董鴻魁，崔志剛，朱葉葉，劉興福

(1.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；2.西安交通大學，西安 710049)

云南電網(wǎng)在運變壓器振動測量分析

董鴻魁1，崔志剛1，朱葉葉2，劉興福1

(1.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；2.西安交通大學，西安 710049)

利用電力變壓器運行過程中繞組與鐵心磁致振動原理，通過拾取電力變壓器油箱表面的振動信號，對所采集的振動數(shù)據(jù)進行頻譜分析，獲取電力變壓器運行過中的特征頻譜，從而達到對變壓器繞組與鐵心的松動、變形情況作出狀態(tài)判斷，從而評估變壓器的健康狀態(tài)。

變壓器繞組；繞組與鐵心振動；振動信號分析

0 前言

運行中監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)，在其缺陷還在可控范圍內(nèi)及時消除，能保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。變壓器振動特性監(jiān)測研究，就是試圖通過對變壓器振動特性的測量，分析研究變壓器的繞組的變形情況，評估變壓器的健康狀態(tài)，制訂有針對性的運維措施，保障電網(wǎng)的安全運行。

其次，利用振動信號分析法的變壓器繞組及鐵心監(jiān)測理論較完善，但實際運行中變壓器的振動情況和理想狀況下存在區(qū)別，需要在大量實際測量的基礎上再對相應的故障報警值進行進一步的調(diào)整，為積累在運行電力變壓器的振動特征數(shù)據(jù)庫，完成了云南電網(wǎng)部分在運變壓器的振動檢測及數(shù)據(jù)分析。

1 檢測情況及測試方法

1.2 測試方法

變壓器油箱表面振動信號為電氣機械振動信號，測量可供選擇的振動傳感器包括加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器。變壓器振動測量系統(tǒng)中的振動傳感器選用的是壓電式加速度傳感器。其電壓靈敏度為300 mV/g，分辨率為0.001 m/s2，無阻尼固有頻率為25 kHz，安裝諧振頻率為16 kHz，對地絕緣電阻＞108 Ω，滿足變壓器繞組及鐵心振動測試的要求。

為了全面反映變壓器內(nèi)部振動情況，選擇變壓器繞組首、末端對應的外殼處作為振動測點，同時測量各相繞組首、末端對應外殼的振動。

由于繞組振動信號基本上都是集中在100 Hz，從變壓器油箱表面測得的振動信號中的高次諧波分量是由鐵心振動引起的，可以通過這些高次諧波分量的變化來診斷鐵心狀況。據(jù)繞組與鐵心振動信號的頻譜特征可以看出，要進行繞組與鐵心狀況的診斷，必須要對振動信號進行傅立葉變換，求取其100 Hz及更高次諧波的幅值，以此為基礎來判斷繞組與鐵心狀況。

2 檢測數(shù)據(jù)匯總分析

云南地區(qū)各變電站變壓器通頻振動測試情況匯總可以看出，振動幅值的幅值點都出現(xiàn)在變壓器繞組頂部的測點，對于500 kV電壓等級的變壓器來說，振動幅值出現(xiàn)在高壓套管側的概率是100%，對于220 kV電壓等級的變壓器來說，有38.46%的概率振動幅值點出現(xiàn)在高壓側，出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因可能是由于500 kV電壓等級的變壓器與220 kV結構不同。

為了對同類變壓器及不同類型變壓器、不同負荷工況下便于作橫向數(shù)據(jù)分析比較，根據(jù)電磁理論作用在電力變壓器線圈上的電動力與流過繞組電流的平方成正比，因此繞組振動幅值情況理論上應與繞組的工作電流的平方存在正比關系，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，500 kV變壓器的振動歸一化結果整體低于220 kV電壓等級的變壓器，溫泉變2#變壓器因為使用年限已經(jīng)長達40多年因此振動幅值較大，推測其內(nèi)部繞組壓緊狀況不佳，部件絕緣老化情況已相當嚴重。

3 電力變壓器振動特征頻率分析

3.1 單相變壓器

某220 kV變電站有1#主變和2#兩臺變壓器，均為220 kV電壓等級的單相變壓器，各由三臺單相變壓器組成，振動測試結果從圖1可以看出，1 #主變和2#主變各自的三臺變壓器的振動幅值差別不大，雖然六臺單相變壓器結構相同，但在長年累月的使用后，老化狀況及整體裝配狀態(tài)不盡相同，總的來說，在相同工況下其振動幅值大致相同。

圖1 某220kV變電站1#、2#主變各單相變壓器振動情況比較

1#主變A相振動數(shù)據(jù)，由變壓器磁致振動產(chǎn)生機理，變壓器主要振動頻率是以100 Hz為基頻的。主變1#A相的振動頻譜圖如圖2所示，從圖上可以看出，400 Hz及500 Hz處頻譜分量較高，為該變壓器的固有振動頻率。

圖2 某220 kV變電站1#主變A相繞組振動頻譜

在振動頻譜圖上的高壓側及低壓側分別指靠近高壓套管及低壓套管的油箱側面，在傳感器布置時盡量選擇了對稱的高度。由圖中可以得出高壓側和低壓側對稱的點相比，高壓側的振動幅值要稍大，是由于高、低壓側繞組鐵心的壓緊狀況以及整體結構所導致的，因此對不同的電力變壓器建立運行特征頻譜歷史檔案是極為重要的。

為了說明傳感器安裝點對于振動測試結果的影響，安裝傳感器的過程中在變壓器兩側選擇了對稱的位置，圖2所示是主變1#A相兩側頂部傳感器測試結果的比較。

從圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)，雖然在各頻率處的頻譜分量不盡相同，但是兩端的主要振動峰值集中在400 Hz及500 Hz頻率處，所測振動幅值不同的原因可能是變壓器繞組并不在殼體的完全中心位置，因此由振動從變壓器油傳遞到殼體過程中產(chǎn)生的衰減不同，即振動從高、低壓側通過變壓器油傳遞到殼體的途徑并不是完全對稱的。

3.2 三相式變壓器

以下是某220 kV變電站220 kV電壓等級的三相式變壓器振動檢測情況及特征分析。

由于A、B、C三相鐵心的振動信號都以變壓器油為介質傳遞到變壓器油箱，引起變壓器油箱表面的振動。對于三相三柱結構的電力變壓器來說，當在油箱表面各相正對鐵心的位置分別測量其振動信號時，以高壓套管一側的油箱為例，A、C兩相油箱表面的振動，除了由A、C相鐵心振動引起外，還會受到B相鐵心振動的影響 (A、C相距離較遠相互間影響不大)；而B相油箱表面振動，除了由B相鐵心振動引起外，也會受到A、C兩相鐵心振動信號的影響，以下對各相油箱表面在受其它相影響時的振動情況作簡單的分析。

設施加于A、B、C三相的空載電壓分別為：

鐵心振動基頻信號同空載電壓的平方是呈線性關系的。三相鐵心在狀況相同的情況下，只是其空載電壓的相位不同而已，因此各相振動信號的基頻幅值與空載電壓平方之間的線性系數(shù)應該是相等的。設各相的線性系數(shù)KA=KB=KC=K。A、B、C三相鐵心振動信號分別為ZA，ZB，ZC，可得：

假定在A、B、C三相油箱表面的同一水平線上測量其振動信號，各相鐵心距各自測點的水平距離為d，各相鐵心距鄰相測點的距離為ds，振動波在變壓器油中的傳播速度為v，因此A、B、C三相鐵心振動引起各自油箱表面的振動信號基頻分量分別為：

A、C兩相鐵心的振動以變壓器油為介質，會傳遞到B相油箱表面；B相鐵心振動也會分別傳遞到A、C兩相的油箱表面。設A、C兩相振動信號傳遞到B相油箱表面時衰減率分別為kAB、kCB，B相振動信號傳遞到A相和C相時衰減率分別為kBA、kBC，且假定kAB=kCB=kBA=kBC=kS，顯然kS＜1，則

A相鐵心振動傳遞到B相油箱表面時振動信號基頻為：

B相鐵心振動傳遞到A、C相油箱表面振動信號基頻為：

C相鐵心振動傳遞到B相油箱表面時振動信號基頻為：

對于變壓器鐵心振動的基頻分量來說，假定整個振動系統(tǒng)為一線性系統(tǒng)，則此時A、B、C三相油箱表面測得的振動信號為：

由式 (3)可以推得A、B、C三相油箱表面測得的振動信號基頻分量的幅值分別為：

由式 (4)可知，A、B、C三相鐵心振動引起各自油箱表面的振動信號基頻分量的幅值都為。由于振動波在變壓器油中傳播速度很快，因此，則有：

因為ks＜1，由式 (5)可得：

由式 (6)可知，B相受到A、C兩相的影響，A、C相受到B相的影響，三相油箱表面的振動信號基頻分量與三相鐵心振動信號的基頻分量相比都有所減小，且A、C兩相油箱表面測得的振動信號基頻分量基本是相等的，而B相受到A、C兩相影響后，其油箱表面振動信號的基頻分量幅值減小的要比其它兩相更多，從而在B相油箱表面測得的振動信號基頻分量幅值要比其它兩相的小。在受到其它相影響的情況下，各相油箱表面的振動信號基頻分量依然是與空載電壓的平方成線性關系。

在實際情況中，變壓器的B相繞組受到A、C兩相的影響，A、C相受到B相的影響，三相油箱表面的振動信號基2頻分量與三相鐵心振動信號的基頻分量相比都有所減小，且A、C相油箱表面測得的振動信號基頻分量基本是相等的，而B相受到A、C兩相影響后，其油箱表面振動信號的基頻分量幅值減小的要比其它兩相更多，從而在B相油箱表面測得的振動信號基頻分量幅值要比其它兩相的小，而圖3所示的1#主變高壓套管側及低壓套管側振動數(shù)據(jù)的三相比較情況也說明了這一點，但是對于三相一體變壓器，這是一種理想狀態(tài)，在實際工程實踐中并不能完全符合這一理想狀態(tài)，至少這在表1表云南地區(qū)各變電站變壓器通頻振動測試情況匯總”中數(shù)據(jù)資料還無法得到有力的支撐。

圖3 變壓器的三相對振動幅2值的影響

對圖3的數(shù)據(jù)進行進一步分析，A、C相的振動數(shù)據(jù)也不是完全對稱，這與變壓器三相繞組的具體位置以及與傳感器布置位置有關。

另外，當三相變壓器一相繞組發(fā)生故障的時候，故障相引起的振動信號的變化會影響其它相繞組的振動量值，因此，對于故障相來說其油箱表面的振動信號變化量要比其它兩相大。因此在對變壓器進行振動監(jiān)測時，應結合三相振動數(shù)據(jù)及相應歷史數(shù)據(jù)進行綜合分析。

風扇及變壓器冷卻系統(tǒng)也是導致變壓器振動的原因之一，而相關文獻曾表明，由于風扇、油泵振動引起的冷卻系統(tǒng)振動的頻譜集中在100 Hz以下，這與本體的振動特性明顯不同，可以比較容易地從變壓器振動信號中分辨出來。本站的測試中為了明確風扇對變壓器振動測試結果的影響對2#主變啟用的風扇的振動進行了測試，振動頻譜如圖4所示。可以看到，該風扇的振動主要集中在200 Hz為主，且頻譜單一分量大，遠超變壓器殼體的振動，可以看出，風扇的振動頻率雖然與變壓器的有重疊，卻并沒有對本站的變壓器振動數(shù)據(jù)產(chǎn)生實質影響，各相繞組的振動數(shù)據(jù)中鮮有200 Hz頻譜分量很大的測點，與現(xiàn)有相關變壓器振動理論不符，這在今后的測試中進一步對比開啟不同組風扇情況下的變壓器振動數(shù)據(jù)，以排除或者考慮引入風扇振動對變壓器殼體振動的影響分析。

圖4 2#主變壓器風扇振動頻譜

3.3 220 kV主變振動特征分析

某220 kV變電站有220 kV電壓等級的變壓器兩臺，測試了2#主變振動情況。本次測試過程中，該變電站2#變壓器基本處于空載狀態(tài)，但檢測數(shù)據(jù)顯示其振動依然很強烈，遠超于其它同電壓等級和其它500 kV變電站帶負荷情況下的振動水平，且振動頻率集中在100 Hz這個變壓器振動的基頻上。變壓器振動理論告訴我們，繞組發(fā)生松動、壓緊力不足時，其振動信號的基頻也是變大的。

而繞組振動加速度信號中的高次諧波成分是由于絕緣墊塊、夾板等材料的力學特性非線性引起的，隨著變壓器使用壽命的增加，墊塊、夾板等材料開始產(chǎn)生老化，從而導致繞組松動等現(xiàn)象，都有可能導致變壓器振動加強，所以對于使用年限長的變壓器，越要頻繁監(jiān)測，加強與歷史數(shù)據(jù)的比較以決定是否需要停電檢修。

該220 kV變電站2#變壓器的測試數(shù)據(jù)中可得高壓側的振動幅值同樣大于低壓側，2#主變高低壓側三相的振動加速度幅值對比如圖5所示，其次實測表明兩個邊相 (A相和C相)的幅頻特性相似，與A、C兩相相比中間相 (B相)的基頻分量及各次諧波分量的幅度稍低。

圖5 主變2#低壓套管側三相振動幅值對比

由于該220 kV變電站的2#變壓器為三相一體式，因此同時用12路傳感器進行振動數(shù)據(jù)采集，高壓B相測點的振動頻譜圖如圖6所示。

圖6 2#主變B相高壓套管側測試點振動頻譜

從圖上可以看出，在高壓套管側的測試中，A、B、C三相繞組都存在100 Hz較大的基頻振動分量，鐵心振動頻率則集中在200 Hz和400 Hz，在本次測試中，同一繞組頂端振動幅值大于底端的結論仍然成立。此外，可以看到高壓套管側的B、C相的振動數(shù)據(jù)比A相幅值差距略大，可能的原因一是B、C相繞組鐵心老化松動情況較A相更為嚴重，低壓側振動數(shù)據(jù)與高壓測情況相似，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該220 kV變電站2#主變存在相繞組鐵心老化松動情況且B、C相較嚴重。

4 結束語

1)繞組頂部產(chǎn)生的振動幅度明顯比繞組底部產(chǎn)生的要大，主要是因為在變壓器運行過程中，由于漏磁場而對繞組線餅產(chǎn)生的電磁力對繞組產(chǎn)生一個由兩端向中間的擠壓力，而處于繞組底端的線餅因為同時受到線餅自身重力的作用及基座的約束振動幅值相對較小，因此通過變壓器油傳遞到變壓器殼體上的振動幅值較上端部小，測試結果很好的印證了這一點。

2)對于三相組合式變壓器，通過觀察對于同一臺變壓器的A、B、C三相的振動情況可以發(fā)現(xiàn)，振動情況基本一致，得出結論三相組合式變壓器各相的振動情況相似。

3)在各相鐵心壓緊狀況基本相同的情況下，在同一空載電壓下，B相油箱表面的振動信號基頻分量幅值要比A、C兩相的低，理論分析及試驗結果都證實了這一點。但是在在實際工程實踐中并不能完全符合這一理想狀態(tài)，至少現(xiàn)有的實測數(shù)據(jù)資料還無法有力支撐這一理論分析，需要更多的檢測數(shù)據(jù)資料。

4)在變壓器的在線監(jiān)測中，可以在變壓器空載運行的條件下取得鐵心的振動信號，判斷鐵心的狀況。如鐵心狀況良好，再測取變壓器負載運行時的器身振動信號，與歷史數(shù)據(jù)相比分析在當時負載電流下其頻譜100 Hz處的幅值的變化情況，從而判斷繞組的狀況。對于實際運行的電力變壓器，繞組允許松動到何種程度，即：繞組振動加速度值增大多少時，電力變壓器必須退出運行實施吊罩檢修，還必須在振動信號分析法的實踐過程中積累大量的數(shù)據(jù)。

[1] 汲勝昌.變壓器繞組與鐵心振動特性及其在故障監(jiān)測中的應用研究 [D].西安交通大學博士學位論文，2003.

朱葉葉，女，碩士研究生，西安交通大學。

Vibration Measurement and Analysis on Transformers Operated in Yunnan Power Grid

DONG Hongkui1，CUI Zhigang1，ZHU Yeye2，LIU Xingfu1
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.Xian Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

the use of winding and core magnetic vibration principle of power transformer in operation，the vibration signal of tank surface pickup transformer，analyze the frequency spectrum of vibration data acquisition，acquisition of power transformer operation features in the spectrum，so as to achieve the transformer windings and core of loose，deformation make state judgment，thus evaluation of the health condition of transformer.

transformer winding；winding and the iron core vibrate；vibration signal analysis

T41

B

1006-7345(2014)06-0035-05

2014-07-31

董鴻魁 (1963)，男，高級工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事水電廠主機振動處理及水電機組運行穩(wěn)定性分析等方面研究工作 (e-mail)dongdonghk＠163.com。

崔志剛 (1963)，男，高級工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事高電壓專業(yè)及電廠電機運行分析等。