极寒地区220 kV变压器振动测试与分析

王凤良，府冬明，许志铭，张 楚，金轶风

(1．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150030;2．广东省电力科学研究院，广州510080)

大型变压器设备的安全和稳定运行对保证电网的安全具有重要意义。国家电网公司对110 kV以上电压等级电力变压器的事故统计结果发现，运行时间小于15 a就发生损坏事故的电力变压器台次占发生损坏事故的电力变压器统计总台次的78.8%，绕组损坏和铁心问题则分别占37.5%和21.7%［1］。由于这些设备在交接试验和运行中的振动特性并没有统一的考核标准，中国目前对大型变压器的振动测试开展的工作不多，通过振动对其进行辅助故障诊断方面的工作则更少［2］。因此，为了积极开展变压器绕组及铁心状况的诊断工作，及时发现有故障隐患的变压器，本文分析了变压器高压侧、中压侧和低压侧三相绕组中部器身振动随绕组电流与当地气温的变化情况，提出了变压器器身振动的测试系统与测试方案，并对变压器器身振动测试进行了分析，以利于延长设备使用寿命，预防变压器突变事故的发生。

1 试验220 kV变压器的主要技术参数

试验的大型变压器设备选择在大兴安岭电业局220 kV漠河一次变电站，试验设备为该变电站的220 kV变压器，生产厂家为特变电工沈阳变压器有限公司，于2010年8月25日开始投产。大兴安岭电业局漠河一次变220 kV主变为三相、风冷、三绕组、有载调压变压器，主要参数如表1、表2和表3所示。主变220 kV侧调压范围为±8×1.25%，共17级，标准分接头在9级。正常运行方式下220 kV、66 kV母线电压允许变动范围为系统额定电压的－3% ～7%，10 kV母线电压允许变动范围为系统额定电压为0%～7%。

表1 大兴安岭电业局漠河一次变220 kV主变技术参数

表2 大兴安岭电业局漠河一次变220 kV侧高压套管技术参数

表3 大兴安岭电业局漠河一次变66 kV侧高压套管技术参数

2 变压器器身振动的机理

电力变压器器身振动是由电力变压器本体(即铁心、绕组及冷却装置)的振动所引起的。本体的振动主要来源于以下几个方面［3］:

1)硅钢片的磁致伸缩所引起的铁心周期性振动。

2)硅钢片接缝处和叠片之间因漏磁而产生的电磁吸引力所引起的铁心振动。

3)绕组中负载电流产生的绕组匝间电动力所引起的振动，漏磁所引起的油箱壁振动。

据相关统计，主要的振动来源来自磁致伸缩和绕组匝间电动力引起的振动。

电力变压器本体振动通过铁心垫脚和绝缘油传递给油箱壁，使油箱壁产生振动，以声波的形式均匀地向四周辐射。冷却装置自身产生的振动与噪声是通过接头等装置将振动传递给油箱壁。由于电力变压器铁心及绕组本身的在线监测不能实现，而电力变压器器身表面的振动又与电力变压器绕组、铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，因此可以通过测量电力变压器的振动来反映绕组和铁心的振动情况。

因为磁致伸缩的变化周期是工频电源周期的1/2，所以磁致伸缩引起的电力变压器本体的振动与噪声以2倍电源频率为基频(即频率为100 Hz左右)。然而，铁心的磁滞损耗、涡流损耗、沿铁心内框和外框的磁路长度不同，同时硅钢片磁致伸缩率与磁感应强度具有非线性关系，导致磁通出现较为明显的畸变(即明显地偏离了正弦形状)，出现了高次谐波的磁通分量。另外，绕组内电流的畸变也将导致匝间振动力出现高频分量，但电流的畸变程度比磁通的畸变程度低，故绕组引起的附加振动比磁致伸缩在频率上要低一些。

电力变压器铁心振动与噪声的频率范围通常在100～1 000 Hz，不同容量的电力变压器，整体结构不同，其箱体的振动与噪声频谱也不相同。而根据文献［4］的统计，不同型号的变压器其油箱表面振动的频谱信号及各频谱对应的幅值差异明显，可初步判断不同型号的变压器的振动信号没有可比性;对于相同型号的变压器，在同一位置处振动信号的频谱分布特征与对应幅值相差不大。因此，在缺乏历史数据的情况下，可对同型号的电力变压器的振动信号按负载电流的平方归一化处理后进行比较分析，从而判断各自的绕组及铁心的压紧情况。电力变压器运行工况没有变化时，振动幅值的当前数据与历史数据相比相差在10% ～20%，则认为电力变压器可能存在故障隐患，需密切注意其运行;若这一变化比率大于20%，则认为可能发生了严重故障，建议停运检修［5］。

3 变压器器身振动的测试系统与测试方案

本文涉及的变压器器身振动测试系统由信号采集部分与后台处理部分组成。通过振动传感器采集变压器器身的振动信号，经过采集仪对振动信号进行处理后形成数字信号，由计算机进行显示、存储和分析。由于加速度传感器体积小、重量轻、稳定性高，工作频率范围宽，适用于在强磁场工作环境下进行测量，所以本文在对器身的振动测量中选用了加速度传感器。为了尽量保证振动测试的准确性，保证传感器的“浮地”连接，采用特殊绝缘材料将传感器粘结在变压器器身上进行振动信号采集;为了保证传输导线的有效屏蔽，在导线接头处用绝缘胶带进行缠绕，使传输导线“浮地”。

220 kV变压器器身振动测试方案:

1)利用加速度传感器测取220 kV变压器工作状态下高压侧三相A、B、C绕组、中压侧三相Am、Bm、Cm绕组以及低压侧三相a、b、c绕组线圈中部的振动情况，并结合三相电流的变化情况与当地气温的变化情况进行振动测试分析。

2)将极寒地区的该型号220 kV变压器振动信号进行分析整理，作为指纹留用，并结合负载电流的变化情况对极寒地区该型号变压器进行辅助故障诊断。

4 变压器器身振动测试分析

经过对极寒地区220 kV变压器高压侧、中压侧、低压侧三相绕组线圈中部振动水平的连续监测，各绕组电流的变化趋势、当地气温在测试过程中的变化趋势、振动测点的振动趋势如图1—图6所示。

图1 高压侧A、B、C三相电流与气温随时间的变化趋势

图2 高压侧A、B、C相绕组中部处的振动趋势

图3 中压侧Am、Bm、Cm三相电流与气温随时间的变化趋势

图4 中压侧Am、Bm、Cm相绕组中部处的振动趋势

图5 低压侧a、b、c三相电流与气温随时间的变化趋势

图6 低压侧a、b、c相绕组中部处的振动趋势

通过对高压侧、中压侧、低压侧三相绕组中部的振动测试，得到本次振动测试数据的分析结果如下:

1)漠河220 kV变压器高压侧A、B、C三相绕组中部振动趋势与绕组电流的变化趋势相一致。

2)漠河220 kV变压器高压侧三相(A、B、C)绕组、中压侧三相(Am、Bm、Cm)绕组以及低压侧三相(a、b、c)绕组中部振动趋势随温度的变化趋势不明显。

3)漠河220 kV变压器中压侧三相(Am、Bm、Cm)绕组及低压侧三相(a、b、c)绕组中部振动随绕组电流的变化趋势不明显。

5 结论

1)漠河220 kV变压器振动测试积累了极寒地带运行良好的变压器器身振动情况的指纹数据，为进一步开展变压器振动测试工作奠定了基础。

2)变压器振动测试时没有形成标准的测点位置，没有有效解决变压器冷却系统的干扰等问题。

3)将振动分析方法应用于变压器故障诊断已经成为变压器故障诊断的有效手段。为了满足变电站的特殊性，可建立变压器振动故障诊断中心，从在线监测的变压器器身的振动信号进行分析，进而判断变压器故障征兆，为变压器状态检修提供依据。

［1］ 马宏彬，何金良，陈青恒.500 kV单相电力变压器的振动与噪声波形分析［J］．高电压技术，2008，34(8):1599 －1604．

［2］ Sokolov etc．V Effective methods of assessment of insulation system conditions in power transformers:a view basded on practical experience．Proceeding of the CIGRE Regional meeting，1999:659．

［3］ Weiser B，Pfutzner H．Relevance of magnetostriction and forces for the generation of audible noise of transformer cores［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2000，36(5):3759 －3777．

［4］ 汲胜昌，门阳，刘昱雯，等．运行中电力变压器油箱表面振动特性的研究［J］．电工电能新技术，2007，26(2):24 －28．

［5］ Zalya Berler，Alexander Golubev，Valery Rosov，etal．Vibroacoustic method of transformer clamping pressure monitoring［C］//Conference Record of 2000 IEEE International Symposium on Electrical insulation．Anaheim，CA，USA:［s．n］，2000:263 －266．