谷紅霞, 于 虹, 錢國超, 趙振剛, 李英娜, 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息與自動化學(xué)院,云南 昆明 652017;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院,云南 昆明 652017)

110 kV電力變壓器繞組模態(tài)研究

谷紅霞1, 于 虹2, 錢國超2, 趙振剛1, 李英娜1, 李 川1

(1.昆明理工大學(xué)信息與自動化學(xué)院,云南昆明652017;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南昆明652017)

變壓器繞組等效的機械結(jié)構(gòu)體,一旦發(fā)生改變,其模態(tài)將發(fā)生相應(yīng)變化,此時對其振動信號進行頻率響應(yīng)分析,即可檢測繞組輕微變形。對變壓器繞組進行模態(tài)分析：利用ANSYS對繞組進行幅向建模分析,分別得到了繞組故障與正常情況下頻響曲線的變化規(guī)律。開展真實110 kV變壓器模態(tài)實驗,并與ANSYS仿真結(jié)果對比,進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性,同時,為下一步研制振動檢測系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

振動頻響法； 模態(tài)分析； ANSYS仿真； 繞組實驗； 振動檢測系統(tǒng)

0 引 言

電力變壓器長期運行,其繞組受到過載電流沖擊的頻率較高,此時,強大的電磁力極易導(dǎo)致繞組變形故障,且繞組變形具有累積效應(yīng),若未及時發(fā)現(xiàn)并排除,將導(dǎo)致電力變壓器毀壞[1,2]。變壓器繞組故障檢測方法可分為在線與離線兩大類,離線檢測由于需要變壓器停運,不利于電力系統(tǒng)經(jīng)濟可靠性運行,不滿足檢測需求。在線檢測主要方法有短路阻抗法,脈沖頻率響應(yīng)法,振動頻響法等。短路阻抗法與脈沖頻率響應(yīng)法這兩種電測方法,適用于變壓器繞組發(fā)生較明顯的變形,但對輕微變形,尤其是當(dāng)變壓器運行中受到短路沖擊或長期自身振動而發(fā)生軸向壓緊力減小松動、扭曲變形的情形并不敏感[3～8]。

振動頻響法從繞組機械結(jié)構(gòu)出發(fā),每種機械結(jié)構(gòu)均有其對應(yīng)的模態(tài),機械結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,模態(tài)也會變化,此時,對機械結(jié)構(gòu)體采集的振動信號進行頻譜分析,模態(tài)參數(shù)中的固有頻率亦會發(fā)生改變[9]。因此,對繞組的機械結(jié)構(gòu)建模并進行模態(tài)分析,不僅可以得到繞組各種狀態(tài)下的固有頻率,為振動頻響法檢測特定變壓器繞組變形提供依據(jù)[10],也可以從對實際變壓器進行模態(tài)測試中汲取經(jīng)驗,為下一步將此方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)中奠定基礎(chǔ)。因此,對110kV變壓器進行模態(tài)研究具有十分重要的意義。

1 變壓器模態(tài)實驗原理

根據(jù)系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的理論分析可知,對一個自由度為N的比例阻尼系統(tǒng)來說,其第r階模態(tài)坐標(biāo)為

(1)

(2)

則結(jié)構(gòu)上任意測點l的響應(yīng)為

(3)

單激勵力作用于p點時,激勵力向量變?yōu)?/p>

F=[0…0…fp(ω) …0…0]

(4)

模態(tài)力為

Fr=φprfp(ω)

(5)

根據(jù)式(1)、式(3)、式(5)得到

(6)

據(jù)此可得測量點l和激勵點p之間的頻率響應(yīng)函數(shù)為

(7)

(8)

式中φlr為l測點的r階模態(tài)陣型參數(shù)；φpr為p測點的r階模態(tài)陣型參數(shù)；Mr為系統(tǒng)r階質(zhì)量矩陣；ωr為系統(tǒng)的第r階固有頻率；εr為第r階阻尼比；ω為系統(tǒng)固有頻率。由式(8)可見,通過模態(tài)實驗求得的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)包含了結(jié)構(gòu)的所有模態(tài)參數(shù)信號。

2 變壓器繞組受力分析與模態(tài)實驗

2.1 變壓器振動信號傳播及其繞組受力分析

變壓器的振動信號主要由鐵芯,繞組以及冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生[11]。雖然鐵芯會產(chǎn)生振動,但其機械結(jié)構(gòu)牢固,不易發(fā)生變形,所以其模態(tài)不會發(fā)生變化。變壓器的冷卻系統(tǒng)振動特性頻譜主要在100Hz以下,與變壓器繞組振動頻譜特性不同。因此,對變壓器表面振動信號進行頻譜分析時產(chǎn)生的固定頻率變化,主要由繞組變形引起。因此,采用振動頻響法對變壓器繞組變形進行檢測。

變壓器繞組振動主要由漏磁場對載流導(dǎo)體的電磁力引起,根據(jù)電磁場理論,對于處于電磁場中的電流元,其受到的電磁力可表示為

(9)

圖1 變壓器繞組磁通示意

2.2 ANSYS建模仿真與分析

利用ANSYS軟件[12]對變壓器繞組進行模態(tài)分析的建模過程如下：首先根據(jù)實測變壓器高壓繞組幾何尺寸,采用三維實體建模,建立繞組幾何結(jié)構(gòu)模型,設(shè)置繞組及絕緣墊塊材料屬性,主要包括繞組密度、泊松比及彈性模量值等。對模型進行有限元模態(tài)分析,得到繞組各階固有頻率及對應(yīng)振型。將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比對,根據(jù)實驗結(jié)果對模型修正,得到正常狀態(tài)下前四階模態(tài)仿真圖與諧響應(yīng)曲線。如圖2和圖3所示。

圖2 正常狀態(tài)下1～4階固有頻率對應(yīng)的振型

圖3 正常狀態(tài)下的諧響應(yīng)

對變壓器繞組松動與變形等典型故障下的機械動力學(xué)特性進行計算分析。其中,變壓器繞組松動時,計算其模態(tài)特性與諧響應(yīng)特性,繞組幅向變形通過設(shè)置墊塊斷落實現(xiàn)。繞組幅向變形狀態(tài)前四階模態(tài)仿真圖與諧響應(yīng)曲線如圖4和圖5所示。

圖4 故障狀態(tài)下1～4階固有頻率對應(yīng)的振型

圖5 故障狀態(tài)下的諧響應(yīng)特性

通過ANSYS仿真以及正常與故障狀態(tài)下諧響應(yīng)曲線對比發(fā)現(xiàn)：前4階固有頻率均遠離100Hz激勵頻率,說明繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計良好；變壓器繞組存在松動或變形等故障時,各階固有頻率均向低頻方向偏移,繞組松動或變形時,其頻響函數(shù)的典型峰值及其對應(yīng)的頻率均發(fā)生變化,因此,可通過檢測變壓器繞組振動頻響特性實現(xiàn)繞組狀態(tài)的診斷。

2.3 110 kV電力變壓器繞組幅向模態(tài)實驗

國內(nèi)首先采用110kV真實變壓器進行實驗,實驗原理如圖6所示：幅向測試采用電渦流位移傳感器進行測試,共放置30個測點,通過振動傳感器對繞組產(chǎn)生振動信號進行采集,繞組幅向變形通過設(shè)置繞組凹陷進行模擬。

圖6 變壓器幅向模態(tài)實驗示意

限于篇幅僅給出故障區(qū)域底部振動信號波形,如圖7所示,由于實驗條件的限制,實驗僅對前兩階進行激振,前兩階固有頻率較低,但與正常狀態(tài)下固有頻率進行對比,仍然發(fā)現(xiàn)固有頻率向低頻方向運動。

圖7 正常與故障情況下繞組振動頻響

3 基于振動頻響法的檢測系統(tǒng)研究

基于幅向變形模態(tài)實驗與仿真實驗的結(jié)果,開發(fā)了實際的檢測系統(tǒng),檢測原理如圖6所示,為提供一個穩(wěn)定可靠且適合現(xiàn)場使用的激振電源,獲取高信噪比的振動頻響曲線,研制了恒頻激振電源,恒流掃頻激振電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,三相交流電經(jīng)過三相整流之后變成直流電源,再經(jīng)兩級輸入濾波后送入橋式逆變電路,對橋式逆變電路中的IGBT開關(guān)管進行高頻PWM控制,橋式逆變器經(jīng)PWM控制后將輸出逆變后的波形送入變壓器并經(jīng)濾波后輸出需求的電流。

圖8 高壓變頻器主電路

本文僅就幅向變形作出重點分析,但實驗時對墊塊脫落與混合故障幅向變形等故障均做了相應(yīng)實驗,由圖9實驗結(jié)果可以看出:在故障情況下，相同的頻率,故障繞組的振幅更高,說明在同等條件下,故障繞組的振幅更高,相對來講更易發(fā)生故障;在幅向變形的情況下,振動頻響曲線有向低頻移動的趨勢,由于實驗繞組變形不明顯,所以偏移趨勢幅度較小,但仍然可以看出其向低頻移動的趨勢。實際驗證結(jié)果與仿真以及實驗結(jié)果相吻合,此方法可用于電力變壓器繞組故障檢測。

4 結(jié)束語

對變壓器繞組的模態(tài)進行了分析,首先進行了仿真,其次,進行了實驗驗證,二者相互印證,得出了繞組軸向故障下頻響曲線的變化規(guī)律,最后,研發(fā)了實際系統(tǒng),對在運變壓器進行實驗,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用此方法可靈敏地進行變壓器故障檢測,且實際檢測結(jié)果與前期實驗理論相一致,證明了該方法的可行性。

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Researchon110kVpowertransformerwindingmodal

GU Hong-xia1, YU Hong2, QIAN Guo-chao2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.FacultyofInformationandAutomationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming652017,China；2.YunnanPowerGridElectricPowerResearchInstituteCoLtd,Kunming652017,China)

Transformer wingding can be equal to a mechanical structure,if the structure is changed,its modal will be changed.Vibration signal frequency response analysis is carried out.So it can detect the winding deformation So it is significant to analyze the winding modal.In order to make the modal analysis for the winding,the winding picture change model is established with ANSYS,and the result shows the trend of vibration frequency curve with the comparing the normal winding and deformation winding.Experiment of real transformer is carried out,the simulation result is verified correct by comparing with experimental result,and it lay a foundation for research and fabrication of vibration detecting system.

vibration frequency method;modal analysis; ANSYS simulation;winding experiment;vibration detecting system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0051—03

2016—09—12

TM 403

A

1000—9787(2017)10—0051—03

谷紅霞(1990-),女,碩士研究生,主要研究方向為光纖傳感器、測試計量等。李 川(1971-),男,通訊作者,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。