基于繞組振動(dòng)監(jiān)測(cè)的變壓器運(yùn)行狀態(tài)研究

裴琦瑋

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝有限公司，山西 大同 037003）

引言

繞組中的負(fù)載電流在變壓器鐵芯和繞組之間形成磁流間隙，繞組中的導(dǎo)體受到漏磁場(chǎng)中電磁力的影響，會(huì)導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。而繞組的振動(dòng)一般是由變壓器的油箱表面振動(dòng)反映出來的，變壓器在額定工況下工作時(shí)，內(nèi)部電磁力并不會(huì)對(duì)繞組產(chǎn)生振動(dòng)影響，但當(dāng)變壓器發(fā)生短路事故或閃變脈沖時(shí)，線圈中的電流會(huì)立即增加幾十倍，使漏磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，對(duì)繞組施加的電磁力會(huì)變得很大，甚至?xí)估@組發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)、變形和絕緣破壞，從而導(dǎo)致變壓器損壞引發(fā)電路事故。因此通過監(jiān)測(cè)變壓器油箱表面的振動(dòng)，識(shí)別振動(dòng)特征，來判定變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，能夠有效識(shí)別變壓器的不良狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)電路事故隱患。

1 變壓器繞組振動(dòng)源分析

當(dāng)變壓器負(fù)載過大或處于短路故障時(shí)，繞組電流瞬時(shí)增大。由于繞組處于漏磁場(chǎng)中，電流和電磁產(chǎn)生的電磁力直接作用于變壓器繞組上，電磁力的強(qiáng)弱受到電磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流強(qiáng)度的共同影響，通常默認(rèn)將電壓器的漏磁場(chǎng)方向分解為橫向（By）和軸向（Bx）兩個(gè)方向，按照電磁力的方向判定規(guī)格可知，橫向漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力方向?yàn)檩S向（Fy），軸向漏磁場(chǎng)電磁力則為橫向（Fx），漏磁場(chǎng)與電磁力的關(guān)系如圖1所示。

圖1 變壓器繞組漏磁場(chǎng)與電磁力關(guān)系示意圖

變壓器負(fù)載過大或突然產(chǎn)生短路故障時(shí)，產(chǎn)生的橫向和軸向的電磁力是導(dǎo)致繞組振動(dòng)，變壓器故障的主要原因。對(duì)于雙繞組變壓器而言，內(nèi)繞組和外繞組的電磁力方向在同一時(shí)刻的方向是相反的，如果產(chǎn)生橫向電磁力，當(dāng)電磁力大小超過繞組的機(jī)械強(qiáng)度，則發(fā)生繞組機(jī)械變形，可能會(huì)造成繞組絕緣層破壞甚至是線圈斷裂；如果產(chǎn)生軸向電磁力，則可能發(fā)生繞組、夾件或壓板的機(jī)械變形，甚至使上鐵芯頂起，對(duì)整個(gè)變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致變壓器功能受損[1-3]。

變壓器繞組和鐵芯的振動(dòng)是由內(nèi)部漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力引起的，振動(dòng)會(huì)通過變壓器的結(jié)構(gòu)傳送到油箱表面，監(jiān)測(cè)變壓器油箱表面的振動(dòng)，分析振動(dòng)特征可以推斷出繞組或鐵芯的運(yùn)行狀態(tài)。變壓器繞組發(fā)生振動(dòng)時(shí)，通過變壓器油箱的傳遞，引起變壓器表面振動(dòng)，而鐵芯振動(dòng)除了以上振動(dòng)傳遞方式外，還可以通過鐵芯與變壓器表面中間的連接構(gòu)件完成振動(dòng)傳遞，具體振動(dòng)傳遞示意見圖2。

圖2 變壓器振動(dòng)的傳遞路徑示意圖

2 變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)變壓器繞組和鐵芯的振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理以及振動(dòng)傳遞路徑分析，振動(dòng)通過變壓器表面振動(dòng)反饋出來，基于此變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理為通過傳感器采集變壓器表面振動(dòng)信息數(shù)據(jù)，通過分析振動(dòng)特征來判定變壓器內(nèi)部繞組或鐵芯的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成為振動(dòng)信息采集模塊、信息數(shù)據(jù)處理與計(jì)算模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)顯示與反饋模塊。數(shù)據(jù)處理與計(jì)算模塊通過接收振動(dòng)信息采集模塊數(shù)據(jù)，經(jīng)過振動(dòng)特征計(jì)算，將處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示與反饋模塊，即上位機(jī)，用戶通過上位機(jī)顯示可以識(shí)別出變壓器運(yùn)行狀態(tài)。

振動(dòng)信息采集模塊的核心構(gòu)建為振動(dòng)傳感器，振動(dòng)傳感器有加速度型、電容式、速度型等多種，每種類型傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍和干擾頻率不同。變壓器表面的振動(dòng)是內(nèi)部繞組和鐵芯振動(dòng)的疊加振動(dòng)，經(jīng)檢測(cè)可知，頻率單位在10～2 500 Hz之間，適合使用LC0144S型加速度振動(dòng)傳感器，且該類型傳感器體積小，在該頻率下的抗干擾能力優(yōu)秀。傳感器的性能參數(shù)見表1。

表1 LC0144S型加速度振動(dòng)傳感器性能參數(shù)

LC0144S型加速度振動(dòng)傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)有微型IC放大器，是一種集振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器與電荷放大器于一體的功能型傳感器，可以直接與調(diào)理電路連接，在保證功能與精度的同時(shí)，極大地降低系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，其余外部信號(hào)調(diào)理電路的連接方式見圖3。

信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的過濾與放大，單一監(jiān)測(cè)功能的振動(dòng)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)無法與數(shù)據(jù)卡直接通信，信號(hào)中包含噪聲和直流量等原始信號(hào)，會(huì)對(duì)信號(hào)處理單元造成干擾，集成信號(hào)調(diào)理電路的振動(dòng)加速度傳感器可以通過低通濾波器和抗混疊濾波器過濾掉振動(dòng)本身信號(hào)以外的噪聲、直流量等干擾信號(hào)，同時(shí)還能將傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)放大，達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡的采樣區(qū)間[4-6]。

3 運(yùn)行效果

圖3 LC0144S型加速度振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)理電路連接示意圖

將設(shè)計(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在S11-M-500/35型電力變壓器上，進(jìn)行短路振動(dòng)故障試驗(yàn)，60%規(guī)定短路電流下對(duì)變壓器A相進(jìn)行試驗(yàn)，加速度振動(dòng)傳感器均布在變壓器外表面，振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域圖見圖4。

圖4 60%規(guī)定短路電流下變壓器A相短路振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖和頻域圖

從振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形可以看出，發(fā)生短路時(shí)，變壓器的振動(dòng)振幅較大，明顯區(qū)別于變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)。振動(dòng)可以分為兩個(gè)階段，第一階段為電磁力發(fā)生導(dǎo)致的鐵芯或繞組被迫運(yùn)動(dòng)，第二階段為慣性振動(dòng)。短路振動(dòng)發(fā)生時(shí)，振動(dòng)振幅會(huì)瞬時(shí)增大，然后保持一定時(shí)間后，被迫振動(dòng)結(jié)束，進(jìn)入振幅逐漸減小的慣性振動(dòng)階段。通過振動(dòng)頻域圖看出，發(fā)生短路時(shí)，振動(dòng)傳遞到油箱表面時(shí)，最大振動(dòng)頻率約100 Hz。由電磁力計(jì)算公式可知，電磁力的大小與作用在繞組上的電流平方成正比，說明電流強(qiáng)度超過一定安全值后，會(huì)對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)造成很大影響。通過短路試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比，該變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來判定繞組和鐵芯的運(yùn)行狀態(tài)有效可行。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電力變壓器繞組和鐵芯的振動(dòng)源以及振動(dòng)發(fā)生機(jī)理，分析了振動(dòng)的傳遞路徑，設(shè)計(jì)變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用S11-M-500/35型電力變壓器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。通過本文研究形成以下結(jié)論。

1）變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為：振動(dòng)信息采集模塊、信息數(shù)據(jù)處理與計(jì)算模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)顯示與反饋模塊。振動(dòng)信息采集模塊的核心構(gòu)建為振動(dòng)傳感器，本系統(tǒng)采用集振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器與電荷放大器于一體的LC0144S型加速度振動(dòng)傳感器；

2）將振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在S11-M-500/35型電力變壓器上，進(jìn)行60%規(guī)定短路電流短路振動(dòng)故障試驗(yàn)，系統(tǒng)顯示短路振動(dòng)分為被迫運(yùn)動(dòng)和慣性運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段，最大振動(dòng)頻率約100 Hz，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近，系統(tǒng)可靠有效。