电力变压器振动监测的测点位置选择

电力变压器振动监测的测点位置选择

李少聪

（国网河北省电力有限公司平乡县供电分公司河北邢台054500）

摘要：电力变压器体积较大，工作时内部绕组各点的振动皆不相同，由于油箱结构的不一致性和绕组振动传播过程的复杂性，油箱表面上的振动并不都能有效地体现变压器绕组的状况，因此对油箱表面的振动信号进行研究分析，合理地选择振动测点位置对实现电力变压器振动在线状态监测和故障诊断是至关重要的。本文分析了电力变压器振动监测的测点位置选择。

关键词：电力变压器；振动监测；测点位置；

电力变压器是电力系统中的主要设备之一，是电力系统安全、可靠运行的保证。铁心异常和绕组变形在变压器故障中占有很大的比例，因此，在线监测电力变压器铁心和绕组的工作状况成为电力变压器监测的一个主要内容。

1振动原理

电力变压器将一种等级的电压转成另外一种等级的电压，利用它可以把不同电压的电网连接在一起，因而其运行状况的好坏直接影响到整个电网能否正常运行。变压器在长期运行过程中，受外界环境因素的影响，不可避免地会出现各种故障，从而影响变压器正常工作，如未能及时发现并采取适当的修复措施，则缺陷会不断发展，从而引发事故。对变压器实施监测可以明显地减少这些事故的发生和降低损失。近年来，随着我国电力工业向大电网、大容量和高电压的方向发展，电力变压器的单相容量和安装容量随之不断增加，电压等级也在不断地提高，这就对变压器的监测提出了更高的要求。变压器振动是由于变压器本体(铁芯、绕组等的统称)的振动及冷却装置的振动产生的。在振动信号频率小于100Hz范围内，集中的是由冷却系统引起的基本振动。本体的振动则以100Hz为基频，伴有其他高次谐波成分。铁芯的振动主要由于硅钢片的磁致伸缩效应，而绕组的振动由负载电流通过绕组时，在绕组间、线饼间、线匝间产生的电磁力引起。油压、振动子系统的相互作用对油箱表面振动特性的影响，油箱表面的振动有多个共振频率，油压会降低其固有频率而提高其结构阻尼，绕组和铁芯传递至油箱表面的振动特性受铁芯。绕组系统的模态特征和油箱多个共振特征的影响。此外，绕组振动也有一部分经铁芯及其紧固件传至油箱壁，这部分振动主要反映在油箱底部区域。油箱表面的振动不仅与振动源(变压器本体的振动)和振动传递相关，还受油箱体本身机械结构特性的影响。油箱体本身基本上属于线性结构，而且其低阶模态的自然频率远低于绕组和铁芯振动的频率，不会改变由绕组和铁芯传递到油箱的振动特性。油箱体结构除大部分由平板组成外，还包含有加强筋及其他不规则结构，这些复杂的结构具有非线性特性。在加强筋结构中，加强筋明显影响了振动能量的正常传递路径，对比平板结构能量出现了一定的反射。

2电力变压器振动监测的测点位置选择

2.1监测系统由信号采集处理器(简称前置机)和上位处理器(简称上位机)两部分组成，前置机通过以太网或串口与上位机相连接。前置机主要实现信号的调理、数据采集并同时进行数据的初步处理及实时数据存储。上位机可通过以太网登录前置机系统界面，查看当前实时监测的情况。三相结构变压器在三相负载运行情况下，油箱壁上的振动是各绕组振动通过绝缘油等介质传递、衰减在油箱壁上叠加的结果，油箱壁上的绕组振动加速度可以表示为：，式中：KA、KB、Kc为各相绕组振动的传递系数。在变压器三相负载平衡时，三相绕组振动在油箱壁上叠加的振动100Hz成分幅值也应正比于负载电流的平方。此外，绕组振动也有一部分经铁芯及其紧固件传至油箱壁，这部分振动主要反映在油箱底部区域。为表征各测点振动的衰减特性，绕组振动的主要传递介质为绝缘油，油箱底部相比油箱壁高、低压侧振动能量小很多。

2.2在实际的测试中，振动测点个数往往有限，需在油箱体表面选取较合适的测点位置，即能反映绕组振动特性的测点，它直接反映是否能体现绕组的振动特性，因此这是测点选择时需要首要关注的，获得相应振动信号和电流信号，如图1所示。加强筋上的测点振动成分幅值与负载的相关度总体表现不高，说明反映绕组振动的能力相对较差，在布置测点时尽量避免；油箱底部的测点不仅振动平均能量低且振动较复杂，表现在振动100Hz成分所占比重很小、高频谐波成分多等，不利于信号分析且较难体现绕组的振动，故布置测点时可以不考虑变压器底部；油箱壁平板结构上的测点，不仅振动能量大、振动主成分比率高，且振动100Hz幅值与负载电流的正相关程度高，说明该区域振动可以体现绕组的振动特性，在布置测点时应着重考虑(避免油箱接缝处)。建议在布置测点时可以考虑油箱壁对称结构位置，如在正对各相绕组区域的平板结构上部和下部均布置测点。

（图1）

2.3箱壁上加强筋结构的测点虽然振动能量大，由于其结构复杂，反映绕组振动的能力较差，在布置测点时应尽量远离加强筋结构。由于绕组振动主要由绝缘油传递至油箱壁，油箱底部振动小，且信号复杂，表现在100Hz频率成分占的比率低，在布置测点时也应避免变压器底部。油箱壁平板结构上的振动测点，除个别测点外(可能太靠近变压器底部、顶部或油箱壁接缝处)，大都能体现绕组的振动特性，表现在与负载电流有较高的相关性，振动衰减小且100Hz频率成分所占比重高，在布置测点时应着重考虑该区域。

3发展方向

目前，电力变压器的振动监测越来越受到各方面的重视，对其做了大量的试验研究和现场测试，总结了丰富的经验，尤其是对运用振动法监测电力变压器的灵敏性和可靠性进行了深入的研究和讨论。但是，由于我国在这方面起步较晚，与国外仍有一定的差距，在测试和研究方向方面仍存在一些不足，这主要表现在以下几个方面。（1）振动法无论是监测铁心还是绕组的状况一般是建立在比较时域或频谱曲线的基础上，同一台电力变压器或同种型号的变压器与其原始的振动曲线比较，但是针对电力变压器出现的铁心和绕组故障没有进一步提出判断依据。（2）由于测试经验和研究程度的影响，我国振动法监测电力变压器仍然停留在试验室研究阶段，对于从振动曲线上对铁心和绕组故障的定位以及故障的类型需要进一步研究。（3）我国的电力变压器振动监测的研究基本还停留在数学分析和对监测数据的分析上，缺乏电力变压器的实际模型和数学模型的设计。因此，要提高电力变压器振动监测的水平，今后要做好以下几个方面。（1）建立电力变压器原始的铁心和绕组的振动数据库，以便可以有效运用振动曲线的比较，原始数据库除了记录振动数据外，还要记录当时的监测系统各部分组成的装置、监测软件的程序以及振动信号处理方法等。（2）进一步加强对铁心、绕组故障的定位和故障类型的判断以及建立明确的判断依据等。

本文采用电力变压器振动在线状态监测，现场实时采集实际运行变压器油箱表面的振动信号，结合变压器及其油箱的机械结构特性，提出了运用振动信号分析法有效监测变压器绕组机械结构参数状态的油箱表面振动监测位置选择方法。

参考文献：

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