变压器绕组扫频激振试验研究

我国关于变压器状态检测中应用的振动分析法的相关研究晚于国外，目前进行的研究停留在实验与理论仿真层面[1]。中国电力科学研究院学者王洪方在这方面的研究中较有代表性，其主持研究并建立了轴向振动数学模型，此模型主要依托轴向非线性振动特性的相关原理得以实现，其研究的内容主要对变压器中的绝缘垫块进行相关特性的分析，此外还对轴向振动特性与预紧力进行分析[2]。

西安交通大学学者李彦明、汲胜昌的研究范畴是针对变压器的负载电流与电压、油箱表面振动特性的相关研究，在变压器箱壁的振动研究中，数据主要依靠小波包分析法获得，进而得出结论油箱表面的振动情况可以检测变压器故障。上海交通大学机械与电气工程学科的研究团队主要研究的内容是变压器的绕组状态，应用到的分析方法是振动分析法，研究的过程以及实践建立在大量的理论与模型基础上，以及实践现场应用经验，并拥有较为全面的数据，结果更具指导意义。本文的研究是建立在扫频激振试验系统上，分别针对典型故障与正常工作情况的下变压器绕组振动开展细致深入研究。

1 振动频响法

经过有限元动力学以及变压器的绕组模态实验的结果表明，绕组的基本形态发生了变化，频率的固有位置发生了偏移，和绕组的机械频率响应函数将显著变化。为了实现绕组状态的诊断，对于频率响应函数的变化要做到精准测量。在进行变压器绕组形变的模态实验中，外设的激振器产生激振强度即激振力，信号的采集依托于振动传感器，其布置于绕组之上，得到机械频响函数，此实验所需设备数量多，操作过程较为繁琐，针对大型的变压器现场实验来说较为困难，除了实验困难之外，在现场实验中器械的绝缘位置直接与空气接触，对于器械造成损害[3]。

变压器绕组轴向多自由度结构体系强迫振动方程表达式：[M][X]+[C][X]+[K][X]=[f(t)]，式中[M]是绕组质量矩阵；[K]是绕组刚度矩阵；[C]是绕组阻尼矩阵；[f(t)]是绕组激励力向量；[X]是绕组位移。应用傅氏变换对表达式整理变换，获得关于振动加速度的频响函数表达式：

振动频率响应分析（VFRA）定义了绕组性质和加速度的频率响应函数Ha（jω），换成理论依据可以理解为，绕组质量、阻尼和刚度的变化会引起加速度的频率响应函数Ha（jω）也会随之改变。

VFRA 法主要依靠加速度传感器进行振动信号采集，加速度传感器布置在运行变压器上，振动信号[X(jω)]的传递路径主要包含铁芯结构与绝缘油两种，然后计算出绕组加速频响函数[Ha(jω)]。由于不同的信号传输路径，所述[X（jω）]频率响应函数在包装盒壁上的不同的测量点测得的卷绕加速度的[HA（jω）]也不同。因此当VFRA 方法被用于检测变压器绕组变形时，所对应的频率响应函数需在相同测量点不同的时间段纵向比较后方可对变压器绕组的状态进行判断，确认其是否已经发生状态改变[4]。

2.振动频响测试系统

据图1所示，在变压器箱壁上根据标准布置振动传感器对激振响应信号进行检测；在绕组中的注入电流的检验依靠电流传感器完成，设备内部设置有反馈控制装置，这一装置可以有效的控制电流的稳定并实现扫频输出[5]；电流、振动加速度两个传感器输出的信号由采集模块进行收集，信号收集后进行滤波与放大，两项行为分别源自对振荡与电流信号的操作。参数设置的位置在信号分析显示终端，采集模块进行信号的接收操作，在进行信号发送的同时进行信号的存储，对振动信号进行分析；扫频范围和终端电流大小是信号控制模块设定的依据，采集信号后对其进行对比，通过对比分析数据获得激振电源控制信号，进而以恒定的形式输出激振电源；输出电流的大小和频率建立在恒流扫频激振电源的控制模块输出上。

图1 变压器绕组振动频响测试系统示意图

3.绕组扫频激振试验

3.1 试验对象及测试内容描述

高压变压器绕组的编号SZ11-63000/110，出厂变准额定电压数值110kV，以YNd11的方式进行联接。

测试方案步骤：对变压器的低压绕组进行短接测试；在进行测试的变压器高压一侧接入激励信号，45～310Hz为激励信号的扫频范围，进而获得逐一相对的振动频响曲线（扫频试验）；重复操作扫频试验，前提是需要在器械静置3天后方可，此试验可多次重复操作进行；通过典型故障情况对变压器吊芯；当上述所有操作全部完成之后，再次重复扫频试验。

设定的变压器绕组故障相关描述。模拟变压器4个不同状态下松弛故障：进行吊芯操作之前并未发现故障；在进行三次吊芯操作时以80%NF为压钉预紧力的松动标准；在进行三次吊芯操作时以50%NF为压钉预紧力的松动标准；在进行三次吊芯操作时将压钉全部松开。关于变压器4个不同状态下形变相关问题的模拟：进行吊芯操作之前并未发现故障；当进行第一次吊芯操作时出现垫块掉落的情况；在进行二次吊芯操作时对其轴向位置进行敲击并使其变形；在进行三次吊芯操作时将位于端部的垫块抽出、并对其轴向位置进行敲击使其变形。不同工作环境情况的绕组特性应用频率响应法获得，进行测试实验的数据整理记录工作。

图2 变压器箱壁振动测点示意图

图3 变压器绕组振动频响测试系统示意图

3.2 测试结果

在各测量点下如图4、5中所示的变压器绕组在正常和典型故障下的频率响应曲线。可以看出，与变压器的正常工况相比，对应每个测量点在松动或变形故障下的频率响应曲线都有一定的变化。当绕组松动即当预张紧力减小时，频率响应曲线的共振峰值会偏向低频率一侧，相反当振动幅度增加且垫块发生掉落时，频率响应曲线的幅值会下降且峰值点会随之产生变化。辐向形变时频响曲线幅值则会增加，峰值点进行偏移。

图4 绕组正常与松动时的频响曲线

图5 绕组正常与形变时的频响曲线

4 绕组扫频曲线特性分析

验证绕组的两个“不变”试验，分别指绕组状态与扫频曲线。重点针对变压器的A相绕组进行重复的操作试验。依据上文提出的步骤方法操作获得关于A相绕组相对的频响曲线。第二次试验操作的要在变压器静置3天后方可。观察分析图6可知，变压器测试结果中发现绕组的机械状态保持不变时，另一个基本保不变的数据是同一测点的振动频响曲线，并且VFRA 曲线在实验结果中拥有高度的重复特性，相同点体现在共振峰值处的频率点，以及频率点的振幅数值。

图6 变压器绕组正常工况下的两次扫频试验结果

图7 变压器绕组正常与典型故障工作环境下的频响曲线

表1 频响曲线相关系数

通过图7观察到，在低频段范围内振幅-频率响应曲线之间同步性大，变化仅仅出现在高频段。应用到实践中时必须要考虑电力行业的相关计算标准，从而计算的低频数据更符合实际，中、高频段的曲线系数见表1，表中高、中、低频段对应的数据分别是600kHz～1000kHz、100kHz～600kHz、1Hz～100kHz。从表中可知，依照FRA的结论，测试变压器的形变程度为轻度变形；变压器的松动故障在测试结果的判定中为正常情况。可见针对故障检测问题上，FRA 曲线具有极好的成效，但是存在一定局限性，即针对极小的松动故障识别效果不好。

5.结语

通过进行正常与故障情况下的变压器振动频率响应测试情况的试验结果，得出分析结果：可重复性是绕组振动频率扫描试验的明显特性优点，在变压器中绕组的状态改变与其振动的频率响应曲线之间拥有很大的关联性；实践中，一个典型的故障如松动或变形发生在变压器绕组中，振动的频率响应曲线也显著变化，这表现为频率偏移以及峰值频率响应的变化，变化的程度依照绕组故障的程度而变化。