基于振动法的电力变压器绕组变形测点分析

李学斌，金涌川，张 彬，孟庆璐，张远博

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司物资分公司，辽宁 沈阳 110006)

基于振动法的电力变压器绕组变形测点分析

李学斌1，金涌川2，张 彬1，孟庆璐3，张远博1

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3.国网辽宁省电力有限公司物资分公司，辽宁 沈阳 110006)

振动分析法是一种诊断变压器绕组机械变形的有效方法。针对当前振动法测点不确定问题，通过变压器振动机理分析，以S11-M-500 kVA/35 kV试验变压器为研究对象，分别对正常及故障绕组进行负载试验，获取不同测点振动信息。采用欧几里得距离法和基频幅值对正常及故障绕组的不同测点振动信息进行分析，分析结果表明1/6测点处更适合用于绕组变形的振动法检测。

振动机理；欧几里得距离；振动变形；测点选择

Abstract:Vibration analysis is an effective method to diagnose the mechanical deformation of transformer windings. Aiming at the uncertain problems of vibration measure points,it carries out load test with the normal and fault winding respectively for vibration information of different measure points.Through vibration mechanism analysis of the transformer, it uses S11-M-500kVA/35kV test transformer as the research object. It uses the euclidean distance method and fundamental frequency amplitude to analyze the vibration information of the different measuring points of normal and fault windings.The analysis results show that 1/6 part measure points is more suitable forvibration method detection of the winding deformation.

Keywords：vibration mechanism；euclidean distance；winding deformation；measurement point selection

伴随着我国电力工业的蓬勃发展，电力变压器的装机容量不断增加，单机容量与电压等级越来越高。作为电力系统的重要设备，电力变压器的运行状况对电力系统的稳定运行至关重要。据有关资料统计，绕组变形及绕组压紧松动所引起的机械故障是变压器故障的主要组成部分[1-4]。现有的变压器绕组检测方法主要为离线检测，如吊罩检查、短路阻抗法(SCI)、频率响应法(FRA)、低压脉冲法(LVI)等[5]。离线的检测有很多局限性，只能做到预防检测和事后检测。振动法在线监测变压器绕组变形由于其灵敏度高，与电力系统无电气连接，监测安全稳定等优点受到研究学者的广泛关注[6]。

由于电力变压器体积较大，结构复杂，挂网运行时绕组各点的振动不尽相同，加之传播途径的复杂性，油箱表面上的振动并不都能有效地体现变压器绕组状况，因此对油箱表面的振动信号进行研究分析，合理地选择振动测点位置对实现电力变压器绕组机械状况振动法在线监测和故障诊断至关重要[7-9]。

1 变压器振动机理

变压器的振动主要是由绕组和铁芯振动引起的[10]。绕组上产生的力主要为电动力，铁芯上产生的力主要为磁致伸缩力和洛仑兹力[11]。在变压器原边或副边短路时，主要是绕组上的电动力起作用；在空载或带载工作时，铁芯上的磁致伸缩力和绕组电动力共同起作用[12]。因此，当主要研究变压器绕组振动引起的油箱振动时，可进行变压器负载试验以获取研究数据。

作用在电力变压器线圈上的电动力与流过绕组电流的平方成正比：

F=Bi2

(1)

假定电力变压器稳定运行时流过绕组的电流为

i=Imcosωt

(2)

式中：ω为电网频率。

(3)

由式(3)可以看出，电动力为负载电流频率的2倍，而绕组振动是由电动力引起的。因此，绕组的振动基频也应为负载电流频率的2倍。当负载电流为工频50 Hz时，变压器绕组的振动基频应该为100 Hz，在油箱表面振动分析中此频率应该作为一项重要特征加以研究。

2 试验方案及振动数据采集

正常运行的变压器油箱外壁的振动信号主要是铁芯振动和绕组振动的叠加，频率范围集中在10～2 000 Hz，据此可以选择合适的加速度传感器来测量。加速度传感器有压电式、应变式和伺服加速传感器。伺服加速传感器低频响应好，但是测量频带窄，小于500 Hz，不适合变压器油箱外壁振动信号测量。压电式与应变式传感器相比较，压电式传感器应用更为广泛，测量频率为4～100 kHz。因此，压电式传感器可以用作油箱外壁振动的测量。图1为传感器现场安装测试图，采用磁座固定方式。图2为振动数据采集系统的流程框图。

本文设置了三相正常绕组变压器及A相模拟故障，型号均为S11-M-500/35，联结组别为Yyn0。A相模拟故障的设置为低压绕组幅向压缩，高压绕组幅向拉伸，模拟故障绕组实物如图3所示。

图1 传感器现场安装图

图2 变压器振动数据采集系统示意图

(a)低压绕组幅向压缩

(b)高压绕组幅向拉伸图3 换位位置低压绕组辐向压缩及高压绕组辐向拉伸实物图

负载试验时，铁芯的振动很微弱，可以认为油箱的振动是由绕组振动引起的，因此，在负载试验下可以更好的分析油箱不同测点对于绕组振动的反映情况，优化测点的选择。正常绕组与模拟故障绕组变压器分别进行负载试验，获取振动试验数据。负载试验低压侧短路，在高压侧施加三相电压，一次侧电压从零逐渐增大，直到使得一次侧负载电流达到额定电流IN(8.25 A)。负载电流分为一次侧额定电流的100%(8.25 A)。其试验原理图及试验现场接线如图4所示。在试验测点选择上，由研究成果可知变压器油箱上下面、加强筋连接处等处振动信号用于在线检测绕组机械状况的效果不好，加以排除，同时为减少变压器出线处的电磁干扰，本文试验测点选取为三相绕组对应低压侧油箱表面距地1/2、1/3、1/6位置处，试验测点如图5所示。

(a)负载试验原理图

(b)负载试验现场接线图图4 变压器负载试验原理图及现场接线图

图5 变压器整体结构及传感器位置

3 试验数据分析

试验获取的振动信号为时域信号，在时域上只可以在幅值上进行对比，无法深入分析振动信号的内在差异。傅里叶变换是一种经典的信号分析方法，它可以将时域信号分解为频域信息，从而在频域上对信号进行分析。

(4)

(5)

式(4)为傅里叶变换，式(5)为其逆变换。利用式(4)可将时域振动信号转换到频域进行分析。本文将模拟故障绕组与正常绕组振动信号进行对比，采用额定负载电流下的基频振动幅值变化率及全频段振动幅值欧几里得距离2种量化信息量来表征振动信号间的区分度。

采用欧几里得距离来量化信号间的相似程度，距离越大，区分度越大，越便于绕组变形的检测与分析。欧式距离是在M维空间中2个点的真实距离。本文中欧式距离可以看作信号间的相似程度，距离越大区分度越高。计算公式如下：

(6)

式中：d为欧几里得距离，X与Y取为各频段振动幅值所组成的数组，n为数组中元素的个数。

本文试验数据分析以A相为例，图6为正常绕组负载试验额定电流下A相3个测点的时域及频域信号。表1为傅里叶变换后各频率的振动幅值大小。

由图6可知，在时域图中无法有效地获取辨识度高的信息，需要在频域上进一步加以分析。在频域图中，绕组振动引起的油箱三侧点的振动均以100 Hz为基频，这与理论分析相符。

图7为A相绕组正常时额定电流下A相油箱侧壁不同测点处振动信号频域对比图，由表1及图7的数据可以发现，1/6测点处基频100 Hz的振动最大，为0.018 43 m/s2；1/3处次之，为0.014 91 m/s2；1/2处最小，为0.010 74 m/s2。而200 Hz、400 Hz、500 Hz处的振动幅值基本相当。

图6 变压器绕组正常时额定电流下A相油箱侧壁不同测点振动信号

表1 变压器绕组正常时额定电流下A相油箱侧壁不同测点各频率下振动幅值 m/s2

图8为A相绕组模拟故障时额定电流下油箱不同测点处振动信号频域对比图，表2为额定负载电流不同测点A相模拟故障绕组频域幅值。由图8可以看出，故障绕组振动信号在油箱上的振动表现为1/6测点处基频100 Hz振动明显大于其它2个测点，而200～500 Hz的振动幅值基本相当。表3为模拟故障绕组与正常绕组额定负载电流下相同测点振动的振动差异量化比较结果。1/6、1/3、1/2测点处欧几里得距离分别为0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值变化率分别为68%、23%、13%。量化分析后，3个测点对于检测绕组变形的灵敏度区分明显，1/6测点处的效果最好，1/3测点处次之，1/2测点处效果最差。

综上所述，1/6测点处对于绕组振动的反应更灵敏，有利于减小变压器其它振动信号源的干扰，增大挂网运行中采集到的混合信号中绕组振动占比；在频域分布上，1/6测点处振动的主能量集中于100 Hz基频，在绕组发生机械变形后更为明显。因此，在上述3个测点中，1/6测点处振动信号可以更好地体现绕组的机械状态及振动特征，更适合用于绕组变形状态的振动法在线检测。

图7 A相绕组正常时额定电流下A相油箱侧壁不同测点处振动信号频域对比图

图8 A相绕组故障时额定电流下A相油箱侧壁不同测点处振动信号频域对比图

表2 变压器绕组故障时额定电流下A相油箱侧壁不同测点各频率下振动幅值m/s2

表3 模拟故障绕组与正常绕组额定负载电流下相同测点振动信号差异比较

4 结束语

本文针对振动法检测变压器绕组变形振动测点选择不明确的问题，重点研究油箱表面低压侧侧壁1/2、1/3、1/6测点处针对振动法检测绕组变形时的优劣。构建振动测试平台，制作35 kV变压器正常绕组变压器及模拟故障绕组变压器，进行系列负载试验获取试验数据。采用欧几里得距离和100 Hz幅值变化率对模拟故障绕组与正常绕组振动信号进行量化分析，得到1/6、1/3、1/2测点处欧几里得距离分别为0.013 347、0.003 901、0.002 584；100 Hz幅值变化率分别为68%、23%、13%。表明1/6测点处对绕组变形的反应更灵敏，更有利于振动法在线检测绕组变形故障。本文研究为振动法电力变压器绕组变形在线检测的测点选择提供支持。

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Analysis of Transformer Winding Deformation Measure Points of Power Transformer Based on Vibration Method

LI Xuebin1，JIN Yongchuan2，ZHANG Bin1，MENG Qinglu3，ZHANG Yuanbo1

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2. State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Materials Branch Company，Shenyang，Liaoning 110006，China)

TM406

A

1004-7913(2017)07-0035-05

2017-04-24)

李学斌(1985)，男，硕士，高级工程师，主要从事高压绝缘与试验、电力设备智能化及故障诊断研究工作。