基于振动的油浸式电力变压器短路累积效应试验研究

杨毅，张楚，刘石，杜胜磊，李力，杨贤

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

基于振动的油浸式电力变压器短路累积效应试验研究

杨毅，张楚，刘石，杜胜磊，李力，杨贤

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

针对绕组累积损伤有可能导致变压器突发性故障，严重威胁电网安全稳定运行的问题，以某油浸式电力变压器为研究对象，对其进行多次短路试验。通过分析短路试验前后及短路试验过程中油箱壁振动信号的变化规律，发现多次短路冲击后，无论短路电抗变化超标与否，变压器振动信号的频谱、幅值，铁心振动信号的基频幅值与施加电压平方的线性关系、以及绕组振动信号的基频幅值与流过绕组的负载电流平方的线性关系都会发生明显变化。试验结果表明，多次短路冲击会使变压器内部产生机械累积损伤，振动信号能够比较灵敏反映这种短路累积效应的特征量。

油浸式电力变压器；振动；短路试验；机械累积损伤；特征量

电力变压器是电力系统的枢纽设备，被喻为电网的心脏，其铁心松动和绕组变形会对电网的全稳定运行产生巨大威胁。由于变压器油箱的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，且测试方法与变压器没有电气联系、不影响设备正常运行，振动法近年来迅速发展成为一种重要的变压器机械状态监测技术。

目前的变压器振动分析研究，主要集中于负载电流与绕组振动、空载电压与铁心振动的关系[1-6]，以及铁心松动、绕组变形等机械故障的振动信号特征提取与分析[7-10]，其基本方法是首先测量正常状态下的振动，然后在变压器本体上人为设置故障，研究分析故障状态下变压器的振动变化情况。上述研究或许能给出判断变压器故障机械状态对应的振动阈值，但变压器机械状态不是突然损坏，而是存在一个逐步劣化的过程，也即累积效应，上述文献均没有进行过相关研究。

变压器在运行过程中，遭受过电压或短路电流冲击后，铁心和绕组的机械性能会下降。如没有及时预警，多次冲击造成的机械损伤累积就有可能导致突发性故障，造成严重损失。本文以某油浸式电力变压器为研究对象，对其进行多次短路试验，研究短路前后稳态工况下油箱壁振动信号的变化规律，从振动的角度研究变压器多次短路累积效应表现出的特征量。

1 变压器振动机理分析

变压器运行时，硅钢片的磁致伸缩会引起铁心振动，同时绕组在负载电流的电磁力作用下也会产生振动，并通过本身和冷却系统传递到变压器的油箱，引起油箱的振动。变压器油箱壁的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移和绕组的变形程度有十分密切的关系；因此，可通过测量和分析变压器油箱壁的振动信号变化，研究变压器绕组及铁心机械状态的变化。

1.1 铁心振动源分析

变压器空载运行时，铁心中的磁感应强度

(1)

式中：Φ为铁心主磁通；B0为磁感应强度最大值；U0为电压最大值；A为铁心的截面积；N1为一次侧绕组线圈的匝数；ω和t分别为角频率、时间。

磁场强度

(2)

式中：μ为铁心磁导率；Fc为矫顽力；Bs为饱和磁感应强度。

在磁场作用下，硅钢片的微小变形量满足以下条件[2]

(3)

式中：εs为硅钢片的饱和磁致伸缩率；l为铁心硅钢片的原始尺寸。

对上式积分可得硅钢片的磁致伸缩率

(4)

式中Δl为铁心硅钢片最大变形量。

由上式可知，硅钢片的磁致伸缩率和铁心振动，与变压器加载电压的平方成正比，频率为电压频率的2倍。

1.2 绕组受力分析

发生短路时，变压器绕组中的短路电流为[11]：

(5)

式中：IK为对称短路电流均方根值；R、L分别为短路等效电阻和电感；φ为突发短路时电源电压的初相位。

变压器绕组受到的电磁力与电流平方成正比，即

(6)

从式(6)可知，变压器遭受短路冲击时，绕组除产生100 Hz的振动频谱分量外，还存在一定的 50 Hz 振动分量。对于稳态运行的变压器，绕组中的电流没有瞬态分量e-Rt/Lcosφ，故负载运行时绕组的振动频率是电流频率的2倍，即100 Hz。

2 测试系统及试验

2.1 测试系统

试验变压器是1台由广东电网退运的110 kV变压器，其型号SFSZ8-40000/110，联结组YNd11yn10，额定电压121 kV/38.5 kV/10.5 kV，空载电流10.91 A，额定电流190.9 A/599.8 A/2 200 A，空载损耗44.03 kW。

振动测试分析系统包括ICP型振动加速度传感器、恒流适配器、数据采集分析仪、磁座以及计算机等，整个便携式变压器振动测试系统组成及测量现场如图1所示。ICP型振动加速度传感器输出的电压信号，首先通过屏蔽电缆经恒流适配器连接到数据采集分析仪，然后经过网线接口将振动信号存储在计算机中。将传感器安装在油箱表面U、V、W相套管对应位置，离地高度约为1.6 m，高压侧和低压侧各3个，共计6个测点。传感器通过具有绝缘功能的永磁体磁座牢固地吸附在油箱表面，具有较好的抗电磁干扰能力，测量结束后也可方便地取下传感器，从而达到整个测量系统便携的目的。

图1 变压器振动测试分析系统

2.2 振动试验

试验包括空载试验、负载试验和短路试验，所有试验均在沈阳变压器研究院股份有限公司虎石台试验基地进行。为从振动的角度研究变压器多次短路造成的机械损伤累积效应，试验按照空、负载试验和短路试验相互穿插的顺序进行，最后吊开变压器罩壳检查。

空、负载试验以及短路试验的具体方案如下：空载试验时，先施加10%额定电压，随后依次增加10%，直至100%额定电压，每个电压平台的持续时间约为30 s；负载试验时，先施加10%额定电流，随后依次增加10%，直至100%额定电流，每个电流平台的持续时间约为30 s；短路冲击试验以单相短路方式进行。先后在U相、V相、W相施加70%～130%不同等级的对称短路电流(相对值)，在相同电流等级条件下试验3～5次，试验的持续时间均为0.25 s。若变压器短路试验不合格，则中止短路试验。短路试验共进行3次。空、负载试验在每次短路试验前后完成，共计4次8个试验，试验顺序及每场短路试验结束后的短路电抗变化情况如图2所示。

ΔXu、ΔXv、ΔXw分别为U、V、W相短路电抗变化率。图2 空、负载试验及短路试验顺序

3 振动特征分析

由于短路引发的变压器振动具有突发性、持续时间短、难以捕捉等特点，本文重点从短路前后稳态工况下油箱壁振动信号的变化规律着手，从振动的角度研究变压器多次短路累积效应表现出的特征量。

3.1 空载振动分析

由变压器振动机理分析可知，空载状态下油箱振动能反映铁心振动情况。在此通过改变低压侧电压，测量各空载电压下变压器油箱壁的振动，以此振动信号研究变压器铁心的振动。

获得的单个空载状态试验的典型图谱如图3、图4所示。

U*—空载电压标幺值。图3 变压器油箱壁振动与空载电压的对应关系

(a) 时域波形

(b) 频谱图图4 额定电压时的变压器油箱壁振动信号

从图3、图4中可以看出，变压器油箱壁振动与加载电压正相关性良好，随着加载电压的阶梯上升，变压器振动通频值及各频谱分量幅值均随电压值的升高而增大；振动频谱中除基频分量(100 Hz)外，还有部分高频分量，主要集中在700 Hz以下；200 Hz、300 Hz、500 Hz等高频分量较100 Hz基频分量的幅值随电压等级提高的增速更为明显。变压器空载时，振动信号出现高频分量的原因是：由于变压器铁心的磁路饱和，磁通和励磁电流之间具有非线性关系，当磁通为正弦波时，励磁电流的波形为一尖顶波[12]，用傅里叶级数来分析，其中除基波外还有较强的三次谐波和更高的奇次谐波，使得振动信号中出现奇次谐波成分，并随空载电压的升高而迅速增大。

以U相高压套管一侧的油箱壁的振动为例，汇总4个空载试验的数据，比较各空载状态下变压器油箱壁振动的变化，见表2。

表2 各空载试验的变压器油箱壁振动加速度

U∗通频/(m·s-2)第1次试验第2次试验第3次试验第4次试验060285039503430687070399062706700944080583069809091155090776104310832521101082109527263153U∗基频/(m·s-2)第1次试验第2次试验第3次试验第4次试验060271016101680111070360025102640165080513036703850267090651046904820357100805052905240402

(a) 通频幅值与空载电压的关系

(b) 基频幅值与空载电压关系的拟合直线图5 变压器油箱壁振动加速度与空载电压的关系

3.2 负载振动分析

由变压器振动机理分析可知，负载状态下油箱振动能反映绕组振动情况，在此改变低压侧绕组电流，测量各负载电流下变压器油箱壁的振动，以油箱壁振动信号变化研究变压器绕组的振动。

获得的单个负载试验的典型图谱如图6、图7所示。

I*—负载电流标幺值。图6 变压器油箱壁振动与负载电流的对应关系

(a) 时域波形

(b) 频谱图图7 额定电流时的变压器油箱壁振动信号

从图6和图7中可以看出，变压器油箱壁振动与负载电流正相关性良好，随着加载电流的阶梯上升，变压器振动幅值均随电流值的升高而增大；振动频谱中，主要是基频分量，还有少部分50 Hz分量，基本没有高频分量，与理论分析结果一致。

以U相套管侧的油箱壁振动为例，4个负载试验的数据见表3。

表3 各负载试验的变压器油箱壁振动加速度

I∗通频/(m·s-2)第1次试验第2次试验第3次试验第4次试验060545049904500559070630063306060733080809079608080926091027105009881072101292126710501311I∗基频/(m·s-2)第1次试验第2次试验第3次试验第4次试验060472037303540367070618050304670542080799066706470713091006087408050928101257109208901109

(a) 通频幅值与负载电流的关系

(b) 基频幅值与负载电流关系的拟合直线图8 变压器油箱壁振动加速度与负载电流的关系

短路试验结束后，吊开罩壳检查发现V相、W相绕组变形严重，与短路电抗测试结果吻合，U相绕组轻微变形。但U相短路电抗测试结果却显示阻抗在试验过程中一直没有什么变化，而且V相、W相阻抗变化超标之前的多次测试，也显示阻抗在此前的试验过程中也没有什么变化。这说明短路电抗法对绕组轻微变形、多次短路冲击对变压器内部机械状态变化的反映还不够灵敏。试验数据及分析结果表明，振动信号能较为灵敏地反映油浸式电力变压器本体机械状态的变化，可作为短路冲击造成的变压器内部机械损伤累积程度的监测指标。

4 结束语

本文通过对某油浸式电力变压器进行多次短路试验，研究了油箱壁振动信号在试验过程中的变化情况，得到以下结论：

a)变压器遭受多次短路电流冲击，内部机械状态存在一个逐步劣化的过程，绕组变形具有较为明显的机械损伤累积效应。

b)相比短路电抗数据，振动信号能更灵敏地反映多次短路冲击对变压器本体机械状态产生的累积损伤效应。多次短路冲击试验后，空负载状态下，变压器振动信号的频谱、幅值都会发生变化，其中100 Hz基频分量在通频中的占比会降低，铁心振动信号的基频幅值与施加电压的平方、以及绕组振动信号的基频幅值与流过绕组的负载电流平方的线性度降低，且拟合直线的斜率也发生了变化。

振动信号可作为变压器机械损伤累积效应的物理量，以上只是研究得到的初步定性结果，但如何用振动特征值定量描述变压器内部机械损伤的程度，后续还需更进一步研究。

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(编辑 霍鹏)

Experiment on Short Circuit Cumulative Effect of Oil-immersed Power Transformer Based on Vibration Signals

YANG Yi, ZHANG Chu, LIU Shi, DU Shenglei, LI Li, YANG Xian

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In allusion to the problem of sudden fault of the transformer probably caused by winding cumulative damages which may seriously threaten safe and stable operation of the power grid, one oil-immersed power transformer is taken for studying short circuit experiments. By analyzing change law of vibration signals of the oil tank wall before and after experiments and in the process of short circuit experiments, it is observed that after several times of short circuit impact, no matter whether change of short circuit reactance exceeds standard or not, frequency spectrum and amplitude of vibration signals of the transformer, linear relationship between fundamental frequency amplitude of vibration signal of the iron core and square of applied voltage as well as linear relationship between fundamental frequency amplitude of winding vibration signals and square of load current flowing through winding will all change obviously. Experimental results indicate that repeated short circuit impact will produce mechanical cumulative damages inside the transformer and vibration signals can sensitively reflect characteristic quantity of this kind of short circuit cumulative effect.

oil-immersed power transformer; vibration; short circuit experiment; mechanical cumulative damage; characteristic quantity

2016-07-28

2016-10-14

广东电网有限责任公司科技项目(GDKJQQ20153006)；中国南方电网有限责任公司科技项目(K-GD2014-170)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.021

TH113.1；TM411

A

1007-290X(2016)12-0115-06

杨毅(1987)，男，湖南湘潭人。工程师，工学硕士，主要从事电力设备振动测试、故障诊断与处理方面的研究工作。

张楚(1985)，男，江苏徐州人。工程师，工学硕士，主要从事转子动力学和汽轮发电机组振动方面的研究工作。

刘石(1974)，男，湖北黄石人。教授级高级工程师，工学博士，主要从事大型旋转机械信号检测分析、特征提取、故障诊断以及现场动平衡、虚拟仪器软件的开发等方面的研究工作。