電力變壓器振動法故障診斷

1引言
大型電力變壓器是電力系統的樞紐設備，是保證電網安全運行的重要因素之一。為了提高供電可靠率，除了在設備訂貨階段應選用技術過硬、產品質量優異的變壓器以外，更重要的一點是要不斷提高主變壓器的運行、維護及檢修水平。在長期的理論研究與工程實踐中，變壓器的故障診斷積累了許多有效的技術手段與方法，也取得了很多成果。近年來，除了常規的預防性試驗和基于油色譜分析的故障診斷方法外，昆山漢吉龍測控技術有限公司創造性的將基于振動測試的變壓器故障診斷法成為常規方法的補充。

2 變壓器故障診斷的主要方法
變壓器的故障從發展過程上可分為兩大類，即突發性故障和潛伏性故障。突發性故障發展過程很快，瞬間就會造成嚴重后果，如雷擊、誤操作及負載突變等，具有很大的偶然性，因而只能通過諸如避雷器和繼電保護等手段，使突發性故障被限制在較小的范圍內。潛伏性故障一般分為三種，即變壓器內部局部放電、局部過熱和變壓器絕緣的老化。目前來看，故障診斷主要是針對這些潛伏性故障進行診斷或預測。
變壓器發生故障的部位主要有繞組、鐵心、引線、開關及絕緣等。針對不同部位的故障，在理論及實踐上，已經有多種檢測方法。

2．1 電氣預防性試驗
電氣預防性試驗是對大型電力變壓器進行全面檢驗的主要手段之一。該試驗對檢查變壓器的出廠缺陷，判斷設備是否符合或達到設計標準發揮了重要作用。其中包括：直流電阻的測量、絕緣性能測試、有載調壓開關特性測試、繞組變形測試、低電壓短路阻抗的測試、鐵心接地電流測試及遠紅外測溫等。

2．2 油色譜分析法
油色譜分析法是目前為止運用較成熟的在線變壓器故障診斷方法。它的主要原理是測試油中由于故障所產生的異常物質的含量。變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和紙。變壓器故障時會產生多種氣體，主要來源于油和紙的熱裂解。絕緣油是由烷烴、環烷烴及芳香烴等碳氫化合物組成的混合物。絕緣紙的成分是纖維素，主要是由糖或多糖類構成的高分子碳水化合物。絕緣油熱分解時，因分子鏈的斷裂反應產生低分子烴類氣體。有水分存在時。通過分辨變壓器運行時內部故障產氣與正常產氣在技術上的區別，從而達到故障診斷的目的。定期對變壓器充油設備的油進行湘色譜分析，可判斷變壓器內部是否存在著過熱性故障(導電回路、鐵心多點接地引起過熱等)、嚴重的局部放電及電弧放電故障等。

2．3 噪聲法故障診斷
國外曾在電抗器上利用噪聲法檢測繞組和鐵心狀況。噪聲法測量變壓器振動噪聲對測試環境要求非常嚴格，只有在專門的測試室中才能得到準確的測量結果，而在生產車問和運行現場，噪聲法的測量誤差非常大。美國的R．P．Kendig等人于1991年提出了一種“聲強測量法"的噪聲測量新方法，可以在背景噪聲及聲反射較大的生產車間內進行測量，但當背景噪聲遠遠高丁被測變壓器的噪聲時，該方法同樣無法測出在該背景噪聲下變壓器的噪聲水平。

變壓器工作的環境一般是在室外，背景噪聲的水平無法估計，難免會有背景噪聲遠遠高于變壓器本身噪聲的時候，若此時應用噪聲法在線監測電力變壓器的運行狀態，必然會造成誤判。

2．4 基于專家系統的人工智能診斷方法
變壓器運行時出現內部故障的原因往往不是單一的，一般存在過熱的同時還可能伴有局部放電，而且運行過程中故障還在不斷發展和轉化。在判斷設備有及故障嚴重程度時，要根據設備運行的歷史記錄和設備特點以及外部環境等因素進行綜合判斷。對變壓器故障部位的準確判斷，有賴于對其內部結構和運行狀態的全面掌握，并結合歷年色譜數據和其他試驗(直流電阻、絕緣、變比、泄漏和空載等)進行比較。另外，色譜分析與判斷的過程中也有大量的樣本需要仔細辨別，否則極易出現誤判。人工智能診斷為變壓器故障診斷提供了新途徑。判斷故障的類型、故障點、故障狀況需要大量的經驗，而專家系統恰恰在解決這個問題上有明顯優勢。近幾年來，基于小波理論、ARMA模型等的智能診斷方法不斷得到應用，也逐步取得了一定的實用效果。

近幾年，歐美國家逐步采用新的技術來加強或輔助對變壓器故障的診斷，而且也取得了明顯的實際效果。這其中，基于振動數據分析的變壓器診斷方法正逐步形成實用化系統，受到越來越多技術人員的關注。

3變壓器振動法故障診斷原理

基于振動數據分析的變壓器診斷方法較先在電力技術比較發達的國家獲得研究及應用。俄羅斯、美國先開展了這方面的研究。其中，俄羅斯已經開發形成相應的產品投入市場，它是一種產品，名為“BECTA"系統。該系統的實剛價值在于它可根據充油電力變壓器在運行中的技術狀態來組織設備的檢修工作，町保證變壓器運行的較大可靠性。這種方法已在60多臺大型充油電力變壓器上使用。使用的實際情況證實它可適用于各種類型的變壓器，不論是自耦變壓器，還是三相變壓器。用這種l方法診斷的結果與12臺變壓器吊罩檢查的結果幾乎一致。該系統的準確度據稱高達80％～90％，可以實際應用。

振動法是診斷變壓器運行葉l潛伏故障的一種有效手段，國外其較早應用于并聯電抗器上。通過在線監測變壓器器身表面的振動來反映變壓器繞組及鐵心狀況在近兒年做了許多研究工作。與FRA、LVI及在線或離線測量短路電抗等方法相比，振動法能檢測出繞組變形及鐵心、夾件和其余結構件的松動故障。

振動法是診斷變壓器運行葉l潛伏故障的一種有效手段，國外其應用于并聯電抗器上。通過在線監測變壓器器身表面的振動來反映變壓器繞組及鐵心狀況在近兒年做了許多研究工作。與FRA、LVI及在線或離線測量短路電抗等方法相比，振動法能檢測出繞組變形及鐵心、夾件和其余結構件的松動故障。
實際運行中發現，大容量變壓器的油箱表面的振動，與繞組和磁導體壓緊固定的狀態是密切相關的。運行中壓緊狀態的變化叮以由振動的改變反映出來，壓緊狀態變松則會使振動增大，頻率也發生變化，進而出現諧振。
變壓器器身的振動是由于變壓器本體(鐵心和繞組等的統稱)的振動及冷卻裝置的振動產生的。從物理角度來看，電力變壓器器身表面的振動與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀況、繞組的位移及變形密切相關。因變壓器器身各位置處的振動特征與距離最近的振源關系較緊密，根據變壓器器身各處測取振動信號改變的程度可方便地判斷出是哪一部分繞組或鐵心發生了故障，即利用振動法監測電力變壓器的振動異常可實現故障定位。以往認為，變壓器的本體振動取決于鐵心的振動。而實際上隨著取向
高導磁硅鋼片(例如Hi—B硅鋼片)在變壓器制造中的使用，以及鐵心結構設計的改進，鐵心工作磁密的降低，負載電流產生的漏磁引起的繞組振動大大增加，這種振動的大小與負載電流的平方成正比。特別是在額定 ] 作磁密低于1．4T時，繞組的振動甚至會超過鐵心磁致伸縮引起的變 器器身的振動。

電力變 器負載電流為零，因此繞組的振動可忽略不計，器身振動主要是勵磁電流作用下鐵心的振動引起的。因此，測量空載條件下運行的變壓器器身振動信號即可得到變壓器鐵心的振動特性。在負載條件下，繞組中有負載電流流過，因此除了鐵心的振動之外，變壓器器身振動還包括負載電流作用下的繞組的振動。
一般認為，變壓器勵磁電流在鐵心中產生的主磁通在空載、負載變化時大小基本保持不變，因此鐵心的振動在空載、負載及負載變化時也基本不變。利用振動傳感器，在空載及負載條件下分別測量變壓器器身的振動信號，空載時測得的就是變壓器鐵心振動信號，負載時測得的是鐵心和繞組的振動信號的疊加。從負載的振動信號中分離出空載時的振動信號顯然可以得到繞組的振動信號。
當變壓器額定工作磁密比較高(大于1．4T)時，鐵心的振動要遠遠大于繞組的振動，此時可忽略繞組的振動。在變壓器穩定工作時，可以認為其器身振動是鐵心振動引起的，振動情況的改變也是由于鐵心故障引起的，以此可以診斷電力變壓器鐵心的狀況。在變壓器發生短路事故時，繞組中有很大的沖擊電流流過，繞組的振動信號不再微弱，可認為其遠遠大于鐵心振動。因此，在短路狀況下變壓器器身振動主要是由繞組振動引起的，這樣可以利用發生短路事故時的變壓器器身振動信號，來監測繞組是否發生了變形或松動。
高、低壓繞組之一在發生了變形、位移或崩塌后，繞組的壓緊不夠，使高、低壓繞組問高度差逐漸擴大，導致繞組安匝不平衡加劇，使漏磁造成的軸向力增大，從而繞組的振動加劇；當鐵心的壓緊力不夠大時，硅鋼片的自重將使鐵心產生彎曲變形，致使磁致伸縮增大，即鐵心的振動加劇。這些現象具體表現在振動信號上的特征為：振動頻率中增加了更高次的諧波成份，且振動的幅值變大。
正常運行的變壓器振動信號，繞組振動信號基本上集中在基頻100Hz處，且振動信號的大小與負載電流平方成正比；鐵心振動信號主要集中在100Hz-400Hz，而1 000Hz后基本衰減到零。因此，在變壓器油箱表面測得的振動信號高次諧波分量是由鐵心振動引起，可通過200Hz、300Hz等高次諧波分量的變化診斷鐵心狀況。當其變化不大于某一限值時，可確定鐵心，然后通過基頻幅值的變化診斷繞組狀況。這一振動特征為振動法用于監測電力變壓器提供了更有效的判據。
變壓器大修的目的，主要是進一步把繞組和磁導體壓緊、固定好。因此，對大型變壓器器身緊固狀態需要進行診斷并提出是否需要進行大修的建議。
但是，用傳統的試驗方法以及通過人孑L檢查的辦法均不能解決問題。值得指出的是，通過對變壓器振動參數進行預測可能會發現內部故障發展的最初起因，應及時組織大修。例如，變壓器器身中導線、磁路等固定部件緊固狀態開始松動，其發展可使絕緣損傷。雖然絕緣變化可以通過分析變壓器油來判定，但是分析油樣所得到的結果只是內部故障后的結果而故障的根本原因卻仍不清楚。振動測量分兩種：一種是成套的空載測量；另一種是有載測量。空載時繞組的振動較小，主要是鐵心振動，可忽略不計。有載時，鐵心主磁通是穩定不變的，但由于繞組和結構元件有漏磁通，因而其振動應加上繞組的振動和結構元件的振動。不論是在何種運行方式下進行測量，都應該測量那些容易反映故障狀況的位置。另一方面，測量點過多，也會使測量系統過于復雜，導致工作的低效率。常見的情況一般是取12個振動信號，即將12只振動信號發送器分別安裝在變壓器油箱外表面規定的各個測振點上。這l2個點的分布是每相4個測點。其中每相的壓側上部和下部各1個測點，低壓側上部和下部各1個測點。當然，由于變壓器種類繁多，具體的測量數目及部位應根據現場設備的狀態，綜合其他試驗的數據并依據診斷經驗來確定。

4振動法故障診斷研究綜述
大量實踐表明，繞組與鐵心是發生故障較多的部件之一。大型電力變壓器由于體積大，通過的電流大，因此對繞組的安裝工藝要求更嚴格。通常對變壓器進行基本維修的主要目的就是壓緊繞組。因此在決定是否對大型電力變壓器進行維修時，有必要預測繞組的壓緊狀況。目前國內外尚無可用于在線或離線監測和診斷變壓器繞組狀態(松動和變形等)的可靠手段。
從目前國內對變壓器進行振動測試與研究的重點來看，大致分為三個方面，一是對變壓器產生振動的機理進行研究，包括故障原因、故障發展與趨勢預測等；二是對變壓器產生振動信號的分析，包括色譜分析、噪聲分離技術等；三是對振動監測分析系統的研制，包括測點布置、信號隔離及故障分離等。變壓器器身的振動是一個復雜的綜合表現，包括鐵心振動、繞組的振動、變壓器器身在干擾狀態下的振動及一些環境干擾等。
由于變壓器工作的特殊性，它所產生的振動信號與常規的旋轉機械振動信號有很大不同，主要表現在強干擾性，非周期性等。
5變壓器振動測試的技術要求
5．1 國內技術規范中對變壓器振動參數的要求
國內多數關于變壓器的技術規范中對振動提出了一定的要求，并對國內目前大型電力變壓器的振動技術要求進行了歸納。表1是不同技術規范中對變壓器振動測試的技術要求。
5_2 振動測試中的若干問題
直到現在，變壓器振動測試仍然沒有滿足各種要求的統一規范。對變壓器進行振動測量，根據目前的常規做法及兼顧到效果與成本等多種因素，在做試驗前應綜合考慮如下因素：
(1)變壓器測試的選擇問題。是單臺變壓器做測試還是全部變壓器做測試。
(2)當額定電壓和較高連續運行電壓不一致時，是在哪一個電壓下進行試驗。
(3)測量位置的選取問題。在哪個位置，如何進行測量。一般是在油箱的四個側面，并取足夠的測量
點求得平均值。(4)從運行中的電力變壓器油箱表面測取振動信號。雖然這樣做會受到來自冷卻系統及油箱振動等“噪聲的干擾"，影響所測取的信號，但只有這樣做
才可保證測量全過程的簡便、快速和投資少的優點。
(5)測量的結果表示。一般用振動波的主波峰的幅值來表示。
(6)振動比較問題。對于大容量電抗器，要求出廠前要進行振動測量。若不可能在制造廠實現振動測量，可在安裝現場進行測試。
6振動法故障診斷研究趨勢
在變電站中，主變壓器、電抗器等能否安全可靠運行，直接關系到電網的安全運行。傳統的試驗與診斷方法已不能滿足電力系統的大容量化、高電壓化發展要求。隨著國外成功研制的變壓器器身振動帶電監測系統，并在多臺大型充油電力變壓器上的使用，振動信號分析法越來越受到重視。
由于多種原因，對于這些電氣設備在交接試驗和運行中的振動特性并沒有統一的考核標準。但隨著設備容量的增加，對電網可靠性的日益重視，大型電氣設備的振動特性逐步引起了國家相關部門及各企業的重視。國內外對各級別的油浸式變壓器及電抗器制定了相關的標準，在《電氣設備安裝工程一電氣設備交接試驗標準》(GB50150—2006)中明確要
求：電壓等級為500kV的電抗器，在額定工況下測得的箱殼振動振幅雙峰值不應大于100~m。在大型電氣設備的運行導則中也提出在運行中應加強對設備振動的監視，對穩定運行時變壓器油箱壁的振動限值也進行了規定，避免設備在過大的振動狀態下運行。
從目前電氣設備的振動測試現狀上來看，大型電機的測試開展較多，故障診斷工作也取得了很多成果。而大型變壓器、電抗器的振動測試開展的工作不多，通過振動對其進行輔助故障診斷方面的工作則更少。隨著容量的增大，不僅單個電氣設備的體積越來越龐大，而且由于繞組匝數的增多，在制造和安裝工藝上出現的問題也呈現逐步增加的趨勢，如有些變壓器、電抗器一通入電流，機箱或殼體的振動就呈上升趨勢，導致設備根本無法長期運行。由于振動與制造、安裝及地基結構等可能都存在關系。因而，振動已經成為衡量設備能否安全和長期運行的一個重要指標。但長期以來，除了常規的電流、電壓、溫升等參數外，對于振動的測試與分析并沒有受到多數
人的重視，如何通過監測變壓器的振動信號來解決變壓器穩定運行時的振動故障問題就成為實際中有待解決的問題。
(1)變壓器振動故障的機理研究。
從理論上看，有待加強對變壓器振動故障的機理研究，其中包括：故障模型的建立與分析、振動信號與故障間對應關系、故障判定準則、振動故障的趨勢預測、振動信號的測試與分析方法及振動信號的噪聲剔除。
(2)變壓器振動故障在線監測診斷系統的研發。
從實際系統的研制上看，可以先使用離線開發及測試診斷等技術與方法成熟后再進行在線系統的移植和大規模運用。其中包括：測試儀器的選擇、測試位置的選擇、振動測試系統的配置、振動測試系統的抗干擾措施及診斷系統的軟件開發。
7結論與建議
電力變壓器器身振動信號與內部繞組及鐵心狀況密切相關，包含著豐富的信息，開展變壓器振動的在線監測工作具有良好的應用前景。
振動法用于電力變壓器在線監測的研究目前還沒有達到*、可靠的程度，歸納起來主要有以下幾個方面的問題需要解決：
(1)由于高壓與大電流的存在，如何對變壓器電抗器的振動進行實時監測。
(2)除了常規的電流、電壓、溫升等參數監測外，如果變壓器、電抗器出現了故障，振動變化是否能先于常規參數表現出來。
(3)振動變化與電氣設備的故障之間是否存在一一對應的關系。
(4)對變壓器、電抗器的振動故障進行系統和長期監測分析的可能性及其方法。
(5)由于變電站的特殊性，應將專家系統技術在振動故障診斷中加以應用。
(6)由于變電站的特殊性，應將現場的反映大型變壓器、電抗器實時運行狀況的振動等工藝參數傳至一個約定的診斷中心進行遠程的診斷，故障預測及維修建議等。