摘要：现代变压器的特点是单台容量趋大、电压的等级越来越高，使得其内部电场和磁场强度增大，造成变压器的绕组发生振动。变压器在稳定运行时，线圈在负载电流下的电场力引起绕组振动。绕组振动通过变压器器身和油传递到变压器的油箱，引起油箱的振动。变压器箱壁和油压的振动信号与变压器的内部结构变化有密切的关系，因此振动分析方法可以作为变压器绕组故障诊断的途径。
关键词：振动信号；电力变压器绕组；变形故障；诊断方法
1变压器绕组变形带来的危害
依照电力行业标准可知，对于变压器而言，其绕组变形指代基于电动力作用使得变压器绕组出现变化，其轴向或径向大小发生了改变。常规条件下的基本表现是：绕组位置出现变更和鼓包等问题。当变压器运输时，若遭受冲击，则将会出现变形，制约变压器的基本运行，危及电网的正常运转。
在实际运行过程，不可避免会出现不同的故障问题，基于强大电动力的影响，变压器绕组便会失稳，出现松脱和移位等不良问题，严重还可能会造成突发性损坏。当出现变形问题后，若未进行有效的处理，则将遗留故障隐患，带来严重危害，具体表现如下：
其一，绕组自身的抗短路能力与机械性能有所降低。为此，变形问题当再次遭受故障短路电流作用时会有所加剧，如果电动力作用偏大，则将发生损坏。
其二，引发绝缘距离变化和绝缘损坏不良问题，使得局部出现放电。基于过电压作用，极有可能出现匝间击穿和绝缘事故。经由局部放电的长期影响，严重还会在正常工作状态下出现绝缘击穿问题，损坏设备。
其三，因绕组出现松脱和移位等现象，使得变压器容量等有所更改，经由可载电流作用极有可能出现过热等不良事故，损坏设备。
2 变压器振动来源分析
变压器表面的振动主要来源于铁芯和绕组的振动，电力变压器稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁芯振动，由电流通过绕组时在绕组间、线匝间产生的电动力引起绕组振动。由于作用在导体上的电动力与电流和磁场强度的乘积及漏磁通与电流成正比，故变压器绕组导体所受电动力及绕组振动的加速度正比于负载电流的平方，同时可推导出振动信号的基频是负载电流基频的2倍，即为100Hz。振动信号的基频增加是变压器多种故障的共有特性，即使变压器内部没有故障，100Hz分量也较大，且随负载电流变化明显，即100Hz信号是绕组变形的必要特征但非充分特征。因此，如果仅振动信号100Hz分量增加，并不能准确判断是否有故障，不能判别是哪一类故障。因此，若要快速准确地判别绕组变形故障，需要结合其他特征进行诊断。由于变压器磁感应强B与磁场强度H之间存在非线性关系，当变压器绕组变形后，变压器振动中会产生50Hz和150Hz等分数次谐波（基频为100Hz）。研究表明，50Hz和150Hz振动信号分量可以作为区别绕组变形故障与其他故障的依据。另外，电流与磁通之间存在非线性且磁通中包含高次谐波分量，导致绕组所受电动力中含有高次谐波成分。故在绕组内部出现故障时，振动信号的高次频率也发生明显变化。可以看出，绕组故障对振动信号各频率成分的抑制或增强作用，使得振动信号的某些频率成分出现衰减，而另一些频率成分出现增强。但不同故障时，不同频率成分的变化有着显著不同，结合这些特性可以对绕组故障类型进行进一步判别。
3基于振动的变压器绕组变形故障诊断方法
3.1 监测点的确定
在电力变压器运行过程中，由绕组的受力特点和电力变压器的内部结构可以得知，其受力的集中点在距离油箱顶面的1/2高度处，即油箱正面中部的径向振动传递路径最短、能够监测到的振幅最高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆所以在振动信息采集活动中要将该位置作为振动信号的采集位置，在具体的监测实践活动中如果因为变压器安装位置的原因造成对该位置的监测存在困难，可以酌情将监测点向下移动。在对电力变压器的震动信号进行采集的活动中，因为变压器内部的线饼和线匝都是立式布置的，其受电动力影响产生的震动也基本是横向的，所以在振动信号采集活动中采集点要尽量集中在变压器的纵向位置上，考虑到变压器的安装实际，顶部中心是振动数据采集的理想位置，变压器的侧面因为距离振动中心较远而且其横向振动因为分布的不均匀，很容易对侧面监测产生影响，所以一般不在侧面进行振动数据采集。
3.2 故障初步定位
在变压器的绕组故障诊断活动中，变压器振动量在变压器构件中传播的衰减程度要比电气量在导体中传播的衰减程度大得多，所以在电力变压器的绕组故障诊断活动中采取变压器轴向振动信号作为绕组振动的主要参考数据，对变压器绕组故障进行诊断往往更加有效，通过对变压器轴向振动信号的衰减程度的分析，判断出故障所在的绕组相，完成变压器绕组故障的初步定位。
3.3诊断模型
当电力变压器的绕组发生故障后，在其油箱表面的振动信号会发生显著的变化，主要表现为振动信号分布的不均匀同时振动信号的衰减和增强现象也表现的极不均匀，这种振动信号的不均匀现象都是变压器内部电动力分布不均匀导致的，可以说故障变压器的振动信息包含了丰富的故障信息。通过对电力变压器运行过程中在不同位置表现出的不同故障振动信息，信息主要包括电力变压器正面和顶部振动信息，依据变压器在不同方向上表现出的不同振动信息组建其变压器运行过程中故障信息模型，对变压器绕组故障信息进行具体的分析。
3.4诊断方法
振动分析法是一种体外检测的分析方法，利用传感器获取变压器运行过程中的振动信号，提取时域、频域特征信息，实现对变压器绕组的状态监测，可为现场工作人员提供实时的运行信息，评估绕组工作状态，预测可能发生的故障。
振动分析法相比于前面所提到的从电学角度上分析方法，如短路阻抗法、频响响应法等，其最大的优点是通过粘在变压器器身上的振动传感器获取振动信号来监测绕组状况，与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，可以安全、可靠地达到在线监测的目的。
绕组的主要振动成分为100Hz，绕组振动与电流的平方成正比，铁心的振动与电压的平方成正比，同时由实验来确定电流平方和电压平方值的相关系数，如果绕组变形了，则相关系数将发生改变，并给出变形的告警。目前振动法在现场应用，通过在线监测变压器油箱表面振动信号来分析判断绕组状况，诊断结果准确率高达80%一90%，振动法对各种类型变压器诊断方法具有适用性和有效性。
在电力变压器的运行过程中，基于振动的变压器绕组变形故障诊断方法主要包含以下几个步骤，第一，在正常状态和未知状态下采集油箱顶部和正面中部的6组振动信息；第二，在获得电力变压器的震动信息以后，对未知状态下的振动信息进行分析，如果其振动信息故障明显，则说明电力变压器中存在故障；第三，依据收集的故障振动信息建立故障诊断模型对变压器中的故障点进行初步定位；第四，基于电力变压器中轴向振动监测点的监测信息对变压器中的绕组分别进行震动状态计算，最终确定将故障位置，并将其精确到绕组。
4 结束语
基于振动的变压器绕组变形故障诊断方法尚处于研究发展阶段，由于对绕组振动的物理特性研究还不够充分，需要积累大量丰富的经验以准确判断设备运行状态。
参考文献：
[1]洪刚.基于振动法的变压器绕组及铁心状态监测与故障诊断方法研究[D].西安理工大学，2010.
[2]刘以刚.配电变压器绕组故障在线诊断方法研究[D].重庆大学，2014.
[3]虞海强.基于振动分析法的变压器状态检测研究[D].西华大学，2012.
论文作者:曹井川,贾学瑞,宁学锋
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：绕组论文; 变压器论文; 故障论文; 信号论文; 电流论文; 信息论文; 电力变压器论文; 《电力设备》2018年第24期论文;