稳态条件下变压器绕组轴向振动特性及其影响因素

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摘 要：为了对影响变压器绕组振动特性的因素进行研究，本文构建了电力变压器的有限元模型，结合Maxwell等相关软件提供辅助， 对基于稳态条件下的变压器绕组轴向振动特性进行仿真计算，之后将计算结果与实测数据互相对比进行验证。通过实验、现场振动普测等数据进行统计分析，得出变压器绕组轴向振动特性的影响因素。

关键词：稳态条件;变压器;绕组轴向;振动特性;影响因素

我国电网行业近几年来获得迅猛发展，变压器作为电网运行过程中的关键设备，只有保持运行稳定性才能促进电网运行更加可靠。通过对国内外相关数据资料进行研究之后发现电压器经常出现重点事故部分为绕组线圈，因此需要对稳态条件下的变压器绕组轴向振动特性与其影响因素进行研究，才能确保变压器的运行稳定。

一、稳态条件下变压器绕组轴向振动特性影响因素仿真计算

将变压器振动理论作为基础，运行工况会对变压器的振动产生影响。基于运行工况相同的基础上，其他非故障因素也会对绕组的振动特性产生影响。通过绕组质量-弹簧模型可以看出，内部的绕组绝缘垫块产生的力学特性会对轴向振动产生重要影响。绝缘垫块为纸板，无论是温度、湿度、应力等因素都会对其力学特性产生影响。

（一）预紧力因素

1.绝缘块力学特性受到的影响

将绝缘垫块的杨氏模量进行改变，就可以产生变压器的轴向预紧力，也会对绕组的振动造成影响。若变压器处于某种预紧力下，可以利用理论计算得出绝缘垫块的所受应力，从而获得绝缘垫块杨氏模量的结果[1]。通过相关公式的计算，可以获得绕组预紧力与垫块杨氏模量中存在的关系。将实验中变压器的一层垫块为例，计算获得杨氏模量与绕组预紧力之间的关系，可以看出，基于绕组预紧力范围基础上，绕组垫块杨氏模量与预紧力之间存在正比关系。

2.绕组轴向振动特性受到的影响

通过对绕组模型进行分析，对不同预紧力条件下的高压绕在振动特性进行仿真计算与分析。通过计算结果可以看出，若预紧力增高，就会减少变压器绕组的振动幅值。因此可以看出，若变压器的绕组出现松动情况，就会增加基频的振动分量。

（二）溫度因素

1.绝缘块力学特性受到的影响

本文的实验与计算中，将绝缘垫块浸泡在不同油温情况下，之后对绝缘垫块的杨氏模量进行应力应变实验。之后对实验得到的杨氏模量数据进行计算，通过计算结果可以看出，若油温增加，绝缘垫块的杨氏模量会减少。

2.绕组振动特性受到的影响

将不同温度条件下的绝缘垫块杨氏模量拟合值结合绕组模型进行计算，从而获得基于不同温度状态下的低压绕组振动特性结果。从计算结果中可以看出，绕组基频振幅与变压器的浸油温度数据间为正比关系，同时，在相同绕组的不同位置线饼的振动情况下，斜率基本相同。

（三）老化程度因素

1.绝缘垫块力学特性受到的影响

本文采用了加速热老化的方式，对不同老化程度的绝缘纸板试样进行了准备。温度与热作用时间会对绝缘纸板的热老化程度产生主要影响，在对其热老化等效绝缘寿命进行计算时，使用了蒙辛格热老化规则，热老化系数采用了我国油浸式变压器的标准工作温度数据。设置样品的制备温度为130 [2]，之后对制备样品进行了计算。还测试了每一个样品的杨氏模量。通过实验与计算结果可以看出，绝缘纸板杨氏模量与运行年限之间呈反比关系。

2.绕组振动特性受到的影响

将不同运行年限条件下的绕组垫块应力应变曲线值利用绕组模型进行计算，会得出不同温度条件下的低压绕组振动特性结果。从结果可以看出，运行年限的提升，会加快变压器绕组振动由于绝缘垫块造成的老化速度。与此同时，若样品等效的运行年限超过20a，会使振动幅度大幅提升，若等效运行时间在20a范围内，绝缘垫块老化因素不会对其振动增幅产生较大影响。

二、实验分析

（一）绕组的松动情况

为了对稳态条件下的变压器绕组预紧力对绕组振动特性产生的影响，对变压器进行了人工模拟故障操作，之后绘制了箱体部分的振动频谱图。通过频谱图可以看出，若绕组出现松动故障，振动的加速度分量会快速增加。与此同时，预紧力与绕组的基频振幅呈反比状态，同时负载电流的水平上升，也会增加振动的斜率。

（二）升温实验

为了对温度对变压器振动特性产生的影响进行研究，对实验中的变压器采用了升温实验，并获得振动值。通过实验可以看出，变压器的绕组在不同部分产生的振动，随着温度增加，会呈现线性上升的状态，增长的斜率较为相似。同时，温度的不断上升，会使振动的主频率基频分量不断上升。

（三）运行时间对振动特性产生影响

在实验现场对变压器进行了振动特性实验，其中包括含有运行年限信息的机器，之后将不同运行年限基础上的变压器振动基频分量值进行了检测与统计。将统计结果与已经运行42a的刚出长变压器振动基频幅值进行对比，可以看出，变压器的运行时间增加，就会造成变压器基频振动幅值呈现出增加的规律状态。造成这种变化规律出现的主要因素可能是变压器的垫块老化[3]，减少了垫块的弹性模量，从而增高了绕组基频振动幅值，与仿真计算实验中的结果相同。

三、结语

本文将实际变压器为基础，构建了绕组振动特性有限元仿真模型，之后使用模型对绕组的预紧力、温度等因素对振动特性产生的影响进行计算与分析，并得出结论：第一，绝缘垫块是变压器绕组振动模型中的弹性元件，其力学特性会受到多方面因素的影响，若预紧力增加，其杨氏模量就会提升。同时若温度与老化时间增加，就会降低绝缘垫块的杨氏模量。第二，通过仿真计算与研究，发现变压器的绕组预紧力若下降，轴向的振动幅值就会上升。若绕组温度上升，轴向振动也会上升。若绕组老化时间较长，就会增加轴向的振动幅值。第三，变压器的箱体振动信号中，基频分量值与油温呈正比，以线性的方式增长，若相同绕组增长斜率相似，就会使振动频谱中高次谐波分量持续上升，还会具备较强的随机性。

因此相关企业、单位需要将变压器绕组轴向振动特性与其影响因素作为基础加强变压器的检测力度，避免变压器出现故障，为电网的可靠、稳定运行提供保障。

参考文献：

[1]李付贵. 油浸式变压器振动特性分析及油温变化对振动的影响研究[D].东南大学，2017.

[2]闫志强，雷霞，何建平，李琪菡. 油浸式变压器绕组振动影响因素研究[J]. 电力科学与工程，2017，33（06）：72-78.

[3]王万超. 多次短路下变压器绕组短路强度与稳定性研究[D].沈阳工业大学，2017.