蔡文方，應光耀，葛賢祥，馬思聰，李衛(wèi)軍，王在華

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.巨人通力電梯有限公司溫州分公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

我國能源資源與負荷中心分布不均的特征明顯，水利資源主要集中在西南數(shù)省，煤炭資源主要集中在山西、陜西和內蒙古西部地區(qū)，太陽能、風能等新能源資源也主要分布在西部、北部地區(qū)，而負荷中心主要集中在東部沿海地區(qū)[1]。為緩解這一矛盾，國家積極推動“西電東送”戰(zhàn)略，滿足大容量、遠距離跨區(qū)輸電要求，同時適應了大規(guī)模清潔能源的安全并網和高效消納。

大型電力變壓器是電力系統(tǒng)的樞紐設備，是保證整個電網系統(tǒng)安全運行的關鍵因素之一。變壓器一旦發(fā)生故障不但經濟損失嚴重，檢修時間長，嚴重時還可能造成大面積停電，擾亂正常的社會活動和企業(yè)生產[2]，影響范圍很廣。因此，對變壓器的運行狀態(tài)監(jiān)測不容忽視。近些年，基于振動測試的變壓器故障診斷法開始興起，逐漸成為常規(guī)方法的有力補充。該方法通過檢測變壓器的振動及對振動數(shù)據(jù)的分析，可判斷變壓器的運行狀況，及早發(fā)現(xiàn)變壓器繞組變形、結構松動等故障隱患[3-7]。本文介紹了某直流換流站變壓器冷卻器振動異常偏大故障，通過現(xiàn)場詳細的振動測試，準確診斷故障原因，通過改變結構連接剛度，將振動降為優(yōu)秀值，保證主設備的安全運行。

1 設備及故障簡介

1.1 設備概況

某換流站為±800 kV特高壓直流工程的受端站，全站共有28臺換流變壓器（以下簡稱“換流變”），單臺容量為384.2 MVA，4座12脈動換流閥，6回500 kV交流出線，4大組16小組交流濾波器，總容量為4 820 Mvar。其中極Ⅱ高端換流變8211BY/Y A相變壓器，額定電壓510/kV/163 kV/kV，總重量516 t。

極Ⅱ高端換流變冷卻器為強迫油循環(huán)雙回路風冷卻器，每臺換流變4組冷卻器，每組冷卻器包含4臺風扇、1臺潛油泵和1臺油流指示器。冷卻器結構如圖1所示，每組冷卻器潛油泵將換流變本體頂部的油吸至冷卻器內部換熱管內進行換熱，經過冷卻后的油從底部兩根油管回流至換流變壓器本體內，循環(huán)往復，將換流變運行產生的熱量通過油循環(huán)完成換熱，使換流變壓器油溫始終保持在適宜的范圍內。

圖1 極Ⅱ高端換流變及其冷卻器

1.2 振動現(xiàn)象

在近期運行過程中，發(fā)現(xiàn)換流變冷卻回油匯流管道振動異常偏大，振動值明顯高于其他相的油管道振動。據(jù)運檢人員反映，位于4號冷卻風扇組背面的油管道振動最大，幅值平均在150 μm左右，最大振動幅值超過180μm，且存在波動不穩(wěn)定現(xiàn)象，振動規(guī)律不明顯，無法判斷故障原因，已威脅到設備的安全穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場急需明確故障原因，評估主設備的運行狀態(tài)，并采取有效減振措施保證設備及電網的安全。

2 振動測試分析

2.1 測點布置

2019年3月13—14日，根據(jù)振動現(xiàn)象及特征，為完整獲得設備的整體振動數(shù)據(jù)，現(xiàn)場制定了振動測量方案，對換流變壓器本體、冷卻風扇、油管路、循環(huán)油泵、支承結構等設備進行長時間振動監(jiān)測，以明確故障機理，從而指導后續(xù)的診斷及治理工作。現(xiàn)場重要測點布置如圖2—3所示，其中測點1，2為風機的垂直、水平振動；測點3，4為冷卻器支撐地腳垂直振動；測點5，6為油管道水平振動；測點7為油管道垂直振動；測點8為油管道軸向振動；測點9，10為變壓器本體振動。

圖2 冷卻器測點布置

圖3 油管道測點布置

2.2 振動測試

分別對1—4號冷卻風扇組單獨啟動時的油管道振動情況進行測試，發(fā)現(xiàn)各結構件測點振動數(shù)據(jù)具有以下特點：

（1）在切換冷卻風扇組時，油管道振動變化明顯。當1號風冷卻風扇組啟動時，油管道振動最大，振動幅值在106～181μm波動；2號、3號冷卻風扇組啟動時，油管道振動幅值在25～88 μm波動；4號冷卻風扇組啟動時，油管道振動最小，振動幅值在30～51μm波動，如表1所示。

表1 不同風扇組啟動時油管道振動 μm

（2）進一步測試表明，當1號冷卻風扇組的第一臺風機啟動時，油管路振動最大。測點6處的水平振動幅值為150μm時，垂直測點7與軸向測點8振動幅值分別為10μm和26μm。可見各方向振動差距明顯，水平振動最大，垂直與軸向振動較小，數(shù)據(jù)見表2。

表2 1號冷卻風扇啟動時各測點振動值 μm

（3）油管道上的測點6振動明顯大于測點5振動；進一步測試表明，油管道水平振動端部最大，向中間位置振動逐漸減小，差異明顯。

（4）變壓器本體振動始終無變化，期間均保持在10μm左右；地腳測點僅5μm以下，無變化，參見表2。

（5）冷卻風扇測點1和2，地腳測點3和4，油管路振動測點5—8的頻譜均以10 Hz的分量為主，如圖4—5所示；變壓器本體測點9，10的頻譜以100 Hz分量為主，見圖6（以1號冷卻風扇組啟動時的振動為例）。

（6）1號冷卻風扇自身振動測點振動偏大，測點2振動幅值為64μm。

2.3 結果分析

圖4 風機測點2振動頻譜

圖5 油管道測點6振動頻譜

圖6 變壓器本體測點10振動頻譜

根據(jù)上述振動特征可以得出以下結論：

（1）變壓器本體振動較小，且不受運行狀態(tài)的影響，可以排除變壓器本身存在故障[8-9]。

（2）冷卻器地腳振動幅值很小，地腳連接、受力良好，不存在松動。

（3）冷卻風扇組啟停與油管道振動緊密相關，同時所測油管道的振動頻譜以10 Hz分量為主，與換流變壓器冷卻風機運行頻率一致（600 r/min），而與循環(huán)油泵的運行頻率不符（1 450 r/min），與變壓器本體振動頻譜也不符（100 Hz），由此可判斷振動激振力來自冷卻風扇。

（4）油管路水平振動明顯大于其他兩個方向振動，測點6振動幅值明顯大于測點5振動幅值，且根據(jù)現(xiàn)場設備結構，測點6位于油管路末端，處于懸臂狀態(tài)，判斷其剛性偏弱。

（5）試驗表明，當1號風機振動幅值為65μm左右時，振動油管道測點6振動幅值達150μm以上，最大時會波動到180μm，明顯大于風機本身的振動，即風機的激振力導致的振動在油管道處被放大，這表明該結構剛度偏弱或存在共振現(xiàn)象。

為驗證該結論，現(xiàn)場對該油管路進行固有頻率測試，其頻率響應函數(shù)顯示其一階固有頻率為9.98 Hz，如圖7所示，與冷卻風機額定轉速重合，故引發(fā)結構共振。

圖7 油管道頻率響應函數(shù)

3 處理措施

通過以上振動測試分析，故障原因明確為由于冷卻風扇的激勵，冷卻器油管路共振而引起的振動放大現(xiàn)象。換流變冷卻器整體由油管路、散熱片、冷卻風機、油泵、表計及相關支撐結構件構成，其結構復雜，連接件眾多，某處的連接松動、過緊等都直接關系局部的連接剛度，甚至影響整體的固有頻率[13-14]。據(jù)此，可從兩方面實施現(xiàn)場故障治理：一是排除冷卻風扇本身是否存在故障，對冷卻風扇進行檢查、更換，盡可能降低激振力；二是調整結構的支撐剛度，使整體固有頻率避開激振力頻率，消除共振。

3.1 減小激振力

拆下1號風扇消音器，未發(fā)現(xiàn)冷卻風扇及電機有明顯缺陷，為避免風扇葉片角度、安裝同心度等存在偏差，現(xiàn)場更換1號冷卻風扇葉片，檢查、緊固電機地腳螺栓。處理后再次啟動，風機振動幅值降為40μm，油管路振動幅值在120～130μm，見圖8?？梢姡鼡Q新葉片減小了激振力，但油管路振動沒有得到同比例的下降，問題的根源不在于冷卻風扇。

圖8 更換風扇后油管路振動趨勢

3.2 調整連接剛度

現(xiàn)場觀察冷卻器結構，風扇組通過結構框架支撐，地腳螺栓振動較小（參見表2），未見松動，檢查其他各連接部件也未發(fā)現(xiàn)有松動跡象。但發(fā)現(xiàn)開關油散熱器（見圖9），其通過單側螺栓固定在變壓器油管路上（見圖10），其整體振動也異常偏大。根據(jù)振動現(xiàn)象及測試數(shù)據(jù)分析，判斷該處連接剛度偏弱，導致結構固有頻率下降，落入風扇工作頻率附近，引發(fā)共振。

圖9 開關油散熱器

圖10 開關油散熱器連接

共振是指機械系統(tǒng)所受激勵的頻率與其某階固有頻率接近時，系統(tǒng)振幅顯著增大的現(xiàn)象。通常情況下共振是有害的，會引起機械和結構很大的變形和動應力，甚至造成破壞性事故。

共振時的激勵頻率稱為共振頻率，近似等于機械系統(tǒng)的固有頻率。對于最簡單的單自由度系統(tǒng)，其固有頻率為，為防止共振可以從兩方面改變結構的固有頻率：改變剛度k和改變參振質量m，從而使機械的固有頻率避開激勵頻率[15-16]。對于已有的結構，改變質量往往不現(xiàn)實，現(xiàn)場從改變結構剛度入手具有可操作性。

對該連接螺栓進行調節(jié)，并加裝橡膠墊，改變整體支撐剛度，從而使系統(tǒng)的固有頻率避開激振頻率，同時增加阻尼，從而達到減振效果，如表3所示。

表3 處理前后油管路固有頻率及阻尼

現(xiàn)場在專業(yè)振動儀器監(jiān)測下，通過剛度調整，振動幅值有明顯下降，最終將油管路整體振動幅值降至40μm以下，達到優(yōu)秀值，如圖11所示。

圖11 調整連接剛度后油管路振動趨勢

4 結語

通過現(xiàn)場測試分析，定位振動激勵源在冷卻風扇上，但導致振動異常偏大的根本原因是結構剛度存在問題。現(xiàn)場通過結構件的連接剛度，改變系統(tǒng)固有頻率，從而使其避開風扇的工作頻率，避免結構共振，將油管道振動降至優(yōu)秀值，保證了設備安全穩(wěn)定運行。

大型電力變壓器結構復雜，現(xiàn)場振動測點的布置需要通盤考慮及重點監(jiān)測，完整的振動測量方案才能提供完備的振動數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)故障診斷與準確定位的前提。對于結構共振故障，現(xiàn)場首選還是將激振力降低到最小程度，在改變固有頻率方面，對于已有的結構，改變質量往往不現(xiàn)實，現(xiàn)場改變結構剛度往往具有可操作性。