电力变压器绕组振动及传播特性研究

郭颖颖

摘要：随着国家电力行业的快速发展，国内的电力系统逐渐被关注起来，使变压器进行准确的状态监测和故障诊断，是保证变压器安全稳定的运行和电网安全运行的关键。同时为进一步研究变压器绕组径向振动机理、绕组振动在油中的传播特性及规律，该文建立了基于欧拉梁的绕组径向振动及油中振动的传播模型，利用激光测振仪和振动加速度传感器试验研究了绕组径向振动、压板轴向振动特性，定义了功率传播性研究与不同电流下绕组振动的传递规律。

关键词：电力变压器；绕组振动；传播特性

引言

电力变压器作为电网中的核心设备，其安全可靠性是整个电网可靠运行的重要保障。国内外变压器实际运行经验以及事故后的解体结果表明，绕组机械故障是导致变压器故障的重要原因之一，因此，绕组机械状态检测与诊断方法的研究一直是本领域的热点。振动信号分析法因其与被测变压器没有直接的电气联系、易于实现在线或带电检测等优点得到了广泛的关注和研究。变压器油箱表面的振动主要来自于变压器铁心的磁致伸缩效应以及绕组在交变的漏磁场中受到周期作用力而产生的受迫振动。当变压器绕组发生机械状态改变时，其振动状况也同样发生变化，并最终传播到油箱表面，从而为绕组机械状态的振动法带电检测提供依据。

1变压器绕组振动监测的基本原理

运行中的变压器振动主要包括变压器本体振动（铁心振动和绕组振动）、及冷却系统振动等。其中，铁心振动由硅钢片的磁致伸缩效应引起，若不计磁滞回环效应，可认为铁心所受电磁力与变压器励磁电压的平方成正比，即

式中：Ｆｃ为铁心所受电磁力；Ｕ为励磁电压。绕组振动由流经绕组的负载电流产生的电磁力引起，通常认为其与绕组电流的平方成正比，即

式中：Ｆｗ为绕组电动力；Ｉ为绕组电流。由式（1）和式（2）可见，绕组振动和铁心振动均是以两倍电源频率即100Hz分量为主要频谱分量。变压器冷却系统振动信号的频谱分量主要集中分布于100Hz以下，与铁心振动和绕组振动的信号频谱分布区分明显，可轻易识别并进行滤波处理。变压器本体振动通过液体（绝缘油）及固体（结构件）等途径传递至油箱壁表面，传递途径如图1所示。因此，可通过放置于变压器油箱表面的振动传感器，获取振动信号，进而借助于相关信号分析方法，分析评估变压器绕组的运行状态。

图1变压器振动传递途径

2变压器绕组振动及传播特性试验研究

利用上述点振源的传播特性可以为绕组振动在变压器油中的传播提供一些定性的结论，但实际上由于变压器绕组结构复杂，波在传播的过程中不但会衰减，还会受到附近绕组结构的阻挡形成折反射，不易精确求解；振动波在油箱内的压力分布是近场辐射形成的，难以将绕组等效为点振源进行分析。此外，由振动产生的油压会反作用于绕组振动，形成耦合等原因，为定量研究绕组振动在油中的传播特性带来了困难。因此，有必要利用试验手段研究绕组振动传播特性，并结合上述理论对试验结果进行分析。

2.1绕组轴向及径向振动的对比分析

在负载试验条件下，对绕组的径向振动和上下铁轭的轴向振动分别进行测量。其中，利用德国PolytecGmbH公司制造的便携式数字激光测振仪PDV-100，对绕组的径向振动进行测量，该激光测振仪的工作频带为0~22kHz，传输时延为1ms，量程为20mm/s，分辨率为0.1μm/s（有效值）。由于压钉的刚性连接，上下铁轭紧固件可以认为与绕组上下压板的具有相同的轴向振动加速度。采用压电式振动加速度传感器对上下铁轭的轴向振动进行研究，传感器的参数如表1所示。采集卡采用同步采样方式，采样速率为10kS/s，采样深度16bit，采样时间长度为1s。

表1振动加速度传感器参数

将高压绕组从上到下依次记为1~41饼，利用激光测振仪测得绕组不同线饼在额定电流下100Hz振动加速度幅值。在所测得的9个测点位置振动加速度幅值中，最大值为0.52m/s2，最小值为0.26m/s2，9个测点的平均振动加速度为0.38m/s2。从振动幅值的分布规律来看，振动幅值由绕组中部向绕组端部递减，与径向电磁力的分布规律相似。将等均匀间隔分布在上下铁轭夹件的振动加速度传感器按照从左往右的顺序依次命名为上铁轭1~7号测点、下铁轭1~7号测点。

由此可以看出来，上下铁轭夹件的振动分布呈现出“V”形，铁轭夹件靠近绕组压钉的振动要略高于夹件中部的振动，这是由于绕组的轴向振动经压钉传播至铁轭，因此靠近压钉区域的振动略强于中间部位。由于重力的作用，使得绕组在对称分布的电磁力的作用下的振动并不对称，绕组下部的振动略小于上部的振动。

2.2绕组振动的传播特性

正常运行时变压器绕组的轴向和径向振动通过变压器油传播至油箱表面，除此之外轴向振动还会通过绕组底部的压板等紧固件经油箱底部传播至油箱表面。

为了研究振动经油传播和固液传播的特性，利用龙门吊吊起绕组和铁心本体，避免振动的固体传播途径，进而对绕组在“悬浮”和正常状态下的油箱表面振动功率的主要传播路径及分布规律进行研究。

当变压器轻载时，振动在变压器油中的传播作用不明显，油箱表面以通过箱底传播的振动为主。而随着负载电流的增大，绕组通过油传播至油箱表面的振动比例增加，此时油箱表面的振动主要来自于变压器油传播的振动。

结论

变压器绕组径向振动的幅值受绕组材料、垫块数量、垫块间线匝长度以等因素影响，其最大的振动幅值位于垫块之间的线匝中部。线匝的径向振动幅值要与绕组的轴向振动幅值具有相同的数量级，因此需要同时考虑径向和轴向振动在绕组振动传播中的作用。绕组上一点的振动以球面波在油中传播。随着传播距离的增加以及与油箱壁入射角的增大，振动波对油箱表面的影响逐渐减弱，因此油箱壁上某点的振动主要受与其相邻区域的绕组振动影响。绕组振动强烈部位所对应的油箱表面的振动功率也较强。在选择变压器油箱表面的振动测点时，应该尽量选择离绕组振动强烈区域较近的油箱表面进行振动监测，以获得较好的信噪比。

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