（电机与电器专业论文）基于振动法的大型电力变压器状态检测和故障诊断研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho n 船a n s f o n n e rf a u l td i a g n o s i si sa ni i n p o n a n tt e c h n o l o g yi nt h et m n s f o 珊e r i n d u s t 哆a l t h 伽g ht h e r ea 1 1 em a n yv a l i dm e t h o d st 0d i a g n o s et r a n s f 0 唧e r s ，n om e t h o d sc a n b eu s e dw h e nt h e 打a i l s f 0 m l e ri sm n n i n g d i a g i l o s i st e c h n i q u e su s i n gv i b r a t i o nm e t h o dc a n n o to n l yd e t e c tt h e 枷n g 仃a n s f o 肌e r ，b u ta l s oa c h i e v er e m o t em o n i t o r i n g ，a n de a s y i n s t a l l a t i o n t r a n s f o n n e rv i b r a t i o ni sc a u s e db ym a n yc o m p o n e n t s t h ew i i l d i n g sa i l dt h ec o r ei s t l l em o s ti m p o r t a l l ts o u r c e so fv i b r a t i o n t h ep r o p o r t i o no fm ew i n d i n g sf a i l u r ei sh i 曲e r t h a nt h a to ft h ec o r ef a i l u r e ，a n dt h ew i n d i n g sf a i l u r eh a sac l o s er e l a t i o nw i t ht h e 昀n s f o 册e rs t a t u s ，s os t u d yt h ew i n d i n g sv i b r a t i o ni sm o r ep r a c t i c a l r e c e n t l y ，as i m p l e w i i l d i l l g sm o d e l i sa h e a d yp r o p o s e d ，b e c a u s et h ev i b r a t i o n 缸a n s m i s s i o ni ss oc o m p l i c a t e d ， t l l e r ei sn om o d e lc 觚d e s c r i b et h ev i b r a t i o no ft h et a n ks l l r f a c e 0 l nt h eo t h e rh a n d s e p a r a t i n gt h ew i n d i n g sv i b r a t i o ns i g i l a l s 舶mt h ew r h o l es i 盟a l si sa nu n s o l v e dp r o b l e m i no r d e rt og e tab e t t e rm o d e lo ft h em n d 锄e n t a lv i b r a t i o n ，an u m 嘶c a ls o l u t i o no f e l e c 仃o m a g n e t i cf o r c e si sa d d e dt ot h ee x i s t e dw i n d i n g sm o d e l t t a n s f o m e rw i n d i n g sa r e e q u i v a l e n tt oas e r i e ss p r i n gm a s sd a u r i l p i n gs y s t e m t h e 如n d a m e n t a lv i b r a t i o ni sg e n e r a t e d u i l d e rt h ee l e c t r o m a g i l e t i cf o r c e s i i lo r d e rt ov 嘶匆t h i sm o d e l ，s e n s o r sa r ef i x e do nt h e i n t e m a lw i n d i i l g s ，a i l dt h ev i b r a t i o ni sm e a s u r e d i no r d e rt os t i l d yt h e 仃a 1 1 s i t i o np r o c e d u r e 丘d mt h ew i n d i n g st ot h et a r 出，as i m p l e 仃a n s f e r6 m c t i o ni sp r 叩o s e d a c c o r d i n gt ot h e 血n c t i o n ，t h e 觚n s m i s s i o ni s e q u a l t oa n a t t e n u a t i o na n dp h a s es l l i 俞s y s t e m t h ee n t i r ew i n d i n g sa r es i i n p l i f i e dt oam a s ss p r i n g d a m ps y s t e m t h et e s ti st a k e no nas m a us i z et i a n s f o 彻e r a tt h ee n d ，av e c t o rs u l ) e 印o s i t i o nm e t h o do ft h ew i n d i n g sa n dt h ec o r ev i b r a t i o ni s p r 叩o s e d t h em e t h o di sv e r i f i e db yad a t ac o l l e c t e d 丘d ma1 1 l n n i n g 臼- a n s f o m e r as i m p l e v e c t o ri sp r o p o s e dd u et ot h ea b n o m a ls o u n d 仔o mat m s f o 肌e r ，u s i n gt h i sv e c t o rt h e 印p e a r a n c eo ft h ea b n o r i i l a lv i b r a t i o ni sr e n e c t e ds u c c e s s 如l l y k e y w o r d s ： 1 r a n s f o 咖e r ：f a u l td i a g l l o s i s ：w i n d i n g s b r a t i o n ；s i g i l a ls e p a r a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：黼 签字日期：2 。i 。年 3 月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 值此论文脱稿之际，谨向导师潘再平教授致以最真挚、崇高的谢意。 从课题的提出、研究方案的设计、以及实验条件的提供，潘老师严谨的治学态度、 渊博的学术知识、对科学地执着、以及言于律己，宽以待人的高尚德操，都使我受益良 多，终生难忘。祝福老师全家身体健康，阖家幸福! 在攻读硕士学位期间，还有幸得到黄海教授的关怀和指导，再次表示感谢! 感谢实验室已毕业的硕士生杨杰，罗星宝，在读博士生刘旭，在读硕士刘雨佳，梅 营，温浩，徐展，黄琦对实验及论文工作的启发和协助；特别要感谢郭杰师兄能够在实 验过程中不厌其烦解答相关技术难题。祝愿各位在今后的工作、生活和学习中一帆风顺、 前程似锦! 衷心的感谢我的父母，你们的理解、关怀和鼓励，为我解除了后顾之忧，是我不断 前进、克服困难的最大动力，我的每一份收获都离不开你们的支持! 最后，感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我的论文进行评阅! 时间转瞬即逝，一路走来，得到了无数好心人的指点和帮助。感谢你们的出现，帮 助我茁壮成长，也让我的学生时代充满欢乐。即将踏入社会，也更留恋学校的美好时光。 希望自己能在工作岗位上踏踏实实做好本职工作，为浙大争光，为自己争气。 洪凯星 二。一。年一月 于求是园 1 1 电力变压器概述 第一章绪论 电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压变成频率 相同的另一种或几种数值不同的电压的设备。在电力系统中，为了将发电机发出 的大功率电能经济的输送到远距离的用户，应该采用高压输电，以减小输电线路 的损耗和电压降。这就需要用多种规格的变压器将发电机电压( 一般为l o 5 k v 2 0 l ( v ) 升高到1 1 0 k u 5 0 0 l ( v 或更高的输电电压。用电设备的电压一般在1 0 k v 以下，因此当电能输送给用户后，还需要多种规格的变压器将电压逐步降低到各 种配电电压，如大型动力设备需要的1 0 k v 、6 k v ，小型动力设备和照明设备所 需的3 8 0 v 、2 2 0 v 。为了将两个不同电压等级的电力系统联系起来，通常采用三 绕组变压器。变压器是电力系统中的重要设备，装机容量约为发电机容量的p 8 倍。 1 2 电力变压器常见故障类型 大型电力变压器的故障涉及面广而且具有复杂多样性【1 1 ，特别足在运行中发 生的故障很难以某一判据诊断出故障的类型及性质。为了更加有针对性地去监测 变压器，了解变压器的常见故障也是必要的。带有载分接开关的变压器的故障统 计如下图1 1 所示，从图中可以看到有载分接开关和绕组故障是主要故障，其他 故障所占比例并不多。 电力变压器有载开关( o n l o a d1 a pc h a n g e r ) o l t c 的故障包括机械故障和 电气故障，主要有：( 1 ) 因密封不严或失效，雨水侵入而导致绝缘性能降低，( 2 ) 过渡电抗或电阻在切换过程中被击穿或烧断，或过程中触头问的电弧引发故障， ( 3 ) 因滚轮卡死使分接开关停在过渡位置而造成短路，( 4 ) 切换开关油室密封 不严而造成变压器本体渗漏，( 5 ) 选择开关分接引线与静触头的固定绝缘杆变形 等。 - _ 醢、 一：慧， 酗l i 变压器敲障分布围 绕组故障主要是变压器中的绕组或绝缘物发生故障，主要有：( 1 ) 绕组内 部绝缘老化，绕组的匝间、相问或高低压绕组问发生接地、断路、短路、击穿 或者烧毁故障。( 2 ) 系统短路造成绕组内部损伤，冲击电流造成绕组机械损伤等。 变压器本身抗短路能力不够是引起变压器绕组短路损坏的主要原因，设计和制造 正确的变压器，要求短路的持续时间和电流不超过变压器动、热稳定性所允许的 时问和电流，应能承受住各种短路。但实际上短路引起的损坏事故却很多，这是 因为其他的诸如引线固定支点不够、支架不牢固、引线焊接不良等，内绕组与铁 芯柱问支撑不够，制造过程中工艺条件不规范，质量控制不严等。除了以上因索， 运行管理不当也是一个不可忽视的因素。 除了以上几种常见的变压器故障铁心故障也是较常见【”。铁心故障主要有： 铁心内部局部短路、铁心多点接地、铁心接地不良和结构过热网类。业压器铁心 只有一点接地，才是可靠的正常接地，当出现两点及以上的接地为多点接地，多 点接地使铁心接地出现异常现象，导致铁心出现故障。另外铁芯往往是由硅钢片 叠加而成，夹紧件的松紧也对振动有非常大的影响。 1 3 目前常用的变压器故障检测法 目前检测变压器故障主要是针对绕组，包括对绕组绝缘特性的检测，主要方 法有短路阻抗法、频响分析法、低压脉冲法、油样色谱法。前三种方法主要利用 了变压器绕组的电特性，因为变压器绕组本身可以视作为一个由线性电阻电感及 电容等分布参数构成的无源线性阚络，当绕组笸生机械变形时，势必导致相应部 分的电感、纵向电容、对地电容和互感等分布参数发生变化同时也使得该处的 漏磁场分布发生变化，尤其是径向漏磁场。而油样色谱法则是利用了对油中气体 成分的检测来判断变压器内部是否正常运行，这几种方法归纳如下： ( 1 ) 短路阻抗法 短路阻抗法主要目标就是测量变压器短路阻抗，而短路阻抗是当负载阻抗为 零时，变压器内部的等效阻抗【4 】。短路阻抗的电抗分量，即短路电抗，就是绕组 的漏电抗。由变压器的理论分析可知，变压器绕组的漏电抗是由纵向漏电抗和横 向漏电抗组成。一般情况下，横向漏电抗比纵向漏电抗小得多。无论是横向漏电 抗还是纵向漏电抗，其电抗值都是由绕组的几何尺寸所决定的。也就是说，在工 作频率一定的情况下，变压器的短路电抗是由绕组的结构所决定的，其大小可由 短路阻抗求出。 对于一台变压器而言，当绕组变形、几何尺寸发生变化时，其短路电抗值也 要变化。该方法认为如果运行中的变压器受到了短路电流的冲击，为了检查其绕 组是否变形，可将短路前后的短路电抗值加以比较来判断。如果短路后的短路电 抗值变化很小，则可认为绕组没有变形，如果变化较大，则可认为绕组有显著变 形。所以有关标准规定，变压器在进行短路试验前后，都要求测量每一相的短路 阻抗，并把试验前后所测量的电抗值加以比较，其变化的程度作为判断被试变压 器是否合格的重要依据之一。 ( 2 ) 频响分析法 频响分析f r a ( f r e q u e n c yr e s p o n s e a n a l y s i s ) 法也是从电气特性方面加以考 虑【5 羽，根据电路的网络理论，对于一个单入单出线性时不变的无源网络，其特 性在频域上可以用传递函数h ( j ( 1 ) ) 描述，而变压器绕组就是一个由线性的电阻、 电感和电容等分布参数组成的无源线性两端口网络。当变压器绕组变形后，必然 导致其等效网络相应部分的参数发生改变，其h ( j ( i ) ) 也会发生变化，这样通过比 较两次得到的h ( j ( o ) 就可能判断变压器绕组的状态是否正常，经过十几年的探索， 采用频响分析法测试变压器绕组变形已被电力部门广泛接受，但是究竟如何采用 f r a 法对变压器绕组的变形程度进行分析尚无统一的定量分析标准。 利用频响分析时还需要注意，典型的变压器绕组频率响应特性曲线，通常包 含多个明显的波峰和波谷。经验及理论分析表明，频率响应特性曲线中的波峰或 波谷分布位置及分布数量的变化，是分析变压器绕组变形程度的重要依据。可用 横向比较法与纵向比较法进行研究。横向比较法是指对变压器同一电压等级的三 相绕组的频率特性进行比较，必要时可借鉴同一制造厂、同一时期制造、同型号 变压器的频率响应特性，来判断变压器是否发生绕组变形。该方法不需要变压器 原始的频率响应特性，现场应用较为方便，但需排除正常变压器三相绕组的频率 响应特性存在差异或者变压器的三相绕组均发生变形的可能性，纵向比较法是指 对同一变压器、同一绕组、同一分接开关位置、不同时期的频率响应特性进行比 较，根据频率响应特性的变化分析绕组变形程度。该方法具有较高的监测灵敏度 和判断准确性，但需具备变压器原始的频率响应特性，且应排除测量条件及测量 方式变化所造成的影响。 ( 3 ) 低压脉冲法 低压脉冲法l 测试原理接线与f r a 法类似吲，只要将其中的扫频信号发 生器用低压脉冲源替换即可。测试时在被试变压器绕组的一端施加稳定的低压脉 冲信号，同时记录该端的脉冲信号和另一端的相应信号。在实际应用中，通过对 比本次测试结果和以前的测试结果来判定变压器绕组的状态。该方法比f r a 方 法简单，但是只有通过比较各次实验结果才能得到。 ( 4 ) 油样色谱法 油样色谱法是目前对变压器类设备在出厂、运行和检修各阶段进行检测的一 项重要手段【8 】。采用油色谱分析可及早检测出变压器在电场、负载作用下，因故 障而产生的溶解在油中的特征气体。通过分析，可发现问题及时处理，避免事故 扩大，保证变压器正常运行。 变压器的绝缘也就是油纸组合绝缘。内部潜伏性故障产生的烃类气体来源于 油纸绝缘的热分解，其分解的过程和产物取决于油纸绝缘的化学特性并符合热力 学原理。而油纸热分解的产气量、产气的速率以及生成的烃类气体的不饱和度又 取决于故障点的能量密度。故障性质不同，分解产生的烃类气体也不同。产生故 障时，变压器油和固体绝缘材料在热和电场或电磁作用下，将产生各种气体，并 溶解在变压器油中。 正常运行的变压器，油中气体含量很少，其中可燃性气体的含量更低，仅占 总量的0 0 l 0 1 ，有轻度故障的变压器，可燃气体的含量在0 1 0 5 。 故障变压器，可燃气体的含量在o 5 以上，按电气设备交接和预防性试验标准 4 的规定，以h 2 、总烃、c 2 h 2 、c o 、c 0 2 等的含量作为故障情况判断的指标。 1 4 国内外研究现状及存在问题 意大利的c i 皿a n ob a n o l e t t i ，m a u r i z i od e s i d e r i o 等对变压器表面的振动和声 传感器获得的信号进行分析，并得到判断变压器状态的经验公式【9 】。利用振动信 号各次谐波的加权均方根来判断变压器是否使用过，利用声传感器测得的高频信 号还判断变压器是正常运行还是带故障运行。在文章中还提到了远程监控系统的 设计，通过建立知识库，并对信号的特征值进行训练，从而达到故障识别。 最近西班牙的g a r c i a ，b u r g o s 等学者研究了在传播路线上振动相位、幅值的 变化情况，以及其与电流、电压、温度之间的数值关系【m 1 1 】。绕组的主要振动成 分为l o oh z ，绕组振动与电流的平方成正比，铁芯的振动与电压的平方成正比， 同时由实验来确定电流平方和电压平方值的相关系数，如果绕组变形了，则相关 系数将发生改变，并给出变形的警告。遗憾的是该文章并没有从建立模型的角度 出发，文章中的数据只能反映振动的一般特性。文中模拟绕组变形故障得到的结 果也只反映该实验变压器的特点，不具代表性。不过文章中的实验数据还是能为 变压器振动特性的研究提供参考。 国内主要有中国电力研究院的王洪方博士对变压器绕组模型和绝缘垫块的 非线性特性做了一些工作，主要是建立了变压器绕组安匝不平衡时轴向非线性振 动数学模型，并分析了短路条件下绕组轴向振动位移、振幅、相位的变化规律， 讨论了轴向预紧力等因素对绕组轴向动态特性的影响【佗d5 1 。在文献中曾提到安匝 平衡时，由于单个绕组的受力为零，于是采用分布式绕组模型，并计算了其中某 一个绕组线饼的位移特性，而当绕组处于安匝不平衡时，则把整个绕组模型简化 成一个整体。文章中还提到了当绕组压紧力不够时，振动过程中可能会使绝缘垫 块压力为零，从而使整个振动模型失效，此时振动具有很强的非线性。 西安交通大学的汲胜昌博士采用振动法作了一些研究，研究了负载电流与绕 组振动的关系，初步探索了利用油箱表面振动来检测变压器故障的可能性，并引 入小波包分析提取变压器箱壁的振动信号的特征信息【悟1 8 1 。在文献中提到了铁心 振动的基频分量和绕组振动的基频分量与其它物理量之间的关系，但是并没有在 动力学模型上做深入研究，并且所运用的铁心模型与实际可能有出入。 上海交通大学的谢岸坡等从动力学建模入手，建立了较完善的绕组和铁心分 析模型，通过深入的理论分析和试验研究，找出变压器不同运行状况时在预紧力 的作用下绕组和箱体的振动特征【1 9 。2 1 1 。在文献中提到在a n s y s 软件中建立模型 计算模态，并用激振台对真实的绕组进行振动实验，测量传递函数，在不同的预 紧力条件下得到不同的结果，实验结果和理论基本相符合。美中不足之处是他们 并没有去研究正常工作时和发生故障时的绕组振动特性。 目前对变压器振动方面的研究已经为数不少，最终目标是一致的，就是为了 把理论用于实际故障检测。但是目前的研究几乎都是简单地测量振动，没有把故 障特征和对应的振动联系起来。已有的利用振动来判断变压器状态的方法也只是 凭经验给出，没有涉及对变压器内部的动力学研究，并且所给出的方法效果并不 是很理想。 在线检测变压器一般是利用油箱的表面振动，变压器内部振动主要是由绕组 和铁心产生的，两者产生的振动通过变压器油、夹紧装置等传递到油箱表面，这 个过程是非常复杂的。目前对绕组和铁心的动力学方面的研究都只是停留在对单 个结构进行研究，研究结果可以非常精确，理论计算和实际测量可能非常接近， 但是单个结构的振动与油箱表面的振动还是有很大区别，这也是利用振动进行故 障检测的难点所在。油箱表面的振动是两种振动信号的叠加，如果能把两种信号 分离出来，也就是绕组产生的信号和铁心产生的信号独立出来，这样就能更有针 对性地对变压器故障进行分析，这是利用振动法检测技术的关键问题。目前在这 方面所做的工作很少。幸好两种振动的产生机理是不一样的，其中绕组振动只与 绕组上的电流有关，铁心振动只与铁心中的磁感应强度有关，如果不考虑绕组的 直流电阻，也就是只与绕组两端的电压有关。 变压器绕组产生的振动主要以两倍工频为主，而且占绝对优势，这主要是因 为电磁力的频率就是两倍工频。实际变压器振动存在很多谐波成分，有些谐波成 分也很大，这和变压器的结构密切相关。目前很多文献对绕组的动力学模型进行 研究，这确实是进行振动分析的基础，但是这些文献都没有在此基础上进行绕组 的强迫振动研究，或是错误地对强迫振动进行研究，典型的错误是在电磁力模型 上采用不同位置的绕组受到相同的电磁力的假设，这个假设显然是与电磁场原理 相背的。根据对变压器内部电磁场的计算，在安匝平衡的条件下，绕组上部分和 6 下部分受的力大小相同方向相反，在安匝不平衡条件下，也就是绕组间有相对位 移时，情况变得更复杂。 变压器铁心的振动主要是由硅钢片的磁致伸缩现象引起的。目前对硅钢片磁 致伸缩特性已有研究，但是到目前为止，没有经验公式能描述硅钢片的这种现象， 几乎所有涉及的文献都只有实验数据。变压器铁心由很多硅钢片叠装而成，整体 的振动和结构有关，同时也与压紧装置的预紧力有关。从国内外文献看来，几乎 没有专门的铁心振动与对应故障的研究。 1 5 本文研究的主要工作 第一章绪论 主要介绍目前对变压器一些常见故障类型，并总结了目前变压器故障所采用 的诊断方法和存在的不足之处。通过总结目前国内外专家学者的一些科研成果， 总结了诊断技术的发展与研究现状，并对其中存在的问题进行了概述，同时提出 了本文的主要分析思想。 第二章变压器漏磁场分析基础 为了研究绕组的振动特性，就必须从变压器内部的漏磁场分析出发。本章分 析了一些计算电磁场的常用方法，并比较了数值法和有限元的差异，同时得出了 绕组上电磁力的分布。 第三章振动测量系统的设计与实现 本章主要介绍实验测量用的测量系统的设计，包括传感器选择、信号调理部 分设计和整体硬件设计，嵌入式系统定制及软件编写。 第四章大型电力变压器绕组模型 在分析电磁场力的基础上，建立了饼式绕组的等效模型，通过实验验证了模 型的正确性。 第五章短路条件下变压器油箱表面振动信号分析 变压器表面振动信号非常复杂，本章由简单的短路条件下油箱表面的振动信 号和空载条件下油箱表面的振动信号着手，分析了表面振动信号的一般特性，并 得出了一些结论。 第六章振动法在大型变压器状态检测中的应用 7 利用变压器振动实现对大型电力变压器的实时监测，本章的监测对象是一台 5 0 0 k v 单相变压器。根据变压器的振动特性，研究了基频振动的特性，并提出了 一个能体现振动是否异常的特征矢量，实验证明该特征矢量基本有效。 第七章研究结果与展望 对本文所使用的技术和方法进行了总结，对未解决的问题给出了研究方向， 并展望了今后的研究目标。 1 6 创新点 本课题研究的目标是试图通过建立变压器振动模型，并分析各种故障下振动 信号的特性，从而逐步达到根据振动信号特征达到检测部分变压器内部故障。取 得了以下几项创新性成果： 1 ) 提出了一个与绕组漏磁场分析相结合的绕组振动模型，相比一些现成的模型， 本文的模型更精确，可操作性更强。 2 ) 提出了一个简单的函数来表示绕组振动到变压器油箱的传递过程。 3 ) 找出了一个可行的特征矢量，该矢量反映了异常振动的出现。 第二章变压器漏磁场分析基础 当变压器发生短路时，绕组可能会在异常电磁力的作用下发生位移或变形， 这将严重影响到变压器的寿命。特别是当绕组发生变形，也就是在安匝不平衡的 时候，电磁力的作用更加明显。目前分析变压器振动的论文很少有提到电磁力的 分布，有些文献甚至还把电磁力当成均匀分布，这样计算得到的绕组振动与实际 振动还是有很大区别。 目前求解电磁力最精确的方法【2 2 1 是利用有限元软件建立三维模型，当然这种 方法解得的结果与实际最符合，但是代价就是占用资源大，求解时间长。也有文 献 2 3 1 采用m a 】【w e n 方程得到三维磁场的数值解。如果对求解精度要求不高，则 可以通过磁感应强度的平均值来求电磁力【2 4 1 。在即保证精度又节约资源的前提 下，本文把变压器绕组等效为一个二维模型，用双重傅立叶级数求解泊松方程。 同时用有限元软件a n s y s 建立绕组轴对称模型，并求解电磁力。通过两种方法 解得的结果对比来验证方法的正确性。 变压器绕组受力计算是振动分析的基础，而振动主要是轴向的振动，因此下 文主要分析了轴向电磁力的分布及安匝不平衡对电磁力分布的影响。 2 1 绕组安匝不平衡现象 实际的变压器绕组由于制造过程中高度的差异或运行过程中绝缘块老化，造 成绕组轴向收缩以及使得调压线圈占据空间的绕组安匝不平衡，这种现象将导 致绕组的受力分布不均，并且绕组在力的作用下会产生轴向位移，该作用力促使 高低压绕组间高度差逐步扩大，导致绕组安匝不平衡加剧，因此安匝不平衡对变 压器绕组的危害是巨大的。 为了研究安匝不平衡对绕组受力的影响，假设存在以下四种不同形式的绕 组，如图2 1 所示，其中日y 代表高压绕组，其中y 代表低压绕组： a 两个绕组中线对齐且高度相同 b 两绕组中线对齐，但是绕组高度不同 c 两绕组中线未对齐，但绕组高度相同 d 两绕组不但中线未对齐，且绕组高度不同 9 ( c a s e a )( c 笛e b ) ( c 器e - c ) ( c a s e - d ) 图2 1 四种绕组模型 2 2 变压器漏磁场解析分析 通常情况下变压器每个相绕组都是由两个或两个以上绕组构成，有些变压器 还有调压绕组。尽管绕组结构各异，求解电磁场的方法基本相同，本文以双绕组 结构为例求解各绕组受力，绕组漏磁场计算是基于以下基本假定： ( 1 ) 将变压器的漏磁场作为二维磁场。 ( 2 ) 不考虑除铁心外其他铁磁材料对场的影响。 ( 3 ) 忽略激磁电流，即认为各相原、副线圈的总安匝数平衡。 ( 4 ) 铁心的磁导率为无限大。 ( 5 ) 电流在导体的横截面内均匀分布，即不考虑导体中的涡流效应。 ( 6 ) 忽略零部件的影响。 在上述基本假定下，变压器的一个铁心窗可等效为均匀铁磁材料中开有一个 截面为矩形的孔，矩形截面的载流原、副线圈位于其中，如图2 2 所示。忽略励 磁电流的影响，图中两线圈的安匝应当相同。为了便于研究，将原、副线圈看成 是两个具有矩形截面安匝平衡的载流导体。根据电磁场理论，矩形孔中的磁场应 为其中的自由电流和孔的边界上出现的磁化电流共同在铁心窗中产生的磁场，而 磁化电流对铁心窗中磁场的影响又可以用实体电流的镜像电流等效。由于铁心窗 的边界为矩形，镜像电流会来同反射，所以此处的镜像电流为无限多组。铁心窗 内的磁场就是由载流导体和这无限多组镜像电流共同在其中产生的磁场。 求解轴对称的电磁场通常有两种方法：镜像法和双重傅立叶级数法，以下将 分别介绍两种方法，在实际计算中第二种方法比较优越。 1 0 图2 2 变压器二维模型及边界条件 2 2 1 利用镜像法求解电磁场 该方法的理沦基础就是通电载流导体产生磁场，假设在圆柱坐标系统中有一 个，= o 方向的无限长直载流导体，线电流为i ，那么在离导线p 处产生的磁场强 度【5 】为 云= 箬正毛 方向符合右手螺旋定理 己死p 如图2 3 所示，一块长2 d ，高2 h 的无限长导体，电流密度为o ，则在( ，粥) 点的场强可由以下公式得到。 y ( 。； 己d 2 h 图2 3 通电导体截面示意图 最2 卫d 琊筹涮中 协- ， 积分结果为 鼠：一笪塑生盟( a r c t a 墓鱼+ a r c 组0 堡) + 丛塑坠2 尘( a r c t a 0 玉+ a r c t a 墓堡) 1 幼 、 j i l 一 一7 2 刀 、 j l l + 办+ 7 + 等m 筹潜嚣+ 等m 篙黼 在有油箱壳的边界条件下，线圈在周围会产生无限次镜像，如图2 4 所示 ， - j l r - - 一 _ 1 广 li iil ili i 由西 ：| ii ii ull_ _ 一 r _-_ _ 一 一 - 广 i i l i o。0 卜 o x ll ； iii ii ll ll r - _ 1广 _ - li iii i i 0o ji o 1l l il _ j l _ _ _ - 一 _ 图2 - 4 通电导体与电流镜像图 在某点处的场强相当于无限个线圈在该点产生的场强的总和。 记毋= ( x ，y ) = 戤( 一，咒) f = 1 ( 2 2 ) 其中n 为镜像的次数，对于n 取的次数 2 5 1 ，当然是取得越高越准确，但是过 大的n 会带来计算误差和较长的计算时问。 2 2 2 利用双重傅立叶级数法求解 对于边界形状为矩形、边界线与标量等磁位线或磁力线相重合的情况，利用 镜像法把区域内部的分布电流对铁磁边界来回反射，就得到一个对于x 轴和y 轴都有周期性的电密分布，用双重傅立叶级数法【2 函2 引解电磁场分布的原理是将电 流密度展开成x 和y 的双重傅立叶级数 正= ，似c o s 伪x c o s ，z t y j = l 七= 1 这样在整个区域内可列一个统一的解泊松方程 a 2 彳a “ ， 紊+ 萨一： 整个区域内的矢量磁位可以表示为 么：= 4 ，tc o s 加，x c o s y ，= l 女爿 m ，铂- 1 ) 手， 铲糍 轳 一1 ) 詈 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 当川船l 有护南x 参( s i 觋枷i 觋姒s 岘私i 口f ) 一 z 当拇1 = 1 有驴赢擎( s i 毗巧“毗曩) 训 当川扣l 有厶2 啬参以_ j i ) ( s i 啦私i q ) 当= l ，后= l 有 以l = o 在变压器绕组中漏磁场的径向分量产生轴向力，绕组振动的研究主要注重对 轴向力分布的计算，因此只计算了一个方向的磁感应强度，根据式2 5 有 风：一挚 ( 2 7 ) 卯 2 3 绕组电流与电磁力的关系 变压器绕组轴向振动与轴向电磁力分布有着密切的关系，而轴向的电磁力与 径向磁感应强度和电流大小有关。由式2 7 可以得到磁感应强度沿直径方向的分 旦 里 色= 一4 ，女c o s 所x s i n 聆y ，；l 膏= l ( 2 _ 8 ) 在实际测量振动实验中，为了能把传感器放置在绕组线饼上并测得内部绕组 的振动大小，所有数据都是在没有油箱的条件下测量得，此时的边界条件与有油 箱的情况下不同，可以近似认为此时的边界条件满足 f j j i l 寸( 2 9 ) 实际计算中，只要把边界长度取得足够大，计算得到的结果可近似认为是在 没有油箱的条件下获得的。 饼式绕组的示意图如图2 5 所示，根据毕奥萨瓦定律，线饼上的受力大小可 表示为 ，= ，2 万o + ，) 反出咖 ：五x 而，y l y 儿 ( 2 一l o ) 其中口所求线饼的截面 j 流经截面的电流密度 ，铁心半径 该方程的数值解如下式所示 ，= 2 4 七 也+ ，) s 洫_ 恐一“+ 力s i n 而+ ( c o 哪恐一c o s 肌，工i ) ) 】 ，= 2 七= i x ( c o 翮坎一c o s 魄y 1 ) 7 哆) + 2 彳l j ( c o 耽一c o s m ) x 暖2 + 一工；2 一m ) 】 七= l 图2 5 绕组结构模型 1 4 式2 1 0 计算了电流安匝数为m 时电磁力的大小，实际电流是工频的正弦 波，忽略位移电流效应，变压器内的漏磁场可以认为是准静态场。实际变压器中 绕组的安匝数为 m ：皿c o s 耐 ( 2 1 1 ) 式2 1 0 所计算的盯区域的实际电磁力大小可以表示为 厂= ，( 1 + c o s 2 研) ( 2 - 1 2 ) 电磁力可以分解为一个直流分量和一个两倍于工频的交流分量。 2 4 两种不同的漏磁场模型 在变压器漏磁场的仿真中通常分为有壳和无壳两种情况，( 1 ) 在无壳的时 候，处理边界条件时，为了提高精度通常采用无限场单元；( 2 ) 在有壳的时候， 也就是外面有一个油箱的时候，通常油箱是用导磁材料构成，这时可以认为磁力 线垂直边界。两种情况下的有限元模型如图2 6 所示 丝：o 锄 丝：o 锄 ( a ) 无壳时的边界条件( b ) 有壳时的边界条件 图2 6 两种不同的二维有限元模型 两个不同的模型中的磁力线分布显然是不同的，两者在a n s y s 中的分析结 果如图2 7 所示，两者存在一定的差别。两种模型都可以用以上的方法求解，在 下文中，比较了第二种模型用两种计算方法的差异。 a ) 无壳时的磁场分布( b ) 有壳时的磁场分布 图2 一两种不同的模型r 的磁山线分布吲 25 利用a n s y s 求解轴向力 有限元法最大的优点是通用性强、精度高。a n s y s 就是个基丁有限元算 法的软件。一般而言在要求较低时，而且当源场量与某一坐标基本认为无关时， 整个场域范围内可以按2 d 场来处理。 在a n s y s 中建立的轴对称模型如图2 8 所示，边界条件已在图中标明。需 要注意的是a n s y s 有两种计算导体受力的方法，m a x w e l l 力是应用m a x w e l i 应 力张量来计算而虚功力是利用电磁场的能量对虚位移求导就可求出虚位移方向 的力。用m a x w e 儿应力张量计算磁力时，被计算的物体至少有一个方向是可以自 由移动的；而虚功力则要求被计算磁力的物体的四周必须至少包含一层空气。因 此在模型中要在每个需要计算的导体周围加层空气。 线饼的编号如图2 甚所示，高压绕组从上至下依次为1 、2 、3 7 4 。 2 6 数据分析 础 n 一= u a 陀 知e 口高压 口j 尹4 匕y 篮 绕!且 融 ，、 一= u a 理 塑：o 锄 图2 8 有限元模型及边界条件 计算的参数来源于一台s z l o 5 0 0 0 0 1 1 0 ，5 0 0 0 0 k 、l l o k v 帕1 l 双绕组变 压器。绕组的基本结构参数如表2 1 所示，此外低压绕组采用的导线为2 组换位 导线并联，换位导线线规：( 1 5 7 2 9 5 1 5 0 7 ) 3 3 。高压绕组采用2 根两组合 导线并联，两组合导线线规：( 2 1 2 1 1 5 5 5 4 1 2 4 5 ) 2 。 表2 1 变压器结构参数 低压绕组高压绕组 内径 6 3 4 m m9 2 8 m m 外径 8 4 4 m m 1 1 3 1 m m 电抗高度1 1 0 0 m m1 1 4 0 m m 绕组类型层式饼式 绕组数3 层7 4 段 匝数1 0 4 匝6 2 9 匝 根据表2 1 可见该变压器的绕组在正常条件下，高低压绕组存在高度差，属 于安匝不平衡中的b 类。当绕组上的电流为额定值时，利用数值法和a n s y s 得 出高压绕组上每个线饼的受力，如图2 9 所示，从图中可以看出两种方法得到的 结果基本相同。 2 r 餐 羽 星 暴 图2 - 9 轴向电磁力与线饼分布的关系 为了比较安匝不平衡下和正常情况下绕组受力分布，设绕组如图2 1 所示， 且满足鸲= 址，= 4 0 m m 。四种情况下高压绕组各个线饼上的受力分布如图 2 1 0 所示。从图中可以看出a 和b 条件下绕组受力关于中线对称，中间的线饼 受到的电磁力为零，相比之下b 条件下绕组受力并非单调的，从图中可以看出 在绕组约3 4 处存在极值。c 和d 条件下的曲线几乎是a 和b 经过平移得到。 2 r 挺 甘 厘 暴 图2 1 0 三种安匝不平衡下高压绕组受力分布 低压绕组受到的合力和高压绕组受到的合力大小相同，方向相反。绕组之间 高度不等对合力大小没影响，而两绕组之间中心距对合力影响巨大，图2 1 l 是 低压绕组上的受到的合力随4 如的变化曲线。可见如果把绕组当成一个整体，则 整体受力大小与中线高度差成正比，力的方向与偏移方向相同，因此该合力使安 匝不平衡变得更严重。 2 7 小结 图2 1 l 低压绕组合力与轴向位移的关系 利用数值法求解绕组电磁力和有限元软件a n s y s 得到的结果基本相符。安 匝不平衡对绕组电磁力的分布影响很大，其中两绕组之间的中心高度差对电磁力 分布的影响更显著。如果把绕组当成整体，则整体受力与中心高度差成正比。 1 9 第三章振动测量系统的设计与实现 3 1 测量系统的总体结构 在数据采集系统定制中，基于p c 的d a q ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 测量系 统是最基本的方案，该方案的特点是性价比高、设计手段灵活、通用性强，特别 是目前基于n i 虚拟仪器软件( l a b v i e w ) 的检测系统，采用该系统的信号分析 仪和显示记录仪的全部功能都可以通过计算机编程实现，大大简化了系统的硬件 构成。但是这种d a q 系统也存在缺点：可扩展性差，成本高，对软件依赖程度 高。目前实验室通常采用另外一种常用的架构：基于嵌入式系统的下位机和基于 p c 机的上位机结构。这种架构的优点是：( 1 ) 扩展性好，下位机可以根据所需 来决定采样的通道数，并且可根据实际传感器来决定信号调理电路的设计。( 2 ) 适合远程监控，通常下位机并不存储数据，而且不对数据进行复杂的分析，更多 的数据分析主要依赖p c 上位机，通常上位机和下位机之间的通讯是通过以太网 来实现。本系统采用的就是这种上位机和下位机构架。 本系统主要功能是通过对变压器振动的实时监测与分析来判断变压器的运 行状态。考虑到变压器的工作电压和电流的变化、温度以及辅助设备如风扇、油 泵的开启对变压器振动产生影响，系统的监测参数除振动信号外，也需要对这些 信号同时进行监测，以提高振动监测与分析的有效性和准确性。下位机软件主要 进行简单的数据采集和传送，而作为实时监测与分析的主要和基本手段，上位机 主要以振动信号和其它信号的实时波形和频谱显示与分析、瞬态数据采集与分 析、趋势分析、报警分析以及数据管理等为主要目标。 基于系统的功能要求，所设计的t c m s 系统( t r a n s f o m e rc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ) 结构如图3 1 所示。t c m s 系统包括系统前置机和上位计算 机及其系统功能软件两个部分。系统前置机一般安装在变压器现场，输入信号通 道共有4 路振动、4 路电压、4 路电流、l 路温度和8 路开关量，振动传感器安 装于变压器油箱表面，输出连接到前置机。前置机主要进行所有信号的实时同步 采集、处理、显示、存储和通讯。上位计算机通过以太网或串行口与系统前置机 进行数据通讯，系统的功能软件实现对信号的显示、分析、保存、管理以及系统 的参数设置等。 大型电力变压器 广二一l - 一一- 一一一卜一一叶一一i i 振动传感器电压电流互感器温度传感器继电器触点 i i 四 四四 八 i i囊 路路 路路 电 温开 i 压 流 度 关 信信 信量 i 号号 号信 1 号 l i t c m s 系统前置机 ii ：+ ：蔷 i 罕 i ，l 饕 i l 上位计算机 i i 基于l a b v i e w 振动状态在线监测系统 i li 3 2 下位机系统设计 3 2 1 下位机硬件平台设计 图3 1 振动测量系统框图 本系统的硬件部分具有数据的采集、处理和传输功能，还能通过数字量接口 实现一些扩展的控制功能，如用数字信号来控制一些装置的开关。传感器是监测 系统中一个关键的环节，它实现了状态量到电量的转换。在整个监测系统中，传 感器总是第一个环节，传感器的精度和可靠性直接影响着整个监测系统的工作情 况。 本振动测量系统所选择的振动传感器为i c p 加速度传感器，也就是内置电路 加速度计也称恒流源加速度计。具体型号为p c b 的6 0 81 1 a ，具体参数如表3 1 所示。i c p 加速度传感器是恒流源供电的，恒流源可以有很多种实现方法，在这 里采用了性能价格比高的恒流二极管加一个2 4 v 直流电源的方法来实现。其他 外来输入信号如电压、电流信号都是通过霍尔传感器