基于振動法的變壓器振動檢測法原理及方案研究

引 言

有統計數據表明，相當數量的變壓器故障來自于繞組變形。目前常用頻響分析法和短路電抗法等方法對變壓器繞組進行檢測，這些方法均是建立在變壓器繞組的電氣模型基礎上，只有在變壓器繞組發生明顯變形時才能給出較為準確的判斷，但對變壓器繞組松動、扭曲或輕微變形時靈敏度不高。近年來展開的振動檢測法日漸成為熱點，其出發點是通過檢測繞組的機械特性變化來反映繞組的狀態變化，與傳統檢測方法相比，振動分析法能更有效地檢測出繞組變形。此外，振動檢測法更大的優點在于可以實現在線檢測。更多資訊盡在中國電工網。

上海交通大學近年來提出了一系列基于振動法的變壓器繞組機械狀態檢測方案，并進行了大量試驗研究，從中建立了以相關系數、通頻帶能量和振動烈度指數等為特征量的變壓器繞組機械狀態數學判斷依據，可以通過對短路沖擊狀態下的振動波形分析發現變壓器繞組的故障。

本文介紹了變壓器振動檢測法原理，應用振動信號測試系統得到變壓器繞組在不同狀態下的振動信號，提取量化繞組狀態變化的特征值，據此來判斷變壓器的繞組狀態。

1、變壓器振動檢測法原理

變壓器振動主要來源于鐵心與繞組。變壓器鐵心由層疊的硅鋼片構成，硅鋼片在強磁場下的磁致伸縮引發了鐵心的振動，該振動幅值與電壓的平方成正比，基頻為電壓頻率的2倍。繞組振動是由流通于繞組中電流產生的電磁力引起的，該振動幅值與繞組電流平方成正比，基頻為電流頻率的2倍。運行中的變壓器振動信號包括鐵心振動信號和繞組振動信號，本文所提出的振動頻響法關注于繞組變形檢測。測試過程中，低壓繞組短路，高壓繞組單相施加頻率為的電壓，形成繞組電流，其電動力（頻率為）引起該相高、低壓繞組振動。由于所施勵磁電壓遠遠小于變壓器額定電壓，鐵心磁致伸縮引起的振動十分微弱，因此可以近似認為檢測到的振動信號主要為繞組的振動信號，其等效力學模型如圖1所示。

實測時，采用多個壓電傳感器獲取變壓器油箱的振動信號輸入計算機中進行分析來判斷變壓器繞組的運行狀態［13］ ［14］。圖2為變壓器振動信號測試示意圖，該系統由加速度傳感器、DH5920多功能動態信號分析儀、1394連接線和控制臺組成。

圖2 振動信號測試示意圖

2、振動頻響法試驗驗證

2.1 試驗描述

本次對比試驗對象為上海電力公司退役的220kV實體變壓器，型號為SFP7-120000/220，聯結組號為YNd11。變壓器測點布置示意圖如圖3所示。

2.2 試驗結果與分析

C相故障設置如下。

狀態1：吊芯前，無故障；

狀態2：第一次吊芯，墊塊脫落；

狀態3：第二次吊芯，墊塊脫落，幅向敲擊變形；

狀態4：第三次吊芯，多塊墊塊脫落，幅向敲擊變形；

狀態5：第四次吊芯，多塊墊塊脫落，幅向再次敲擊變形。

每次狀態變化時，對繞組施加115-313Hz幅值為5A的恒流掃頻激勵， C相6通道5狀態振動頻響曲線對比圖如圖4所示。

圖4 C相6通道5狀態振動頻響曲線對比圖

由圖4可知，C相繞組5次狀態頻響曲線改變幅度很大，各種狀態對比明顯。變壓器墊塊掉落，頻響曲線幅值大幅降低，峰值出現點出現偏移。而當變壓器幅向變形，頻響曲線幅值上升，峰值點出現偏移。

為量化曲線差異度大小，本文提出標準平均誤差（Standard Average Deviation），簡稱 SAD。公式如下：

該判據考察兩組曲線之間的標準偏差。由于計算中使用了偏差的平方和，而對于現在VFRA頻響數據的特點（高頻幅值大于低頻）來說該判據對高頻段考察更為嚴格。計算C相的SAD變化表見表1。

3.3振動頻響法與短路電抗法的比較

由表2可見， C相繞組在5種狀態下的短路阻抗偏差極小，較大偏差不超過1%。根據GB1094.1-1996規定，短路阻抗法所得結果為本次測試所有繞組狀態良好，未出現繞組變形。這與試驗故障設定不符，可見短路阻抗法在本次試驗中無法判斷繞組故障。

3、結束語

通過上述用VFRA法對大型變壓器繞組進行的一系列試驗研究，可以發現：

（1）。振動頻響法測試系統在測試過程中與電氣線路沒有直接的連接，具有很好的抗電氣干擾能力；而且測試數據有較高的一致性，重復性好。

（2）。作為判據，SAD能很好的量化繞組狀態變化，體現繞組狀態的變化趨勢。

（3）。相對于短路阻抗法，振動頻響法能有效的檢查出大型變壓器繞組墊塊脫落和幅向變形故障，而且有更高的靈敏度，說明VFRA法對檢測此類繞組變形故障比較有效。

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