基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法

基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法
发表时间：2018-04-18T15:13:54.857Z 来源：《电力设备》2017年第33期作者：黄鹏程
[导读] 摘要：电力变压器的可靠性和稳定性在极大程度上影响着整个电网的安全运行。

(神华准能资源综合开发有限公司氧化铝中试厂内蒙古鄂尔多斯市 010300)
摘要：电力变压器的可靠性和稳定性在极大程度上影响着整个电网的安全运行。

据统计，由于变压器抗短路能力不足而引发的绕组故障逐年增加，并日益成为电力变压器故障的主要原因，因此，迫切需要一种能够准确判断绕组机械状态的方法。

传统方法中，常用于检测变压器绕组变形的有低压脉冲法、频率响应分析法以及短路阻抗法等方法。

近年来，利用振动法检测绕组机械状态逐渐成为国内外研究的热点。

与传统方法相比，振动法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，具有较强的抗干扰能力和灵敏度，能够安全、可靠地监测电力变压器的状态，具有良好的应用前景。

本文分析了振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法。

关键词：电力变压器绕组；振动变形；故障诊断新方法；
变压器运行环境相对特殊，受到外界因素的影响比较大，但是其影响着电网运行的可靠性与稳定性。

为降低其故障的发生率，需要全面分析故障出现的原因，并在此基础上进行研究，采取可行的措施对故障进行处理，并做好相应的预防措施，争取降低各类因素的影响，提高变压器运行的可靠性，促进输电网的稳定运行。

为降低变压器故障发生的概率，提高电网运行的可靠性，必须要做好对各类故障的研究与预防管理工作，确定故障发生的原因，采取有效的措施进行控制。

做好变压器安装、维修以及检验等环节管理工作，提高其运行效果，保证电网运行的安全性。

一、变压器绕组变形故障及其损害
变压器中的绕组是处在由其它绕组所形成的磁场环境当中的，因此，当电流通过的时候，绕组就会受到电动力的作用。

如果通过的是正常工作状态下的电流，那么电动力的值就会变得非常小，对于绕组的损害也非常轻微。

如果发生短路事故，尤其是近区、低压侧出口位置发生的短路事故就将导致较大的电流通过绕组，使电动力急剧上升。

在运行过程中，变压器难免会出现各种各样的故障短路，在强大电动力的作用下，变压器绕组就有可能出现失稳的状况，进而导致松脱、移位、断股或局部扭曲，严重时甚至会直接导致突发性损坏。

在发生变形之后，如果没有及时进行处理，就会留下严重的故障隐患：
（1）会导致绝缘距离的变化、绝缘损伤，进而造成局部放电。

在过电压的作用下，容易发生饼、匝间击穿，诱发突发性的绝缘事故。

在局部放电的长期作用下，甚至会在正常工作电压下发生绝缘击穿，设备损毁。

（2）绕组的抗短路能力和机械性能降低。

因此，其变形现象会在下一次遭到故障短路电流冲击时加剧，若电动力作用过强，甚至会发生损坏。

（3）由于绕组的松脱、移位、拉伸、断股或局部扭曲，变压器的容量等参数发生了变化，在超过变形后可载电流的作用下，容易发生过热、喷油、熔断等设备事故，设备损毁损失。

变压器的全封闭使其内部绕组的变化无法从外观上直接观测，因此，工作人员往往会通过“短路阻抗分析法”和“频率响应分析法”等外部试验对其变化情况进行分析，从而给检修工作提供更多的依据。

试验方法能够免去放油吊罩检查所带来的人、物、财力消耗，并且能够在最大程度上缩短因检修所导致的停电时间。

其中的“频率响应分析法”指的就是在变压器的某一侧绕组施加一个固定的频率，并在另一侧进行接收，根据其中的变化对变压器绕组的变形程度进行判断。

该方法目前已经在各类原因所导致的绕组变形的判断中得到了广泛的应用。

2.试验原理。

在超过lkHz的高频率下，变压器绕组的铁芯可以认为是不起任何作用的，因此，我们可以将变压器的各个绕组看作是由线性电阻、电容、电感等分布参数组成的无源线性二端口网络，而“频率响应分析法”所依据的是变压器等值电路可以被看成共地二端口网络，其频率特征可以通过不同变压器都有着自身独特的响应特征，因此，在发生绕组变形之后，变压器的各项参数都会发生变化，这样就会导致传递函数的变化。

通过对变压器的频率响应特征的分析和比对，我们就可以对变压器绕组的变化情况进行了解，所以，掌握绕组变形之前的频率响应特征就成为了对绕组变形进行分析和比较的基础。

目前广泛使用的是某电科院的TDT6变压器绕组变形分析仪，依此原理研制的仪器相对比较成熟。

二、绕组变形故障诊断模型与方法
1.诊断模型。

当电力变压器的绕组发生故障后，其油箱表面的振动信号将发生显著变化，主要表现为不同频率段的振动信号呈现出不同程度的衰减或增强的现象。

因此，在各频率成分信号的能量中，包含着丰富的故障信息。

对振动信号Ｓ（ｔ）而言，经快速傅里叶变换
（ＦＦＴ）转化为频域信号Ｈ（ｆ）后，各频率段的能量可表示为：，式中：Ｅｆ为某频率段的能量值；Ｘｍ（ｍ＝１，２，…，ｎ）为频域信号Ｈ（ｆ）的某频率段内各离散点的幅值。

考虑到电力变压器故障征兆与故障原因之间的关系错综复杂，仅将单一频率分量的变化作为诊断依据，往往很难满足故障诊断的要求。

与正常的振动信号相比，同一频带内信号的能量也会有较大差别，其中某些频带内信号能量减小，而另外一些频带内信号能量增大。

经过大量实验研究，并结合绕组变形故障后各频带的变化规律。

当高、低压绕组之一出现变形后，原频率处幅值出现变化。

变压器表面的振动与变压器绕组的压紧状况、位移及变形密切相关，其变化将引起作为标准特征向量的正常状态变压器振动特征向量的变化。

一旦变压器发生故障，将当前特征向量与标准特征向量进行比较就可迅速判断变形故障。

2.变压器振动信号分析
（1）变压器振动来源。

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、线饼间、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，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，也较大且随负载电流变化明显，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度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，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。

（2）运行状态量对振动的影响及折算。

变压器运行时，其加载电压、负载电流以及油温等运行状态量，均会对变压器油箱表面的振动信号产生影响，将会给振动信号的采集带来误差，影响故障诊断的结果。

因此，在分析振动信号前对其作适当的折算尤为重要。

绕组的振动是在漏感影响下，由线圈中电流相互作用产生电动力引起的，故负载电流发生变化时，绕组受到的电动力也产生变化，绕组振动情况取决于负载电流的平方，即，式中：Ｆｗ为绕组中通入负载电流引起的电动力；为负载电流。

因此，判断绕组状况时必须考虑负载电流的影响。

由于变压器的振动是由绕组、铁芯、冷却系统及分接开关共同引起的，故需考虑铁芯、冷却系统及分接开关对振动的影响。

铁芯的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩，考虑到加载电压和磁通密度之间存在线性关系，可知铁芯所受磁致伸缩引起的振动力与加载电压之间存在平方关系。

冷却系统的振动主要是由风扇、油泵振动所引起的，其频谱有严格规律，比较容易区分；分接开关的振动频率虽然含有５０Ｈｚ及其倍频信号，但信号仅在分接开关动作时产生，持续时间很短（＜１ｓ），也容易区分。

变压器绕组内部损耗多以热量形式散发，造成内部工作环境温度升高，绕组的温升主要受发热和散热２个方面的综合作用。

绕组的发热由负载电流大小确定；绕组的散热包括绕组对匝间内变压器油的对流散热和对外界空间的辐射散热，受环境温度、风速、匝间距等因素的影响较大。

绕组温度的变化使油温发生变化，对振动信号的采集产生热干扰。

3.诊断方法。

一是纵向比较法。

所谓纵向比较法，是指对同一变压器、绕组和分接开关位置，对不同时期幅频响应特征进行比较和分析，并根据幅频响应的变化情况对变压器绕组变形程度进行分析。

在检测灵敏度和准确性方面，纵向比较法具有较高的优势，但是，在实际应用过程中，应注意对检测条件和方式在不同时期的变化下所造成的影响进行全面考虑。

若同一绕组在不同时期的检测结果基本一致，则说明绕组较以往并没有发生变形情况；若检测结果出现了较大的差异，那么工作人员在排除由检测条件和方式对结果所造成的影响后，就可以认为绕组发生了变形。

二是横向比较法。

所谓横向比较法，就是指在同一电压等级的条件下，对变压器三相绕组的响频特征进行比较分析，以此来对绕组是否发生变形进行判断。

由于不需要了解上一期的幅频响应特征，因此，该方法的操作更加简便，但是，在实际应用过程中，应注意排除三相绕组发生程度相似的变形以及固有差异性的可能。

若变压器的三相绕组在同一电压等级的条件下，试验结果基本一致，就可以认为绕组未发生变形；若三相绕组在同一电压等级的条件下，试验结果出现了一定差异，则说明其一致性较差，绕组可能出现了变形，应进行进一步的分析和确认。

三是变压器油变质劣化。

油是一种可流动的液体。

当变压器内充满油后，油能浸满变压器的每个角落将器箱内的空气排出，避免内部金属氧化，还能保持变压器内木质材料和纸质材料原始的物理性和化学性，从而增加了变压器的绝缘强度。

此外，变压器油还具有很好的散热性。

变压器在运行中，空气可能会使变压器油受潮氧化。

当变压器油受潮氧化后产生一些具有酸性的氧化物对金属有一定的腐蚀性。

而在变压器运行中。

温度的升高还会使油质加速变质劣化。

变压器油变质劣化后，它的耐压强度也会下降，从而导致变压器整体绝缘强度下降，使变压器容易出现故障。

三是相关系数比较法。

相关系数比较法，主要是通过对比绕组幅频曲线相似度来对绕组是否发生变形进行判断。

除了前面介绍的三种频率响应分析法之外，对绕组变形问题进行分析的主要方法还有短路阻抗法。

作为传统分析方法，短路阻抗法通过对变压器绕组的出厂阻抗值与其当前的短路阻抗的比较来分析变压器绕组是否发生变形。

通过对工频电压下变压器绕组的短路阻抗、漏抗进行测量，除了能否反映出绕组的变形，还能够反映出匝间开路、短路等缺陷。

这里所说的漏抗就是指散布在绕组内部、绕组之间、绕组与油箱之间的漏磁形成的感应磁势，因此，它对于漏磁磁路所发生的变化非常敏感。

而短路阻抗则是指漏抗和绕线电阻的平方、开方，一般来说，大型变压器的绕线电阻都会远远低于漏抗，因此，阻抗也可以在一定程度上对漏抗的变化进行反映，并且更加容易被准确测量。

在实际工作中，阻抗的测量一般在低电压下进行，根据被测变压器容量的大小，电压多取几百伏，同时还应确保电流大于2A，以最大程度的消除绕组铁芯的非线性影响。

短路阻抗法对于绕组变形的测量准确度较高、重复性也更好，没有发生绕组变形的变压器，测量结果在20年以内的差距不会超过0.2%，若这一差距增加到2.5%，则应将测试周期缩短并进行绝缘检查，若差距继续加大并超过了5%，则应立即停止运行并进行绝缘检查。

在进行绕组变形试验的时候，对于电压等级≤35kV的变压器，应尽量采用低电压短路阻抗法进行判断；对于电压等级≥66kV的变压器，应尽量采用频率响应法进行判断。

三、故障预防
1.加强安装管理。

首先，保证运行负荷变压器设计允许范围之内，如果是油冷变压器则需要对顶层油温进行定时监测，保证变压器运行正常。

其次，在确定变压器安装地点时，应保证其满足设计与建造相关规范要求，尤其是对于户外变压器的安装，更是要保证各项数据都满足安装设计要求，做好防雷处理，降低外界因素对设备运行造成影响，确定变压器所具有条件能够满足户外运行需求。

2.做好用油质量检测。

基于变压器的运行特征，随着水分的增加，变压器油的节电强度会急剧降低，一般情况下油中万分之一的水分可以降低变压器一半左右的介电强度。

基于此必须要做除小型配电变压器以外的所有变压器油样进行击穿试验，准确测定水分含量，然后采取过滤的措施将其去除。

另外，还需要进行油中故障气体分析。

应用变压器油中故障气体在线监测仪，连续测定随着变压器中故障的发展而溶解于油中气体的含量，通过对气体类别及含量的分析则可确定故障的类型。

每年都应作油的物理性能试验以确定其绝缘性能，试验包括介质的击穿强度、酸度、界面张力。

3.加强日常维护管理。

首先，应保证瓷套管与绝缘子的清洁度，并做好电气连接紧固程度的检测，保证其满足变压器运行需求。

其次，针对油冷却系统进行全面检查，确定散热器不存在生锈、渗漏、污垢淤积以及损伤等。

再次，做好分接开关与避雷器接地处理的检测，一方面检测触头紧固度、疤痕、灼伤以及灵活性等因素，另一方面，检测接地电阻，保证其低于5Ω。

最后，应每隔三年都要对变压器的线圈、避雷器以及套管进行全面检测，确定构件不存在损伤，可以满足变压器运行需求。

变压器出口加装限流电抗器，降低变压器的短路电流；站内更换爬距较大的防污瓷瓶或涂刷防污闪涂料，主变中低压侧出线尽可能加装绝缘热缩套。

针对厂家生产的变压器抗短路能力弱的问题，建议对其提供的变压器抗短路能力计算报告进行全网校核，厂家在制作过程中应正确选择绕组的压紧力，在线圈绕制质量、压紧结构机械强度和绝缘加工质量方面应改进工艺，提高变压器绕组的抗短路能力。

变压器运行环境相对特殊，受到外界因素的影响比较大，但是其影响着电网运行的可靠性与稳定性。

为降低其故障的发生率，需要全面分析故障出现的原因，并在此基础上进行研究，采取可行的措施对故障进行处理，并做好相应的预防措施，争取降低各类因素的影响，提高变压器运行的可靠性。

总的来说，随着绕组变形测试方法的广泛应用，若变压器发生了近区短路，都应在第一时间进行绕组变形试验。

对于那些疑似出现绕组变形的变压器，可通过绝缘油色谱分析等手段进行综合比较，以便得到更加精确的分析结果。

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