（电气工程专业论文）振动分析法在电力变压器绕组状态监测中的应用研究.pdf

摘要 振动分析法在电力变压器绕组状态监测中的应用研究 摘要 从理论上说变压器绕组和铁芯的振动引起了整机箱体的振动。当绕组的压 紧力下降时，变压器整体的振动特性也将发生变化。因此可以从箱体的振动中 分析得出绕组的预紧情况。本文以一个机械动力学特性与大型电力变压器相似， 容量为5 0 0 k v a ，原副边电压比为1 0 k v 4 0 0 v 的模拟三相变压器作为研究对象， 研究内容包括：对于单个绕组振动和轴向预紧力问的关系，器身振动和预紧力 的关系，变压器副边短路和突发短路时的振动特性和绕组预紧力之间的关系， 进行了有限元计算和试验研究，另外研究了利用空载和负载时的振动特性进行 绕组状况的在线监测。 针对于上述研究内容，本文的研究工作和结论如下所述： 本文从一个简单的弹簧质量系统模型模型开始从理论上探讨其预紧力和绕 组振动的关系，接着建立绕组和铁芯的有限元模型并结合频响试验和模态分析 理论对有限元参数进行识别。 由于器身的结构相对于单个绕组和铁芯的结构要复杂，因此本文研究了绕 组和铁芯组合到一起以后整体的动力学特性。器身的单元数目较大，因此采用 了子结构方法进行建模分析。 论文的重点是研究通过箱壁的振动监测绕组上的预紧力，首先采用有限元 方法对不同预紧力下变压器短路时的振动进行了计算，通过副边短路试验对计 算结果进行了验证，并利用计算结论在突发短路时根据箱壁上的振动响应对绕 组的预紧力进行了估算。本文同时阐述了负载振动灵敏度法用于在线监测绕组 的预紧力。试验选择了1 4 路传感器包括7 路油压传感器和7 路加速度传感器分 别位于变压器内壁和箱壁上用来测量油压信号和加速度信号。研究表明，在短 路情况下，变压器的振动主要是由于绕组的电动力引起的，在预紧力减小时， 器身上的振动有一个先减小，然后随预紧力进一步减小而增大的过程。在空载 和负载情况下，变压器的振动同时来源于铁芯磁致伸缩力和绕组电动力。在预 紧力改变时，绕组对振动的传播能力也发生了变化，且振动响应在不同频率处 十一 j 海交通人学博l j 学位论史 的变化不相同，本文利用负载时电动力对器身振动的扰动对预紧力状况进行了 估测。 关键词：变压器，绕组，预紧力，振动，有限元建模，参数识别，弹 性模量，监测 1 卜 a b s t r a c t s t u d yo na p p l i c a t i o n o fv i b r a t i o na n a l y s i st 0 t h ec o n d i t i o nm o n i t o i u n go fp 0 吧r t r a n s f o r m e r sw i n d i n g s a b s t r a c t i nt h ef a u l td i a g n o s i sf i e l d ，e l e c t r i cs c i e n t i s t sa n de n g i n e e r sh a v ef o u n d e ds o m e m e t h o d st om o n i t o rt h ec o n d i t i o n so fi n t e m a ls t r u c t u r es u c ha ss h o r t - c i r c u i tr e a c t a n c e o n l i n et e s t , t r a n s f e rf u n c t i o no n l i n et e s ta n de t c p r a c t i c es h o w st h a tt h e s ee l e c t r i c m e a n sa r en o tc o n v e n i e n t , p r e c i s ea n ds e n s i t i v et of a u l td e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o n s oc o n s i d e r i n gf r o mm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，v i b r a t i o nc a u s e db yw i n d i n g sm a yb eu s e d t oe x t r a c te i g e n - p a r a m e t e r sw h i c hc o n t a i nt h ei n f o r m a t i o na b o u t w i n d i n g sf a u l t t h e o r e t i c a l l yt h ew i n d i n g s v i b r a t i o nl e a d st ot h et r a n s f o r m e rt a n ka n d c o o l i n g o i lv i b r a t i o n ，t h ec o n d i t i o n so ft h ew i n d i n gm a y b ed i a g n o s e db ya n a l y z i n g t h ev i b r a t i o ns i g n a lm e a s u r e do nt r a n s f o r m e rt a n k i nt h i st h e s i s ，t a k i n gw i n d i n ga n d t h ew h o l et r a n s f o r m e ra sr e s e a r c ho b j e c t , w h i c ha r es t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s c o m b i n e d 、i t l lt e s tm e t h o d t h et h e s i si n v o l v e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ew i n d i n gv i b r a t i o na n da x i a lc l a m p i n gp r e s s u r e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e t r a n s f o r m e r b o d y a n da x i a lc o n d i t i o n s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c o m p l e t e t r a n s f o r m e r sv i b r a t i o na n dc l a m p i n gp r e s s u r ew h e ns h o r t - c i r c u i t , t h ev i b r a t i o n c h a r a c t e ro fo n i o a dt r a n s f o r m e ra n dh o wt om o n i t o ri to n l i n e ，n l em a i nw o r ka n d c o n c l u s i o n sa l ec o r r e s p o n d i n g l yl i s t e db e l o w ： n 圮e q u i v a l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n g sf o r t h ew i n d i n g a n dc o r ea l ep r o p o s e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n d i n g sv i b r a t i o na n di t sc l a m p i n g p r e s s u r ei sd i s c u s s e d f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g so ft h ew i n d i n g sa n dc o r ew e r eb u i l d a n dt h e r ei n p u t t i n gp a r a m e t e r sw h e r ei d e n t i f i e db yf r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n g a i n e df r o mv i b r a t i o nt e s t b e s i d e sw i n d i n g sa n dc o r e ，t h ev i b r a t i o nt e s t sw e r ea l s od o n et og e tt h e i i 卜一 f i 海交通人学博f j 学f t 论叟 i ii i i i i i i _ i i i i i i i i i i i i i i i i i f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o no f t r a n s f o r m e rb o d y t h ep r i m a r yp a r to ft h i sp a p e ri st os t u d yh o wt om o n i t o rt h ec l a m p i n gs t a t eo f w i n d i n g sb yt h em e a s u r i n gt h ev i b r a t i o no ft a n k i nt h i sp a p e r , f i n i t ee l e m e n t m o d e l i n ga l eu s e dt o c a l c u l a t et h ea c c e l e r a t i o no ft a n kw h e nt h ew i n d i n g sa r e c l a m p e d 、历t i ld i f f e r e n tp r e s s u r e r a t e d - c u r r e n tt e s t sa l ed o n et ov e r i f yt h ec a l c u l a t e d r e s u l t s t h ec l a m p i n gp r e s s u r e sa lee s t i m a t e da l o n gw i t hag r o u po fs h o r t - c i r c u i tt e s t s t h ev i b r a t i o ni sc a u s e db ye l e c t r i cf o r c ew h o s ef r e q u e n c yi s10 0 h za n dt h ev i b r a t i o n s i g n a l sf r e q u e n c yi sc o r r e s p o n d i n gio o h z 淅t hi n t e g r a lm u l t i p l eh a r m o n i c s ( 2 0 0 h z , 3 0 0 h z ) m e a s u r e db y7a c c e l e r a t i o na n d 7p r e s s u r et r a n s d u c e r s t h i sp a p e ra l s oi n d i c a t e san e wm e t h o d , s e n s i t i v i t ya n a l y s i so fv i b r a t i o no n l o a dt om o n i t o rt h et r a n s f o r m e rw h e ni ti sw o r k i n g t h el o a da n dn o - l o a dt e s t si m p l y t h a tt h i sm e t h o di sh i g h l yf e a s i b l e k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , w i n d i n g ，c l a m p i n gp r e s s u r e ，v i b r a t i o n , f e m m o d e l l i n g ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，m o d u l u so fe l a s t i c i t y ，m o n i t o r i n g 删一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ? 扣切哳 日期：& 护p 占年3 月厂日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者躲睁访私揪施名： 日期：文口9 择弓月厂日 华逛 第一市绪论 第一章绪论 1 1 变压器概述 电力变压器是一种常见的电气设备，无论是在发电厂、变电站或配电所， 都可以看到各种形式和大小不同容量的电力变压器在运行着。电力变压器能够 把一种等级的电压转变成另外一种等级的电压，因此可以利用它把不同电压的 电网联结在一起，组成复杂的电网或大的电力系统，所以电力变压器是电力系 统里的重要设备。 电力变压器是借助于电磁感应，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间 变换电压或电流的一种静态的电气设备。本文所研究的就是最常见的三相双绕 组油浸式电力变压器，由三相一、二次绕组、铁芯、油箱、底座、高低压套管、 引线等组件和附件所构成。其各部分结构特点分述如下： ( 1 ) 铁芯及其夹件 电力变压器铁芯是通过硅钢片经剪切成为一定尺寸的铁芯片，按照一定的 叠压系数叠压而成的，此试验变压器铁芯就是采用低损耗全斜接不断轭铁芯片 叠积而成，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 铁芯硅钢片叠积图 f i g 1 - 1t r a n s f o r m e rc o r es t r u c t u r e ( 2 ) 绕组 三相电力变压器绕组是由一次绕组、二次绕组、对地绝缘层、一次和二次 ：海交通人学博l j 学位论丈 绕组之间的绝缘搀块、撑条构成的油道与高压和低压引线构成。 ( 3 ) 油箱及底座 。 油箱和底座是油浸变压器的支持部件，它们支持着器身和所有的附件。油 箱里装有为绝缘和冷却用的变压器油。油箱是用钢板加工制成的容器，油箱底 部是用槽钢等钢铁材料做成的底座。 1 2 开展变压器绕组故障机理与理论研究的意义 自1 8 8 4 年第一台闭合铁芯变压器闯世以来，已经有1 0 0 多年的历史。由于 电力工业能方便地向工农业生产和人民生活提供便利和经济的能源，从1 9 8 1 年 至2 0 0 0 年，我国的电力工业得到了迅速发展，取得了举世公认的伟大成就，随 着电网容量的增大，对电力系统的安全运行和供电可靠提出了更高的要求f 。 在电力系统的各种设备中，变压器是比较昂贵而且很重要的设备之一，其 安全运行对于保证电网安全意义重大。单以其本身价格计算，进口的 2 5 0 m v a 5 0 0 k v 变压器平均约1 3 3 万美刃台，国产同规格的也达到1 0 0 0 万刃 台左右。如果一台大型电力变压器在系统中运行时发生事故，则可能导致大面 积停电，而且其检修期一般要半年以上，不但花费巨大，而且影响面很广【2 l 。 变压器的内部故障，按形成的原因和发展的过程，分为有电气回路缺陷构 成的突发性故障和由绕组、铁芯、开关、并联导线绝缘损伤等构成的缓慢发展 的潜伏性故障两大类【3 j 。从变压器结构上来分，故障又可以分为多种，归纳如下。 ( 1 ) 绕组故障 主要是器身中绕组及绝缘物发生故障。表现在各部分绝缘老化，绕组受潮， 绕组层间、匝间、相间、高低压绕组间发生接地、断路、短路、击穿或者烧毁 故障；系统短路造成绕组机械损伤；冲击电流造成绕组机械损伤等。 ( 2 ) 磁路故障 主要是铁芯组件中铁质夹件松动，碰接铁芯；压铁松动引起铁芯振动和噪 声；铁芯接地不良或铁芯烧坏；夹件损伤；铁芯片间绝缘老化；铁芯安装不正 不齐造成空洞声；铁芯片叠装不良造成铁损增加，使铁芯过热等。 ( 3 ) 结构及附件故障 主要有分接头接触不良或错位，造成局部过热；防暴器失灵；气体继电器 失灵或误操作。 一2 一 第一荦绪沦 还有其他的一些故障起因这罩就不一一赘述。 从国内外有关变压器的历年统计资料表明，绕组的松动变形是发生故障较 多的原因之一f 4 拍j 。据不完全统计f 5 】，在1 9 9 0 1 9 9 6 年期间，全国1 1 0 k v 及以上 等级变压器共发生事故4 0 9 台次，事故总容量为3 2 3 0 6 m v a ，其中因短路损坏的 变压器共1 2 4 台次，容量8 4 3 2 6 m v a 。另外，从山东电力研究院统计的1 9 9 0 1 9 9 8 年山东省内变压器事故和缺陷来看，变压器线圈和引线是事故的重点部分1 7 j 。因 短路强度不够引起的变压器损坏事故，已成为变压器事故的首要原因。大型变 压器绕组的稳定性及强度问题一直受到国际电工委员会与国际大电网会议高度 重视，并多次被列为国际大电网会议变压器组的重要议题。我国电力部门与变 压器制造行业对此也非常重视，在“七五一、“八五国家重大技术装备科技攻 关项目中设立了多项研究课题，国家机械工业联合会和国家电力公司组织有关 专家在大量调研分析的基础上编写了“关于预防1 1 0 级以及上变压器短路损坏事 故综合措施的意见，明确提出应从设计、工艺和材料方面采取有效措施来提高 变压器的抗短路能力。 1 3 电力变压器绕组变形故障简介及传统判别方法 变压器绕组变形是指在机械力或电动力作用下，绕组的尺寸或形状发生了 不可逆转的变化l l 。如轴向或径向尺寸的变化、器身位移、绕组扭曲、鼓包和 匝间短路等。 导致变压器绕组产生变形的原因大体上可以归纳为四类： ( 1 ) 制造过程中存在着缺陷或不合理因素。如用来绕制线圈的铜导线棱处的 曲率半径较小，则陡棱容易切断绝缘而导致相邻线匝的直接接触，从而造成线 段的相邻匝闯短路。 ( 2 ) 变压器在运行中不可避免的要遭受各种短路故障的考验，此时的电流幅 度要比额定电流大许多倍，它将在绕组上产生强大的电动力。若变压器结构本 身存在设计不合理的地方，如绕组的局部机械强度不够，或者变压器自振频率 与电动力频率相同导致共振，则短路时必然会引起变压器绕组变形，而变形以 后因不能承受短路冲击的能力减弱而引发更大的变压器故障。 ( 3 ) 在短路过程中，绕组会出现由固有和强迫振荡所构成的复杂振动。预紧 力的量值可能与按短路电流幅值计算的静态力有很大的差别。只有当绕组的固 f ：海交通大学博 ：学位论文 i i_ 有频率与扰动力的频率差异很大时，电动力才与电流的平方成正比。轴向力随 时间的变化的特性及其量值在很大程度上取决于绕组的固有频率，而预紧力的 变化会改变固有频率，如果激励力与绕组固有频率相接近，就有可能出现共振， 导致绕组松弛、垫块错位、铁芯螺栓松动，继而促使绕组发生变形。 ( 4 ) 绕组变形具有累积效应。如果在短路电流作用下，变压器绕组发生了轻 微变形，将导致绝缘性能和机械性能的下降尹如果不能及时检测而继续运行， 在下次短路电流作用下，变压器绕组变形程度再次增加，使其机械性能也随之 再次下降，出现恶性循环。最终使得变压器在后继的不太大的短路电流或过电 压作用下，甚至在正常运行条件下出现损坏。 对于有绕组松动的变压器，当松动未危及绝缘时，油中总烃及各组分含量 保持正常，吊芯检查最简单直观但是却要花费大量的人力、物力、财力。因此， 必须寻求简便的检测变压器绕组变形的方法。 变压器绕组本身可以视作是一个由线性电阻、电感及电容等分布参数构成 的无源线性网络。当绕组发生机械变形时，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，同时也是得该处的漏磁场分布发生 变化，尤其是径向漏磁场。基于这一点，国内外先后提出的可用于检测变压器 绕组变形的主要方法有：短路试验法，低压脉冲法，频率响应法等。 ( 1 ) 短路试验( s c ：s h o r t c i r c u i tt e s t ) 其想法是基于测试绕组中漏感的变化【1 2 1 。测量绕组短路电抗的方法是判断 绕组变形的传统方法，经多年使用，也得到了公认的定量判据，并已列入标准 ( g b l 0 9 4 5 或i e c 7 6 5 ) 中i l 引。意大利多年来把漏抗试验( 用m a x w e l l 电桥) 作为例行预防性试验，每三年做一次。该方法重复性很好，无变形的变压器1 0 - - 2 0 年试验结果相差不到0 2 。当差别达到2 5 时，需增加试验频度并做绝缘检 查；当相差超过5 时，立即停运检查绕组( 1 4 j 。 ( 2 ) 频响分析( f r a ：f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s ) 根据电路的网络理论，变压器绕组可以看做是一个由电阻、电感、电容元 件组成的线性无源二端口网络，其特性在时域上可用单位冲激响应j j i ，或在频 域上用传递函数i i o ) 描述，而n o ) 是h ( o 的傅里叶变换。f r a 法是将稳定 的正弦扫描电压信号施加到被试变压器绕组的一端，同时记录该端和其它端点 上的电压幅值及相角，从而得到该被试绕组的组频响特性，即h o 甜) 。当变压 器绕组发生变形时，相应的h o ) 和h ( o 也会发生某种程度的变化，通过对1 4 0 一4 一 第一荦绪论 甜) 中得到的激励信号波形和响应信号波形进行分析，可以对变压器绕组的状态 作出判断。这种频响分析法最初是由e ed i c k 和c c e r v e n 于1 9 7 8 年引入的【1 5 1 。 经过十年探索，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。 图1 2f r a 法的原理接线图 f i g 1 - 2d i a g r a mf o rf r am e t h o d ( 3 ) 低压脉冲( l v i ：l o wv o l t a g ei m p u l s e ) 当频率超过l k h z 时，变压器的铁芯基本上不起作用，每个绕组均可视为一个 由线性的电阻、电感及电容等分布参数构成的无源线性双端口网络。绕组发生 机械变形后势必会引起网络分布参数的变化，从而使绕组对低压脉冲的响应发 生变化。这样，就有可能由比较绕组对低压脉冲的响应波形来判断绕组是否发生 了变形。l v i 法测试原理接线与f r a 法类似，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。l v i 于1 9 6 6 年由 波兰人wl e c h 等提出1 1 6 1 7 1 ，接着在英国【1 8 l 和美国1 9 2 0 1 得到进一步的改进和完 善，并于1 9 7 2 年列入i e e e 电力变压器短路容量试验导则和测试标准中【2 l l ，目 前的i e c 标准也已列入阎，我国也已将其列入国家标准中f 2 3 】。西安交通大学王 钰博士对f r a 法和l v i 法进行了较全面的研究 2 4 - 2 引，徐大可博士提出并研究了 使用神经网络对f r a 法测试数据进行绕组变形模式识别的技术【2 9 , 3 0 。但由于所 施加的信号包含频率成份很高的脉冲信号，因而引线及接地线的长短及排列位 置、周围接地体的变化都可能会给测试结果带来影响。另外施加于变压器绕组 上的脉冲信号的分散性对测试结果的影响也较大，傅晨钊博士还提出了利用冲 f ：海交通大学博 学位论文 击试验进行绝缘诊吲3 1 1 。 1 4 电力变压器绕组状态的振动分析法研究现状 电力变压器在稳定运行时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁芯振动，线圈在负 载电流下的电场力引起绕组振动。绕组及铁芯的振动通过变压器器身和油传递 到变压器的油箱，引起油箱的振动。变压器箱壁和油压的振荡信号与变压器的 内部结构变化有密切的关系。因此振动分析方法可以作为变压器绕组故障诊断 的途径。除此之外，由于变压器的噪声来自于整体结构的振动，所以对于分析 变压器的噪声特性也有积极的意义。 振动信号分析法与现有的变压器绕组变形测试技术相比，其最大的优点是 通过贴在变压器油箱表面上的传感器来进行在线监测，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，可以安全、可靠地达到在线 监测地目的。 国内外的研究结果表明，变压器( 包括带有气隙的铁芯电抗器) 本体振动的根 源在于【 1 ： ( 1 ) 硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动。所谓磁致伸缩就是铁芯励磁时，沿 磁力线方向硅钢片的尺寸要增加，而垂直于磁力线方向硅钢片的尺寸要缩小， 这种尺寸的变化称为磁致伸缩。磁致伸缩使得铁芯随着励磁频率的变化而周期 性地振动。 ( 2 ) 硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力，从而引起 铁芯的振动。 ( 3 ) 当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起绕组、油箱壁( 包 括磁屏蔽等) 的振动。 ( 1 ) 振动检测方面 上世纪九十年代，通过在线监测变压器油箱表面振动信号来分析判断绕组 及铁芯状况的设想被提出来 3 s - 5 0 1 。目前振动信号分析在线测量法在国际上仅俄 罗斯刚刚进入现场试用，目前已在6 0 多台大型电力变压器上使用。结果证实了 这种方法可适用于各种类型的变压器，不论是自耦变压器还是三相变压器。用 这种方法诊断的结果与1 2 台变压器吊罩监测的结果完全一致，准确率高达8 0 - - , 9 0 。其不足之处在于：未对绕组、铁芯振动特性进行充分的研究，未考虑不 一6 一 第一荦绪论 同类型的变压器由于动力学特性不同导致的振动信号变化规律也不致。 美国、加拿大的b e r l e r 等人结合空载和负载振动信号来消除磁滞伸缩对绕 组振动信号的干扰，以获取基于绕组压紧力的振动相关系数f 4 刀。 最近西班牙的g a r c i a ，b u r g o s 等人，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。绕组的主要振动成 分为1 0 0h 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，并给出变形的告警1 4 3 巧o j 。 国内仅西安交通大学汲胜昌博士采用振动法作了些研究，研究了负载电 流与绕组振动的关系，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【6 0 删。 ( 2 ) 动力学建模方面 国外是从上世纪七八十年代开始研究利用变压器绕组的机械动力学模型诊 断变压器运行状况【5 5 5 羽。但由于变压器本身结构的复杂性，目前有关变压器绕 组振动特性的研究多采用一些简单的弹簧一质量模型，对于轴向力作用下预紧 力发生变化后的绕组振动性能的变化和识别预测等缺乏深入、系统的研究。国 内主要有中国电力研究院的王洪方博士对绝缘垫块的非线性特性做了一些工作 【5 1 1 。而对将器身作为一个整体进行动力学结构分析的，目前还未见发表。 因此，本课题的目的，是通过深入的理论分析和试验研究，建立较完善的 变压器系统动力学分析模型，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，从而为变压器绕组松动诊断和预报系统的研究打下理论 基础。 1 5 本文研究的主要工作 第章绪论 主要介绍当前对变压器绕组变形所采用的主要检测手段和诊断方法和不足 之处。通过对近年来国内外大量变压器故障诊断文献归纳分析，总结了故障诊 断技术的发展与研究现状，对故障诊断技术的主要方法及其存在问题进行了概 括，并提出本文的主要思想为利用动力学建模对箱壁振动进行分析的方法。 第二章变压器振动机理分析 卜海交通人学博f j 学位论文 故障诊断应从了解变压器振动源的特性开始。本章对绕组和铁芯中可能产 生的振动激励力进行了分析，并讨论了不同激励力的传播途径。 第三章变压器有限元参数识别 首先建立了一个弹簧一质量系统的绕组模型，以便于分析绕组的振动特性以 及影响因素，然后从机械动力学角度入手建立绕组和铁芯的有限元动力学模型， 以提供参数识别的仿真平台。 第四章振动试验及绕组铁芯弹性模量识别 绕组和铁芯的有限元参数识别依赖于准确的结构动态试验。在前一章建立了 结构的参数识别方法并使用a n s y s 构建了铁芯和绕组的有限元模型基础上，本 章主要研究通过铁芯的振动试验和不同压紧力下绕组的振动试验来进行有限元 参数识别。 第五章器身动态特性分析 为了研究变压器的振动特性，进行了绕组处于不同预紧力下，变压器器身的 激振试验。其目的是为了验证参数修正后有限元模型的正确性以及改变绕组预 紧力对器身振动特性的影响。 第六章短路状态下振动监测的信号分析 短路条件下，变压器的激励力主要为加在绕组上的电动力，通过变压器油和 刚性连接件传递给箱壁。调整变压器的绕组预紧力状况，通过监测箱壁振动信 号和油压信号来研究变压器在不同的绕组状态时的振动特性。 第七章变压器负载振动灵敏度监测法研究 从变压器在线监测的角度，提出了负载振动灵敏度检测法，并通过负载和空 载试验和对振动信号处理分析研究该方法的可行性。 第八章研究结果及展望 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， 并预计了今后的研究目标。 1 6 创新点 为开展大型变压器绕组状态监测研究，本文以一台容量为5 0 0 k v a ，原副边 电压比为1 0 k v 4 0 0 v 的模拟大型电力变压器的试验变压器，探求大型电力变压 器内部绕组变形和箱壁振动及箱内油压信号的关系，取得了以下几项创新性成 一8 一 第一帝绪论 果： 1 ) 提出了采用有限元分析和振动试验相结合的方法对变压器绕组和铁芯动 力学特性参数进行识别，此方法相比静力学测试方法更为精确，可操作性更强； 2 ) 对三相变压器进行三维有限元机械建模，从理论上揭示了绕组预紧力的 改变会导致箱壁振动量发生变化； 3 ) 通过系统的试验，发现副边短路时，箱壁上l o o h z 的振动最为明显，且 振动量与负载电流的平方成正比，试验表明，预紧力变化时，l o o h z 振动量的变 化规律和理论计算的结果一致，可作为绕组状态监测的特征量；通过突发短路 试验表明其变化规律也可用于突发短路时绕组状态的在线监测； 4 ) 提出了负载振动灵敏度法，通过对变压器负载变化时的两次采样，实现 绕组预紧力判断和预警。 f ：海交通人学博f j 学佗论丈 第二章变压器振动机理分析 早在本世纪2 0 年代前后，欧美一些国家就已经对变压器的振动噪声进行了 大量的试验研究工作。据1 9 6 8 年出版的i e e ec o m m i t t e er e p o r t 统计，1 9 3 0 - 、, 1 9 6 6 期间，各国共有4 2 1 篇关于变压器振动噪声的论文和9 0 件关于变压器振动噪声 的专利问世。1 9 6 6 年以来发表的有关变压器振动和噪声方面的研究报告和专利 文献就更多了。 我国对变压器振动的试验研究工作，要比欧美一些发达国家晚得多。直到 1 9 8 0 年前后，国内一些变压器制造厂才陆续开展这方面的研究工作。对于变压 器的振动特性，目前所作的研究大多仅限于当变压器发生短路事故时暂态振动 特性。对于变压器的稳态运行时的研究还很少，所以研究变压器振动的起因与 传递是非常重要的。 2 1 变压器振动的传播途径 变压器的振动主要是由绕组和铁芯引起的，通过不同路径传递到变压器箱 壁上，所以监测箱壁振动的变化可以反映变压器内部结构的变化。绕组的振动 主要通过变压器的绝缘油以及通过和铁芯的紧固件传至箱壁的；铁芯的振动是 通过两条途径传递给油箱的，一条是固体传播途径一通过其与基座之间的紧固 件传至箱壁；另一条是通过绝缘油传递到箱壁上，如图2 1 所示。 通过绕组的振动传递途径的分析，可以看出变压器的振动表现在两个方面： 一个是箱壁上的振动，通过刚性连接传递和绝缘油传递，二是绕组和铁芯引起 的油压振荡。 本研究对象模型变压器没有装配其它的外围设备，如常见的大型变压器的 风扇、油泵，其本身也会产生振动，但是研究表明其振动的频谱在1 0 0 h z 以下， 明显低于电磁激励力的工作频率。 第二章变压器振动机理分析 图2 - 1 变压器振动传递途径 f i g 2 - 1v i b r a t i o nt r a n s f e rp a t ho nt r a n s f o r m e r 2 2 绕组振动源分析 变压器线圈的载流导体处在漏磁场中，在这些导体上作用着电动力。电动 力在变压器线圈中产生机械振动，并传递到变压器结构的其他部件上。在变压 器短路时，包括副边短路和原边短路，电动力为变压器振动的主要激励力。 变压器绕组是由绝缘垫块隔开的铜线饼所构成的。因为绝缘垫块的刚度是 与预紧力有关，因此系统在短路过程中的动态特性是变化的。一旦绕组的频率 特性与电动力激励力频率相近甚至重合，则会发生比较强烈的共振。 在大型变压器中，当短路电抗局远大于短路等效电阻如时，变压器短路电 流为： = 风m 一加s 卅 ， 式中，r 川路电流衰减时间常数，丁= 惫 厶变压器短路漏电感，厶= 鱼 ：海交通人学博l j 学位论文 ii ii 乞稳态短路电流有效值，气= u 变压器绕组端电压有效值 乙变压器短路阻抗 刃电流工频角频率 目前已有各种计算变压器短路电流漏磁场的方法，需着重指出的是，漏磁 场的大小不仅是一个时变函数，而且在短路过程中随绕组的振动、导线位置的 变化，漏磁场在空间的分布也是时变的。此外，单元的剖分及数值的处理，只 有将离散的磁场值转化为每根导线位置的连续分布函数，才有可能计算每根导 线的受力状况。从理论上讲，在漏磁场计算域存在铁磁物质的情况下，应该用 不同的电流值计算相应时刻的漏磁场和电磁力。但由于短路时铁磁材料中的磁 密值一般远低于其磁化曲线饱和点，且计算电磁力用的磁通密度是处于非铁磁 区的导线位置处的值，故在漏磁场计算中，先根据短路电流稳态值按静场计算 相应的漏磁密肋，在后续磁场计算中，仅用肋值乘上电流随时问变化的系数来 得到相应时刻磁密值，即： w t - - 风h 廿c o s 司 。2 咽 在计算中认为各种饼式绕组的并联导线完全换位，从而短路电流在各翌线 中均匀分布。利用上面求得的各导线处的磁密厨，根据各导线中的短路电流以砂， 即- j - 求得各导线的短路电磁力( 轴向或辐向) 之值： 歹0 、) = i d 0 、b t 2 旅 = 4 x 矾b o 吉+ e x p ( 一2 x 手) 一2 e 歧一舌) c 。s 砑+ 三1c 。s 2 刃) 。2 3 ， 式中，占厂与短路电流稳态值如对应的磁密值； 卜各导线圆环半径。 在短路电磁力作用下，变压器绕组机械失效形式一般有如下几种： ( 1 ) 外绕组受拉伸和弯曲的联合作用而产生过大变形，导致匝绝缘断裂或导 线强度破坏； ( 2 ) 内绕组受压缩和弯曲联合作用，使导线强度破坏； ( 3 ) 内绕组在辐向载荷作用下丧失稳定性； 第一：帚变振器振动秽l 理分析 “) 在轴向电磁力作用下引起的结构件破坏或线饼倒塌。 已经有很多文献对绕组的辐向机械强度进行了计算，但从故障诊断的角度 来看，由于外绕组的轴向振动对线饼之间的变压器油有一个向外喷射作用，同 时轴向振动还可以通过铁芯传递到变压器箱壁，因此本论文考虑的重点为轴向 振动。 2 3 铁芯振动源分析 变压器本体的振动除了由于绕组在电动力作用下产生的振动之外，还有铁 芯的振动。铁芯磁路中分布着正弦交变的电磁场，其作用在铁芯磁性材料( 硅钢 片) 上的磁场力将诱发硅钢片发生振动。大量的研究结果表明，磁致伸缩现象和 片中的涡流是导致硅钢片发生振动的主要原因。基于简化的励磁模型，线性、 各向同性的铁磁介质所受的磁场力体积力密度为： 7 r ：j b 一! 日2 v t + 三v f 胃2 f 塑1。 2 2 l af(2-4) 式中，厂磁场力体积力密度矢量； - 厂电流密度矢量； 丑磁感应强度矢量； 日- 磁场强度； p 价质的磁导率； r 喻质的体积密度。 式( 2 4 ) 中的第1 项为洛仑兹力，第3 项用来表征磁致伸缩现象。 实验验证推导铁磁质中的磁场力公式时必须充分考虑介质相邻粒子间的内 应力，即介质内部分子场的作用。由于铁芯叠压方式的改进，再加上铁芯柱和 铁轭采用无纬环氧玻璃粘带绑扎，使硅钢片接缝处和叠片闯的电磁力引起的振 动很小。因此在铁芯压紧足够、硅钢片结合足够紧密的情况下可以认为，铁芯 的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩。磁致伸缩是铁芯励磁时，沿磁力线方向 硅钢片的尺寸增加，而垂直于磁力线方向的尺寸减小的现象。磁致伸缩的变化 周期为电源电流周期的一半，故磁致伸缩引起铁芯振动的基频为两倍的电源频 率。因铁芯磁致伸缩的非线性以及沿铁芯内框和外框的磁通路径长短不同等原 因，铁芯振动与绕组振动有所不同，铁芯除了基频信号之外，还包括高次谐波 成分。磁致伸缩起源于自旋体系与品格相互作用的磁一弹性能量，所导致的磁 性单晶尺寸对磁化强度矢量取向的关系。也就是说，铁磁晶体在外磁场中被磁 化时，其长度与体积均发生变化，从而造成的变压器的振动。从式( 1 ) 可知，表征 磁致伸缩现象的磁场力表达式为： c 守1 ( 胁警 可见要想求出尼首先须求出f ，也就是介质的磁导率随介质的体积密 度变化的规律。磁致伸缩现象通常用磁致伸缩率来表征，其表达式为( 以j 方向 为例) ： 铲& 以l 式中，q 为x 方向磁致伸缩率( 无量纲) ； 片x 方向最大变形量。 ( 2 6 ) & 为硅钢片x 方向尺寸；厶乓为硅钢 分析变压器振动的起因以及影响铁芯磁致伸缩的因素，有以下几种情况可 能的导致变压器铁芯的振动信号发生变化： ( 1 ) 当紧固螺母发生松动或者绝缘垫块产生位移、变形和破损，铁芯轴向压 紧变松，硅钢片发生松动时，硅钢片之间的电磁吸引力增大，引起铁芯的振动 加剧。 ( 2 ) 硅钢片的自重使铁芯发生弯曲变形，硅钢片之间接缝处和叠片之间的漏 磁变大，导致了硅钢片之间的电磁吸引力变大，于是铁芯的振动变大。 ( 3 ) 当铁芯存在多点接地的故障时，硅钢片变热，会引起磁致伸缩导致铁芯 振动变大。 ( 4 ) 当铁芯固有频率与磁致伸缩振动的频率接近时，会因铁芯共振导致变压 器器身的振动骤增。为避免铁芯共振，在设计变压器时应使铁芯固有频率避开 磁致伸缩引起的基频及二、三、四次谐振频率。 ( 5 ) 当铁芯组件存在缺陷、毛刺时，铁芯的振动加剧。 ( 6 ) 当硅钢片振动破坏了其表面的绝缘涂层，硅钢片的表面张力减小，从而 磁致伸缩引起的铁芯振动变大；当绝缘层破坏严重，导致铁芯多点接地故障时， 铁芯振动进一步增大。 第一二章变压器振动机列分析 2 4 小结 本章分析了变压器振动的起因以及变压器振动的传播途径，变压器主要有 两个振动源，绕组和铁芯。绕组上产生的主要为电动力，铁芯上产生的力主要 为磁致伸缩力和洛仑兹力。在副边短路与原边短路时，主要是绕组上的电动力 在起作用，在空载或负载工作时，铁芯上的磁致伸缩力和绕组电动力共同起作 用。因此如果要识别绕组上的预紧力，最好的方案是分离铁芯和绕组上的振动 力，或者进一步分析电动力和磁致伸缩力在频域分布上的差异。 ：海交通人学博l 学位论文 第三章变压器有限元参数识别 绕组轴向振动特性的研究始于7 0 年代初，此后一直为各国学者所关注。绕 组轴向位错或高度不等造成安匝不平衡时在短路电动力的作用下产生轴向振 动，绕组线饼向绕组中心偏移有可能造成绕组端圈压力为零或绕组中绝缘垫块 压力过大的现象，导致绕组轴向失稳，这种情况是不允许的，因此有必要对此 进行深入的分析。 由于变压器结构中绕组线匝结构较复杂，以往的研究大多对绕组的力学模 型作了较大程度的简化，且对获取绝缘垫块刚度采取的皆为静力学试验的方法。 但由于线圈的支撑除了垫块，还有撑条和线圈与线圈之间的转接铜线等，纯粹 用静力学方法很难准确测试线圈的支撑刚度。 本章对一台容量为5 0 0 k v a ，原副边电压比为1 0 k v 4 0 0 v ，绕组为y 接 法的模拟大型电力变压器，基于振动传递函数的灵敏度分析，提出了对其绕组 和铁芯的有限元模型进行修正的方法，以期得到能准确反映实际绕组铁芯振动 的有限元参数。 3 1 绕组振动的受力分析与简化数学模型 在前一章已经讨论了绕组在电磁场中简单的受力分析。 上的电磁力( 电动力) 与电流的平方成正比。 f ：所2 在电力变压器稳定运行时的电流为： i = i mc o s 作用在变压器绕组 ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 式中，0 - 9 为变压器工作频率。