张晗 楚修楠

【摘  要】变压器在电力系统中具有输电、变电的重要作用，其运行情况关系到整个电网运行的安全性、可靠性。变压器绕组和铁芯故障是变压器的主要故障，且占总故障的比例很大。对变压器绕组运行状态进行监测与诊断，不仅可以提前发现变压器绕组故障，而且还对传统的预防性试验进行了补充。基于此，本文主要对电力变压器绕组振动及传播特性进行分析探讨。

【关键词】电力变压器;绕组振动;传播特性

1、前言

作为电力系统的关键设备之一，电力变压器的正常运行对电网的安全可靠性起到决定性作用。变压器的历年统计资料表明，绕组线圈是故障重点部位之一，全国110kV及以上电压等级的变压器事故中由绕组故障引起的占69.8%，而引发事故的缺陷部分主要表现在铁心、线圈及引线、套管和分接开关。因此，对变压器绕组和铁心的状态进行监测具有重大意义。

2、铁心及绕组振动机理

变压器振动是由于变压器本体（铁心、绕组等的统称）的振动及冷却装置的振动产生的。铁心的振动主要由硅钢片的磁致伸缩现象以及涡流作用下硅钢片之间的相互吸引力引起。由于阶梯接缝以及无纬粘带在铁心绑扎方面的应用，目前变压器铁心的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩现象。

由于变压器铁心材料存在非线性等原因，实际中铁心磁通密度的波形并非标准正弦波，因此铁心振动信号中除了基频分量外，含有大量高次谐波成分。对于在频率为50Hz的电力系统中工作的变压器铁心而言，除了基频100Hz分量以外，200、300和400Hz分量也较明显。当变压器绕组线圈中流过负载电流时，由于漏磁场的存在，绕组间、线饼间、线匝间产生动态电磁力，引起绕组的振动。

变压器绕组的振动由一个稳态分量以及逐渐衰减的分量组成，故在理想状态下稳定运行的变压器绕组的振动加速度信号也是电源频率的2倍（≈100Hz）。实际情况中，由于变压器绕组绝缘垫块材料的非线性特性，绕组的振动信号中也可能存在100Hz的倍频谐波。同时，在长时间带负荷运行中，由于紧固件松动、短路冲击等原因绕组会发生形变，振动频谱中的高次谐波随之逐步增大。

3、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。

3.1绕组轴向及径向振动的对比分析

在負载试验条件下，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。

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。各测点振动信号的频谱以100Hz为主，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。

3.2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。同时，将变压器油箱的正面和右侧面按照10cm×10cm划分测量网格以获得油箱表面各处的振动特点。

对于大型电力变压器而言，其上下铁轭夹件及油箱底部的刚度大，使得经压板传播至箱底和油箱表面的绕组振动信号微弱，因此绕组振动在油中的传递特性对振动测点的选择有重要意义。油箱表面振动受到绕组振动与油箱结构的共同影响，绕组振动强烈部位所对应的油箱表面的振动功率较大，因此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。

4、结语

变压器绕组故障类型各种各样，需要深入研究并分析不同故障时变压器绕组的振动特点。通过变压器绕组不同的振动特点判断出绕组的故障类型，另外在变压器绕组故障位置的确定等方面都需要深入的研究。

参考文献：

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[2]郭俊，汲胜昌，沈淇，等.盲源分离技术在振动法检测变压器故障中的应用[J].电工技术学报，2012，27（10）：68-78.

（作者单位：国网新疆电力有限公司检修公司）