基于振动检测的变压器绕组机械稳定性评估

何文林，郑一鸣

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 300014）

0 引言

变压器是电网的关键设备，担负着电能转移、电压变换的重任，其健康状态直接影响电网的安全运行水平。投入电网运行的变压器，随着运行时间的推移，在固体绝缘件正常收缩或外部短路不良工况的作用下，机械稳定性呈现不同程度的下降趋势［1］。变压器机械稳定性下降使得抗短路能力呈现从量变到质变的过程，当变压器抗短路能力下降到不足以承受某次短路电流时，极易引起变压器故障，严重时会直接引起变压器损坏［2-4］。及时准确评估变压器机械稳定性，对提高变压器检修针对性、减少变压器短路损坏、提高电网运行的安全性具有积极作用［5-9］。

变压器绕组机械稳定性的改变，直接的反映是变压器绕组形状及不同电压绕组间几何尺寸的改变［10-11］。绕组形状及尺寸的变化，在电气上表现为电感、电容等参数的变化，在机械上表现为绕组弹性模量等参数的改变。基于电气参数的变压器机械稳定性的检测方法主要有变压器绕组频率响应分析［12-13］和低电压短路阻抗测试等［14-15］，这些方法对发现机械稳定性不足的变压器起到了积极作用，也有非常多的成功案例［16-17］，但这些测试方法属于离线的方法，都需要将变压器停役，在供电可靠性要求高的大背景下，难以满足电网企业对变压器机械稳定性精益管控要求。基于机械参数的变压器稳定性检测，主要的研究方向是通过检测运行中变压器油箱振动或变压器周围声音［4，18］，实现变压器机械稳定性带电检测。

本文以变压器运行时油箱外表面的振动信号为检测参数，选择振动传感器的最佳布置部位，建立以振动信号频率复杂度、振动平稳性、能量相似度和振动相关性为特征值的评估指标体系，实现变压器机械稳定性带电检测和实时评估，以量化指标表述变压器稳定性下降的严重程度，在有限的检修资源下，提高变压器检修的及时性和针对性。

1 变压器机械稳定性与运行中振动的关系

运行中的电力变压器，绕组中存在负荷电流，绕组周围存在漏磁场，在负荷电流与漏磁场的共同作用下，绕组的线匝间会产生电动力，该电动力引起变压器绕组的机械振动。绕组的机械振动通过变压器绝缘油、固体绝缘件等介质传递到变压器油箱外壳。当绕组存在变形、整体位移等影响变压器机械稳定性的情况时，一方面会改变电动力的强度，另一方面也会影响到振动的传递特性，因此传递到变压器油箱外壳的振动信号特征也不相同。

变压器绕组电流与绕组间电动力的关系如图1所示。

图1 绕组间受力分析

当变压器绕组流过电流时，绕组间的电动力F与电流的（it）关系如式（1）所示，其中K是常量。其幅值与电流幅值的平方成正比，其频率为电流（it）频率的2倍［20］。

绕组振动模型通常采用质量-弹簧-阻尼系统，绕组的金属导体等效为质量块m，绕组之间的固体绝缘件等效为弹簧k，变压器油的特征决定阻尼系数。电动力F与振动位移x的关系如式（2）所示：

式中：c为常数。

变压器用固体绝缘材料具有较强的非线性特性，在较大电流作用下会导致绕组的振动呈现明显的非线性特征。绕组绝缘垫块的应力σ与变形量ε的关系，在一定应力范围内可以表示为：

式中：a和b为常数。

联立式（2）、式（3）可得绕组非线性振动模型：

式（4）的稳态解中包含有二次项和三次项，因此，变压器绕组中的振动信号除含有2倍于电流频率的基波信号外，还会出现2次、3次等高次振动谐波成份。在一定的电动力作用下，振动信号的幅值及频率分布特征与绕组的压紧力、固体绝缘件的弹性模量直接相关，压紧力及弹性模量正是影响变压器机械稳定性的关键参数。因此，分析变压器油箱外壳振动信号特征，可以评估变压器机械稳定性。

2 变压器振动检测

可通过检测变压器油箱表面的振动信号，获取绕组和铁心的机械结构参数变化，从而判断变压器机械稳定性。变压器振动检测的核心是振动检测设备技术性能和选取合适的振动传感器位置。

2.1 振动检测设备技术要求

变压器振动检测设备由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括传感器、信号调理模块、信号采集模块、中央处理器等，见图2。软件系统包括变压器振动信号采集与处理模块和机械稳定性分析诊断模块等。

图2 变压器振动检测设备系统构成

1）振动传感器参数

a）至少6路。

b）灵敏度：100～500 mV/g。

c）量程：0～10 g。

d）频率：10 Hz～10 kHz。

e）防护等级：IP65。

2）振动信号采样参数

a）分辨率：12位及以上。

b）采样频率：200 kHz及以上。

c）输入量程：±10 V。

d）输入阻抗：1 MΩ及以上。

e）精度：±2%。

f）采样时间：不少于50 ms。

2.2 确定振动传感器位置

变压器油箱外壳有许多加强筋，且安装有不同类型的辅助设施。油箱长轴方向的垂直面上通常有冷却器、油泵和冷却器用油管等；油箱长轴方向的水平面上有套管、油枕用油管等；油箱短轴方向的一侧有分接开关等。加强筋和辅助设施会影响变压器油箱表面的振动检测结果。变压器振动检测传感器安装位置的选择原则是尽量远离加强筋和辅助设施。变压器振动检测传感器安装位置应满足以下要求：

1）传感器安装在变压器长轴方向上，尽量减少分接开关的影响。

2）传感器安装位置应选择较大平面的区域，尽量远离加强筋。

3）传感器安装位置的水平方向，尽量靠近变压器绕组位置，远离变压器铁心空窗。

4）传感器安装位置的垂直方向，对应于变压器绕组的上部、下部两个检测位置，对于体积较大的变压器，可采用上部、中部、下部三点布置，但应远离变压器油箱的顶部和底部。

三相变压器典型的振动检测点布置如图3所示。

图3 三相变压器典型的振动检测点布置

传感器采用永磁体吸附于变压器油箱表面，永磁体吸力不低于50 N。检测点高度一般为油箱高度的处，每次检测的测试点位置应保持不变。

2.3 干扰识别

变压器有载分接开关的操作及冷却系统等辅助设施的振动会对油箱表面的测量结果造成影响。辅助设施机械振动信号的最大特征是信号幅值与电流的工频周期之间无相位特征，即呈现出“白噪声”的信号特征，且振动信号频率与工频周期频率整数倍无关联关系。

流过变压器绕组的直流电流也会造成振动测试结果异常。绕组中存在直流时，振动干扰信号的最大特征是信号中存在较大幅值的非工频偶次倍数谐波［20］。

3 机械稳定性评估方法

应用运行状态下的变压器振动检测结果，采用振动相关性、振动平稳性、能量相似度和频率复杂度4种特征值，实现变压器绕组、铁心、整体的机械稳定性状况评估［21］。必要时，可结合变压器的等值电容、低电压短路阻抗、绕组频率响应分析等检测结果进行综合判断。

3.1 振动相关性

振动相关性用于分析测点之间基频振动信号的相关程度，是先验性分析方法。该特征量主要反映变压器绕组的机械稳定性，振动相关性按下列公式计算［22］：

式中：aMPC为振动相关性；λ为振动特征矩阵的特征值；i为测点编号。

3.2 振动平稳性

振动平稳性用于分析测点振动信号的确定性，是非先验性分析方法，主要反映变压器铁心的机械稳定性。振动平稳性按下列公式计算［23］：

式中：aDET为振动平稳性；l为振动信号直方图中的对角线长度；P（l）为振动直方图中长度为l的对角线条数。

3.3 能量相似度

能量相似度用于分析测点振动能量之间的相似程度，是先验性分析方法，主要反映变压器绕组和铁心整体机械稳定性。能量相似度按下列公式计算［23］：

式中：aEDR为能量相似度；vi为第i特征向量；μ为特征向量的平均能量。

3.4 频率复杂度

频率复杂度用于分析变压器的整体机械稳定性状态，是非先验性分析方法。频率复杂度按下列公式计算［23］：

式中：aFCA为频率复杂度；pf为频率f下的谐波比重。

4 变压器机械稳定性评估案例

4.1 案例概况

某220 kV 主变曾遭受低压侧近区短路，低压侧短路电流17.6 kA，超过该主变可承受短路电流值（14 kA），短路后的油色谱分析显示存在微量乙炔。为判断该变压器机械状态是否良好，明确绕组等部件是否在短路过程中发生变形，对该主变进行了基于振动原理的变压器绕组机械稳定性带电检测。该变压器型号为OSFPS7-150000/220，1993 年8 月生产。振动测试采用杭州柯林电气的KLJC-18A。

4.2 振动法变压器绕组变形检测流程

4.2.1 测点布置

振动检测点选取距离变压器绕组最近的油箱壁处，并且远离加强筋及散热装置。检测点对应绕组的上部、下部两点布置。振动检测点布置如图3所示。

4.2.2 传感器固定方式

传感器采用永磁体吸附于变压器油箱表面，永磁体吸力不低于50 N。

4.2.3 采样方式

采样方式分手动和自动两种。采样频率为10 kHz。每次采样时间不少于50 ms。

4.3 测试结果

该变压器典型测点的测试结果如图4所示。从振动大小来看，该变压器的振动幅值在正常范围之内。从振动频谱看，该变压器的振动主要分布在1 000 Hz 以下，高次谐波分量较少，但低频部分出现了一些非整次谐波分量，噪声现象较为明显。

图4 部分测点振动波形和频谱

4.4 诊断结果

部分测点的振动特征值如表1所示，其中正常值来自300 余台变压器振动测试结果的统计数值。aFCA值表明该主变振动的频率成分集中度不高，频率组成较复杂，整体运行状态较差。另外，aDET值都在0.1以下，说明测点对应位置的机械机构确定性极差，系统确定性也很低，变压器整体出现机械故障的可能性很高。从aEDR值来看，各测点的值均超出阈值很多。从变压器振动相关性aMPC值来看，该主变的aMPC值为0.67，可以判断该变压器机械稳定性异常，可能存在故障。

表1 振动特征值结果

根据频率复杂度分析、振动平稳性分析、能量相似度分析、振动相关性分析，该变压器的各个指标参数均严重超过阈值，因此诊断为机械稳定性异常，其内部可能存在绕组变形、铁心松动等缺陷，存在较大的安全运行隐患，应立即进行停电检修。

4.5 吊罩检查

随后对该主变进行了吊罩解体，检查发现该变压器低压侧A 相绕组存在严重的扭曲变形，如图5所示，与振动法测试结果一致。

图5 主变绕组吊罩检查

这是一起典型的通过振动法发现确诊变压器较为严重的绕组变形缺陷的案例，案例表明，基于振动原理的绕组机械稳定性带电测试方法对于绕组变形具有良好的检测效果。

5 结语

投入电网运行的电力变压器，在电、磁、热的长期作用下，易发生近区短路、固体绝缘件自然收缩和线圈压紧力变化，从而引起变压器机械稳定性下降。停电状态下诊断变压器绕组机械稳定性的主要方法是低电压短路阻抗和频率响应分析法，实践证明其起到了很好的作用，但存在停电窗口难题。带电情况下诊断变压器绕组机械稳定性已成为防止变压器损坏的主要研究内容，振动监测是实现带电情况下诊断变压器绕组机械稳定性重要手段。

本文给出了变压器振动监测传感器安装位置的确定方法，分析了冷却系统、直流偏磁等干扰因素对振动监测结果的影响，为准确测得变压器振动信号提供了保障。

建立了基于振动监测的变压器机械稳定性评估指标，结合典型案例论证了评估指标的可行性。评估阈值需有大量的变压器案例做支撑，如何获取准确的阈值是实现变压器绕组机械稳定性评估的主要难点，也是下一步的工作重点。