變壓器繞組掃頻激振試驗(yàn)研究

我國(guó)關(guān)于變壓器狀態(tài)檢測(cè)中應(yīng)用的振動(dòng)分析法的相關(guān)研究晚于國(guó)外，目前進(jìn)行的研究停留在實(shí)驗(yàn)與理論仿真層面[1]。中國(guó)電力科學(xué)研究院學(xué)者王洪方在這方面的研究中較有代表性，其主持研究并建立了軸向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，此模型主要依托軸向非線性振動(dòng)特性的相關(guān)原理得以實(shí)現(xiàn)，其研究的內(nèi)容主要對(duì)變壓器中的絕緣墊塊進(jìn)行相關(guān)特性的分析，此外還對(duì)軸向振動(dòng)特性與預(yù)緊力進(jìn)行分析[2]。

西安交通大學(xué)學(xué)者李彥明、汲勝昌的研究范疇是針對(duì)變壓器的負(fù)載電流與電壓、油箱表面振動(dòng)特性的相關(guān)研究，在變壓器箱壁的振動(dòng)研究中，數(shù)據(jù)主要依靠小波包分析法獲得，進(jìn)而得出結(jié)論油箱表面的振動(dòng)情況可以檢測(cè)變壓器故障。上海交通大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)主要研究的內(nèi)容是變壓器的繞組狀態(tài)，應(yīng)用到的分析方法是振動(dòng)分析法，研究的過程以及實(shí)踐建立在大量的理論與模型基礎(chǔ)上，以及實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并擁有較為全面的數(shù)據(jù)，結(jié)果更具指導(dǎo)意義。本文的研究是建立在掃頻激振試驗(yàn)系統(tǒng)上，分別針對(duì)典型故障與正常工作情況的下變壓器繞組振動(dòng)開展細(xì)致深入研究。

1 振動(dòng)頻響法

經(jīng)過有限元?jiǎng)恿W(xué)以及變壓器的繞組模態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，繞組的基本形態(tài)發(fā)生了變化，頻率的固有位置發(fā)生了偏移，和繞組的機(jī)械頻率響應(yīng)函數(shù)將顯著變化。為了實(shí)現(xiàn)繞組狀態(tài)的診斷，對(duì)于頻率響應(yīng)函數(shù)的變化要做到精準(zhǔn)測(cè)量。在進(jìn)行變壓器繞組形變的模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，外設(shè)的激振器產(chǎn)生激振強(qiáng)度即激振力，信號(hào)的采集依托于振動(dòng)傳感器，其布置于繞組之上，得到機(jī)械頻響函數(shù)，此實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備數(shù)量多，操作過程較為繁瑣，針對(duì)大型的變壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來說較為困難，除了實(shí)驗(yàn)困難之外，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中器械的絕緣位置直接與空氣接觸，對(duì)于器械造成損害[3]。

變壓器繞組軸向多自由度結(jié)構(gòu)體系強(qiáng)迫振動(dòng)方程表達(dá)式：[M][X]+[C][X]+[K][X]=[f(t)]，式中[M]是繞組質(zhì)量矩陣；[K]是繞組剛度矩陣；[C]是繞組阻尼矩陣；[f(t)]是繞組激勵(lì)力向量；[X]是繞組位移。應(yīng)用傅氏變換對(duì)表達(dá)式整理變換，獲得關(guān)于振動(dòng)加速度的頻響函數(shù)表達(dá)式：

振動(dòng)頻率響應(yīng)分析（VFRA）定義了繞組性質(zhì)和加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)Ha（jω），換成理論依據(jù)可以理解為，繞組質(zhì)量、阻尼和剛度的變化會(huì)引起加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)Ha（jω）也會(huì)隨之改變。

VFRA 法主要依靠加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，加速度傳感器布置在運(yùn)行變壓器上，振動(dòng)信號(hào)[X(jω)]的傳遞路徑主要包含鐵芯結(jié)構(gòu)與絕緣油兩種，然后計(jì)算出繞組加速頻響函數(shù)[Ha(jω)]。由于不同的信號(hào)傳輸路徑，所述[X（jω）]頻率響應(yīng)函數(shù)在包裝盒壁上的不同的測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的卷繞加速度的[HA（jω）]也不同。因此當(dāng)VFRA 方法被用于檢測(cè)變壓器繞組變形時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)需在相同測(cè)量點(diǎn)不同的時(shí)間段縱向比較后方可對(duì)變壓器繞組的狀態(tài)進(jìn)行判斷，確認(rèn)其是否已經(jīng)發(fā)生狀態(tài)改變[4]。

2.振動(dòng)頻響測(cè)試系統(tǒng)

據(jù)圖1所示，在變壓器箱壁上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)布置振動(dòng)傳感器對(duì)激振響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；在繞組中的注入電流的檢驗(yàn)依靠電流傳感器完成，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置有反饋控制裝置，這一裝置可以有效的控制電流的穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)掃頻輸出[5]；電流、振動(dòng)加速度兩個(gè)傳感器輸出的信號(hào)由采集模塊進(jìn)行收集，信號(hào)收集后進(jìn)行濾波與放大，兩項(xiàng)行為分別源自對(duì)振蕩與電流信號(hào)的操作。參數(shù)設(shè)置的位置在信號(hào)分析顯示終端，采集模塊進(jìn)行信號(hào)的接收操作，在進(jìn)行信號(hào)發(fā)送的同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的存儲(chǔ)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析；掃頻范圍和終端電流大小是信號(hào)控制模塊設(shè)定的依據(jù)，采集信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比分析數(shù)據(jù)獲得激振電源控制信號(hào)，進(jìn)而以恒定的形式輸出激振電源；輸出電流的大小和頻率建立在恒流掃頻激振電源的控制模塊輸出上。

圖1 變壓器繞組振動(dòng)頻響測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.繞組掃頻激振試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)試內(nèi)容描述

高壓變壓器繞組的編號(hào)SZ11-63000/110，出廠變準(zhǔn)額定電壓數(shù)值110kV，以YNd11的方式進(jìn)行聯(lián)接。

測(cè)試方案步驟：對(duì)變壓器的低壓繞組進(jìn)行短接測(cè)試；在進(jìn)行測(cè)試的變壓器高壓一側(cè)接入激勵(lì)信號(hào)，45～310Hz為激勵(lì)信號(hào)的掃頻范圍，進(jìn)而獲得逐一相對(duì)的振動(dòng)頻響曲線（掃頻試驗(yàn)）；重復(fù)操作掃頻試驗(yàn)，前提是需要在器械靜置3天后方可，此試驗(yàn)可多次重復(fù)操作進(jìn)行；通過典型故障情況對(duì)變壓器吊芯；當(dāng)上述所有操作全部完成之后，再次重復(fù)掃頻試驗(yàn)。

設(shè)定的變壓器繞組故障相關(guān)描述。模擬變壓器4個(gè)不同狀態(tài)下松弛故障：進(jìn)行吊芯操作之前并未發(fā)現(xiàn)故障；在進(jìn)行三次吊芯操作時(shí)以80%NF為壓釘預(yù)緊力的松動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；在進(jìn)行三次吊芯操作時(shí)以50%NF為壓釘預(yù)緊力的松動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；在進(jìn)行三次吊芯操作時(shí)將壓釘全部松開。關(guān)于變壓器4個(gè)不同狀態(tài)下形變相關(guān)問題的模擬：進(jìn)行吊芯操作之前并未發(fā)現(xiàn)故障；當(dāng)進(jìn)行第一次吊芯操作時(shí)出現(xiàn)墊塊掉落的情況；在進(jìn)行二次吊芯操作時(shí)對(duì)其軸向位置進(jìn)行敲擊并使其變形；在進(jìn)行三次吊芯操作時(shí)將位于端部的墊塊抽出、并對(duì)其軸向位置進(jìn)行敲擊使其變形。不同工作環(huán)境情況的繞組特性應(yīng)用頻率響應(yīng)法獲得，進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理記錄工作。

圖2 變壓器箱壁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 變壓器繞組振動(dòng)頻響測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.2 測(cè)試結(jié)果

在各測(cè)量點(diǎn)下如圖4、5中所示的變壓器繞組在正常和典型故障下的頻率響應(yīng)曲線。可以看出，與變壓器的正常工況相比，對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)在松動(dòng)或變形故障下的頻率響應(yīng)曲線都有一定的變化。當(dāng)繞組松動(dòng)即當(dāng)預(yù)張緊力減小時(shí)，頻率響應(yīng)曲線的共振峰值會(huì)偏向低頻率一側(cè)，相反當(dāng)振動(dòng)幅度增加且墊塊發(fā)生掉落時(shí)，頻率響應(yīng)曲線的幅值會(huì)下降且峰值點(diǎn)會(huì)隨之產(chǎn)生變化。輻向形變時(shí)頻響曲線幅值則會(huì)增加，峰值點(diǎn)進(jìn)行偏移。

圖4 繞組正常與松動(dòng)時(shí)的頻響曲線

圖5 繞組正常與形變時(shí)的頻響曲線

4 繞組掃頻曲線特性分析

驗(yàn)證繞組的兩個(gè)“不變”試驗(yàn)，分別指繞組狀態(tài)與掃頻曲線。重點(diǎn)針對(duì)變壓器的A相繞組進(jìn)行重復(fù)的操作試驗(yàn)。依據(jù)上文提出的步驟方法操作獲得關(guān)于A相繞組相對(duì)的頻響曲線。第二次試驗(yàn)操作的要在變壓器靜置3天后方可。觀察分析圖6可知，變壓器測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)繞組的機(jī)械狀態(tài)保持不變時(shí)，另一個(gè)基本保不變的數(shù)據(jù)是同一測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻響曲線，并且VFRA 曲線在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中擁有高度的重復(fù)特性，相同點(diǎn)體現(xiàn)在共振峰值處的頻率點(diǎn)，以及頻率點(diǎn)的振幅數(shù)值。

圖6 變壓器繞組正常工況下的兩次掃頻試驗(yàn)結(jié)果

圖7 變壓器繞組正常與典型故障工作環(huán)境下的頻響曲線

表1 頻響曲線相關(guān)系數(shù)

通過圖7觀察到，在低頻段范圍內(nèi)振幅-頻率響應(yīng)曲線之間同步性大，變化僅僅出現(xiàn)在高頻段。應(yīng)用到實(shí)踐中時(shí)必須要考慮電力行業(yè)的相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，從而計(jì)算的低頻數(shù)據(jù)更符合實(shí)際，中、高頻段的曲線系數(shù)見表1，表中高、中、低頻段對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別是600kHz～1000kHz、100kHz～600kHz、1Hz～100kHz。從表中可知，依照FRA的結(jié)論，測(cè)試變壓器的形變程度為輕度變形；變壓器的松動(dòng)故障在測(cè)試結(jié)果的判定中為正常情況?？梢娽槍?duì)故障檢測(cè)問題上，F(xiàn)RA 曲線具有極好的成效，但是存在一定局限性，即針對(duì)極小的松動(dòng)故障識(shí)別效果不好。

5.結(jié)語(yǔ)

通過進(jìn)行正常與故障情況下的變壓器振動(dòng)頻率響應(yīng)測(cè)試情況的試驗(yàn)結(jié)果，得出分析結(jié)果：可重復(fù)性是繞組振動(dòng)頻率掃描試驗(yàn)的明顯特性優(yōu)點(diǎn)，在變壓器中繞組的狀態(tài)改變與其振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線之間擁有很大的關(guān)聯(lián)性；實(shí)踐中，一個(gè)典型的故障如松動(dòng)或變形發(fā)生在變壓器繞組中，振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線也顯著變化，這表現(xiàn)為頻率偏移以及峰值頻率響應(yīng)的變化，變化的程度依照繞組故障的程度而變化。