基于振动的电力变压器绕组变形故障诊断新方法

　　摘要：通过分析变压器箱体表面振动信号的特点并进行大量试验发现，除基频分量能够反映故障以外，５０Ｈｚ分量及其部分倍频分量、基频的倍频分量等新特征频率也能够反映故障。计及电流、电压、温度等运行状态量对基频振动信号的影响，提出基频折算模型。文中建立了变压器绕组变形故障诊断模型和基于该模型的诊断方法，不仅能够诊断出变压器绕组内部有无故障，还能判断其故障类型并进行初步故障定位。为了验证所提出的模型和方法，文中对实际变压器设置绕组变形故障，采集其监测点处的振动信号，经过消噪、折算处理，利用提出的模型和方法对实际变压器进行故障诊断，其诊断结果与实际故障一致，表明所提出的诊断模型和方法准确、可行。

　　关键词：振动法；电力变压器；绕组变形；故障诊断；故障定位

　　０、引言

　　电力变压器的可靠性和稳定性在极大程度上影响着整个电网的安全运行。据统计，由于变压器抗短路能力不足而引发的绕组故障逐年增加，并日益成为电力变压器故障的主要原因，因此，迫切需要一种能够准确判断绕组机械状态的方法。传统方法中，常用于检测变压器绕组变形的有低压脉冲法（ＬＶＩ）、频率响应分析法（ＦＲＡ）以及短路阻抗法等方法。近年来，利用振动法检测绕组机械状态逐渐成为国内外研究的热点。与传统方法相比，振动法与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，具有较强的抗干扰能力和灵敏度，能够安全、可靠地监测电力变压器的状态，具有良好的应用前景。

　　国外的Ｇａｒｃｉａ和Ｂｕｒｇｏｓ，以及西安交通大学的汲胜昌等学者对基于振动的电力变压器进行了深入研究，并提出振动信号的基频是负载电流基频的２倍，故变压器绕组振动信号的基频为１００Ｈｚ。实际上，影响诊断绕组故障的因素很多，如负载电流、电压、温度等，尤其是振动信号中１００Ｈｚ分量与负载电流的平方近似成正比关系对其诊断影响较大，虽可进行一定的折算，但因变压器的电流变化范围大，难以折算准确，故将１００Ｈｚ基频分量的变化作为唯一的诊断条件，难以保证诊断的准确性。另外，考虑到电力变压器内部多种故障均能引起基频分量的变化，无法实现进一步确定绕组变形故障的目的。因此，该方法给电力变压器的绕组变形故障诊断带来了较大的误差。

　　本文在变压器诊断中，一方面计及负载电流、电压、温度等运行状态对故障诊断的影响，另一方面结合５０Ｈｚ和１５０Ｈｚ等振动成分，根据频率能量的组合关系，提出绕组变形故障诊断模型，不仅可识别绕组变形故障，而且能初步确定故障位置，具有较强的诊断能力。首先，经过理论分析并进行大量试验，分析了振动信号的特点，发现除基频分量以外，５０Ｈｚ分量及其部分倍频分量、基频的倍频分量均可以作为区别绕组变形与其他故障的依据。同时，提出了计及电流、电压、温度等运行状态量影响的振动信号折算模型，以提高故障诊断的准确性。然后，根据基频及基频以外的频率在不同位置处的变化规律及相互间能量的组合关系，提出绕组变形故障诊断模型，采用该模型进行绕组变形故障的判定，并对存在故障的绕组相进行定位。最后，利用实际变压器表面的振动信号，并使用变压器绕组变形诊断模型分别对故障前后的变压器进行诊断，以验证模型的准确性和可行性。

　　１、变压器振动信号分析

　　１．１变压器振动来源

　　变压器表面的振动主要来源于铁芯和绕组的振动，电力变压器稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁芯振动，由电流通过绕组时在绕组间、线饼间、线匝间产生的电动力引起绕组振动。由于作用在导体上的电动力与电流和磁场强度的乘积及漏磁通与电流成正比，故变压器绕组导体所受电动力及绕组振动的加速度正比于负载电流的平方，同时可推导出振动信号的基频是负载电流基频的２倍，即为１００Ｈ。

　　振动信号的基频增加是变压器多种故障的共有特性，即使变压器内部没有故障，１００Ｈｚ分量也较大且随负载电流变化明显，即１００Ｈｚ信号是绕组变形的必要特征但非充分特征。因此，如果仅振动信号１００Ｈｚ分量增加，并不能准确判断是否有故障，更不能判别是哪一类故障。因此，若要快速、准确地判别绕组变形故障，需要结合其他特征进行诊断。

　　由于变压器磁感应强度Ｂ与磁场强度Ｈ之间存在非线性关系，当变压器绕组变形后，变压器振动中会产生５０Ｈｚ和１５０Ｈｚ等分数次谐波（基频为１００Ｈｚ）。研究表明，５０Ｈｚ和１５０Ｈｚ振动信号分量可以作为区别绕组变形故障与其他故障的依据。另外，电流与磁通之间存在非线性且磁通中包含高次谐波分量，导致绕组所受电动力中含有高次谐波成分。故在绕组内部出现故障时，振动信号的高次频率也发生明显变化。可以看出，绕组故障对振动信号各频率成分的抑制或增强作用，使得振动信号的某些频率成分出现衰减，而另一些频率成分出现增强。但不同故障时，不同频率成分的变化有着显著不同，结合这些特性可以对绕组故障类型进行进一步判别。

　　１．２运行状态量对振动的影响及折算

　　变压器运行时，其加载电压、负载电流以及油温等运行状态量，均会对变压器油箱表面的振动信号产生影响，将会给振动信号的采集带来误差，影响故障诊断的结果。因此，在分析振动信号前对其作适当的折算尤为重要。绕组的振动是在漏感影响下，由线圈中电流相互作用产生电动力引起的，故负载电流发生变化时，绕组受到的电动力也产生变化，绕组振动情况取决于负载电流的平方，即Ｆｗ∝ｉ２；式中：Ｆｗ为绕组中通入负载电流引起的电动力；ｉ为负载电流。因此，判断绕组状况时必须考虑负载电流的影响。由于变压器的振动是由绕组、铁芯、冷却系统及分接开关共同引起的，故需考虑铁芯、冷却系统及分接开关对振动的影响。铁芯的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩，考虑到加载电压和磁通密度之间存在线性关系，可知铁芯所受磁致伸缩引起的振动力与加载电压之间存在平方关系，即Ｆｃ∝Ｕ２；式中：Ｆｃ为铁芯受磁致伸缩引起的振动力；Ｕ为加载电压。因此，判断绕组状况时还需考虑加载电压的影响。冷却系统的振动主要是由风扇、油泵振动所引起的，其频谱有严格规律，比较容易区分；分接开关的振动频率虽然含有５０Ｈｚ及其倍频信号，但信号仅在分接开关动作时产生，持续时间很短（＜１ｓ），也容易区分。

　　变压器绕组内部损耗多以热量形式散发，造成内部工作环境温度升高，绕组的温升主要受发热和散热２个方面的综合作用。绕组的发热由负载电流大小确定；绕组的散热包括绕组对匝间内变压器油的对流散热和对外界空间的辐射散热，受环境温度、风速、匝间距等因素的影响较大。绕组温度的变化使油温发生变化，对振动信号的采集产生热干扰。

　　因此，为了保证诊断的准确性，通过上述理论分析及实验室故障模拟与验证，建立了如下计及电流、电压、温度等运动状态量变化的变压器油箱振动信号折算模型：ｖｔａｎｋ，１００＝（α＋βθｔ０）ｉ２５０＋（γ＋δθｔ０）ｕ２５０＋εθｔ０ｉ５０；式中：ｖｔａｎｋ，１００为油箱表面１００Ｈｚ频率的振动信号；ｉ５０和ｕ５０分别为５０Ｈｚ频率的负载电流和加载电压；θｔ０为所测的变压器油温；参数α，β，γ，δ，ε均由现场试验数据辨识得到。

　　２、振动监测点优化与监测方法

　　２．１监测点的确定

　　由变压器绕组振动的传播路径可知，绕组线圈的内部结构及受力方向在距离油箱顶面１／２高度处，即油箱正面中部的径向振动传递路径最短、幅值最高，故将其作为振动信号的采集位置。如果现场因冷却装置而使油箱正面中间位置安装困难，监测点位置可适当向下移动。

　　考虑到采集变压器振动信号的全面性及准确反映变压器振源信息，按照变压器轴向振动方向，设置变压器油箱顶面为振动信号的监测位置。由于绕组线圈振动距离油箱侧面的径向传递路径较远，且三相绕组到油箱侧面的距离不一致，且受噪声影响较大，频率特性保留不完整，故不在此面设置监测点。

　　２．２故障初步定位

　　传统的故障定位理论上并不复杂，如采用相关分析的配电网故障定位理论，利用相关性求延时、相位差的故障定位理论。但实际上同样由于振动传播的复杂性，加上电力变压器结构尺寸的有限性和材料的多样性，信号在变压器内部传播时间不长，振动源传递到油箱表面各传感器的时间、相位差很小，加上传播过程中的干扰，使得区分故障特征信号的这种差异很困难，故传统的定位方法并不适用于对变压器的故障定位。

　　由于振动量在变压器构件中传播的衰减程度比电气量在导体中传播的衰减程度大得多，因此，根据振动信号的传播路径及衰减特征，提出根据变压器绕组轴向振动信号的衰减程度分析，来判断故障所在的绕组相，即故障初步定位，从而为故障的诊断起到辅助作用。

　　３、绕组变形故障诊断模型与方法

　　３．１诊断模型

　　当电力变压器的绕组发生故障后，其油箱表面的振动信号将发生显著变化，主要表现为不同频率段的振动信号呈现出不同程度的衰减或增强的现象。因此，在各频率成分信号的能量中，包含着丰富的故障信息。对振动信号Ｓ（ｔ）而言，经快速傅里叶变换（ＦＦＴ）转化为频域信号Ｈ（ｆ）后，各频率段的能量可表示为：Ｅｆ＝１Ｔ∫Ｔ０Ｓ（ｔ）２ｄｔ＝Σｎｍ＝１Ｘｍ２；式中：Ｅｆ为某频率段的能量值；Ｘｍ（ｍ＝１，２，…，ｎ）为频域信号Ｈ（ｆ）的某频率段内各离散点的幅值。考虑到电力变压器故障征兆与故障原因之间的关系错综复杂，仅将单一频率分量的变化作为诊断依据，往往很难满足故障诊断的要求。与正常的振动信号相比，同一频带内信号的能量也会有较大差别，其中某些频带内信号能量减小，而另外一些频带内信号能量增大。经过大量实验研究，并结合绕组变形故障后各频带的变化规律。

　　３．２诊断方法

　　步骤１：分别在正常状态和未知状态下，采集油箱顶部和正面中部的６组振动信号。

　　步骤２：得到变压器正面中部振动信号基频分量的能量，若未知状态的故障特征明显增加，则说明变压器内部存在故障。

　　步骤３：利用式（５）和式（６）分别计算绕组正常状态和未知状态下的特征向量ＴＮ和ＴＸ。

　　步骤４：计算测点１，２，３处的ΔＴ＝ＴＸ－ＴＮ＝［ΔＣ１ΔＣ２ΔＣ３］，若ΔＣ１，ΔＣ２，ΔＣ３均为正值，则可判断变压器内部存在绕组变形故障。

　　步骤５：选择反映变压器绕组轴向振动的监测点，即变压器油箱顶部三相绕组对应的监测点１，２，３。若在测得的３组振动信号中，其中一个监测点的振动信号满足如下方程组：ΔＣ１ｎ＝ｍａｘ｛ΔＣ１１，ΔＣ１２，ΔＣ１３｝ΔＣ２ｎ＝ｍａｘ｛ΔＣ２１，ΔＣ２２，ΔＣ２３｛｝；式中：ΔＣ１ｎ和ΔＣ２ｎ分别为位置ｎ（ｎ＝１，２，３）处ΔＣ１和ΔＣ２的值，可初步认为监测点ｎ所在的位置即为发生绕组变形故障相的位置。