变压器绕组振动监测技术研究综述

变压器绕组振动监测技术研究综述
发表时间：2019-01-17T10:25:25.043Z 来源：《电力设备》2018年第26期作者：吴鸣剑
[导读] 摘要：本文对变压器绕组振动机理进行概述，分析变压器绕组振动信号能够反应其绕组运行状态。

(保变电气股份有限公司河北保定 071056)
摘要：本文对变压器绕组振动机理进行概述，分析变压器绕组振动信号能够反应其绕组运行状态。

为了研究变压器绕组振动的影响因素，在分析绕组振动产生机理的基础上，将负载电流和轴向预紧力对绕组振动的影响进行了理论分析。

采用短路电流法对变压器在不同电流下的振动信号、温升试验下的连续振动信号进行了测试，并进行了模拟绕组松动故障测试。

测试结果与理论分析一致: 绕组振动随负载电流的增大而增强，随轴向预紧力增强而减弱，随温度上升而下降。

结果可对进一步研究基于振动信号的变压器故障诊断技术提供参考。

关键词：变压器；绕组振动；监测
1变压器绕组振动机理
1.1变压器振动信号传播途径
变压器的振动由多个组部件的振动组成：内部的铁心、绕组、冷却装置、有载调压开关等组部件。

不同部件引起的振动在频率上有所不同:在小于100Hz的低频段集中的是由冷却系统工作产生的冷却设备振动;而由有载调压分接开关动作导致的振动分布在大于100Hz的频段。

变压器本体的振动是由绕组和铁心振动组成，是变压器振动的主要组成部分。

变压器本体和冷却装置引起的振动会通过各种途径向油箱传播。

变压器箱体内的绝缘油是本体部件的振动向外传递的主要介质:绕组振动经绝缘油向油箱传递，铁心振动通过绝缘油及垫脚和紧固螺栓等支撑单元向箱体传递。

对于存在冷却装置的变压器，风扇或油泵等冷却结构的振动也通过支撑单元传递至油箱表面。

由此可知，变压器绝缘油和支撑单元是变压器振动信号传递过程中的重要介质。

变压器本体振动和附加设备(冷却系统、调压开关等)的振动信号在频率上区别明显:只有存在于100Hz以下的信号来自冷却设备的振动，因此可以使用滤波等手段将振动信号分离，分别进行分析。

而变压器的本体振动，即绕组和铁心的振动特性与绕组、铁心的压紧状况、绕组的位移和变形密切相关，故变压器箱体表面的振动信号可以反映变压器绕组及铁心的状况。

1.2绕组振动产生机理
变压器绕组上下都有铁轭压紧固定，主体由绝缘垫块等绝缘件和铜导线组成，运行时受绕组内部电流与漏磁场产生的电磁力的影响，是由粘弹性联系的实体线段组成的机械系统。

2影响变压器绕组振动的因素
2.1轴向预紧力
变压器的稳定运行和变压器的轴向预紧力息息相关，只有当变压器的轴向预紧力大于短路电动力的时候才能保证变压器不发生失衡故障。

正常运行时绕组的轴向预紧力总是大于短路力，保证了变压器的正常运行，因此变压器的振动信号不会发生太大的变化。

但是若绕组的轴向预紧力下降，当变压器发生短路且短路电流达到足够使轴向短路力大于轴向预紧力的时候，在轴向短路力的冲击下会导致:1)绕组内部摩擦力增大导致线饼与绝缘垫块间的匝间绝缘破损，进而引起绕组短路。

2)当变压器发生短路时，若绕组中已经存在线饼和绝缘垫块的松动，在短路力的冲击下，松动部位将发生位移，导致线饼和垫块的坍塌等。

因此，当绕组轴向预紧力变化时，会导致变压器的运行状态的变化，进而影响其振动信号特征量。

而绕组线圈的松动，绝缘垫块的老化等因素都会导致绕组轴向预紧力的下降。

2.2温度对变压器绕组振动的影响
变压器振动信号传播的重要介质就是变压器绝缘油，绝缘油的性能受温度、电场、水分、氧气等多种因素的影响。

所以，绝缘油的性能变化时，变压器箱体的振动信号也会发生改变。

其中，绝缘油的粘度对变压器振动信号传递有较大影响，而粘度又受温度影响。

绝缘油的粘度随温度上升而下降。

2.3非线性因素对绕组振动的影响
1)考虑垫块刚度的非线性情况，其刚度不但与施加的预紧力有关，还与激励的电动力有关。

因为对非线性情况仅做定性分析，所以在简化多自由度线性系统的基础上，计及垫块刚度非线性因素，建立单自由度非线性系统。

2)考虑安匝不平衡时对绕组振动的影响，随着预紧力的减小，绕组最大轴向位移的增大在预紧力较大时增大较慢;在预紧力较小时增大较快。

3)考虑非对称电动力对绕组振动的影响，外部短路条件下变压器绕组的轴向非线性振动会导致轴向力的非线性放大。

综合上述绕组振动的非线性情况，可知考虑非线性情况时，预紧力与振动幅值不是严格的线性关系，随着预紧力的减小振幅会非线性放大。

3试验方案及振动数据采集
变压器油箱外壁的振动信号主要是由铁芯振动和绕组振动的叠加产生的，频率范围集中在10～2000Hz，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500Hz，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4～100kHz。

因此，压电式传感器可以用作油箱外壁振动的测量。

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。

4绕组松动诊断模型
想要对绕组状态进行判断，需要寻找绕组振动与铁心振动的不同点。

变压器铁心振动频率是加载电压的2倍基频(磁致伸缩)，在我国即100Hz，由加速度和力的关系可知，加速度信号基频也为100Hz。

磁致伸缩现象固有的非线性特点使铁心所受磁致伸缩力还存在着以100Hz 为基频的高次谐波分量，甚至一些高次谐波的分量很大，但没有一定的规律，因此绕组松动特征量应尽量避开100Hz及其倍频分量。

通过分析大量试验数据发现，绕组振动在100Hz附近的50Hz与150Hz振动分量在数值上相比其他可选绕组松动的振动特征量要大，同时绕组振动会随着负荷电流的增大而增大，所选特征量应为无量纲特征量。

5绕组振动测试点布置
一般认为变压器空载试验测得的振动信号为铁心振动信号，因为空载电流小，绕组振动小，可忽略；短路试验测得的振动信号为绕组振动信号，因为短路时绕组电流大，绕组振动大，而短路时变压器所加电压低，磁通小，铁心振动小，可忽略。

本文采用短路电流法进行绕组振动信号测试。

测试时选用PCB公司的三轴压电式加速度传感器以及NI公司的数据采集仪对变压器绕组的振动信号进行测试，并改变
其负载电流大小以研究电流对变压器振动的影响。

在振动测试试验中，一般对顶部信号和侧面信号分别进行测试，但是由于试验现场的条件，试验用变压器散热片安装位置等原因，本文选择了几个测试点，包括变压器顶部A1、B2和C3，分别对应变压器的A、B、C三相绕组。

结语
综上所述，我们可以得知，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。

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。

参考文献:
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