振动法在线监测变压器的研究现状与发展

现状与展望

作者简介：周光宇(1995- )，男，硕士研究生，研究方向为电力设备的在线监测与故障诊断；

马松龄(1964- )，女，副教授，硕士，研究方向为智能测试与虚拟仪器技术、机电系统动态测试与故障诊断技术研究。

振动法在线监测变压器的研究现状与发展

周光宇，马松龄

(西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055)

摘 要：为保证电力系统稳定运行，需要对变压器运行状态实施在线监测。对通过振动信号进行变压器在线监测方法现状进行综述，从振动产生机理因素、振动信号采集和影响因素、振动信号的分析与故障诊断三个方面进行了阐述和分析，并对振动分析法在变压器在线监测的发展趋势进行了展望，为振动法的进一步研究提供了思路。

关键词：变压器；绕组铁芯振动；信号分析；故障诊断

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2019)03-0001-06

Abstract: To ensure the stable operation of power system, there is a need to implement online monitoring for transformers running status. This paper summarized the current situation of transformers online monitoring method for vibration signal, and expounded and analyzed from three aspects including vibration generation mechanism factors, vibration signal acquisition and influencing factors, vibration signal analysis and fault diagnosis, forecasting the development trend of transformer on-line monitoring of vibration analysis, which provides the thought for further studying the vibration manipulation.

Key words: transformer; winding and core vibration; signal analysis; fault diagnosis

ZHOU Guang-yu, MA Song-ling

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 7 0055, China ）

Research Status and Development of Vibration Method in

On-Line Monitoring Transformer

0 引言

在电力系统中，变压器是用于电压等级转换和电力分配的核心设备，对电网运行可靠性起重要作用，一旦出现事故会造成重大的损失。为保证变压器稳定运行，通常采用在线监测变压器运行的关键参数，以便提前辨认出故障并预先阻止或减少故障的发生[1]。目前，对于变压器在线监测传统方法有油色谱分析法[2]、频率响应法[3]和短路阻抗法等[4]。其中比较成熟的是油中溶解气体分析法，但是由于其受限于各地设备制造工艺不同，不同环境气体间关系复杂，导致诊断准确性不够高，在线监测过程繁琐。

根据历年变压器故障数据统计分析，铁芯与绕组故障是变压器故障的主要原因之一，占总故障率

的53.9%[5]。铁芯与绕组缺陷会产生异常振动，而这种振动会传递到变压器箱壁上，通过监测其振动信号的改变来判断铁芯与绕组的状态。使用振动分析法对变压器进行在线监测近年来受到了广泛关注，被认为有巨大的发展潜力。对于变压器振动的研究原本是从运行中噪声的降低角度上起步[6]。20世纪80年代国外开始有通过对油箱表面的振动信号来分析内部主体状况的设想，寻找箱内故障与振动信号之间的关系[7]。国内起步相对较晚，但也随之展开大量的科学研究，已经取得了一定的成果。

振动法监测是非接触式的监测方式，因此不需要介入变压器的运行也与之没有电气连接，通过安装在箱体表面的传感器收集振动信号并分析，以获取变压器的实时状态。本文针对油浸式电力变压器，研究了其振动产生机理因素和传输方式、表面振动信号采集和影响因素、国内外对振动信号的分析方

法、故障分析的现状以及通过研究目前存在的不足提出今后的发展方向这四个方面，对现在国内外利用振动分析法对电力变压器进行在线监测做深入阐述和分析介绍。

1 变压器振动机理因素研究

1.1 振动的产生机理

掌握变压器振动产生的机理，正确分析振动信号是如何传输在箱体表面的，可以对今后振动分析法的研究打下基础。西安交通大学的汲胜昌等人[8]起步最早，通过安装在变压器表面的压电式加速度传感器获取的箱体表面振动信号，提取变压器本体的振动信号并分析。该研究确定了铁芯和绕组振动信号的基本特征，证明了振动信号比噪声信号更有研究价值，对推广振动法有很大帮助。但当时的研究大多提取信号的方法不完善，对振动信号频谱图的处理也比较简单，只能理论上的判断故障[9]。为了增加振动信号在线监测的实用性和准确性，这就意味着需要对振动数据做进一步的实验研究并且采集参数建立数学模型。

华北电力大学的王璋奇等人通过数学建模建立变压器绕组轴向机电耦合的动力学模型，得到变压器绕组机电耦合的非线性振动方程，以及简化的耦合振动方程，分析出变压器绕组失稳的机理[10]。还有通过偏最小二乘回归分析，建立基于电压、电流和振动数据的电-振动模型的方法，排除了一些重叠信息的干扰[11]。后来计算机技术的发展，运用ANSYS等软件对变压器进行电磁、受力等方面的有限元分析建模也随之发展起来，对变压器内部复杂耦合的状态分析很有帮助[12-14]。

综合上述可得，铁芯振动主要来源于铁芯钢片(硅钢片)被磁化，尺寸发生了非常微小的变化，也就是磁致伸缩现象[15]，绕组振动则由于负载时产生的漏磁场中的电磁力使绕组的轴向和辐向受力而产生振动[16]。铁芯与绕组产生的振动经由绝缘液体和紧固件传递到箱体表面。内部本体出现松动变形时其振动信号会有相应的变化，因此可以通过对传递出来的复杂耦合的振动信号进行特征提取和分析研究，从而对变压器运行状态做出判断。对振动机理因素的深入了解，显然能够提高振动信号分析法故障诊断的正确率，加快普及应用到实际工程中。1.2 振动信号及其传输原理

电力系统的运行频率为50Hz，振动信号以两倍电网频率即100Hz为基频，并伴有其他高次谐波。变压器空载运行时主要是铁芯振动的反映，振动频率主要分布在100～500Hz区间处[17]，但除了基频，在200～300Hz等处也表现得较为明显，高次谐波的出现主要由铁芯振动引起[18]，如图1所示。

变压器在负载运行时为二者共同作用，理想状态下绕组的振动频率为100Hz，如图2所示，但是研究发现长时间运行后由于松动等原因也可能会出现少量高次谐波，相对较小。其振动强度随着负载电流的增加而增强[19-20]。

变压器表面的振动来源于内部，磁致伸缩引起的铁芯振动和负载电流引起的绕组产生的振动可以通过两条路径传输到箱壁上共同展现[21]。一条路径通过紧固件耦合连接，另一条路径是通过冷却油传递到油箱上，其间还夹杂有冷却装置的振动，如图3所示。

变压器工作在一个复杂电磁的运行条件下，本图1 空载运行时铁芯振动频谱图

f/Hz

0.6

a

c

/

(

m

·

s

-

2

)

1000

200400

0.2

600800

0.4

f/Hz

1.5

a

c

/

(

m

·

s

-

2

)

1000

200400

0.3

600800

0.6

0.9

1.2

图2 绕组振动频谱图

紧固件传输

绕组

绕组绕组

壁

铁芯

图3 振动在变压器的传递方式

2