变压器绕组振动监测技术研究综述董福柱

变压器绕组振动监测技术研究综述董福柱

董福柱12

(1.清华大学北京100084;2.长春龙源电力设备有限公司吉林长春130117)

摘要：我国电力事业迅速发展，在变压器的在线监测和故障诊断系统中，振动法无需电气连接，方便持续监测与分析，是对目前电力设备的状态监测与诊断的一个重要补充。本文讲述了变压器振动产生的机理、特征信号的提取、故障诊断的方法。通过对比分析目前的研究成果，找出不足和短板，探寻以后振动法在线监测的发展方向，希望能够为振动法的进一步研究提供一种可借鉴的思路。

关键词：变压器；绕组铁芯振动；信号分析；故障诊断

在电力系统中，变压器是用于电压等级转换和电力分配的核心设备，对电网运行可靠性起重要作用，一旦出现事故会造成重大的损失。为保证变压器稳定运行，通常采用在线监测变压器运行的关键参数，以便提前辨认出故障并预先阻止或减少故障的发生[1]。目前，对于变压器在线监测传统方法有油色谱分析法、频率响应法和短路阻抗法等。其中比较成熟的是油中溶解气体分析法，但是由于其受限于各地设备制造工艺不同，不同环境气体间关系复杂，导致诊断准确性不够高，在线监测过程繁琐。

振动法监测是非接触式的监测方式，因此不需要介入变压器的运行也与之没有电气连接，通过安装在箱体表面的传感器收集振动信号并分析，以获取变压器的实时状态。本文针对油浸式电力变压器，研究了其振动产生机理因素和传输方式、表面振动信号采集和影响因素、国内外对振动信号的分析方法、故障分析的现状以及通过研究目前存在的不足提出今后的发展方向这四个方面，对现在国内外利用振动分析法对电力变压器进行在线监测做深入阐述和分析介绍。

1变压器振动机理因素研究

1.1振动的产生机理

掌握变压器振动产生的机理，正确分析振动信号是如何传输在箱体表面的，可以对今后振动分析法的研究打下基础。西安交通大学的汲胜昌等人起步最早，通过安装在变压器表面的压电式加速度传感器获取的箱体表面振动信号，提取变压器本体的振动信号并分析。该研究确定了铁芯和绕组振动信号的基本特征，证明了振动信号比噪声信号更有研究价值，对推广振动法有很大帮助。但当时的研究大多提取信号的方法不完善，对振动信号频谱图的处理也比较简单，只能理论上的判断故障[2]。为了增加振动信号在线监测的实用性和准确性，这就意味着需要对振动数据做进一步的实验研究并且采集参数建立数学模型。

数学建模建立变压器绕组轴向机电耦合的动力学模型，得到变压器绕组机电耦合的非线性振动方程，以及简化的耦合振动方程，分析出变压器绕组失稳的机理。还有通过偏最小二乘回归分析，建立基于电压、电流和振动数据的电-振动模型的方法，排除了一些重叠信息的干扰。后来计算机技术的发展，运用ANSYS等软件对变压器进行电磁、受力等方面的有限元分析建模也随之发展起来，对变压器内部复杂耦合的状态分析很有帮助。

综合上述可得，铁芯振动主要来源于铁芯钢片（硅钢片）被磁化，尺寸发生了非常微小的变化，也就是磁致伸缩现象，绕组振动则由于负载时产生的漏磁场中的电磁力使绕组的轴向和辐向受力而产生振动。铁芯与绕组产生的振动经由绝缘液体和紧固件传递到箱体表面。内部本体出现松动变形时其振动信号会有相应的变化，因此可以通过对传递出来的复杂耦合的振动信号进行特征提取和分析研究，从而对变压器运行状态做出判断。对振动机理因素的深入了解，显然能够提高振动信号分析法故障诊断的正确率，加快普及应用到实际工程中。

1.2振动信号及其传输原理

电力系统的运行频率为50Hz，振动信号以两倍电网频率即100Hz为基频，并伴有其他高次谐波。变压器空载运行时主要是铁芯振动的反映，振动频率主要分布在100～500Hz区间处，但除了基频，在200～300Hz等处也表现得较为明显，高次谐波的出现主要由铁芯振动引起。

变压器在负载运行时为二者共同作用，理想状态下绕组的振动频率为100Hz，但是研究发现长时间运行后由于松动等原因也可能会出现少量高次谐波，相对较小。其振动强度随着负载电流的增加而增强。

变压器表面的振动来源于内部，磁致伸缩引起的铁芯振动和负载电流引起的绕组产生的振动可以通过两条路径传输到箱壁上共同展现。一条路径通过紧固件耦合连接，另一条路径是通过冷却油传递到油箱上，其间还夹杂有冷却装置的振动[3]。

变压器工作在一个复杂电磁的运行条件下，本体传递到油箱表面的振动经过了多种路径，表面获取的振动频率容易受到这些因素的影响，为了分析出其中可能包含的故障信息，需要能准确地提取振动信号特征值。

目前，国内外对于变压器振动产生机理和其传输特性已经进行了较多的研究，如何更好地获取振动信号以及从中获取有效的特征信息作为故障诊断的判据是下一步研究的关键。

2振动信号的采集及其影响因素

2.1振动信号测量方法

振动监测法一般在箱体表面进行测量，信号测量点的布置对于信号的采集十分重要，以通常的三绕组变压器的内部结构和其振动的传输路径可知，安装在油箱前侧的传感器因为传播路径最短，距离绕组较近幅值明显，可以容易地采集到本体的振动信号。为了能够全面地反映振动信息，在油箱的顶部和侧面也需要布置传感器，顶部受到轴向作用力的影响较大，测量结果表现其在200Hz谐振频率比其他位置高。侧面的传感器距离本体较远，和不同绕组距离侧面的距离也不同，而且会受噪声的影响，测量结果会有较多的谐波。同时这三侧靠近底部位置的传感器测得的基频比较小，因为底部紧固件的存在会减弱振动信号的传输。

2.2测量结果影响因素的研究

（1）测量点的布置方面。不同的实验团队，所采取的信号采集点都有所不同，变压器不同位置的振动信号会有很大区别，进行多次对比实验时，安装位置与上一次测试位置相差过大则信号也会有较大误差。测量点的布置对测量结果产生的影响会干扰到后续的信号分析。（2）温度的变化直接或间接对振动的传递也有影响。温度上升时，除了基频和部分高次谐波会有一定增长，对硅钢片的磁致伸缩率以及绝缘油的阻尼和密度也有影响。现在许多测量试验只是空载运行或暂时的负载运行，温度对振动传递的影响会导致获取的振动信息不一致。

3振动分析法的发展趋势展望

（1）从机理分析来说，对变压器故障模型的建立仍有待进一步分析，虽有研究表明温度对振动信号以及绝缘油产生影响，但在对特征信号的提取如何利用或避免这些影响仍需研究，其次振动信号与故障特征的对应关系是另一个问题。

（2）目前，在大数据迅速发展，建设智能变电站的背景下，变压器状态监测的数据规模相较于以往有了大量提高。在对变压器进行振动法在线监测时，不仅要考虑实时运行数据、故障数据，还需要以往的缺陷信息、检修历史、家族质量史等信息并结合传统的故障分析方法加以考虑。将不同信息源的数据融合处理，避免单一数据的不确定性。

结束语

为保证电力系统稳定运行，需要对变压器运行状态实施在线监测。对通过振动信号进行变压器在线监测方法现状进行综述，从振动产生机理因素、振动信号采集和影响因素、振动信号的分析与故障诊断三个方面进行了阐述和分析，并对振动分析法在变压器在线监测的发展趋势进行了展望，为振动法的进一步研究提供了思路。

参考文献:

[1]基于有限元分析的变压器振动测点优化[J].李阳海，王广庭.广东电力.2017(10)

[2]110kV电力变压器绕组模态研究[J].谷红霞，于虹，钱国超，赵振刚，李英娜，李川.传感器与微系统.2017(10)

[3]振动频谱特征值在诊断变压器故障中的应用研究[J].钱国超，于虹，邹德旭，颜冰，刘红文，徐肖伟.电测与仪表.2017(19)