基于空载合闸振动信号韵变压器绕组松动诊断(电力)

             王涛云¹，马宏忠¹，姜宁²，李凯²，许洪华²，万达³，崔杨柳¹

（1．河海大学能源与电气学院，江苏南京  211100；2．南京供电公司，江苏南京  210008：3．江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京210036）

摘要：针对变压器空载合闸机械振动特性，采用小波包变换对其振动信号进行分析。在实验中，模拟了变压器正常和绕组松动2种状态，对其空载合闸时的振动信号进行采集，并采用小波包-能量谱分析得到各个尺度上能量的百分比作为特征量对2种状态下的振动信号进行特征提取和对比分析。实验结果表明，故障前后的振动信号的能量分布特征有明显的差异，该方法可以有效地提取不同状态下合闸振动信号特征量，应用于空载合闸振动信号的变压器绕组松动诊断。

关键词：变压器：空载合闸：绕组松动；小波包-能量谱：振动信号

中图分类号：TM41  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.05.039.05

 0引言

    由于外部短路冲击、年久老化等原因，绕组松动是常见缺陷，目前还没有有效的在线诊断方法。变压器绕组松动本质上是预紧力的变小．且振动信号的变化是绕组松动的反映，振动法在线监测变压器绕组松动具有较好的灵敏度，且简单、方便。电流产生的电动力会使绕组产生振动．且电动力的大小正比于电流的平方，更大的电流有利于振动特征的监测与提取，即有利于准确地发现更轻微松动的情况。而变压器空载合闸时．会产生很大的励磁涌流，在极其严重的情况下，其励磁涌流的暂态值可达到稳态空载电流的几百倍．虽然存在的时间很短，但是数值很大。这样使得振动信号特征相对于稳态时更加明显，因此．空载合闸振动信号更加有利于从振动信号中提取判断变压器绕组松动缺陷的振动特征量和对其进行状态分析的特征参数，从而判断变压器的正常或者故障状态。

    本文将小波包-能量谱的分析方法应用到变压器空载合闸振动信号的分析处理中，分别采集变压器空载合闸在正常运行、绕组松动缺陷运行时的振动信号，对比分析故障前后的振动信号小波包能量谱，得到绕组松动合闸振动的故障特征量，建立起能量变化与变压器状态之间的映射关系，得到了一种表征变压器绕组松动的判据。

1  基于空载合闸冲击电流的变压器绕组受力分析

  变压器空载合闸时，由于变压器铁芯磁通饱和的特性，合闸瞬间会产生数值很大的冲击电流．有时可达到稳态空载电流的数10倍甚至上100倍、绕组会受到较高的电动力和机械力，通常会导致绕组的移位、局部扭曲以及鼓包等外形变化。变压器绕组内电动力的产生依据洛伦兹力的公式，即

式中：J是电流密度；B是漏磁通密度。三者的方向符合左手定则。漏磁场通常分解为互相垂直的轴向漏磁B _a和径向漏磁B _r。根据高低压绕组的电流方向相反和左手定则，轴向漏磁将产生径向力F_r，而径向漏磁将产生轴向力F _a，绕组的受力情况如图1所示。

    根据毕奥-萨伐尔定律，变压器绕组在磁场中所受的电动力与电流的平方成正比，即

    变压器在遭受励磁涌流冲击后，绕组会受到较高的电动力或机械力，绕组振动加剧，通过绝缘油传递到油箱壁上，因此通过加速度传感器采集油箱表面的振动信号，监测和分析变压器空载合闸的振动信号，更容易检测出绕组松动、变形等机械状态。

2变压器空载合闸振动测试

    实验变压器为SF210-31500/110 三相油浸式电力变压器，绕组的接线方式为YNd11，低压侧的额定电压为10.5 kV，额定电流为1732 A。变压器空载合闸实验系统如图2所示（为实验方便，低压侧加电源）。实验采用JF-2020压电式加速度传感器，其参数如表1所示。将传感器安装在油箱表面顶部（图2巾的1、2、3位置）。大型变压器的绕组通过固体构件和油箱顶部紧密接触，将1、2、3测点分别安装在大型变压器绕组的正上方，绕组的振动通过顶部的固体构件传播速度快、距离短、衰减小，所测的振动信号幅值和能量更加明显。系统选用NICOLET7700采集仪，其内部集成了放大器（电荷放大器、电压放大器）、微分线路、

积分线路、滤波线路等，可根据不同情况设置不同的放大器和滤波水平等。采样频率设置为10 kHz。

    实验分绕组正常和松动2种情况。考虑到实验的方便性，实验变压器的低压绕组接20%的额定电压，即2.1 kV。

    绕组松动缺陷的设定：将变压器放油、吊罩，使用液压系统将A相绕组前后螺杆的预紧力由原先的28 M Pa（100%预紧力）改为14 M Pa（50%预紧力）。装罩，向设置好的变压器绕组中注油，安装好变压器，静置后，进行绕组松动模拟故障实验。

3空载合闸振动信号的小波包分析

3.1  小波包能量谱分析技术

    变压器空载合闸时，绕组受力冲击和运动变形将引发综合响应，变压器油箱壁的振动信号是典型的非平稳瞬变信号。小波包可以将非平稳的振动信号在不同尺度下划分到任意细致的频带内，其对高频部分具有更精细的分辨力，更适用于振动信号的时频分析和能量谱分析。若小波包分解的层数少，则分析速度快，频带的特征值变化不明显．且频率分辨率低；若分解的层数多，会出现更多频带的特征值发生明显的变化，则分析的速度慢，但频率分辨率高。兼顾两者的关系并考虑所分析信号的时变和频变特性，采用db3小波函数进行3层小波包分解的结果可以作为判断变压器空载合闸有效而且简便的方法。因实验的采样频率是10 kHz，以0～5 000 Hz的原始信号小波包分解，各频段频带分布如图3所示。

 变压器发生绕组松动故障时，其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可能衰减，而另一些频率成分可能增强。凶此，与正常的振动信号相比，相同频带内信号的能量会有较大的差别，某些频带内信号能量减小，而另外一些频带内信号能量增大，因此，以能量为元素构造一个特征矢量。

3.2  实测振动信号分析

    实验模拟绕组多种松动形态，本文主要分析A相绕组松动，实验振动信号分析选择靠近A相绕组的1号测点，对振动信号进行降噪处理后．其正常和绕组松动状态下的图形分别如图4.图5所示。从图4、图5可以看出，在时域范围内．绕组松动后的振动加速度信号的幅值比正常状态下变小，但难以判断哪个频段的信号发生了怎样的变化和故障程度的大小。另外，空载合闸产生的励磁涌流的大小与变压器的等值阻抗、铁芯内的剩磁大小、合闸时的初相角等众多冈素有关，因此，不能单方面从励磁涌流的幅值和振动的幅值来判断变压器是否有故障的存在，需要研究能表征绕组松动的故障的特征量。

    实验分析中，考虑到励磁涌流的差异对分析结果影响，空载合闸实验中，绕组松动和故障2种状态下，分别合闸3次，测量电流和振动信号．2种状态下，变压器的等值阻抗、铁芯内的剩磁大小基本一致，无法控制合闸角的大小．3次测量的励磁涌流大小不同，但利用小波包-能量谱的分析方法3次测量的各频段能量占总能量的百分比相同，小波包-能量谱的分析方法消除了励磁涌流差异对分析结果的影响。文巾对实验变压器正常和绕组松动下的合闸振动信号进行3层小波包分解，对应图3各频率成分信号如图6、图7所示。并对图4和图5的振动信号分别计算出2种状态下的各频段能量占总能量的百分比柱状图如图8所示（图中横坐标对应图3中8个频段）。表2中给出了8个频带占总能量百分比的具体数值。

    通过比较变压器2种状态下的特征量．可以得到：占能量比例较大的几个频带中，低频段W(3，0)子空问(0～625 Hz)内的能量发生了明显的变化，故障信号能量在该频段所占的比例明显降低，由29.26%降低到8.17%．降低了3.58倍：高频段W(3，1)子空间(625～1 250 Hz)和W(3，3)子空间(1 250～1 875 Hz)内的能量也发生了明显的变化，故障信号在该频段所占的比例明显升高．分别升高了1.28倍和1.38倍。其中由于W(3，1)子空间(625～1 250 Hz)能量所占比例相对较小．容易受测量干扰影响，但W(3，3)子空间(1 250～1 875 Hz)，总能量较大，更能反映绕组的状态。因此说明变压器绕组松动的状态下空载合闸时．其低频部分所占的能量有所降低，高频部分所占的能量有所升高。说明0～625 Hz和1 250～1 875Hz频段是绕组松动的故障特征频带。其他频段的特征量在故障前后变化虽然有所变化，但能量百分比很小，可不予考虑。

4结语

    本文详细描述了变压器空载合闸冲击振动实验，并将小波包-能量谱分析方法应用于变压器空载合闸振动信号的分析，其可给出合闸振动信号精确的时、频分布。以各频段能量占总能量的百分比为特征量用于变压器绕组松动的故障诊断中．通过对比分析故障前后合闸振动信号的小波包能量谱，找出故障的频率带，建立特征量和变压器运行状态的对应关系，此方法不需要变压器的数学模型，用于在线监测直观、简便、准确。目前对于变压器空载合闸振动特性研究较少．此方法要广泛实行，还需进行大量实验数据累积，以此来增加判断的准确性，避免判误。