（精密仪器及机械专业论文）基于振动信号分析方法的电力变压器状态监测与故障诊断研究.pdf

摘要 摘要 振动信号分析方法是一种通过测量和分析变压器箱体表面的振动信号来诊 断变压器状态的技术，是对传统电参量监测方法的有力补充。本文以振动信号分 析方法作为研究手段，以变压器绕组和铁芯作为研究对象，通过理论分析和试验 验证相互结合的方式，对绕组和铁芯正常工作和故障运行时的振动特性进行研 究。研究的主要内容包括：绕组和铁芯的受力情况，绕组变形和铁芯压紧状况对 其振动的影响，如何准确采集变压器箱体表面的振动信号，箱体表面传感器位置 的选择，变压器箱体振动与加载电压和负载电流之间的关系，如何建立箱体振动 预测模型，振动预测模型的可扩展性问题，箱体振动信号的特征表示和提取问题 等。 围绕上述研究内容，本论文开展的主要研究工作和得出的结论如下所述： 介绍了国内外电力变压器监测与诊断方法的研究现状，重点分析了振动分析 方法存在的不足：振动信号特征提取方法存在缺陷，振动预测有限元模型难以准 确建立。 论文研究了变压器振动的构成和传播途径，建立了绕组振动的等效数学模型， 进行了受力分析，得到绕组振动与绕组压紧状况之间的关系，即绕组位移和变形 引起其压紧力变小，引起绕组振动增大；研究引起铁芯振动的磁致伸缩现象及其 影响因素。 描述了振动在线监测平台的设计，包括振动传感器的选择、安装，硬件的设 计，软件的实现，以及在数据采集时需考虑的干扰问题和相应的抗干扰措施等； 对试验用单相变压器和三相电力变压器进行了振动测试，结果显示该振动测试平 台满足在线监测的要求；针对三相变压器，进行了油箱表面测点选择的试验研究。 此外，研究了不同时刻负载电流的变化规律。 论文根据变压器本体振动产生、传递的机理，以加载电压和负载电流为输入 变量，结合机械振动理论，建立了变压器箱体振动预测模型；借助非负线性最小 二乘法完成对单相变压器箱体振动模型的参数辨识；利用振动模型预测了某负载 和加载电压下的箱体振动，与实测信号进行了比较分析；人为设置了绕组变形故 障，利用振动模型进行了初步故障诊断，结果验证了模型的有效性。从振动模型 的理论分析基础、输入变量的获取等角度，分析了振动预测模型从单相变压器扩 展到三相电力变压器的可行性；结合单相变压器和三相变压器结构方面的异同 点，对模型扩展需要考虑的问题进行了探讨，包括温度、有载调压分接开关、冷 却方式以及模型时效性等。 摘要 总结分析了小波包分析( w p t ) 在铁芯压紧状况检测中的应用情况及存在的 不足；重点针对变压器空载条件下箱体振动( 铁芯振动) 信号的特点，通过仿真信 号进行验证、分析希尔伯特黄变换( h i - i t ) 在处理箱体振动信号时出现的问题；据 此，提出一种基于小波包变换和希尔伯特黄变换的时间一尺度一频率分析方法。通 过计算重构信号与原振动信号之间的平均误差和残差百分比选择合适的小波母 函数，利用相关度阈值方法筛选与原信号有更强相关性的频带，借助h h t 对小 波包处理过的信号进行时间频率域内的特征表示，将结果与相关文献中的方法 进行了比较。利用该方法对铁芯压紧松动故障进行分析和诊断，验证了该方法的 有效性。 本文得到安徽省自然科学基金资助( n o0 7 0 4 1 4 1 5 3 ) 。 关键词：电力变压器振动分析绕组铁芯振动预测模型小波包变换希 尔伯特黄变换 a b s t r a c t a b s t r a c t v i b r a t i o na n a l y s i sm e t h o di st h et e c h n i q u et od i a g n o s et h ec o n d i t i o n so fp o w e r t r a n s f o r m e rb ym e a s u r i n ga n da n a l y z i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l so fi t st a n k ，a n di ti sa g o o ds u p p l e m e n tf o rt r a d i t i o n a lm e t h o d sb a s e do ne l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t i nt h i s p a p e r , v i b r a t i o na n a l y s i sm e t h o di sa d o p t e da n dt r a n s f o r m e r sc o r ea n dw i n d i n ga r e t a k e na sr e s e a r c ho b j e c t s ，t h e i rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rn o r m a la n du n h e a l t h y s t a t u sa r es t u d i e sb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n t h er e s e a r c h e sr e f e rt ot h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h ef o r c ea n a l y s i sf o rc o r ea n dw i n d i n g ， t h ei n f l u e n c eo nt h e i rv i b r a t i o np e r f o r m a n c e sb e c a u s eo fw i n d i n gd e f o r m a t i o na n d c o r ec o m p r e s s i o nc o n d i t i o n ，h o wt oa c c u r a t e l yc o l l e c tt h ev i b r a t i o ns i g n a l sf r o mt h e s u r f a c eo fp o w e rt r a n s f o r m e rt a n k ，t h es e l e c t i o no fo p t i m a lp o s i t i o no fv i b r a t i o n s e n s o r s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nv i b r a t i o ns i g n a l sa n da p p l i e dv o l t a g ea sw e l la sl o a d c u r r e n t ，h o wt ob u i l du pv i b r a t i o np r e d i c t i o nm o d e l ，t h ee x p a n s i b i l i t yo fv i b r a t i o n m o d e l ，f e a t u r e sd e n o t a t i o na n de x t r a c t i o nf o rt a n kv i b r a t i o ns i g n a l s ，e r e t h er e s e a r c hi sc o n d u c t e di no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s t h em a i nw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w ： t h er e s e a r c hs t a t u so fm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm e t h o d sf o rp o w e rt r a n s f o r m e r a th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d t h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g si nv i b r a t i o na n a l y s i s m e t h o da r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y f e a t u r e se x t r a c t i o nm e t h o d sf o rv i b r a t i o ns i g n a l s n e e dt ob ec o r r e c t e da n di m p r o v e d b e s i d e s ，c u r r e n tv i b r a t i o np r e d i c t i o nm o d e l s ， w h i c ha r em o s t l yb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a r ec o m p l i c a t e dt ob u i l du p a c c u r a t e l y t h ec o n s t r u c t i o na n dt r a n s m i s s i o nr o u t ea r es t u d i e sf i r s t l y t h ee q u i v a l e n t m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ew i n d i n gv i b r a t i o ni sp r o p o s e da n df o r c ea n a l y s i si s c o n d u c t e d o nt h eb a s i so ff o r c ea n a l y s i s r e s u l t s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nw i n d i n g v i b r a t i o na n dc o m p r e s s i o ns i t u a t i o ni si n v e s t i g a t e di nt h e o r y w h e nt h ec o m p r e s s i o n i sd e g e n e r a t et h ew i n d i n gv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nw i l le n l a r g e o nt h eo t h e rh a n d , t h e p r i n c i p l eo f c o r em a g n e t o s t r i c t i o na n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ep r e s e n t e d t h ed e s i g n p r o c e s s o fo n - l i n e m o n i t o r i n gp l a t f o r m b a s e do nv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e d ，s u c ha st h es e l e c t i o na n df i x a t i o no fv i b r a t i o ns e n s o r s ，t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 硒w e l la sa n t i i n t e r f e r e n c et r e a t m e n t b yu s i n gt h em e a s u r i n gp l a t f o r m ，t h et a n kv i b r a t i o ns i g n a l s a l ep i c k e du po nt h e i l l a b s t r a c t s u r f a c e so fas i n g l e - p h a s et r a n s f o r m e ra n dat h r e e p h a s eo n e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep l a t f o r mc a nf u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t sf o rm o n i t o r i n gt h ec o r ea n dw i n d i n g c o n d i t i o n so fp o w e rt r a n s f o r m e r t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m a lp o s i t i o nf o rv i b r a t i o n s e n s o r sa r ec a r r i e do u to nt h et h r e e - p h a s et r a n s f o r m e r b e s i d e s ，t h ec h a n g i n gl a wo f l o a dc u r r e n ta td i f f e r e n tt i m ei st r a c e d a c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l e so fg e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o no ft r a n s f o r m e r v i b r a t i o n ，t h et a n kv i b r a t i o np r e d i c t i o nm o d e li sp r o p o s e du s i n gm e c h a n i c a lv i b r a t i o n t h e o r y t h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o ni sc o m p l e t e db yn o n n e g a t i v el i n e a rl e a s ts q u a r e m e t h o d , a n dt h e nt h ev i b r a t i o nm o d e li su t i l i z e dt op r e d i c tt h et a n kv i b r a t i o nu n d e r d i f f e r e n tl o a da n da p p l i e dv o l t a g ew h i l et h ep r e d i c t i o nv a l u ei sp r o v e dt oc o i n c i d e w i t ht h em e a s u r e do n e t h em o d e li s a d o p t e dt od e t e c tt h es i m u l a t i o nw i n d i n g d e f o r m a t i o nf a u l t , a n dt h er e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l c o n s i d e r i n gt h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n da c q u i s i t i o no fi n p u tv a r i a b l e st h ef e a s i b i l i t yo fe x p a n s i b i l i t yo f t a n kv i b r a t i o np r e d i c t i o nm o d e l ，i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，o n 1 0 a d t a p c h a n g e r sv i b r a t i o na sw e l la st i m e l i n e s so fm o d e l ，i si n v e s t i g a t e d t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e tp a c k e t st r a n s f o r m ( w p t ) t om o n i t o rt h ec o r e c o m p r e s s i o nc o n d i t i o ni ss u m m a r i z e d ，w h i i et h ep r i n c i p a ls h o r t a g e sa r ea n a l y z e da n d p o i n t e do u t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o r ev i b r a t i o ns i g n a las i m u l a t i o n s i g n a li s c o n s t r u c t e df o ra n a l y z i n gt h ei n t r i n s i cs h o r t c o m i n g so fh i l b e r t - h u a n g t r a n s f o r m ( h h t ) t op r o c e s st a n kv i b r a t i o ns i g n a l s i no r d e rt om a k eu s eo ft h e a d v a n t a g e sa n do v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so fw p ta n dh h t , at i m e s c a l e f r e q u e n c y a n a l y s i sm e t h o di sd e v e l o p e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w ot e c h n i q u e s i n t h i sm e t h o d ，t h ea p p r o p r i a t em o t h e rw a v e l e ti se s t a b l i s h e d b yc a l c u l a t i n ga n d q u a n t i f y i n gt h em e a ne l l o r ( m e ) a n dt h ep e r c e n tr e s i d u a ld i f f e r e n c e ( p l ) b e t w e e n o r i g i n a ls i g n a l sa n dr e c o n s t r u c t e do n e s ，a n dt h e nt h ed e s i r a b l ew a v e l e tp a c k e tn o d e s c o r r e s p o n d i n gt oc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yb a n d so fp o w e rt r a n s f o r m e ra r es e l e c t e d t h r o u g ha c o r r e l a t i o nd e g r e et h r e s h o l ds c r e e n i n g ( c d t s ) t e c h n i q u e ，f i n a l l yh h ti s c a r r i e do u tt oe x t r a c tt h ev i b r a t i o nf e a t u r e si nt i m e f r e q u e n c yd o m a i n t h ep r o p o s e d m e t h o di su s e df o ra n a l y z i n ga n dd i a g n o s i n gt h ec o r ec o m p r e s s i o na n dl o o s e n i n g f a u l t s c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t su s i n gt h em e t h o d si nr e l a t e dr e f e r e n c e s ，t h ef e a t u r e s o b t a i n e db yt h ep r o p o s e dm e t h o dr e v e a lc l e a r e rc o n d i t i o np a r e r no ft h et r a n s f o r m e r , w h i c hs h o w st h ep o t e n t i a lo ft h i sm e t h o di nc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fp o w e r t r a n s f o r m e r i v a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hi ss p o n s o r e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fa n h u ip r o v i n c e ( n o 0 7 0 41 4 15 3 ) k e yw o r d s ：p o w e rt r a n s f o r m e r , v i b r a t i o na n a l y s i s ，w i n d i n g ，c o r e ，v i b r a t i o n p r e d i c t i o nm o d e l ，w a v e l e tp a c k e t st r a n s f o r m ( w p t ) ，h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ( h h t ) v 插图 插图 图1 - 1 装有有载调压分接开关的变压器故障分布的百分比情况4 图1 - 2 南非上世纪9 0 年代的变压器故障统计数据4 图1 3 服役1 5 年至2 5 年之间的变压器故障原因分布5 图1 4 短路阻抗法的原理示意图7 图1 5 短路阻抗法发现的绕组故障8 图1 - 6 频响分析法的测试原理示意图9 图1 7 频响分析法的分析原理示意图1 0 图1 8 变压器绕组的集中参数模型原理图1 2 图1 - 9 变压器油气含量变化趋势1 3 图1 1 0 变压器铁芯上轭的紧固螺栓被严重烧伤1 4 图1 - 11 论文章节安排1 8 图2 - 1 变压器振动来源及传播途径示意图：2 0 图2 - 2 绕组中某一个线饼的粘弹性动力学模型2 2 图2 - 3 变压器绕组等效弹簧一质量力学模型2 3 图2 - 4 变压器绕组绝缘垫块的应力一应变图。2 8 图2 5 变压器绕组剐度系数与绕组压紧力的关系图2 9 图3 - 1i c p6 0 1 a 0 1 振动加速度传感器”3 6 图3 - 2 振动加速度传感器安装位置示意图3 6 图3 - 3 电流传感器的安装位置“3 7 图3 - 4 电力变压器振动测试系统示意图一3 7 图3 - 5 振动信号放大电路和传感器供电电路3 8 图3 - 6 数据采集界面3 9 图3 - 7 自动采集的时间设置界面。3 9 图3 8 处理后的传感器外形4 0 x 插图 图3 - 9 单相试验变压器箱体振动信号及频谱图4 0 图3 - 1 0 相油箱侧面上不同水平位置处的振动加速度信号波形及频谱图4 2 图3 - 11b 相油箱侧面上不同水平位置处的振动加速度信号波形及频谱图4 3 图3 - 1 2c 相油箱侧面上不同水平位置处的振动加速度信号波形及频谱图4 3 图3 - 1 3 绕组受力示意图4 4 图3 - 1 4 某日2 0 ：0 0 时刻a 相和a 相的油箱侧面上的振动加速度信号及频谱图4 5 图3 - 1 5 某日0 2 ：o o 时刻a 相和a 相的油箱侧面上的振动加速度信号及频谱图4 5 图3 ： - 1 6 不同相别靠近低压套管一侧的油箱侧面的振动信号及频谱图4 7 图3 - 1 7 不同时刻的负载电流变化曲线4 7 图4 - 1 绕组受力分布示意图“5 0 图4 - 2 铁芯磁致伸缩形变随磁通密度变化曲线5l 图4 - 3 单相变压器箱体振动试验测试系统示意图5 4 图4 - 4 低压侧短路时箱体表面的振动信号及频谱图5 5 图4 - 5 低压侧短路时箱体振动信号基频分量幅值与负载电流的关系曲线5 5 图4 - 6 低压侧空载情况时不同加载电压下箱体振动信号的频谱图5 6 图4 - 7 空载时箱体振动信号基频分量与加载电压的关系曲线5 7 图4 - 8 模型参数辨识阶段箱体振动信号基频分量幅值的实测值和计算值比较5 9 图4 - 9 模型参数辨识阶段箱体振动基频分量的实测值和计算值误差曲线图6 0 图4 一l o 模拟绕组变形故障后振动实铡值与模型计算值比较6 1 图5 - 1 小波包的函数空间分析6 6 图5 - 2 小波包分解结构图一6 7 图5 - 3 “d b 2 0 ”小波包变换后各频带信号的频谱图6 9 图5 - 4 “b i o r 3 7 ”小波包交换后各频带信号的频谱图7 0 图5 5 模拟信号的时域波形和s h i l b e r t 变换得到的瞬时频率7 3 图5 6 仿真信号经e m d 分解盾得到的蹦f s 和残余信号7 4 图5 7 仿真信号前两阶i m f s 的时域波形及频谱图7 5 图5 8 时间一尺度一频率分析方法实现框图一一7 7 图5 - 9 空载状况变压器箱体表面测得的时域振动信号及频谱圈7 8 插图 图5 1 06 种小波基函数下，小波包低频重构信号与原振动信号的平均误差值7 9 图5 - 1 16 种小波基函数下，小波包低频重构信号与原振动信号的7 9 图5 - 1 2m c ye ：r t , 波的时域波形和频域波形8 0 图5 一1 3 各频带对应的重构信号与原振动信号间的相关系数值及相关度阈值：8 l 图5 - 1 4e m d 分解结果8 2 图5 - 1 5 本文提出的时间一尺度一频率方法得到的h i l b e r t - - - 维谱图”8 3 图5 - 1 6 根据相关文献中描述的方法得到的h i l b e r t 三维谱图8 3 图5 一1 7 铁芯压紧正常和松动故障时箱体振动加速度信号8 4 图5 一1 8 铁芯压紧松动时，由时间一尺度一频率方法获得的三维希尔伯特谱图8 5 表格 表格 表1 1 电力变压器故障的典型原因分类2 表3 - 1 压电加速度传感器i c p6 0 1 a 0 1 的参数列表3 5 表3 - 2s 7 8 0 0 变压器额定电压额定电流参数4 l 表3 3s 7 8 0 0 变压器的其它参数4 l 表4 - 1 模型参数辨识结果5 9 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 2 0 0 9 年11 月5 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的关键基础 产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点 和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。与社会 经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家经济安全的战略大问 题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。随着我国经济的发展，对电的 需求量不断扩大，2 0 0 6 年全社会用电量达到2 8 2 4 8 亿千瓦时，同比增长1 4 0 ，6 ， 增幅比2 0 0 5 年上升0 4 个百分点。与此同时，电网容量也在不断增大。截止2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，同比增长2 0 3 。全国2 2 0 千伏及 以上输电线路回路长度达到2 8 1 5 万公里，同比增长1 0 4 ，2 2 0 千伏及以上变 电设备容量达到9 8 1 3 1 万千伏安，同比增长1 5 7 。“十一五”期间，我国将迎 来电网建设的新高潮。到2 0 1 0 年，国家电网在跨区域电网建设方面，交流特高 压输电线路建设规模将达到4 2 0 0 千米，变电容量达到3 9 0 0 万千伏安，跨区送电 能力达到7 0 0 0 万千瓦；在城乡电网建设方面，2 2 0 千伏及以上交直流输电线路 要超过3 4 万千米，交流变电容量超过1 3 亿千伏安。随着电网容量的增大，尤 其在特殊时期，例如2 0 0 8 年年初的那场波及大半个中国五十年一遇的特大雪灾， 又如举世关注的2 0 0 8 北京奥林匹克夏季运动会，对电力系统的安全运行和供电 可靠性提出了更高的要求。 在电力系统的各种设备中，电力变压器作为上游关键设备，承担着电压变换， 电能分配和传输，并提供电力服务，是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行 的重要保证。尽管变压器的生产质量不断提高，但由于变压器长期运行，故障和 事故总不可能完全避免。国外有统计显示幢1 ，运行时间在4 年以上的变压器，平 均每1 0 0 台中大约有2 6 台会存在不同的故障。另外根据某省电力部门统计，仅 在2 0 0 1 年度内，5 0 0 k v 变压器运行数量7 8 台，发生事故和障碍4 台，故障率5 1 ； 2 2 0 k v 变压器运行台数2 5 1 台，发生事故和障碍1 台，故障率0 4 ； il o k v 变压 器运行台数1 2 2 9 台，发生事故和障碍6 台，故障率0 4 9 阳j 1 。这些发生故障的 变压器中，既有国内产品，也有进口产品，这说明电力变压器在运行过程中，受 各种过电压，大电流的冲击影响，巨大电磁力导致的绕组铁芯等部件的松动，伴 随绝缘老化、劣化，必然会引起一些故障的出现，单就其本身价格来讲，进口的 2 5 0 m v a 5 0 0 k v 电力变压器平均价格约1 3 3 万美元台，国产同规格的也达到1 0 0 0 第l 章绪论 万元台左右哺1 。 变压器发生故障，本身损坏仅仅是- , b 部分损失，更大的损失是间接损失， 由于变压器处于设备链的上游，一旦出现变压器故障，造成的间接危害是无法估 算的：炼钢高炉断电会导致钢水在炉内固化，引起整个高炉报废；医院停电会使 得手术中断，病人生命受到威胁；民航中断、铁路中断、通讯等各行各业都将受 到严重的冲击。因此，开展电力变压器在线监测与诊断关键技术的研究有着十分 重要的意义。 1 2 电力变压器状态监测与诊断技术研究的主要内容概述 电力变压器的故障常被分为内部故障和外部故障两种“1 ，归纳如表1 1 电力 变压器故障的典型原因分类所示： 表1 1 电力变压器故障的典型原因分类 内部故障( i n t e r n a lf a i l u r e s )外部故障( e x t e r n a lf a i l u r e s ) 绕组和铁芯压紧的松动 雷击( l i g h t e n i n gs t r i k e s ) ( l o s so fw i n d i n g & c o r ec l a m p i n g ) 绕组谐振( w i n d i n gr e s o n a n c e ) 系统切换误操作( s y s t e ms w i t c h i n go p e r a t i o n s ) 过热( o v e r h e a t i n g )系统过载( s y s t e mo v e r l o a d ) 绝缘退化( i n s u l a t i o nd e t e r i o r a t i o n )系统故障如短路( s y s t e mf a u l t s ，s h o r tc i r c u i t ) 氧化( o x y g e n ) 受潮( m o i s t u r e ) 绝缘油的固态污染 ( s o l i dc o n t a m i n a t i o ni nt h ei n s u l t i n go i l ) 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ) 设计和制造缺陷 ( d e s i g n & m a n u f a c t u r ed e f e c t s ) 外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要 类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生的接地( 通过外壳) 短路，引出线之间发生相 间故障等而引起变压器内部故障或绕组变形等。 内部故障为变压器油箱内发生的各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发 生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的 接地故障等。由于变压器故障涉及而较广，具体类型的划分方式较多，若从变压 器的主体结构划分，习惯上可分为绕组故障、铁芯故障、分接开关故障和其它附 件故障。概括如下： 2 第1 章绪论 ( 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 ) 铁芯故障 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 ) 分接开关故障 主要包括机械故障和电气故障。分接开关机械故障指因自然磨损、异常磨损、 运转失效、机械疲劳损坏或经受外力作用所导致的部件损坏；分接开关电气故障 包括由短路电流引起的电弧熔蚀、由于分接头接触不良或错位引起的异常发热、 燃弧放电以及雷击或异常过电压所造成的绝缘油性能劣化乃至绝缘击穿等。 ( 4 ) 套管及其它附件故障 套管故障主要体现在质量退化，如套管小瓷套断线、胶垫开裂、导杆内有焊 渣、套管缺油等，此外套管故障还包括介质损耗、局部放电量超标以及绝缘水平 下降。其它附件常见故障有冷却器故障、防暴器失灵、气体继电器失灵或误操作 等。 从国内有关变压器的历年统计资料表明，绕组和分接开关是发生故障较多的 部件n 叫引。据不完全统计旧，在1 9 9 0 - 1 9 9 6 年期间，全国li o 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 。由山东电力研究院给出的1 9 9 0 1 9 9 8 年山东省内变 压器事故统计u 可知，外部短路一两次即遭损坏的变压器占统计总数的3 4 6 。 可见变压器本身短路能力不强是引起变压器损坏的主要原因，而绕组在短路电流 的冲击下首当其冲，易因变形而损坏。而交压器的缺陷则主要分布在铁芯、线圈 及引线、套管和分接开关等部件d 。 在c i g r t t 作小组的关于大型电力变压器故障的统计报告中n 引，大约有4 1 的故障缺陷是由于有载调压分接开关引起，而大约1 9 是因绕组变形、失稳造成 的。图1 - 1 给出了统计报告中装有有载调压分接开关的变压器故障分布的百分比 情况。故障根源中5 3 属于机械故障，3 1 属于电气故障。对于不存在有载调压 分接开关的变压器，统计发现2 6 6 的故障源于绕组故障，同时6 4 归咎于铁芯 故障。文献n 5 1 给出了南非上世纪9 0 年代的变压器故障统计数据。该统计报告是 基于对1 8 8 台电力变压器开展的，额定电压范围为8 8 k v 1 07 6 5 k v ，额定功率分布 在2 0 m v a 至8 0 0 1 4 v a 之间。图l - 2 列出了故障的具体分布。b s p a r l i n g 在他的研究 笫l 章绪论 n 6 1 中指出，服役年限在1 5 年至2 5 年的大型电力变压器中，绕组变形故障、绝缘 污染故障和铁芯故障是导致变压器不能正常工作的主要因素，具体数据如图1 3 所示。 从国内外关于电力变压器故障的统计分析得出：因绕组变形、绕组和铁芯压 紧松动等引起的机械故障是变压器故障的主要组成部分，因此为了能保证变压器 运行的安全可靠性，开展变压器绕组及铁芯状态监测与诊断方法研究具有十分重 要的意义。 o nl o a d t a p c h a n g e r s c o r e w i n d i n g s 图1 - 1 装有有载调压分接开关的变压器故障分布的百分比情况 图1 - 2 南非上世纪9 0 年代的变压器故障统计数据 4 h t n g 第1 章绪论 g w i n d i n g d e f o r m a t i o n d u et o s h o r tc i r c u i t f o r c e s i n 8 u l a t i o n 图1 3 服役1 5 年至2 5 年之间的变压器故障原因分布 1 3 变压器绕组和铁芯故障形式概述 1 3 1 绕组变形故障概述 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的不 可逆转的变化n 。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 的相邻匝间短路。此外，矩形导线上绕包的绝缘纸会因无法满足所要求的紧度而 产生隆起现象。 ( 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，如雷击等情况， 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，如绕组的局部因制造问题致使机械强度不 够，或者由于设计失误导致变压器的固有频率与电动力频率相同或接近而产生共 振，则短路强电流必然会引起变压器绕组变形，而变形之后因承受短路冲击的能 力减弱必将引发更大更严重的变压器故障。 ( 3 ) 在短路过程中，绕组会出现由结构自身振动和强迫振荡所构成的复杂振 第l 章结论 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和固有模态，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、铁芯螺栓松动的机械故障，