徐浩銘， 郭 琳， 晁 陽

(1.楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.陜西省水利電力勘測設計研究院， 陜西 西安 710001)

0 引 言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓等級越來越高，結構也越來越復雜，因其與國民經濟和人民生活休戚相關，對安全可靠運行的要求也越來越高。為了能夠有效傳輸和分配電能，電力系統(tǒng)使用了大量的電力變壓器以達到升降壓的目的，從而使得變壓器本身性能的好壞，嚴重制約到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。實際上，能夠影響電力變壓器本身性能好壞的因素很多，隨著電氣領域的技術進步，已經有了很大的改善甚至克服。但其自身固有的性質，譬如磁滯損耗、渦流損耗，磁致伸縮現(xiàn)象等，仍然深刻影響到變壓器的傳輸效率和工作狀態(tài)。

致使電力變壓器振動的主要因素有兩個方面[1-2]：①鐵心振動。鐵心由硅鋼片疊制而成，而硅鋼片在交變磁場的作用下，引起周期變化的磁致伸縮現(xiàn)象；②繞組振動。繞組中流過負載電流時產生的漏磁場對繞組產生電磁力，使得繞組受迫振動。本篇文章意在已有研究的基礎上，主要闡述變壓器鐵心和繞組在交變磁場下引起振動的機理，并介紹振動在變壓器狀態(tài)監(jiān)測中的應用及發(fā)展前景。

1 變壓器鐵心振動機理

1.1 鐵心磁致伸縮

硅鋼是一種含硅(硅也稱矽)的鋼，其含硅量在0.8%～4.8%，是一種導磁能力很強的鐵磁性物質，電力變壓器鐵心一般都是由硅鋼片疊制而成。鐵磁性物質內部存在很多未配對電子，由于交換作用，相鄰電子之間的自旋呈相同方向。鐵磁性物質內部存在很多磁疇，單個磁疇內電子的自旋單向排列，形成"飽合磁矩"。但磁疇之間的磁矩大小和方向的不同使得未被磁化的鐵磁性物質的凈磁矩與磁化矢量等于零。若施加外磁場，磁疇的磁矩趨于與外磁場同向，從而形成甚至可能相當強烈的磁化矢量與感應磁場，對外顯示的宏觀效應即沿磁場方向伸長或縮短。

鐵磁性物質由于磁化狀態(tài)改變引起的彈性形變現(xiàn)象稱之為磁致伸縮效應。產生原因有3個方面[3]：

(1)自發(fā)形變。由于原子或離子間的交換作用力引起單疇晶體的自發(fā)磁化，導致晶體改變形狀。

(2)場致形變。由于電子軌道耦合和自旋-軌道耦合相疊加的結果導致材料在磁場作用下發(fā)生磁致伸縮。

(3)形狀效應。由于磁性體內部的退磁因子作用引起的形狀變化。

1.2 鐵心振動機理

運行中的變壓器鐵心受繞組中產生的交變磁場而引起持續(xù)不斷的磁致伸縮效應，形成周期性的振動是鐵心振動的根本原因。在磁致伸縮過程中，體積的變化比起長度的變化要微弱得多。因此，僅從長度出發(fā)，引入磁致伸縮率ε，其大小可表示為：

(1)

式中:ε為硅鋼片軸向的磁致伸縮率；ΔL為硅鋼片軸向最大的伸縮量；L為硅鋼片軸向原始尺寸。

由于鐵芯各方向的振動與磁致伸縮各方向的力有關，而磁致伸縮各方向的力與各方向的主磁通有關，又由于負載和空載條件下， 鐵芯中主磁通的變化很小， 因此假設忽略不同負載下鐵芯受磁致伸縮作用振動的變化， 這樣磁致伸縮作用對鐵心振動的影響只需研究空載條件即可。

當理想變壓器空載運行時，一次繞組在電源電壓u1=U0sinωt的作用下，產生交變的主磁通Φ0。根據法拉第電磁感應定律，主磁通與電源電壓之間的關系為u1=ωN1Φ0cosωt，則鐵心中的磁感應強度可表示為：

(2)

(3)

式中:μ為鐵心磁導率；Hc為矯頑力。

在交變磁場作用下，硅鋼片的微小變形量滿足如下條件[4]：

(4)

式中:εs為硅鋼片的飽和磁致伸縮率；H≤Hc。

聯(lián)合式(1)、(2)、(3)、(4)可得

(5)

由式(5)可得磁致伸縮引起的鐵心振動加速度為：

(6)

通過式(6)可知，在工頻磁場下，鐵心振動加速度的頻率為100 Hz，其周期是電壓周期的一半，且振動幅值與電源電壓的平方成正比。但由于硅鋼片的磁致伸縮與外磁場強度、材料及溫度有關，而這些因素的特性又存在很強的非線性，且鐵心內、外框的磁路長短不同，使得鐵心振動信號還含有高次諧波成分。文獻[5] 利用COMSOL軟件對變壓器鐵心磁致伸縮振動進行仿真，當T=0.018s時振動狀態(tài)如圖1所示。由圖1中鐵心的等效應力可以看出，磁致伸縮效應引起的形變是軸向和輔向。

圖1 磁致伸縮作用下的鐵芯形變

影響硅鋼片的磁致伸縮大小的主要因素有[6-10]：(1)與含硅量有關。硅鋼片含硅量越高，磁致伸縮越??；(2)與磁感應強度大小有關。磁致伸縮與磁感應強度的平方成正比；(3)與硅鋼片表面絕緣層厚度有關。絕緣層越厚，其表面張力就越大，硅鋼片的磁致伸縮就越小，如圖2所示；(4)與溫度相關。鐵心的溫度越高，硅鋼片的磁致伸縮越大。

圖2[11] 磁致伸縮與絕緣涂層厚度關系曲線

2 變壓器繞組振動機理

2.1 繞組振動分析

當變壓器繞組中流過負載電流時，就會在鐵心與繞組之間及繞組周圍產生漏磁場，漏磁場對載流的繞組產生電磁力，變壓器繞組會受迫而振動。在額定工況下電磁力并不大，但當發(fā)生短路或雷擊時，繞組中流過很大的沖擊電流，使得漏磁場顯著增大，其產生的電磁力會使繞組大幅振動，甚至破壞變壓器結構。由于負載電流與漏磁場的作用，在繞組內產生電磁機械力，其大小取決于漏磁場的磁通密度與繞組導線電流的乘積。根據漏磁場在繞組所占據空間中的方向不同，可將漏磁場正交分解為軸向漏磁Bx和橫向漏磁By。根據左手定則，軸向漏磁將產生橫向力Fx，而橫向漏磁將產生軸向力Fy。雙繞組變壓器漏磁場分布與電動力如圖3所示。

圖3 繞組的漏磁與電動力示意圖

從圖3可以看出，由于內、外繞組的電流方向相反，橫向力Fs將繞組左右拉伸，使內繞組受到張力，外繞組受到壓力。而在軸向上，由橫向漏磁分量與繞組電流作用產生的軸向力Fy上下擠壓繞組。

由長期實踐經驗和短路強度試驗情況可知，變壓器在突然短路中，其繞組損壞的主要原因是橫向力和軸向力共同的作用結果。在雙繞組變壓器中，軸向力使繞組承受壓力作用，當壓力大于構件的機械強度時，可使繞組、壓板及夾件等產生變形，嚴重時會破壞整個鐵心結構。橫向力使內繞組受壓力，外繞組受拉力作用，當拉力大于繞組的抗張應力時，則使繞組變形，匝間絕緣斷裂，整體絕緣結構遭到破壞，嚴重時甚至將繞組拉斷。

2.2 繞組振動機理

在單位長度繞組上的電動力F=B×I，而漏磁密度B又與電流成正比，所以電動力可表示為：

F=bi2

(7)

式中:b表示電動力系數(shù)。

電力系統(tǒng)可認為無限大容量系統(tǒng)，當變壓器二次側線路發(fā)生三相對稱短路故障時，流過變壓器繞組短路電流瞬時值的表達式為：

(8)

(9)

將式(9)代入式(7)得：

(10)

(11)

3 變壓器振動在監(jiān)測中的應用

電力變壓器多處在露天環(huán)境下運行，不可避免地會出現(xiàn)各種故障，若能對變壓器實施監(jiān)測可以明顯地減少事故的發(fā)生和降低損失。振動監(jiān)測是一種體外監(jiān)測，通過安裝在設備表面的振動傳感器獲取振動信號，經過時域或頻域等分析處理，獲取信號的特征信息，進而依據診斷算法判斷設備的工況。振動監(jiān)測以其安裝簡單、監(jiān)測靈敏、測量系統(tǒng)獨立于電力系統(tǒng)等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。

3.1 振動狀態(tài)判斷

鐵心振動信號頻率主要在100～1 000 Hz之間，1 000 Hz后基本衰減到0，而繞組振動信號頻率多集中在基頻100 Hz，且振幅與負載電流I2成正比。圖4為繞組發(fā)生三相短路后變壓器振動加速度與頻率關系曲線，從圖中可以看出，基頻100 Hz附近，振幅顯著增大，這是由于短路電流突然增大引起的繞組振動；100～1 000 Hz之間存在高次諧波分量，其在600～900 Hz區(qū)域振幅尤為明顯，這是由于突增的電流引起鐵心中磁場變動劇烈，使得非線性的鐵心振動加大。因此，可通過監(jiān)測100～1 000 Hz之間高次諧波分量的變化來診斷鐵心狀況。同樣，也可通過監(jiān)測基頻100 Hz下振動幅值的變化來診斷繞組狀況。

圖4[12] 繞組突發(fā)三相短路變壓器振動響應

基于上述情況，可提出變壓器鐵心及繞組狀態(tài)判斷的依據：(1)振幅無顯著增大，振動信號頻率高次諧波分量也無明顯增加，可基本判定變壓器鐵心和繞組狀態(tài)良好；(2)振幅無顯著增大，而振動信號頻率高次諧波分量明顯增加，可基本判定變壓器鐵心存在故障風險；(3)振幅顯著增大，而振動信號頻率基本保持100 Hz不變，可基本判定變壓器繞組存在故障風險；(4)振幅顯著增大，振動信號頻率高次諧波分量明顯增加，可基本判定變壓器鐵心和繞組均存在故障風險。

3.2 振動監(jiān)測系統(tǒng)

振動監(jiān)測系統(tǒng)由振動傳感器、電荷放大器、信號適配器、A/D采集卡、筆記本電腦組成。振動傳感器安裝在變壓器的外表面，用來接收變壓器物理振動信號。振動傳感器選用集成電荷放大器的壓電式加速度傳感器，將振動加速度信號轉換成正比的電壓信號，直接通過USB數(shù)據采集卡存儲在計算機中，信號適配器一方面給振動傳感器提供電源，另一方面提供適當?shù)脑鲆妗Ｓ尚盘栠m配器輸出的電壓模擬信號經A/D采集卡轉換為數(shù)字信號，送入便攜式計算機處理數(shù)據。變壓器在線振動監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 變壓器在線振動監(jiān)測系統(tǒng)

圖6為該系統(tǒng)某一時刻測得的變壓器A相高壓套管側油箱表面上部振動加速度信號的時域波形及頻譜。由圖6可知，信號頻譜上50 Hz工頻分量幅值幾乎為0，表明該系統(tǒng)消除了工頻干擾。繞組和鐵心的振動信號以100 Hz為基頻,伴隨其它高次諧波分量，其測量結果與之前分析結果相吻合，能夠滿足實際工程需要。

圖6[13] 振動加速度信號時域波形及頻譜

4 總 結

本文在前人研究的基礎上，簡單清晰地闡述了變壓器運行中鐵心和繞組振動的機理，并介紹了振動監(jiān)測原理和系統(tǒng)構成。

鐵心和繞組的振動是變壓器正常運行狀態(tài)下固有特性，只能盡量減弱，而無法根本消除。特別是當變壓器發(fā)生內、外故障時振動會加劇，這就為變壓器故障診斷提供了可靠的前提。不同類型的故障，其

振動狀態(tài)和特性不同，識別故障與振動特性的對應關系，是故障診斷中至關重要的一環(huán)。

后續(xù)的研究，作者將重點主要放在理清故障與振動特性的對應關系上，開發(fā)出變壓器監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，完善變壓器保護體系，為進一步提升變壓器運行的穩(wěn)定可靠，打下堅實的基礎。

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