特譜來區(qū)分信號。

文獻(xiàn)[17]針對變壓器故障情況下振動信號非平穩(wěn)、非線性的特點，提出了使用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）的方法分振動信號，以選擇有效本征模式函數(shù)（IMF）。

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[18]提出了使用EEMD算法和負(fù)熵準(zhǔn)則的盲源分析法對振動信號進(jìn)行處理，原理是使用EEMD對振動信號進(jìn)行分解，得到IMF函數(shù)后估計源個數(shù)，利用負(fù)熵準(zhǔn)則選擇獨立性較好的IMF分量，對測量信號進(jìn)行重組。

文獻(xiàn)[19]提出了使用基于時頻比多樣性盲源分離算法（ TIFORM-BSS）對變壓器振動信號進(jìn)行分離，并進(jìn)行了應(yīng)用。其使用盲源分離算法將個振動源傳遞到箱壁上的振動信號視為“源振動”，并將其分離，獲得單一的鐵芯和繞組振動特征。

此外，還有學(xué)者使用EEMD方法對信號進(jìn)行了特征值的提取，得到特征向量，再使用凝聚層次聚類算法對振動信號的特征向量進(jìn)行層次分類，最終分類得到變壓器的幾種故障狀態(tài)。

稀釋分解算法（Dilution Decomposition Algori-thm Method，DDAMethod）廣泛應(yīng)用于圖像壓縮和信號降噪領(lǐng)域，采用稀釋算法能夠有效避免振動信號信噪比較低所導(dǎo)致的傅里葉變換時的信號被淹沒的現(xiàn)象。圖7[20]為使用稀釋算法將變壓器振動信號進(jìn)行降噪重建的過程。

3.1.2基于振動特征量的故障診斷技術(shù)

經(jīng)過上文所述的信號濾波降噪處理后，信號頻譜已能夠體現(xiàn)變壓器的額狀態(tài)，通過實驗或?qū)嶋H故障變壓器進(jìn)行振動信號監(jiān)測，得到具體故障時變壓器振動信號頻譜的特征，結(jié)合特征進(jìn)行判斷即可得到變壓器相應(yīng)的狀態(tài)診斷依據(jù)，下文將列舉幾種典型實例。

文獻(xiàn)[21]將振動信號與短路阻抗相結(jié)合來對變壓器的繞組狀態(tài)進(jìn)行診斷，將短路阻抗法引入故障診斷中的原因是目前變壓器振動檢測法還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使用短路阻抗法能夠?qū)φ张袛嗾駝訖z測法的可靠性。作者使用實驗?zāi)M故障狀態(tài)，采集變壓器故障狀態(tài)的電氣特征值和振動信號特征值，將其構(gòu)建為一個特征向量S[40l：

S=[a，β，γ]

（2）

式中，a為變壓器繞組短路電抗變化率;β為由振動信號提取的頻段一能量一歐氏距離值;γ為主頻振動標(biāo)準(zhǔn)偏差的倒數(shù)的百分之一。

實驗發(fā)現(xiàn)特征向量的夾角可對繞組的松動狀態(tài)進(jìn)行有效的表征，特征向量的夾角隨著繞組松動程度的下降而增大。

在前者的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[22]通過在實驗中改變鐵芯和繞組的緊固件的壓緊程度來模擬鐵芯松動故障和繞組松動故障，并對故障狀態(tài)的振動特征進(jìn)行了記錄。實驗采用了基頻、振動幅值、主要頻率、頻率比重Pf和頻譜復(fù)雜度H作為振動特征量，實驗表明鐵芯松動基頻幅值增大但基頻比重不變、頻譜復(fù)雜度下降，而繞組松動故障時其基頻幅值和基頻占比大幅增長，頻譜復(fù)雜程度下降，實驗建立了可用于表征實際變壓器具體故障狀態(tài)的診斷依據(jù)。

與前者相同，文獻(xiàn)[36]也通過實驗對變壓器的鐵芯和繞組設(shè)置了故障，并采集了故障狀態(tài)的振動信號，在鐵芯故障的診斷中，作者選擇將經(jīng)過濾波降噪的振動信號的主頻幅值與正常狀態(tài)下的主頻幅值之比設(shè)為系數(shù)k，實驗驗證了當(dāng)k<0.8時，鐵芯發(fā)生了故障，而對于繞組而言，實驗將高低頻的包絡(luò)譜能量比作為特征量對故障狀態(tài)進(jìn)行表征，實驗證明了故障狀態(tài)下低頻能量在總能量中的占比遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行時占比。

目前應(yīng)用較廣的、用于表征故障狀態(tài)的特征量為基頻幅值、能量譜、振動信號擬合的歐氏距離函數(shù)，優(yōu)點在于在無大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的情況下，通過實驗驗證了具體故障特征，在一定基礎(chǔ)上將此診斷方法應(yīng)用于不同型號變壓器振動信號診斷中，但該方法需通過實驗或者仿真的方法對變壓器故障進(jìn)行模擬才能得到提取特征量，故只能得到有限種故障狀態(tài)特征量，在變壓器整體狀態(tài)評估中具有局限性。

3.2基于模型差異分析的診斷技術(shù)

與上一小節(jié)的求取故障特征量用于判斷故障狀態(tài)的方法不同，下文將介紹的幾種經(jīng)過實際驗證的故障診斷技術(shù)采用了先進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，再使用模型對變壓器的狀態(tài)進(jìn)行診斷的方法。

文獻(xiàn)[23]對變壓器投運(yùn)前的空載振動數(shù)據(jù)、投運(yùn)后的額定負(fù)載振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集并定義為原始數(shù)據(jù)，將變壓器的待診斷的數(shù)據(jù)的FFT變換序列A（k）與原始空載情況下的FFT序列X（k）的相關(guān)系數(shù)C1與幅值系數(shù)F1作為變壓器鐵芯故障的診斷依據(jù)，同理得到了繞組的故障診斷依據(jù)，通過實驗驗證了該診斷方法的可靠性，得到故障狀態(tài)時，相關(guān)系數(shù)數(shù)值減小而幅值系數(shù)數(shù)值增加，形成了量化的鐵芯故障和繞組故障診斷判定標(biāo)準(zhǔn)。

該診斷方法診斷依據(jù)分析來自于實際變壓器，能夠有效適應(yīng)單臺變壓器的鐵芯和繞組的相關(guān)故障診斷，但該故障診斷方法的建立需多次對變壓器的空載和額定負(fù)載工況的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對于后期加裝振動傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測的變壓器并不適用。

與前者相同，文獻(xiàn)[24]針對變壓器的繞組狀態(tài)建立了診斷模型，在考慮工程實踐情況下，定義了平均安全余量k來量化了繞組的松動程度，將k定義為：

實驗提出了安全余量k表征了繞組的松動程度，繞組松動程度與安全余量k數(shù)值成反比。

此方法將運(yùn)行過程中的負(fù)載、電流、電壓等因素考慮進(jìn)入模型中，建立了簡單可靠易于判別的故障診斷方法，若將其拓展建立鐵芯模型，對鐵芯的松動等故障進(jìn)行監(jiān)測，故障診斷技術(shù)將更為全面。

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障并不僅有繞組松動和鐵芯松動故障，變壓器遭受小型沖擊或長期處于某種諧振狀態(tài)時，其部分剛體連接、緊固部件將產(chǎn)生松動故障，此類故障也是變壓器發(fā)生事故的安全隱患之一，故對變壓器整體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測也是非常有必要的。

文獻(xiàn)[25]提出了基于變壓器整體結(jié)構(gòu)在發(fā)生松動前后，其振動信號具有非線性的改變，故使用振動信號時域波形的分形維數(shù)作為松動故障的診斷依據(jù)。

分形定義為在不同尺度下具有自相似的形體，分形維數(shù)可以定量描述分形的非線性和復(fù)雜程度?？紤]到變壓器振動信號的周期性、非線性變化和復(fù)雜程度，使用分形盒維數(shù)進(jìn)行了分析，分形盒維數(shù)定義為：

式中，N（X，ε）為最大直徑為ε，且能覆蓋X集合的最少個數(shù)。

實驗預(yù)設(shè)了變壓器的鐵芯和繞組松動故障，對振動信號的分形維數(shù)進(jìn)行了計算，實驗發(fā)現(xiàn)鐵芯和繞組產(chǎn)生松動時，其分形維數(shù)數(shù)值都隨之增大，且二者分形維數(shù)數(shù)值之間并無交集，可有效區(qū)別故障部位。

上述方法由于實驗故障的局限性未對其他部件松動故障狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，考慮到分形維數(shù)用于振動信號診斷時的準(zhǔn)確性、數(shù)值無交叉特性，在采集更多數(shù)據(jù)和進(jìn)行多種故障設(shè)置后可得到基于分形維數(shù)的變壓器運(yùn)行機(jī)械狀態(tài)診斷方法定量依據(jù)。

基于故障特征量的診斷技術(shù)由于缺少數(shù)據(jù)和針對性的原因，始終具有局限性，無法形成量化的標(biāo)準(zhǔn)。而基于變壓器振動信號建模的故障診斷方法，考慮到變壓器振動信號的影響因素多，且都具有個性，該診斷方法很難涉及每一個影響振動信號的因素，在進(jìn)行故障診斷時，診斷結(jié)果會由于模型的不全面產(chǎn)生偏差。綜合上述兩種思路，結(jié)合如今己對部分變壓器進(jìn)行長期的振動信號監(jiān)測的現(xiàn)況，由長期監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合單臺變壓器運(yùn)行常態(tài)模型，據(jù)此對變壓器是否發(fā)生故障進(jìn)行初步判斷，在此基礎(chǔ)上再通過基于故障特征量的診斷方法對具體故障進(jìn)行診斷，使用上述“兩步式”診斷方法既能對變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測，能明確診斷出故障部位和故障類型，是對目前的基于振動法的電力變壓器在線監(jiān)測方法的完善。

4 結(jié)束語

本對變壓器的振動機(jī)理、理論模型、振動信號影響因素和具有代表性的幾種故障診斷方法的研究現(xiàn)狀做了淺析，并提出了兩點思考：

（1）本文綜合了文獻(xiàn)研究，針對不同維度的振動傳感器提出了兩種測點設(shè)置方法，測點的選擇綜合考慮了測點位置距離振動源的距離和測點附近傳遞介質(zhì)的非線性因素，同時對文獻(xiàn)進(jìn)行提煉，根據(jù)振動機(jī)理表明的繞組會產(chǎn)生軸向振動，提出了應(yīng)設(shè)置傳感器對軸向的振動信號進(jìn)行采集，其振動特征直接反映了繞組的工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測，建立運(yùn)行常態(tài)模型為基礎(chǔ)，以故障特征量為進(jìn)一步判據(jù)的“兩步式”故障診斷技術(shù)思考。

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作者簡介

趙永（1984-），男，安徽省壽縣人。碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向為從事變配電設(shè)計和管理工作。

胡遠(yuǎn)芳（1982-），女，湖北省監(jiān)利縣人。大學(xué)本科學(xué)歷，高級工程師。研究方向為從事變配電設(shè)計和管理工作。

李周晨昕（1992-），男，云南省昆明市人。碩士學(xué)位，工程師。研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

張建文（1981-），男，浙江省開化縣人。博士，副研究員。研究方向為電力電子技術(shù)研究及應(yīng)用，