趙永 胡遠(yuǎn)芳 李周晨聽(tīng) 張建文

摘要：本文對(duì)變壓器振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)影響因素、故障診斷方法等幾個(gè)方面展開(kāi)了現(xiàn)狀的研究和歸納，并針對(duì)目前振動(dòng)法的研究現(xiàn)狀提出了展望。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);電力變壓器;變壓器振動(dòng);變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)

電力變壓器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備之一，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示2002-2006年國(guó)家電網(wǎng)llOkV及以上電壓等級(jí)的變壓器共發(fā)生了162臺(tái)次事故。大多為繞組故障，包括使得繞組扭曲、傾斜、塌陷、鼓包和位移等永久失穩(wěn)變形[1]。

在90年代中后期，國(guó)內(nèi)外對(duì)基于變壓器振動(dòng)信號(hào)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法不同，振動(dòng)法對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，既能保證監(jiān)測(cè)的在線性，又能同時(shí)對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和電氣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明該方法可廣泛應(yīng)用于各類變壓器且故障監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)80%-90%[2]。

本文將針對(duì)基于變壓器振動(dòng)信號(hào)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀，從監(jiān)測(cè)機(jī)理、數(shù)學(xué)模型、振動(dòng)影響因素、振動(dòng)信號(hào)采集及分析和故障狀態(tài)判斷幾方面入手，對(duì)現(xiàn)有的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，同時(shí)對(duì)不同的研究成果開(kāi)展局限性分析，擬歸納出較為全面的變壓器在線監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用重點(diǎn)。

1 變壓器振動(dòng)機(jī)理

變壓器在運(yùn)行時(shí)，其鐵芯和繞組在磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下，分別會(huì)受到磁致伸縮形變、洛倫茲力和電動(dòng)力的作用，周期變化的交變磁場(chǎng)使得鐵芯和繞組受力呈現(xiàn)周期性的往復(fù)規(guī)律，使得鐵芯和繞組成為了變壓器內(nèi)部振動(dòng)源。繞組和鐵芯的振動(dòng)特性受到自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的影響，在不同的運(yùn)行狀況下體現(xiàn)出不同的振動(dòng)幅值和頻譜。在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了基于變壓器振動(dòng)信號(hào)的鐵芯及繞組狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)[3]。

1.1 幾種振動(dòng)源

1.1.1 振動(dòng)源分類

振源分為變壓器本體的振動(dòng)和冷卻附件振動(dòng)，本體振動(dòng)有：

（1）鐵芯部件隨勵(lì)磁頻率而周期得振動(dòng);

（2）硅鋼片疊片間存在由漏磁產(chǎn)生得電磁吸引力引起鐵芯振動(dòng);

（3）繞組中通過(guò)電流，使得繞組在交變磁場(chǎng)下受到周期的電動(dòng)力作用，產(chǎn)生振動(dòng)。

冷卻附件振動(dòng)則有冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，除此之外，漏磁現(xiàn)象也會(huì)引起變壓器箱壁產(chǎn)生振動(dòng)[4]。

1.1.2 振動(dòng)信號(hào)的部分頻譜特性

研究表明鐵芯與繞組產(chǎn)生的振動(dòng)頻譜范圍通常在100-500Hz之間，其中鐵芯的振動(dòng)頻譜中除在100Hz處有明顯分量外，其在200Hz-800Hz等倍頻處的幅值都非常明顯‘5]。變壓器容量和振動(dòng)信號(hào)頻譜基頻分量幅值成正比，和倍頻分量幅值成反比H。鐵芯質(zhì)量、鐵芯芯柱與鐵軛尺寸會(huì)影響振動(dòng)程度，鐵芯質(zhì)量的減少和鐵芯窗/直徑比例減少都會(huì)減小振動(dòng)強(qiáng)度和頻譜幅值[6]。此外，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)振動(dòng)，其頻率量級(jí)為kHz級(jí)別，是明顯有別于穩(wěn)定工況振動(dòng)的高頻振動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)壓操作時(shí)，振動(dòng)信號(hào)頻譜中會(huì)出現(xiàn)kHz的分量。而冷卻附件（風(fēng)扇）只存在于100 Hz以下的振動(dòng)信號(hào)，因此可對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分離，過(guò)濾冷卻附件帶來(lái)的信號(hào)干擾[7]。

1.2 振動(dòng)信號(hào)的傳遞路徑

變壓器內(nèi)部繞組、鐵芯作為振動(dòng)源，將振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械波通過(guò)變壓器油和剛體結(jié)構(gòu)傳遞到變壓器箱壁上，同時(shí)，冷卻附件及漏磁引起的箱壁振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械波與之耦合，最終將振動(dòng)信號(hào)體現(xiàn)在變壓器箱壁上。圖1為變壓器振動(dòng)信號(hào)的傳播路徑圖。

在負(fù)載情況下，變壓器的主要振動(dòng)源為繞組和鐵芯，絕緣油是主要傳遞介質(zhì)，二者的振動(dòng)經(jīng)過(guò)絕緣油和固定件及變壓器剛體結(jié)構(gòu)向變壓器箱壁傳遞，同時(shí)，二者產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)相互疊加;在空載情況下，主要振源為鐵芯，振動(dòng)機(jī)械波也主要通過(guò)絕緣油和鐵芯緊固螺絲以及其他剛體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。除正常的振動(dòng)機(jī)械波通過(guò)介質(zhì)傳遞到箱壁外，鐵芯的磁致伸縮現(xiàn)象會(huì)引起變壓器箱壁體積膨脹，從而產(chǎn)生振動(dòng)。磁致伸縮現(xiàn)象導(dǎo)致鐵芯膨脹，膨脹導(dǎo)致鐵芯的體積發(fā)生變化，使得變壓器油受到體積壓力，油壓力將驅(qū)動(dòng)油箱殼體膨脹收縮振動(dòng)[8]。

2 變壓器振動(dòng)信號(hào)的影響因素

2.1 負(fù)載電流大小對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

變壓器在其他外部激勵(lì)和本身機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的情況下，文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了變壓器油箱壁振動(dòng)與負(fù)載電流平方的正相關(guān)性良好，負(fù)載電流與變壓器油箱壁振動(dòng)加速度100Hz基頻幅值的擬合關(guān)系如圖2所示。在變壓器遭受短路沖擊時(shí)，繞組除產(chǎn)生100Hz的振動(dòng)頻譜分量外，還存在一定的50Hz振動(dòng)分量。

2.2 外加電壓大小對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

由鐵芯振動(dòng)機(jī)理可知，鐵芯的振動(dòng)加速度與磁場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比。外部所加電壓的變化將會(huì)引起鐵芯磁通密度發(fā)生突變，從而導(dǎo)致鐵芯受力發(fā)生變化，最終使得鐵芯振動(dòng)加速度產(chǎn)生突變。文獻(xiàn)[10]中實(shí)例也證明電壓驟降時(shí)，變壓器振動(dòng)明顯增大。

2.3 功率因素對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

在振動(dòng)傳遞過(guò)程中，電流與電壓的相位差存在，無(wú)法滿足振動(dòng)信號(hào)的線性疊加前提[11]，導(dǎo)致鐵芯和繞組的振動(dòng)在傳遞過(guò)程并不是線性的疊加過(guò)程，相位差的存在會(huì)使得振動(dòng)信號(hào)的傳遞疊加過(guò)程產(chǎn)生高次諧波，因此功率因數(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響不可忽略。鐵芯與繞組產(chǎn)生的振動(dòng)加速度相位差φ為：

式中，φ為電流與電壓得相位差;φ0。為負(fù)載電流初始相位; β為固定條件下求得的與繞組參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載的電阻和電感數(shù)值模擬變壓器的負(fù)載功率因數(shù)的變化，對(duì)隨之變化的振動(dòng)特性進(jìn)行了觀測(cè)，頻譜中在100Hz及300Hz處的振幅隨功率因數(shù)增大而增大，變化趨勢(shì)呈現(xiàn)非線性，不同負(fù)載下的振動(dòng)頻譜如圖3[13]所示。

2.4溫度對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

變壓器絕緣油性能將影響振動(dòng)信號(hào)。溫度的改變會(huì)使得絕緣油的分子密度和活躍程度發(fā)生變化，從而改變了絕緣油的阻尼大小。絕緣油粘滯程度隨溫度升高而下降[12]，其流動(dòng)性增加，對(duì)振動(dòng)的阻尼作用有所降低，使得表面測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)有所增強(qiáng)，變壓器絕緣油油溫的改變由于受到膨脹系數(shù)的影響，當(dāng)油溫升高時(shí)，箱體表面振動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)[13]。

溫度的變化還將改變繞組、絕緣墊塊和硅鋼片等部件的彈性模量，從而使得傳遞出的振動(dòng)信號(hào)變化。

2.5 預(yù)緊力對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

繞組預(yù)緊力主要指軸向預(yù)緊力，軸向預(yù)緊力不足時(shí)，如若遭受短路沖擊，會(huì)使得線餅匝間絕緣破損短路嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致線餅崩塌等。文獻(xiàn)[13]通過(guò)仿真試驗(yàn)證明隨著預(yù)緊力減小，振動(dòng)加速度幅值顯著增大。

用于固定鐵芯的預(yù)緊力，通過(guò)影響鐵芯的振動(dòng)阻尼和磁滯回線使得鐵芯振動(dòng)特性發(fā)生改變。文獻(xiàn)[14]研究表明，36%的變壓器故障是由繞組遭受短路沖擊后造成的。對(duì)變壓器的電氣參數(shù)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究，能夠?qū)︻A(yù)緊力不足情況下，短路沖擊造成繞組形變等故障進(jìn)行有效識(shí)別。

2.6 外部冷卻附件對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

外部冷卻設(shè)備如風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械

波與變壓器本體所產(chǎn)生的振動(dòng)相互疊加后傳遞到變壓器箱體上。實(shí)例表明運(yùn)行中的風(fēng)扇其本身振動(dòng)頻譜雖然主要集中在100Hz以下，但其振動(dòng)會(huì)影響附近箱壁上的振動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致100Hz及400Hz附近產(chǎn)生畸變和大峰值的200Hz分量出現(xiàn)，在風(fēng)扇開(kāi)啟后，靠近風(fēng)扇的某相振動(dòng)頻譜如圖4所示[15]：

雖然風(fēng)扇等設(shè)備運(yùn)行導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)頻譜的基頻附近產(chǎn)生了畸變，但由于風(fēng)扇運(yùn)行過(guò)程在外加電氣條件不變的情況下，可視為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)的影響作用也是穩(wěn)定的，因此，在工程應(yīng)用中，去除風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)，并不影響通過(guò)振動(dòng)信號(hào)對(duì)故障狀況的診斷。

3 故障診斷技術(shù)

目前較為成熟可靠的、基于振動(dòng)法的變壓器在線監(jiān)測(cè)及故障的診斷技術(shù)，在故障診斷方面主要采取了兩種不同的思路：一種是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真模擬故障狀態(tài)，列舉出有限種故障特征，將列舉出的故障特征與經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比判定故障狀態(tài)。另一種是采集足夠數(shù)量正常工況下的變壓器振動(dòng)信號(hào)，建立正常工況的變壓器振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)或模型，一旦監(jiān)測(cè)到振動(dòng)信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)或模型之間的差異性達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，則判定此時(shí)變壓器處于故障狀態(tài)。

3.1 基于故障特征識(shí)別的診斷技術(shù)

3.1.1 振動(dòng)信號(hào)的濾波降噪

在實(shí)際應(yīng)用中，采集的振動(dòng)信號(hào)包括了外部環(huán)境和自身冷卻附件（風(fēng)扇）干擾，在進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的故障診斷之前，應(yīng)先對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，本文總結(jié)了幾種廣泛應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)降噪處理的方法。

傅里葉變換被廣泛應(yīng)用于振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，但考慮到傅里葉變換在對(duì)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行變換時(shí)會(huì)造成遺漏，使用小波理論對(duì)變壓器信號(hào)進(jìn)行分析，采用特定的分解層數(shù)的系數(shù)作為特征矢量，作為故障判定依據(jù)[15]，但是小波分析其自適應(yīng)能力較差。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]提出使用自適應(yīng)能力較強(qiáng)的EMD算法通過(guò)希爾伯特譜來(lái)區(qū)分信號(hào)。

文獻(xiàn)[17]針對(duì)變壓器故障情況下振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)、非線性的特點(diǎn)，提出了使用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）的方法分振動(dòng)信號(hào)，以選擇有效本征模式函數(shù)（IMF）。

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[18]提出了使用EEMD算法和負(fù)熵準(zhǔn)則的盲源分析法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，原理是使用EEMD對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到IMF函數(shù)后估計(jì)源個(gè)數(shù)，利用負(fù)熵準(zhǔn)則選擇獨(dú)立性較好的IMF分量，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行重組。

文獻(xiàn)[19]提出了使用基于時(shí)頻比多樣性盲源分離算法（ TIFORM-BSS）對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分離，并進(jìn)行了應(yīng)用。其使用盲源分離算法將個(gè)振動(dòng)源傳遞到箱壁上的振動(dòng)信號(hào)視為“源振動(dòng)”，并將其分離，獲得單一的鐵芯和繞組振動(dòng)特征。

此外，還有學(xué)者使用EEMD方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行了特征值的提取，得到特征向量，再使用凝聚層次聚類算法對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特征向量進(jìn)行層次分類，最終分類得到變壓器的幾種故障狀態(tài)。

稀釋分解算法（Dilution Decomposition Algori-thm Method，DDAMethod）廣泛應(yīng)用于圖像壓縮和信號(hào)降噪領(lǐng)域，采用稀釋算法能夠有效避免振動(dòng)信號(hào)信噪比較低所導(dǎo)致的傅里葉變換時(shí)的信號(hào)被淹沒(méi)的現(xiàn)象。圖7[20]為使用稀釋算法將變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪重建的過(guò)程。

3.1.2基于振動(dòng)特征量的故障診斷技術(shù)

經(jīng)過(guò)上文所述的信號(hào)濾波降噪處理后，信號(hào)頻譜已能夠體現(xiàn)變壓器的額狀態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或?qū)?shí)際故障變壓器進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，得到具體故障時(shí)變壓器振動(dòng)信號(hào)頻譜的特征，結(jié)合特征進(jìn)行判斷即可得到變壓器相應(yīng)的狀態(tài)診斷依據(jù)，下文將列舉幾種典型實(shí)例。

文獻(xiàn)[21]將振動(dòng)信號(hào)與短路阻抗相結(jié)合來(lái)對(duì)變壓器的繞組狀態(tài)進(jìn)行診斷，將短路阻抗法引入故障診斷中的原因是目前變壓器振動(dòng)檢測(cè)法還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使用短路阻抗法能夠?qū)φ张袛嗾駝?dòng)檢測(cè)法的可靠性。作者使用實(shí)驗(yàn)?zāi)M故障狀態(tài)，采集變壓器故障狀態(tài)的電氣特征值和振動(dòng)信號(hào)特征值，將其構(gòu)建為一個(gè)特征向量S[40l：

S=[a，β，γ]

（2）

式中，a為變壓器繞組短路電抗變化率;β為由振動(dòng)信號(hào)提取的頻段一能量一歐氏距離值;γ為主頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的倒數(shù)的百分之一。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)特征向量的夾角可對(duì)繞組的松動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有效的表征，特征向量的夾角隨著繞組松動(dòng)程度的下降而增大。

在前者的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[22]通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中改變鐵芯和繞組的緊固件的壓緊程度來(lái)模擬鐵芯松動(dòng)故障和繞組松動(dòng)故障，并對(duì)故障狀態(tài)的振動(dòng)特征進(jìn)行了記錄。實(shí)驗(yàn)采用了基頻、振動(dòng)幅值、主要頻率、頻率比重Pf和頻譜復(fù)雜度H作為振動(dòng)特征量，實(shí)驗(yàn)表明鐵芯松動(dòng)基頻幅值增大但基頻比重不變、頻譜復(fù)雜度下降，而繞組松動(dòng)故障時(shí)其基頻幅值和基頻占比大幅增長(zhǎng)，頻譜復(fù)雜程度下降，實(shí)驗(yàn)建立了可用于表征實(shí)際變壓器具體故障狀態(tài)的診斷依據(jù)。

與前者相同，文獻(xiàn)[36]也通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)變壓器的鐵芯和繞組設(shè)置了故障，并采集了故障狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)，在鐵芯故障的診斷中，作者選擇將經(jīng)過(guò)濾波降噪的振動(dòng)信號(hào)的主頻幅值與正常狀態(tài)下的主頻幅值之比設(shè)為系數(shù)k，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)k<0.8時(shí)，鐵芯發(fā)生了故障，而對(duì)于繞組而言，實(shí)驗(yàn)將高低頻的包絡(luò)譜能量比作為特征量對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行表征，實(shí)驗(yàn)證明了故障狀態(tài)下低頻能量在總能量中的占比遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行時(shí)占比。

目前應(yīng)用較廣的、用于表征故障狀態(tài)的特征量為基頻幅值、能量譜、振動(dòng)信號(hào)擬合的歐氏距離函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于在無(wú)大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具體故障特征，在一定基礎(chǔ)上將此診斷方法應(yīng)用于不同型號(hào)變壓器振動(dòng)信號(hào)診斷中，但該方法需通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者仿真的方法對(duì)變壓器故障進(jìn)行模擬才能得到提取特征量，故只能得到有限種故障狀態(tài)特征量，在變壓器整體狀態(tài)評(píng)估中具有局限性。

3.2基于模型差異分析的診斷技術(shù)

與上一小節(jié)的求取故障特征量用于判斷故障狀態(tài)的方法不同，下文將介紹的幾種經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的故障診斷技術(shù)采用了先進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，再使用模型對(duì)變壓器的狀態(tài)進(jìn)行診斷的方法。

文獻(xiàn)[23]對(duì)變壓器投運(yùn)前的空載振動(dòng)數(shù)據(jù)、投運(yùn)后的額定負(fù)載振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集并定義為原始數(shù)據(jù)，將變壓器的待診斷的數(shù)據(jù)的FFT變換序列A（k）與原始空載情況下的FFT序列X（k）的相關(guān)系數(shù)C1與幅值系數(shù)F1作為變壓器鐵芯故障的診斷依據(jù)，同理得到了繞組的故障診斷依據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該診斷方法的可靠性，得到故障狀態(tài)時(shí)，相關(guān)系數(shù)數(shù)值減小而幅值系數(shù)數(shù)值增加，形成了量化的鐵芯故障和繞組故障診斷判定標(biāo)準(zhǔn)。

該診斷方法診斷依據(jù)分析來(lái)自于實(shí)際變壓器，能夠有效適應(yīng)單臺(tái)變壓器的鐵芯和繞組的相關(guān)故障診斷，但該故障診斷方法的建立需多次對(duì)變壓器的空載和額定負(fù)載工況的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)于后期加裝振動(dòng)傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的變壓器并不適用。

與前者相同，文獻(xiàn)[24]針對(duì)變壓器的繞組狀態(tài)建立了診斷模型，在考慮工程實(shí)踐情況下，定義了平均安全余量k來(lái)量化了繞組的松動(dòng)程度，將k定義為：

實(shí)驗(yàn)提出了安全余量k表征了繞組的松動(dòng)程度，繞組松動(dòng)程度與安全余量k數(shù)值成反比。

此方法將運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)載、電流、電壓等因素考慮進(jìn)入模型中，建立了簡(jiǎn)單可靠易于判別的故障診斷方法，若將其拓展建立鐵芯模型，對(duì)鐵芯的松動(dòng)等故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，故障診斷技術(shù)將更為全面。

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)故障并不僅有繞組松動(dòng)和鐵芯松動(dòng)故障，變壓器遭受小型沖擊或長(zhǎng)期處于某種諧振狀態(tài)時(shí)，其部分剛體連接、緊固部件將產(chǎn)生松動(dòng)故障，此類故障也是變壓器發(fā)生事故的安全隱患之一，故對(duì)變壓器整體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)也是非常有必要的。

文獻(xiàn)[25]提出了基于變壓器整體結(jié)構(gòu)在發(fā)生松動(dòng)前后，其振動(dòng)信號(hào)具有非線性的改變，故使用振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形的分形維數(shù)作為松動(dòng)故障的診斷依據(jù)。

分形定義為在不同尺度下具有自相似的形體，分形維數(shù)可以定量描述分形的非線性和復(fù)雜程度。考慮到變壓器振動(dòng)信號(hào)的周期性、非線性變化和復(fù)雜程度，使用分形盒維數(shù)進(jìn)行了分析，分形盒維數(shù)定義為：

式中，N（X，ε）為最大直徑為ε，且能覆蓋X集合的最少個(gè)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)了變壓器的鐵芯和繞組松動(dòng)故障，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分形維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵芯和繞組產(chǎn)生松動(dòng)時(shí)，其分形維數(shù)數(shù)值都隨之增大，且二者分形維數(shù)數(shù)值之間并無(wú)交集，可有效區(qū)別故障部位。

上述方法由于實(shí)驗(yàn)故障的局限性未對(duì)其他部件松動(dòng)故障狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，考慮到分形維數(shù)用于振動(dòng)信號(hào)診斷時(shí)的準(zhǔn)確性、數(shù)值無(wú)交叉特性，在采集更多數(shù)據(jù)和進(jìn)行多種故障設(shè)置后可得到基于分形維數(shù)的變壓器運(yùn)行機(jī)械狀態(tài)診斷方法定量依據(jù)。

基于故障特征量的診斷技術(shù)由于缺少數(shù)據(jù)和針對(duì)性的原因，始終具有局限性，無(wú)法形成量化的標(biāo)準(zhǔn)。而基于變壓器振動(dòng)信號(hào)建模的故障診斷方法，考慮到變壓器振動(dòng)信號(hào)的影響因素多，且都具有個(gè)性，該診斷方法很難涉及每一個(gè)影響振動(dòng)信號(hào)的因素，在進(jìn)行故障診斷時(shí)，診斷結(jié)果會(huì)由于模型的不全面產(chǎn)生偏差。綜合上述兩種思路，結(jié)合如今己對(duì)部分變壓器進(jìn)行長(zhǎng)期的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)況，由長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合單臺(tái)變壓器運(yùn)行常態(tài)模型，據(jù)此對(duì)變壓器是否發(fā)生故障進(jìn)行初步判斷，在此基礎(chǔ)上再通過(guò)基于故障特征量的診斷方法對(duì)具體故障進(jìn)行診斷，使用上述“兩步式”診斷方法既能對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，能明確診斷出故障部位和故障類型，是對(duì)目前的基于振動(dòng)法的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)方法的完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本對(duì)變壓器的振動(dòng)機(jī)理、理論模型、振動(dòng)信號(hào)影響因素和具有代表性的幾種故障診斷方法的研究現(xiàn)狀做了淺析，并提出了兩點(diǎn)思考：

（1）本文綜合了文獻(xiàn)研究，針對(duì)不同維度的振動(dòng)傳感器提出了兩種測(cè)點(diǎn)設(shè)置方法，測(cè)點(diǎn)的選擇綜合考慮了測(cè)點(diǎn)位置距離振動(dòng)源的距離和測(cè)點(diǎn)附近傳遞介質(zhì)的非線性因素，同時(shí)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行提煉，根據(jù)振動(dòng)機(jī)理表明的繞組會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，提出了應(yīng)設(shè)置傳感器對(duì)軸向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，其振動(dòng)特征直接反映了繞組的工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，建立運(yùn)行常態(tài)模型為基礎(chǔ)，以故障特征量為進(jìn)一步判據(jù)的“兩步式”故障診斷技術(shù)思考。

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作者簡(jiǎn)介

趙永（1984-），男，安徽省壽縣人。碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺氖伦兣潆娫O(shè)計(jì)和管理工作。

胡遠(yuǎn)芳（1982-），女，湖北省監(jiān)利縣人。大學(xué)本科學(xué)歷，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺氖伦兣潆娫O(shè)計(jì)和管理工作。

李周晨昕（1992-），男，云南省昆明市人。碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

張建文（1981-），男，浙江省開(kāi)化縣人。博士，副研究員。研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)研究及應(yīng)用，