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