董風(fēng)舉 姚艷 史云峰 韓滿 寧瓏

摘 要：為實(shí)現(xiàn)變壓器繞組松動故障診斷，提出了基于暫態(tài)振動信號的繞組松動診斷方法。根據(jù)理論分析可得變壓器繞組松動時，其振動固有頻率會下降，而有載分接開關(guān)動作恰好會激發(fā)變壓器的自由振動，因此通過小波變換對變壓器振動信號進(jìn)行處理，得到了其振動固有頻率。結(jié)果表明，變壓器在繞組松動時其固有頻率的確會下降，可以作為故障診斷依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變壓器;有載分接開關(guān);振動信號;故障診斷

中圖分類號：TM411? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0060-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.016

0? ? 引言

變壓器繞組是常見的故障部位，而且其處于油箱內(nèi)部，檢修起來十分困難?；谡駝有盘柕臋C(jī)械故障診斷方法為變壓器繞組故障檢測提供了很好的思路，目前已經(jīng)有大量學(xué)者對此展開了研究，并證實(shí)了基于振動信號的變壓器故障診斷方法的可行性[1-2]。

現(xiàn)階段基于振動信號的變壓器故障診斷方法以穩(wěn)態(tài)振動信號為主[3]，穩(wěn)態(tài)振動信號獲取容易，信號穩(wěn)定，通過判斷振動的幅度或能量占比可以較為方便地實(shí)現(xiàn)變壓器的在線監(jiān)測。但此類方法受溫度、負(fù)載電流等因素影響較大，當(dāng)溫度升高，電流、電壓增大，振動信號幅值也會隨之增大，給故障診斷帶來了一定的困擾。并且由于變壓器不同型號之間的差異性，振動幅值也有所差異，使得故障診斷的判斷標(biāo)準(zhǔn)不具有通用性，因此，現(xiàn)階段該方法還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。有學(xué)者提出了基于變壓器啟動瞬間合閘振動信號的變壓器故障診斷方法[4]，為變壓器的故障診斷提供了新思路，但該方法受合閘角的影響，現(xiàn)階段準(zhǔn)確率還有待提高。

本文提出了一種基于有載分接開關(guān)動作時暫態(tài)振動信號的變壓器繞組松動診斷方法，與傳統(tǒng)方法相比具有物理意義明確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1? ? 變壓器繞組松動診斷原理

變壓器的繞組可以用彈簧—質(zhì)量—阻尼模型來描述[5]，經(jīng)典模型如圖1所示。

圖1中將線餅簡化為質(zhì)量單元，質(zhì)量為m，將墊塊看作彈簧，剛度系數(shù)為k，c表示阻尼系數(shù)，T0表示壓緊力。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，墊塊的形變量與壓緊力滿足如下關(guān)系[6]：

T=Aa

+b

（1）

式中：A為墊塊的受力面積;Δl為墊塊在壓力作用下產(chǎn)生的形變量;a、b為常數(shù);L為墊塊的厚度。

那么墊塊的剛度系數(shù)可寫成式（2）的形式：

k==a+

（2）

由式（2）可知，墊塊所受壓緊力越大，產(chǎn)生的形變量也就越大，剛度系數(shù)也會隨之增大，所以在變壓器繞組發(fā)生松動時，壓緊力下降，其剛度系數(shù)也會下降。而剛度系數(shù)又正比于固有頻率的平方[7]，對于單自由度系統(tǒng)而言，固有頻率ωn可表示為：

ωn2=k/m（3）

穩(wěn)態(tài)振動分量的幅值B為：

B=（4）

式中：ω為電磁力頻率;q為電磁力大小;2n=c/m。

所以，繞組松動必然導(dǎo)致固有頻率的變化，進(jìn)而引起振動信號幅值發(fā)生變化。

工程上一般采用激振器或沖擊錘獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)的頻響曲線，從而得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率，某型號沖擊錘的沖擊響應(yīng)如圖2所示，即沖擊錘可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生一個寬頻沖擊，比如利用鋼材料的錘頭，在2 000 Hz以內(nèi)可以認(rèn)為它的沖擊頻譜為一常數(shù)。

設(shè)機(jī)械系統(tǒng)的頻響函數(shù)為H（jω），系統(tǒng)輸出為O（jω），輸入為I（jω），如果輸入頻譜為常數(shù)，那么輸出頻譜與頻響函數(shù)便極為相似，可近似等效。

H（jω）=（5）

利用這一特性便可以通過激振錘激發(fā)機(jī)械系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，再結(jié)合式（3）可知，激振錘產(chǎn)生的沖擊信號中包含了頻率為ωn的頻率分量，將使得式（3）中分母達(dá)到最小值，引發(fā)共振，此時頻響曲線中便會出現(xiàn)一個峰值，由此可以近似得到機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率。

但利用沖擊錘得到變壓器的固有頻率顯然是不方便的，首先沖擊錘的力量較小，可能不足以激發(fā)變壓器的固有頻率，其次在運(yùn)行過程中對變壓器進(jìn)行敲擊也多有不便。因此，本文提出了利用變壓器有載分接開關(guān)動作時的暫態(tài)振動信號來實(shí)現(xiàn)對變壓器繞組松動故障的診斷。

有載分接開關(guān)動作時產(chǎn)生的沖擊信號與沖擊錘產(chǎn)生的沖擊信號類似，都可以激發(fā)變壓器的固有振動分量，可以將有載分接開關(guān)動作時產(chǎn)生的暫態(tài)振動信號看作是系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，其振動頻譜便可近似看作是變壓器的頻響函數(shù)。

當(dāng)變壓器的機(jī)械狀態(tài)發(fā)生變化時，變壓器在有載分接開關(guān)沖擊下的振動信號也必然發(fā)生變化，并且該沖擊是由變壓器自身產(chǎn)生的，不會干擾變壓器的運(yùn)行，也不會對變壓器造成損壞，因此可以將開關(guān)動作時的暫態(tài)信號作為研究對象來實(shí)現(xiàn)對變壓器繞組松動的診斷依據(jù)。

2? ? 基于暫態(tài)振動信號的故障診斷方法

對一臺110 kV變壓器開關(guān)動作時的振動信號進(jìn)行測量，傳感器采用電壓型振動加速度傳感器，采集儀采樣精度為24位，采樣頻率為64 kHz，將振動加速度傳感器通過磁吸附的方式布置于油箱側(cè)面，如圖3所示。

通過改變繞組壓緊力得到正常狀態(tài)和繞組松動狀態(tài)的振動信號，如圖4所示。

對于暫態(tài)信號采用傅里葉變換進(jìn)行分析存在一定的局限性，因此本文采用小波變換對振動信號進(jìn)行時頻分析。基函數(shù)采用復(fù)Morlet小波，得到兩種狀態(tài)下的時頻圖。截取0～2 500 Hz范圍內(nèi)的時頻圖并求取其峰值點(diǎn)，經(jīng)過篩選得到時頻圖中的主要峰值點(diǎn)坐標(biāo)，如圖5所示。

經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，繞組松動后，各階固有頻率均有所減小，與前文理論分析結(jié)果一致，即繞組松動后，剛度系數(shù)減小，固有頻率會有所降低。同時，也證實(shí)了變壓器有載分接開關(guān)動作時的暫態(tài)信號的確包含了較為豐富的機(jī)械狀態(tài)信息，可以作為故障診斷的依據(jù)。

3? ? 結(jié)語

本文提出采用有載分接開關(guān)動作時的暫態(tài)振動信號對變壓器繞組松動進(jìn)行診斷，并通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了變壓器在繞組松動時其固有頻率會降低，可以將其作為故障診斷的依據(jù)。

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收稿日期：2022-01-10

作者簡介：董風(fēng)舉（1980—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：電力施工及采購。