董风举 姚艳 史云峰 韩满 宁珑

摘 要：为实现变压器绕组松动故障诊断，提出了基于暂态振动信号的绕组松动诊断方法。根据理论分析可得变压器绕组松动时，其振动固有频率会下降，而有载分接开关动作恰好会激发变压器的自由振动，因此通过小波变换对变压器振动信号进行处理，得到了其振动固有频率。结果表明，变压器在绕组松动时其固有频率的确会下降，可以作为故障诊断依据。

关键词：变压器;有载分接开关;振动信号;故障诊断

中图分类号：TM411  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）07-0060-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.016

0    引言

变压器绕组是常见的故障部位，而且其处于油箱内部，检修起来十分困难。基于振动信号的机械故障诊断方法为变压器绕组故障检测提供了很好的思路，目前已经有大量学者对此展开了研究，并证实了基于振动信号的变压器故障诊断方法的可行性[1-2]。

现阶段基于振动信号的变压器故障诊断方法以稳态振动信号为主[3]，稳态振动信号获取容易，信号稳定，通过判断振动的幅度或能量占比可以较为方便地实现变压器的在线监测。但此类方法受温度、负载电流等因素影响较大，当温度升高，电流、电压增大，振动信号幅值也会随之增大，给故障诊断带来了一定的困扰。并且由于变压器不同型号之间的差异性，振动幅值也有所差异，使得故障诊断的判断标准不具有通用性，因此，现阶段该方法还未实现大规模应用。有学者提出了基于变压器启动瞬间合闸振动信号的变压器故障诊断方法[4]，为变压器的故障诊断提供了新思路，但该方法受合闸角的影响，现阶段准确率还有待提高。

本文提出了一种基于有载分接开关动作时暂态振动信号的变压器绕组松动诊断方法，与传统方法相比具有物理意义明确、重复性好等优点。

1    变压器绕组松动诊断原理

变压器的绕组可以用弹簧—质量—阻尼模型来描述[5]，经典模型如图1所示。

图1中将线饼简化为质量单元，质量为m，将垫块看作弹簧，刚度系数为k，c表示阻尼系数，T0表示压紧力。根据相关实验研究，垫块的形变量与压紧力满足如下关系[6]：

T=Aa

+b

（1）

式中：A为垫块的受力面积;Δl为垫块在压力作用下产生的形变量;a、b为常数;L为垫块的厚度。

那么垫块的刚度系数可写成式（2）的形式：

k==a+

（2）

由式（2）可知，垫块所受压紧力越大，产生的形变量也就越大，刚度系数也会随之增大，所以在变压器绕组发生松动时，压紧力下降，其刚度系数也会下降。而刚度系数又正比于固有频率的平方[7]，对于单自由度系统而言，固有频率ωn可表示为：

ωn2=k/m（3）

稳态振动分量的幅值B为：

B=（4）

式中：ω为电磁力频率;q为电磁力大小;2n=c/m。

所以，绕组松动必然导致固有频率的变化，进而引起振动信号幅值发生变化。

工程上一般采用激振器或冲击锤获取机械结构的频响曲线，从而得到机械结构的固有频率，某型号冲击锤的冲击响应如图2所示，即冲击锤可以在一定范围内产生一个宽频冲击，比如利用钢材料的锤头，在2 000 Hz以内可以认为它的冲击频谱为一常数。

设机械系统的频响函数为H（jω），系统输出为O（jω），输入为I（jω），如果输入频谱为常数，那么输出频谱与频响函数便极为相似，可近似等效。

H（jω）=（5）

利用这一特性便可以通过激振锤激发机械系统的频率响应，再结合式（3）可知，激振锤产生的冲击信号中包含了频率为ωn的频率分量，将使得式（3）中分母达到最小值，引发共振，此时频响曲线中便会出现一个峰值，由此可以近似得到机械结构的固有频率。

但利用冲击锤得到变压器的固有频率显然是不方便的，首先冲击锤的力量较小，可能不足以激发变压器的固有频率，其次在运行过程中对变压器进行敲击也多有不便。因此，本文提出了利用变压器有载分接开关动作时的暂态振动信号来实现对变压器绕组松动故障的诊断。

有载分接开关动作时产生的冲击信号与冲击锤产生的冲击信号类似，都可以激发变压器的固有振动分量，可以将有载分接开关动作时产生的暂态振动信号看作是系统的冲击响应，其振动频谱便可近似看作是变压器的频响函数。

当变压器的机械状态发生变化时，变压器在有载分接开关冲击下的振动信号也必然发生变化，并且该冲击是由变压器自身产生的，不会干扰变压器的运行，也不会对变压器造成损坏，因此可以将开关动作时的暂态信号作为研究对象来实现对变压器绕组松动的诊断依据。

2    基于暂态振动信号的故障诊断方法

对一台110 kV变压器开关动作时的振动信号进行测量，传感器采用电压型振动加速度传感器，采集仪采样精度为24位，采样频率为64 kHz，将振动加速度传感器通过磁吸附的方式布置于油箱侧面，如图3所示。

通过改变绕组压紧力得到正常状态和绕组松动状态的振动信号，如图4所示。

对于暂态信号采用傅里叶变换进行分析存在一定的局限性，因此本文采用小波变换对振动信号进行时频分析。基函数采用复Morlet小波，得到两种状态下的时频图。截取0～2 500 Hz范围内的时频图并求取其峰值点，经过筛选得到时频图中的主要峰值点坐标，如图5所示。

经过对比可以发现，绕组松动后，各阶固有频率均有所减小，与前文理论分析结果一致，即绕组松动后，刚度系数减小，固有频率会有所降低。同时，也证实了变压器有载分接开关动作时的暂态信号的确包含了较为丰富的机械状态信息，可以作为故障诊断的依据。

3    结语

本文提出采用有载分接开关动作时的暂态振动信号对变压器绕组松动进行诊断，并通过理论和实验证明了变压器在绕组松动时其固有频率会降低，可以将其作为故障诊断的依据。

[参考文獻]

[1] 钱国超，王丰华，邹德旭，等.电力变压器机械振动测试技术[M].北京：科学出版社，2017.

[2] 汲胜昌，张凡，师愉航，等.基于振动信号的电力变压器机械状态诊断方法研究综述[J].高电压技术，2020，46（1）：257-272.

[3] 马宏忠，耿志慧，陈楷，等.基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法[J].电力系统自动化，2013，37（8）：89-95.

[4] 许洪华，王菁怡，李勇，等.基于合闸暂态振动信号分析的变压器绕组松动缺陷早期诊断[J].变压器，2021，58（1）：52-58.

[5] 刘宝稳，马宏忠，李凯，等.大型变压器绕组轴向固有频率振动分布特性与试验分析[J].高电压技术，2016，42（7）：2329-2337.

[6] 谢坡岸.振动分析法在电力变压器绕组状态监测中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[7] GARCIA B，BURGOS J C，ALONSO A M.Transformer tank vibration modeling as a method of detecting winding deformations—Part I：theoretical foundation[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：164-169.

收稿日期：2022-01-10

作者简介：董风举（1980—），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向：电力施工及采购。