振动法用于在线监测电力变压器绕组及铁心状况的可行性研究

振动法用于在线监测电力变压器绕组及铁心状况的可行性研究发布日期：2015-10-10来源：中国LED照明灯网作者：[db:作者]浏览次数：332 现代电力变压器的特点是单机容量趋大、电压等级越来越高，使得其内部电场和磁场强度大，造成电力变压器的线圈、引线、分接开关等部件乃至变压器器身均存在着电气、耐热和机械等性能方面的问题。另外，电力变压器在运输、安装的过程中也可能会遭受到机械碰撞。在上述因素的影响下，电基金项目：西安交通大学博士论文基金资助项目力变压器的铁心和绕组可能会发生松动。由于铁心和绕组夹紧力的减小，电力变压器抗短路能力显著降低，有可能诱发严重的事故。通常，对变压器进行基本维修的重要目的就是压紧线圈和铁心。因此在决定是否对大型电力变压器进行维修时，非常有必要预测绕组和铁心的压紧状况。目前，有以下几种离线方法可以预测绕组和铁心的压紧状况。 在空载条件下，电力变压器负载电流为零，因此绕组的振动可忽略不计，器身振动主要是激磁电流作用下铁心的振动引起的。因此，测量空载条件下运行的变压器器身振动信号即可得到变压器铁心的振动特性。在负载条件下，线圈中有负载电流流过，因此除了铁心的振动之外，变压器器身振动还包括负载电流作用下的绕组线圈的振动。 一般认为，变压器激磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载变化时大小基本保持不变，因此铁心的振动在空载、负载及负载变化时也基本不变。利用振动传感器，在空载及负载条件下分别测量变压器器身的振动信号，空载时测得的就是变压器铁心振动信号，负载时是铁心和绕组的振动信号的叠加。从负载时的振动信号中分离出空载时的振动信号显然可以得到绕组的振动信号。 当然，还应确定负载电流的变化引起的绕组振动的变化规律。从国外的来看，负载电流对变压器的噪声影响可用下式评价：变化量（dB）；为变压器的负载电流（A）；/N为变压器的额定电流（A）。 因为变压器噪声与振动密切相关，由上式可知，变压器器身振动的水平与负载电流的大小之间也应存在着类似的关系。因此不难根据不同的负载电流，判断出在此负载电流下应有的变压器器身的振动水平，从而有效地避免误判。 当变压器额定工作磁密比较高（大于1.4T）时，铁心的振动要远远大于绕组的振动，此时可忽略绕组的振动。在变压器稳定工作时，可以认为其器身振动是铁心振动引起的，振动情况的改变也是由于铁心故障引起的，以此可以诊断电力变压器铁心的大的冲击电流流过，绕组的振动信号不再微弱，可认为其远远大于铁心振动。因此，在短路状况下变压器器身振动主要是由绕组振动引起的，这样可以利用发生短路事故时的变压器器身振动信号，来监测绕组线圈是否发生了变形或松动。 高、低压绕组之一在发生了变形、位移或崩塌后，绕组的压紧不够，使高、低压绕组间高度差逐渐扩大，导致绕组安匝不平衡加剧，使漏磁造成的轴向力大，从而绕组的振动加剧；当铁心的压紧力不够大时，硅钢片的自重将使铁心产生弯曲变形，致使磁致伸缩大，即铁心的振动加剧。这些现象具体表现在振动信号上的特征为：振动频率中加了更高次的谐波成分，且振动的幅值变大。 2.2利用振动信号判断变压器故障的方法良好状态的变压器振动的特征向量可作为指纹量留用（可作为指纹量的特征向量包括绕组和铁心振动信号的频谱、功率谱、能量谱等），由上述分析可以看出变压器绕组及铁心压紧状况的变化和绕组的位移及变形将引起作为指纹量的特征向量的变化，因而可在线、及时地给出有关变压器铁心及绕组状况的指示，一旦变压器发生故障，由当前特征向量与指纹量比较就可快速反映出来。 与现有的变压器绕组变形测试技术（LVI、FRA及短路电抗法等）相比，振动法在线监测电力变压器的*大优点是通过贴在变压器器身上的振动传感器来在线监测其绕组及铁心状况，与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，可以安全、可靠地达到在线监测的目的。 3电力变压器器身振动信号基本特征为了将振动法用于在线监测电力变压器，非常有必要研究电力变压器器身振动信号的基本特征。给出了测得的变压器稳定工作（工作频率50Hz）时器身振动信号的频谱图，如所示。其中，在小于100Hz范围内，集中的是由冷却系统引起的基本振动，而在100Hz以上（主要是200、300、400Hz等频率），集中的是由于铁心和绕组引起的器身振动。 另外，本文利用一套完善的振动测试系统，在某发电厂测量了一台110kV（100MVA）正在稳定运行的电力变压器器身的振动信号，频谱图如所示。 状况。压器发生短路事故时绕组线圈中中有很此讪霜友憩幽于磁致伸缩引起的铁心振动以及从、所示的变压器器身振动信号幅频为基频的（100Hz）500Hz以下振幅比较高，1000Hz以上振幅衰减到很小的值。铁心振动是由励磁电流引起的，绕组振动是由负载电流引起的，因此在频率不变的情况下，铁心和绕组的振动频率也不会发生变化，如果绕组或铁心发生故障，在这些频率上的振动情况（幅值、能量等）将发生变化。 确定了绕组和铁心的基本振动特征后，就可以剔除掉其它频率范围的振动信号的干扰，提出振动法用于在线监测电力变压器的更有效的判据。 4振动信号与噪声信号的监测比较铁心和绕组的振动会产生噪声，从理论上讲，通过监测变压器的噪声同样可以反映绕组和铁心的状况。国外首先在电抗器上利用噪声法检测绕组和铁心状况，如所示，测取的是一电抗器故障时及故障排除后的噪声响应图。 由可见，通过噪声的确可以检测电抗器及类似于电抗器结构的变压器是否发生了故障。 由可见，噪声频谱同样具有以两倍电源频率为基频（100Hz）的特征，这与器身振动频谱一致；作为在线监测方法，显然不会采用远离对象几十米、几百米的做法（如中B、C）。因此，噪声法与振动法的可行性是等价的。此外，噪声法还有无需预埋器身振动传感器的方便和优越性。 但是利用测量变压器噪声进行电力变压器在线监测的方法至今却没有什么进展，原因在于：标准法测量变压器振动噪声对测试环境要求非常严格，只有在专门的测试室中才能得到准确的测量结果，而在生产车间和运行现场，标准法的测量误差非常大。 这种方法无法应用到现场测量中，更不用说在线监究所的资助下，通过一系列的试验研究，于1991年提出了一种‘声强测量法“的噪声测量新方法，可以在背景噪声及声反射较大的生产车间内进行测量，但当背景噪声远远高于被测变压器的噪声时，该方法同样无法测出在该背景噪声下变压器的噪声水平。可以想象，变压器工作的环境一般是在室外，背景噪声的水平无法估计，难免会有背景噪声远远高于变压器本身噪声的时候，若此时应用噪声法在线监测电力变压器的运行状况，必然会造成误判。 如果测量变压器器身上的振动信号就不会存在上述问题，并且直接测量器身振动的方法也无需预埋器身振动传感器。测取振动信号的振动传感器测得的仅仅是器身上的振动信号，而与周围的环境噪声没有任何联系。且铁心和绕组的振动信号通过铁心垫脚、绝缘油以及夹紧件传递到器身后，不再有任何衰减，贴在变压器器身上的振动传感器可以取得完整的铁心和绕组的振动信息，从而为在线监测提供了可靠信息。 5结论电力变压器器身振动信号与内部绕组及铁心状况密切相关，包含着丰富的信息，开展变压器振动的在线监测工作具有良好的应用前景。 与通过监测变压器噪声实现在线监测相比，直接监测变压器器身振动既能发挥噪声法的优点，又能克服噪声法的不足，具有更高的可行性。 振动法用于电力变压器在线监测的研究尚处于初级阶段，还有许多工作要做。例如：如何提出有效的判据，变压器器身振动在发生短路情况下的特性等等。