云南电网在运变压器振动测量分析

董鸿魁，崔志刚，朱叶叶，刘兴福

(1.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；2.西安交通大学，西安 710049)

云南电网在运变压器振动测量分析

董鸿魁1，崔志刚1，朱叶叶2，刘兴福1

(1.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；2.西安交通大学，西安 710049)

利用电力变压器运行过程中绕组与铁心磁致振动原理，通过拾取电力变压器油箱表面的振动信号，对所采集的振动数据进行频谱分析，获取电力变压器运行过中的特征频谱，从而达到对变压器绕组与铁心的松动、变形情况作出状态判断，从而评估变压器的健康状态。

变压器绕组；绕组与铁心振动；振动信号分析

0 前言

运行中监测变压器的运行状态，在其缺陷还在可控范围内及时消除，能保证电网的安全稳定。变压器振动特性监测研究，就是试图通过对变压器振动特性的测量，分析研究变压器的绕组的变形情况，评估变压器的健康状态，制订有针对性的运维措施，保障电网的安全运行。

其次，利用振动信号分析法的变压器绕组及铁心监测理论较完善，但实际运行中变压器的振动情况和理想状况下存在区别，需要在大量实际测量的基础上再对相应的故障报警值进行进一步的调整，为积累在运行电力变压器的振动特征数据库，完成了云南电网部分在运变压器的振动检测及数据分析。

1 检测情况及测试方法

1.2 测试方法

变压器油箱表面振动信号为电气机械振动信号，测量可供选择的振动传感器包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器。变压器振动测量系统中的振动传感器选用的是压电式加速度传感器。其电压灵敏度为300 mV/g，分辨率为0.001 m/s2，无阻尼固有频率为25 kHz，安装谐振频率为16 kHz，对地绝缘电阻＞108 Ω，满足变压器绕组及铁心振动测试的要求。

为了全面反映变压器内部振动情况，选择变压器绕组首、末端对应的外壳处作为振动测点，同时测量各相绕组首、末端对应外壳的振动。

由于绕组振动信号基本上都是集中在100 Hz，从变压器油箱表面测得的振动信号中的高次谐波分量是由铁心振动引起的，可以通过这些高次谐波分量的变化来诊断铁心状况。据绕组与铁心振动信号的频谱特征可以看出，要进行绕组与铁心状况的诊断，必须要对振动信号进行傅立叶变换，求取其100 Hz及更高次谐波的幅值，以此为基础来判断绕组与铁心状况。

2 检测数据汇总分析

云南地区各变电站变压器通频振动测试情况汇总可以看出，振动幅值的幅值点都出现在变压器绕组顶部的测点，对于500 kV电压等级的变压器来说，振动幅值出现在高压套管侧的概率是100%，对于220 kV电压等级的变压器来说，有38.46%的概率振动幅值点出现在高压侧，出现此种现象的原因可能是由于500 kV电压等级的变压器与220 kV结构不同。

为了对同类变压器及不同类型变压器、不同负荷工况下便于作横向数据分析比较，根据电磁理论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，因此绕组振动幅值情况理论上应与绕组的工作电流的平方存在正比关系，对数据进行归一化处理，500 kV变压器的振动归一化结果整体低于220 kV电压等级的变压器，温泉变2#变压器因为使用年限已经长达40多年因此振动幅值较大，推测其内部绕组压紧状况不佳，部件绝缘老化情况已相当严重。

3 电力变压器振动特征频率分析

3.1 单相变压器

某220 kV变电站有1#主变和2#两台变压器，均为220 kV电压等级的单相变压器，各由三台单相变压器组成，振动测试结果从图1可以看出，1 #主变和2#主变各自的三台变压器的振动幅值差别不大，虽然六台单相变压器结构相同，但在长年累月的使用后，老化状况及整体装配状态不尽相同，总的来说，在相同工况下其振动幅值大致相同。

图1 某220kV变电站1#、2#主变各单相变压器振动情况比较

1#主变A相振动数据，由变压器磁致振动产生机理，变压器主要振动频率是以100 Hz为基频的。主变1#A相的振动频谱图如图2所示，从图上可以看出，400 Hz及500 Hz处频谱分量较高，为该变压器的固有振动频率。

图2 某220 kV变电站1#主变A相绕组振动频谱

在振动频谱图上的高压侧及低压侧分别指靠近高压套管及低压套管的油箱侧面，在传感器布置时尽量选择了对称的高度。由图中可以得出高压侧和低压侧对称的点相比，高压侧的振动幅值要稍大，是由于高、低压侧绕组铁心的压紧状况以及整体结构所导致的，因此对不同的电力变压器建立运行特征频谱历史档案是极为重要的。

为了说明传感器安装点对于振动测试结果的影响，安装传感器的过程中在变压器两侧选择了对称的位置，图2所示是主变1#A相两侧顶部传感器测试结果的比较。

从图中可直观地发现，虽然在各频率处的频谱分量不尽相同，但是两端的主要振动峰值集中在400 Hz及500 Hz频率处，所测振动幅值不同的原因可能是变压器绕组并不在壳体的完全中心位置，因此由振动从变压器油传递到壳体过程中产生的衰减不同，即振动从高、低压侧通过变压器油传递到壳体的途径并不是完全对称的。

3.2 三相式变压器

以下是某220 kV变电站220 kV电压等级的三相式变压器振动检测情况及特征分析。

由于A、B、C三相铁心的振动信号都以变压器油为介质传递到变压器油箱，引起变压器油箱表面的振动。对于三相三柱结构的电力变压器来说，当在油箱表面各相正对铁心的位置分别测量其振动信号时，以高压套管一侧的油箱为例，A、C两相油箱表面的振动，除了由A、C相铁心振动引起外，还会受到B相铁心振动的影响 (A、C相距离较远相互间影响不大)；而B相油箱表面振动，除了由B相铁心振动引起外，也会受到A、C两相铁心振动信号的影响，以下对各相油箱表面在受其它相影响时的振动情况作简单的分析。

设施加于A、B、C三相的空载电压分别为：

铁心振动基频信号同空载电压的平方是呈线性关系的。三相铁心在状况相同的情况下，只是其空载电压的相位不同而已，因此各相振动信号的基频幅值与空载电压平方之间的线性系数应该是相等的。设各相的线性系数KA=KB=KC=K。A、B、C三相铁心振动信号分别为ZA，ZB，ZC，可得：

假定在A、B、C三相油箱表面的同一水平线上测量其振动信号，各相铁心距各自测点的水平距离为d，各相铁心距邻相测点的距离为ds，振动波在变压器油中的传播速度为v，因此A、B、C三相铁心振动引起各自油箱表面的振动信号基频分量分别为：

A、C两相铁心的振动以变压器油为介质，会传递到B相油箱表面；B相铁心振动也会分别传递到A、C两相的油箱表面。设A、C两相振动信号传递到B相油箱表面时衰减率分别为kAB、kCB，B相振动信号传递到A相和C相时衰减率分别为kBA、kBC，且假定kAB=kCB=kBA=kBC=kS，显然kS＜1，则

A相铁心振动传递到B相油箱表面时振动信号基频为：

B相铁心振动传递到A、C相油箱表面振动信号基频为：

C相铁心振动传递到B相油箱表面时振动信号基频为：

对于变压器铁心振动的基频分量来说，假定整个振动系统为一线性系统，则此时A、B、C三相油箱表面测得的振动信号为：

由式 (3)可以推得A、B、C三相油箱表面测得的振动信号基频分量的幅值分别为：

由式 (4)可知，A、B、C三相铁心振动引起各自油箱表面的振动信号基频分量的幅值都为。由于振动波在变压器油中传播速度很快，因此，则有：

因为ks＜1，由式 (5)可得：

由式 (6)可知，B相受到A、C两相的影响，A、C相受到B相的影响，三相油箱表面的振动信号基频分量与三相铁心振动信号的基频分量相比都有所减小，且A、C两相油箱表面测得的振动信号基频分量基本是相等的，而B相受到A、C两相影响后，其油箱表面振动信号的基频分量幅值减小的要比其它两相更多，从而在B相油箱表面测得的振动信号基频分量幅值要比其它两相的小。在受到其它相影响的情况下，各相油箱表面的振动信号基频分量依然是与空载电压的平方成线性关系。

在实际情况中，变压器的B相绕组受到A、C两相的影响，A、C相受到B相的影响，三相油箱表面的振动信号基2频分量与三相铁心振动信号的基频分量相比都有所减小，且A、C相油箱表面测得的振动信号基频分量基本是相等的，而B相受到A、C两相影响后，其油箱表面振动信号的基频分量幅值减小的要比其它两相更多，从而在B相油箱表面测得的振动信号基频分量幅值要比其它两相的小，而图3所示的1#主变高压套管侧及低压套管侧振动数据的三相比较情况也说明了这一点，但是对于三相一体变压器，这是一种理想状态，在实际工程实践中并不能完全符合这一理想状态，至少这在表1表云南地区各变电站变压器通频振动测试情况汇总”中数据资料还无法得到有力的支撑。

图3 变压器的三相对振动幅2值的影响

对图3的数据进行进一步分析，A、C相的振动数据也不是完全对称，这与变压器三相绕组的具体位置以及与传感器布置位置有关。

另外，当三相变压器一相绕组发生故障的时候，故障相引起的振动信号的变化会影响其它相绕组的振动量值，因此，对于故障相来说其油箱表面的振动信号变化量要比其它两相大。因此在对变压器进行振动监测时，应结合三相振动数据及相应历史数据进行综合分析。

风扇及变压器冷却系统也是导致变压器振动的原因之一，而相关文献曾表明，由于风扇、油泵振动引起的冷却系统振动的频谱集中在100 Hz以下，这与本体的振动特性明显不同，可以比较容易地从变压器振动信号中分辨出来。本站的测试中为了明确风扇对变压器振动测试结果的影响对2#主变启用的风扇的振动进行了测试，振动频谱如图4所示。可以看到，该风扇的振动主要集中在200 Hz为主，且频谱单一分量大，远超变压器壳体的振动，可以看出，风扇的振动频率虽然与变压器的有重叠，却并没有对本站的变压器振动数据产生实质影响，各相绕组的振动数据中鲜有200 Hz频谱分量很大的测点，与现有相关变压器振动理论不符，这在今后的测试中进一步对比开启不同组风扇情况下的变压器振动数据，以排除或者考虑引入风扇振动对变压器壳体振动的影响分析。

图4 2#主变压器风扇振动频谱

3.3 220 kV主变振动特征分析

某220 kV变电站有220 kV电压等级的变压器两台，测试了2#主变振动情况。本次测试过程中，该变电站2#变压器基本处于空载状态，但检测数据显示其振动依然很强烈，远超于其它同电压等级和其它500 kV变电站带负荷情况下的振动水平，且振动频率集中在100 Hz这个变压器振动的基频上。变压器振动理论告诉我们，绕组发生松动、压紧力不足时，其振动信号的基频也是变大的。

而绕组振动加速度信号中的高次谐波成分是由于绝缘垫块、夹板等材料的力学特性非线性引起的，随着变压器使用寿命的增加，垫块、夹板等材料开始产生老化，从而导致绕组松动等现象，都有可能导致变压器振动加强，所以对于使用年限长的变压器，越要频繁监测，加强与历史数据的比较以决定是否需要停电检修。

该220 kV变电站2#变压器的测试数据中可得高压侧的振动幅值同样大于低压侧，2#主变高低压侧三相的振动加速度幅值对比如图5所示，其次实测表明两个边相 (A相和C相)的幅频特性相似，与A、C两相相比中间相 (B相)的基频分量及各次谐波分量的幅度稍低。

图5 主变2#低压套管侧三相振动幅值对比

由于该220 kV变电站的2#变压器为三相一体式，因此同时用12路传感器进行振动数据采集，高压B相测点的振动频谱图如图6所示。

图6 2#主变B相高压套管侧测试点振动频谱

从图上可以看出，在高压套管侧的测试中，A、B、C三相绕组都存在100 Hz较大的基频振动分量，铁心振动频率则集中在200 Hz和400 Hz，在本次测试中，同一绕组顶端振动幅值大于底端的结论仍然成立。此外，可以看到高压套管侧的B、C相的振动数据比A相幅值差距略大，可能的原因一是B、C相绕组铁心老化松动情况较A相更为严重，低压侧振动数据与高压测情况相似，从监测数据分析该220 kV变电站2#主变存在相绕组铁心老化松动情况且B、C相较严重。

4 结束语

1)绕组顶部产生的振动幅度明显比绕组底部产生的要大，主要是因为在变压器运行过程中，由于漏磁场而对绕组线饼产生的电磁力对绕组产生一个由两端向中间的挤压力，而处于绕组底端的线饼因为同时受到线饼自身重力的作用及基座的约束振动幅值相对较小，因此通过变压器油传递到变压器壳体上的振动幅值较上端部小，测试结果很好的印证了这一点。

2)对于三相组合式变压器，通过观察对于同一台变压器的A、B、C三相的振动情况可以发现，振动情况基本一致，得出结论三相组合式变压器各相的振动情况相似。

3)在各相铁心压紧状况基本相同的情况下，在同一空载电压下，B相油箱表面的振动信号基频分量幅值要比A、C两相的低，理论分析及试验结果都证实了这一点。但是在在实际工程实践中并不能完全符合这一理想状态，至少现有的实测数据资料还无法有力支撑这一理论分析，需要更多的检测数据资料。

4)在变压器的在线监测中，可以在变压器空载运行的条件下取得铁心的振动信号，判断铁心的状况。如铁心状况良好，再测取变压器负载运行时的器身振动信号，与历史数据相比分析在当时负载电流下其频谱100 Hz处的幅值的变化情况，从而判断绕组的状况。对于实际运行的电力变压器，绕组允许松动到何种程度，即：绕组振动加速度值增大多少时，电力变压器必须退出运行实施吊罩检修，还必须在振动信号分析法的实践过程中积累大量的数据。

[1] 汲胜昌.变压器绕组与铁心振动特性及其在故障监测中的应用研究 [D].西安交通大学博士学位论文，2003.

朱叶叶，女，硕士研究生，西安交通大学。

Vibration Measurement and Analysis on Transformers Operated in Yunnan Power Grid

DONG Hongkui1，CUI Zhigang1，ZHU Yeye2，LIU Xingfu1
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.Xian Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

the use of winding and core magnetic vibration principle of power transformer in operation，the vibration signal of tank surface pickup transformer，analyze the frequency spectrum of vibration data acquisition，acquisition of power transformer operation features in the spectrum，so as to achieve the transformer windings and core of loose，deformation make state judgment，thus evaluation of the health condition of transformer.

transformer winding；winding and the iron core vibrate；vibration signal analysis

T41

B

1006-7345(2014)06-0035-05

2014-07-31

董鸿魁 (1963)，男，高级工程师，云南电网公司电力研究院，从事水电厂主机振动处理及水电机组运行稳定性分析等方面研究工作 (e-mail)dongdonghk＠163.com。

崔志刚 (1963)，男，高级工程师，云南电网公司电力研究院，从事高电压专业及电厂电机运行分析等。