变压器绕组振动的研究

变压器绕组振动的研究

袁裕威

广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞523000

摘要：变压器振动源为绕组振动、铁芯振动以及冷却系统装置的振动，本文主要研究绕组振动在变压器油箱表面产生的响应。

关键词：变压器；绕组；振动；响应

0引言

变压器振动问题由绕组振动（输入）、变压器结构（系统）和油箱振动（响应）三部分组成，如图1-1所示。绕组处于漏磁场中，受到电动力，产生振动。绕组振动经由变压器油、固体构件等路径传递至油箱表面。

图1-1变压器振动问题

1变压器绕组振动理论分析

根据毕奥萨伐尔定律，在漏磁场中，绕组所受电动力正比于电流平方，易得绕组振动频率是电流频率的两倍[1]。电网中包含基波、谐波和间谐波等成分：我国《电力工业技术管理法规》中规定额定频率为50Hz，规定频率位移范围为±（0.2~0.5）Hz；电网存在一定分量的谐波和间谐波，产生谐波和间谐波的原因有变压器本身磁化曲线的非线性和负荷的波动性等，变频装置和风力发电机等设备会将间谐波引入到电网中。因此，绕组振动的基频在100Hz附近小范围内波动，绕组振动含有谐波、间谐波等成分。压紧力减小会造成绕组松动，使漏磁场分布发生改变，进而影响绕组振动。

2变压器绕组的受力分析

磁势沿线圈高度均匀分布的同心式线圈变压器的漏磁场如图1-2所示。在线圈中间部分的磁力线与轴心线相平行，而在线圈端部的磁力线产生弯曲，即磁场除轴向分量外还有径向分量。由此可知，作用在线圈上的电磁力既有径向力又有轴向力。

图1-2磁势沿线圈高度均匀分布布的同心式线圈变压器的漏磁场

根据相关计算漏磁感应的轴向和横向分量，可得出线圈的磁感应强度分布。引起径向力的轴向磁场的磁感应强度，在线圈的中间部分为一常数，而在线圈的边缘部分有所减小。产生轴向力的横向磁场的磁感应强度，在线圈的端部具有最大值，而在线圈高度中心减小到零后改变符号。变压器绕组磁感应强度分布图如图3-3所示。

2.1径向受力分析

首先，假定内、外绕组安匝沿轴向均匀分布，且绕组上下两端面均为铁磁介质时(μ→∞)，则可认为漏磁通的磁力线均与绕组轴线相平行。那么，电动力的方向都与圆柱轴心线相垂直。可见作用在两个绕组上的电动力，只有径向周期性冲击力而无轴向力。

如果作用在圆周上各点的径向力，是匀布载荷，那么对于外绕组导线只有一个周期性拉应力。而作用在内绕组导线上除了一个周期性压应力外，还由于导线的弹性和塑性变形，导线在受到内撑条阻力后，会形成许多两端有支点的小梁而受到弯矩的作用。

变压器在运行中，由于出现了短路事故而使变压器内绕组损坏的情况较外绕组多。当径向电动力峰值达到了一定数值时，使其中某些支点（绕组内撑条）承受不了足够的推力发生了位移。

绕组中部皱折程度尤为严重，可见中部受指向轴心的径向冲击力要比两端更大。

措施：增加绕组内外撑条的数量;改变导线的断面尺寸（A、B）;在卷制时把线匝尽量绕得紧一些;装配时绕组尽量减小内径处的间隙，使支撑牢固等等。

2.2轴向受力分析

绕组在轴向上受力主要受两种因素的影响：

（1）受端部边界条件影响，绕组两端磁力线弯曲，绕组两端的线饼都向绕组中部产生压缩力。如果导线之间有垫块存在，那么所有的垫块都会受到周期性挤压，绕组导线上存在轴向力，如图3-6。

图3-6内外绕组安匝完全平衡时,端部线饼向绕组中心产生的周期性压缩力

（2）两绕组安匝不平衡引起的漏磁场磁力线的横向弯曲，也会产生轴向分力。但是其大小与方向应根据不平衡程度及磁力线的走向来确定。

为保证绕组不被轴向力损坏，设计制造时，要规定对绕组施加一定数值的轴向预压力。铁心夹件和压钉亦要有相应足够的机械强度。

3研究变压器绕组松动的产生原因，以及对变压器的影响和发展趋势

变压器绕组松动、变形是由出口大电流，运输、安装过程中机械冲击危害的原因造成的。该状态会导致高、低压绕组间高度差逐渐扩大，绕组安匝不平衡加剧，漏磁造成的轴向力增大，并会有绕组振动加剧现象，最终导致固体绝缘受损，局部放电、绝缘弱化、饼间击穿，导致突发性绝缘事故；机械性能下降，当再次受短路电流冲击时，将不能承受。随着情况的恶化，该故障会造成振动或噪声不断加剧。

变压器绕组变形后，有时会立即发生损坏事故，更多的则是仍能继续运行一段时间，运行时间的长短取决于变形的严重程度和部件。显然，这种变压器是带“病”运行，具有故障隐患。按照第12届国际大电网会议委员会的评估，变压器绕组的许多绝缘故障均是由于绝缘的最初机械损伤造成的。这种故障表现在：

（1）绝缘发生变化导致局部放电发生

当遇到过电压作用时，绕组便有可能发生饼间或匝间击穿，导致突发性绝缘事故，甚至在正常运行电压下，因局部放电的长期作用，绝缘损伤程度和范围逐渐扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故。

（2）绕组机械性能下降，抗短路能力降低

绕组机械性能下降，当再次遭受到短路电流冲击时，将承受不住巨大的冲击电动力的作用而发生损坏事故。

（3）累积效应

运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性循环。因此，对于绕组己有变形但仍在运行的电力变压器来说，虽然并不意味着会立即发生绝缘击穿事故，但根据变形情况不同，当再次遭受并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的铁磁振动作用下，也可能导致绝缘击穿事故。所以，在所有的所谓“雷击”或“突发”事故中，很可能隐藏着绕组变形故障因素。

因此，研究变压器绕组变形的原因、诊断方法和防止措施，对减少变压器事故的发生具有重要意义。

4压紧力对绕组松动产生的影响

压紧力对固有频率产生影响，对同一类型的变压器来说，压紧力T的增大必然导致ε的增大，最终导致绕组固有振动频率的增大。

当绕组初始的固有频率低于电动力激励频率时，随着压紧力的增大，绕组固有频率逐渐向电动力激励频率靠近。当两者相等时，绕组处于共振状态，此时绕组轴向振动加速度幅值最大。压紧力继续增大，则绕组的固有频率逐渐偏离电动力激励频率，绕组轴向振动加速度幅值就逐渐减弱。

5总结

绕组受力、绕组松动、压紧力是反映绕组机械性能的主要指标，目前还没有在线监测绕组松动缺陷的有效方法；常规的电气试验，如局部放电试验和色谱分析等往往不能及时发现变压器绕组松动、变形。目前，国内外普遍采用短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应分析法、电容量变化法等诊断方法[2]检测绕组松动并取得了良好效果。

参考文献

[1]田玉芳.变压器绕组状态的振动检测法研究[D].山东大学,2014.

[2]张坤.振动法检测短路冲击下电力变压器绕组变形[D].上海交通大学,2013.

作者简介：袁裕威（1985-），男，助理经济师、物流服务中心合同管理专责，先后从事纪检监察、招标管理工作。e-mail：csg_double@163.com