110 kV电力变压器绕组模态研究

谷红霞, 于 虹, 钱国超, 赵振刚, 李英娜, 李 川

(1.昆明理工大学 信息与自动化学院,云南 昆明 652017;2.云南电网有限责任公司 电力科学研究院,云南 昆明 652017)

110 kV电力变压器绕组模态研究

谷红霞1, 于 虹2, 钱国超2, 赵振刚1, 李英娜1, 李 川1

(1.昆明理工大学信息与自动化学院,云南昆明652017;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明652017)

变压器绕组等效的机械结构体,一旦发生改变,其模态将发生相应变化,此时对其振动信号进行频率响应分析,即可检测绕组轻微变形。对变压器绕组进行模态分析：利用ANSYS对绕组进行幅向建模分析,分别得到了绕组故障与正常情况下频响曲线的变化规律。开展真实110 kV变压器模态实验,并与ANSYS仿真结果对比,进一步验证了仿真结果的正确性,同时,为下一步研制振动检测系统奠定了基础。

振动频响法； 模态分析； ANSYS仿真； 绕组实验； 振动检测系统

0 引 言

电力变压器长期运行,其绕组受到过载电流冲击的频率较高,此时,强大的电磁力极易导致绕组变形故障,且绕组变形具有累积效应,若未及时发现并排除,将导致电力变压器毁坏[1,2]。变压器绕组故障检测方法可分为在线与离线两大类,离线检测由于需要变压器停运,不利于电力系统经济可靠性运行,不满足检测需求。在线检测主要方法有短路阻抗法,脉冲频率响应法,振动频响法等。短路阻抗法与脉冲频率响应法这两种电测方法,适用于变压器绕组发生较明显的变形,但对轻微变形,尤其是当变压器运行中受到短路冲击或长期自身振动而发生轴向压紧力减小松动、扭曲变形的情形并不敏感[3～8]。

振动频响法从绕组机械结构出发,每种机械结构均有其对应的模态,机械结构发生改变,模态也会变化,此时,对机械结构体采集的振动信号进行频谱分析,模态参数中的固有频率亦会发生改变[9]。因此,对绕组的机械结构建模并进行模态分析,不仅可以得到绕组各种状态下的固有频率,为振动频响法检测特定变压器绕组变形提供依据[10],也可以从对实际变压器进行模态测试中汲取经验,为下一步将此方法应用于实际生产中奠定基础。因此,对110kV变压器进行模态研究具有十分重要的意义。

1 变压器模态实验原理

根据系统模态参数的理论分析可知,对一个自由度为N的比例阻尼系统来说,其第r阶模态坐标为

(1)

(2)

则结构上任意测点l的响应为

(3)

单激励力作用于p点时,激励力向量变为

F=[0…0…fp(ω) …0…0]

(4)

模态力为

Fr=φprfp(ω)

(5)

根据式(1)、式(3)、式(5)得到

(6)

据此可得测量点l和激励点p之间的频率响应函数为

(7)

(8)

式中φlr为l测点的r阶模态阵型参数；φpr为p测点的r阶模态阵型参数；Mr为系统r阶质量矩阵；ωr为系统的第r阶固有频率；εr为第r阶阻尼比；ω为系统固有频率。由式(8)可见,通过模态实验求得的系统响应函数包含了结构的所有模态参数信号。

2 变压器绕组受力分析与模态实验

2.1 变压器振动信号传播及其绕组受力分析

变压器的振动信号主要由铁芯,绕组以及冷却系统产生[11]。虽然铁芯会产生振动,但其机械结构牢固,不易发生变形,所以其模态不会发生变化。变压器的冷却系统振动特性频谱主要在100Hz以下,与变压器绕组振动频谱特性不同。因此,对变压器表面振动信号进行频谱分析时产生的固定频率变化,主要由绕组变形引起。因此,采用振动频响法对变压器绕组变形进行检测。

变压器绕组振动主要由漏磁场对载流导体的电磁力引起,根据电磁场理论,对于处于电磁场中的电流元,其受到的电磁力可表示为

(9)

图1 变压器绕组磁通示意

2.2 ANSYS建模仿真与分析

利用ANSYS软件[12]对变压器绕组进行模态分析的建模过程如下：首先根据实测变压器高压绕组几何尺寸,采用三维实体建模,建立绕组几何结构模型,设置绕组及绝缘垫块材料属性,主要包括绕组密度、泊松比及弹性模量值等。对模型进行有限元模态分析,得到绕组各阶固有频率及对应振型。将计算结果与实验结果比对,根据实验结果对模型修正,得到正常状态下前四阶模态仿真图与谐响应曲线。如图2和图3所示。

图2 正常状态下1～4阶固有频率对应的振型

图3 正常状态下的谐响应

对变压器绕组松动与变形等典型故障下的机械动力学特性进行计算分析。其中,变压器绕组松动时,计算其模态特性与谐响应特性,绕组幅向变形通过设置垫块断落实现。绕组幅向变形状态前四阶模态仿真图与谐响应曲线如图4和图5所示。

图4 故障状态下1～4阶固有频率对应的振型

图5 故障状态下的谐响应特性

通过ANSYS仿真以及正常与故障状态下谐响应曲线对比发现：前4阶固有频率均远离100Hz激励频率,说明绕组结构设计良好；变压器绕组存在松动或变形等故障时,各阶固有频率均向低频方向偏移,绕组松动或变形时,其频响函数的典型峰值及其对应的频率均发生变化,因此,可通过检测变压器绕组振动频响特性实现绕组状态的诊断。

2.3 110 kV电力变压器绕组幅向模态实验

国内首先采用110kV真实变压器进行实验,实验原理如图6所示：幅向测试采用电涡流位移传感器进行测试,共放置30个测点,通过振动传感器对绕组产生振动信号进行采集,绕组幅向变形通过设置绕组凹陷进行模拟。

图6 变压器幅向模态实验示意

限于篇幅仅给出故障区域底部振动信号波形,如图7所示,由于实验条件的限制,实验仅对前两阶进行激振,前两阶固有频率较低,但与正常状态下固有频率进行对比,仍然发现固有频率向低频方向运动。

图7 正常与故障情况下绕组振动频响

3 基于振动频响法的检测系统研究

基于幅向变形模态实验与仿真实验的结果,开发了实际的检测系统,检测原理如图6所示,为提供一个稳定可靠且适合现场使用的激振电源,获取高信噪比的振动频响曲线,研制了恒频激振电源,恒流扫频激振电源的主电路结构如图8所示,三相交流电经过三相整流之后变成直流电源,再经两级输入滤波后送入桥式逆变电路,对桥式逆变电路中的IGBT开关管进行高频PWM控制,桥式逆变器经PWM控制后将输出逆变后的波形送入变压器并经滤波后输出需求的电流。

图8 高压变频器主电路

本文仅就幅向变形作出重点分析,但实验时对垫块脱落与混合故障幅向变形等故障均做了相应实验,由图9实验结果可以看出:在故障情况下，相同的频率,故障绕组的振幅更高,说明在同等条件下,故障绕组的振幅更高,相对来讲更易发生故障;在幅向变形的情况下,振动频响曲线有向低频移动的趋势,由于实验绕组变形不明显,所以偏移趋势幅度较小,但仍然可以看出其向低频移动的趋势。实际验证结果与仿真以及实验结果相吻合,此方法可用于电力变压器绕组故障检测。

4 结束语

对变压器绕组的模态进行了分析,首先进行了仿真,其次,进行了实验验证,二者相互印证,得出了绕组轴向故障下频响曲线的变化规律,最后,研发了实际系统,对在运变压器进行实验,发现应用此方法可灵敏地进行变压器故障检测,且实际检测结果与前期实验理论相一致,证明了该方法的可行性。

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Researchon110kVpowertransformerwindingmodal

GU Hong-xia1, YU Hong2, QIAN Guo-chao2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.FacultyofInformationandAutomationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming652017,China；2.YunnanPowerGridElectricPowerResearchInstituteCoLtd,Kunming652017,China)

Transformer wingding can be equal to a mechanical structure,if the structure is changed,its modal will be changed.Vibration signal frequency response analysis is carried out.So it can detect the winding deformation So it is significant to analyze the winding modal.In order to make the modal analysis for the winding,the winding picture change model is established with ANSYS,and the result shows the trend of vibration frequency curve with the comparing the normal winding and deformation winding.Experiment of real transformer is carried out,the simulation result is verified correct by comparing with experimental result,and it lay a foundation for research and fabrication of vibration detecting system.

vibration frequency method;modal analysis; ANSYS simulation;winding experiment;vibration detecting system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0051—03

2016—09—12

TM 403

A

1000—9787(2017)10—0051—03

谷红霞(1990-),女,硕士研究生,主要研究方向为光纤传感器、测试计量等。李 川(1971-),男,通讯作者,教授,博士生导师,主要从事光纤传感器技术与应用方面的研究工作,E—mail:1625677252@qq.com。