短路电流冲击下变压器振动特性研究

谷红霞, 于 虹， 赵振刚， 李英娜， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)



短路电流冲击下变压器振动特性研究

谷红霞1, 于 虹2， 赵振刚1， 李英娜1， 李 川1

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)

针对短路电流的冲击下，变压器振动特性研究，构造了短路电流对变压器振动影响的冲击平台，研究了传递函数相关系数的分布规律以及相关系数阈值选择。在此基础上，通过波形时域分析以及仿真研究，探讨了绕组短路故障对传递函数的影响，得出了预紧力与相关系数的关系，最终，明确了短路电流冲击下变压器振动特性的关系，为进一步利用振动法分析变压器故障奠定了基础。

短路电流冲击； 传递函数； 相关系数； 预紧力； 振动分析法

0 引 言

电力变压器作为大型电力设备，一经损坏,维修周期较长，涉及范围广，危害较大，因此，保证电力变压器安全可靠运行对电力系统正常运行具有重要意义[1,2]。

据相关资料显示，电力变压器绕组是较容易发生故障的部件之一，截至2006年底,全国110 kV及以上等级电力变压器因外部短路故障造成损坏的事故达到事故总数的50 %。经查，由绕组变形引起的变压器故障占到了绝大多数[3,4]。邓蕊,孙宝元在变压器绝缘纸板微水分测量系统分析了变压器的特性[5]。变压器本身抗短路能力不足是造成其故障的主要原因，然而绕组抗短路能力的丧失是一个逐渐积累的过程，因此，尽早发现绕组故障对于电力变压器长期正常运行具有重要意义[6]。

振动分析法是一种在线实时监测的方法，可解决故障及时识别的难题。目前，对于电流信号与变压器振动信号之间的关系没有很深入的研究。本文采用传递函数方法将振动信号与短路电流联系起来，研究不同测点、短路故障、绕组预紧力对变压器振动以及传递函数的影响。

1 传递函数理论基础

利用自功率谱密度函数求传递函数。采用传递函数的幅频特性能够较好地体现振动信号与电流平方之间的关系，而忽略相位信息，同样可以反映变压器振动在短路电流冲击下的变化[7]

(1)

式中Sxx(ω)和Syy(ω)为输入输出的自谱，用信号的自相关函数进行傅里叶变换可求得[8]。将短路冲击电流的平方作为输入信号，加速度振动信号作为输出信号，利用式(1)即可求出电流平方与振动之间的传递函数的幅频特性。

为了研究大电流冲击下的变压器振动特性，设计了振荡衰减的大电流产生回路来近似模拟实际的短路电流，对一台特制的单相变压器进行冲击，实验电路图如图1所示。

图1 短路冲击实验电路

2 传递函数相关系数研究

2.1 相关系数选取

在短路电流基础上得到的传递函数幅频如图2(a)，在振动信号的基础上得到的传递函数幅频如图2(b)所示，图中只给出了0～150 Hz频段内的幅频。在大于150 Hz的频段上，振动信号自谱微小的变化会引起传递函数幅频特性极大的变化，所以,关注0～150 Hz频段内部的变化能更好地评估不同情况下的幅频变化。

图2 传递函数幅频

为了能够清晰直观地分析不同情况下的幅频差别，引用相关系数来衡量传递函数幅频图的相似程度。符合工程需要的相关系数计算如式(2)

Rxy=-log(1-LRxy)

(2)

设定一个相关系数阈值，传递函数的相关系数大于该阈值时，认为此时变压器绕组的传递函数没有变化；当传递函数的相关系数小于该阈值时，认为此时变压器绕组的传递函数发生了变化。鉴于变压器的复杂结构，采用多个传递函数进行比较判断，将150 Hz频段均分为3段，分别为0～50 Hz频段，50～100 Hz频段， 100～150 Hz频段，计算出了不同采集点,不同电流下的传递函数相关系数[9，10]如图3所示。

图3 不同频段内传递函数相关系数

2.2 短路故障对传递函数的影响

将变压器高压绕组的相邻两个层线饼之间人为短路，绕组上部9#线饼短路称为短路故障1(故障T)，绕组中部22#线饼短路称为短路故障2(故障M)，绕组下部32#线饼短路称为短路故障3(故障B)。忽略分散性的影响，在上中下三部分设置信号采集点分别记为信号采集点1,2,3。以采集点1与采集点3为例进行振动信号加速度幅值分析，采集点1处的振动信号幅值在短路1情况下明显最大，这与振动信号采集点的位置有很大关系：在线饼上部短路时，绕组短路位置正好对应于箱体上采集点1的位置，此时振动信号传播到采集点1损耗最小，振动最剧烈；在绕组下部短路也有相同的规律，从信号图中采集点3中可以得到验证。所以,在选择计算相关系数的采集点时，最好使用对应位置的采集点的数据。不同短路电流下振动信号的加速度幅值如图4所示。

图4 不同短路故障下加速度幅值的变化

3 仿真分析

为了研究绕组内部短路故障对短路电流，漏磁场和短路电动力带来的影响，在已建变压器模型上将指定的线饼短路，保证其他线饼的激励源和边界条件不变，重新进行计算。设置短路故障后，充电电压8 kV下的电流变化如图5所示。当电流很大时，铁芯还没有饱和，所以绕组的电感值只与绕组的匝数有关。绕组饼间短路后，会使电感值有所减小，但是减小的比例只占到4.7 %，影响很小，所以测得的电流波形相差很小。

图5 充电电压8 kV下的电流波形

绕组各线饼的轴向电动力最大值如图6所示，在电流基本不变的情况下，低压侧轴向电动力在9#线饼之前基本没有变化，高压侧轴向电动力的变化主要体现在两点：有短路故障的轴向电动力比正常情况下大，在高压绕组上、下对称的位置设置的短路故障对轴向电动力的影响是一致的；在绕组中部设置短路故障时，靠近绕组端部的线饼上的轴向电动力方向发生了转向，力的效果从压缩绕组变为拉伸绕组。一般情况下，高压绕组的轴向电动力的作用就是压缩绕组。因此，在绕组内部设置短路故障给电动力带来的影响很大，可使电动力在不同的线饼处发生转向，改变了绕组的振动状态。

图6 绕组轴向电动力

在同一电流下，变压器短路故障与正常状态下计算传递函数的相关系数，短路故障的相关系数最大为0.549 3，但是与设定的相关系数阈值1.1相比，依然减小了50 %。说明与正常状态下相比短路故障下的传递函数已经发生了很大变化。

改变预紧力下的短路冲击试验。调整变压器绕组的预紧力并用压力传感器测量得到预紧力的大小，设定预紧力的大小分别为1 500，2 000，2 500 N。在每一个预紧力下进行变压器短路冲击试验。不同预紧力下加速度幅值的变化如图7所示，预紧力为2 500 N时，加速度幅值最小。

图7 不同预紧力下加速度幅值

同一电流下，计算改变预紧力与变压器正常状态传递函数的相关系数。关注采集点2处传递函数的幅频特性在0～50 Hz内的变化，结果如表1所示，相关系数最大值为0.737 2，比相关系数的阈值1.1小约33 %。同样可以认为，此时，与正常状态相比改变预紧力情况下的传递函数的幅频特性，已经发生了很大的改变，判定在预紧力为1 500，2 000，2 500 N时，变压器已经出现故障。

表1 不同预紧力下的相关系数

4 结 论

利用变压器振动信号和电流自功率谱密度求传递函数幅频特性的方法，建立了短路电流与振动信号之间的耦合关系；通过对不同测点的传递函数在不同短路电流下的相关性研究，确定了衡量变压器函数幅频特性相关系数的阈值。在此基础上，分别研究了短路故障以及预紧力降低等故障条件下相关系数的变化规律。传递函数受到变压器短路电流的影响：当短路电流差别不大时，两次短路冲击下，传递函数呈现出较高的相关性；当短路电流出现较为明显的差别时，传递函数的相关性明显降低，短路故障以及预紧力变化对相关系数的影响表明：利用相关系数可以对绕组的机械状况提供一定的参考依据和标准。

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[2] 康建爽,蒋书波,程明霄,等.MEMS技术在变压器故障监测中应用研究[J].传感器与微系统,2009,28(12):21-23.

[3] 吴国跃.电力变压器绕组变形实测中的影响因素[J]．高电压技术，2001，27(3)：81-84．

[4] 陈志勇.频率响应法对变压器绕组变形的分析[J]．河北电力技术，2002，21(4)：45-49．

[5] 邓 蕊,孙宝元,李万全,等.变压器绝缘纸板微水分测量系统[J].传感器与微系统,2007,26(3):62-64.

[6] 朱建新.电力变压器绕组变形故障的测量分析与判断[J].变压器,2000,37(6)：21-24．

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[8] 臧利川,田 沛,李 博.基于历史数据概率分布的变压器在线预警研究[J]．云南电力技术，2015，43(12)：48-50.

[9] 何文林,陈金法,应高亮，等.频响分析法测试变压器绕组变形的研究[J].中国电力,2000,33(12):39-42．

[10] 谢宇风,刘 溟.变压器绕组变形频响法分频点研究[J]．华中电力，2005，18(2)：39-43.

[11] 郑宗强.基于电网电压跟踪的微电网模式转换多储能能控制[J]．自动化技术与应用，2016,35(12)：82-86.

Research on vibration characteristic of transformer in short-circuit current impact

GU Hong-xia1, YU Hong2, ZHAO Zhen-gang1, LI Ying-na1, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China； 2.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Co Ltd, Kunming 650217,China)

Under the impact of short-circuit current,the vibration characteristics of transformer is an important feature of vibration analysis method.To study this feature,firstly construct impact platform of influence of short-circuit current on transformer vibration,and then use this platform to study the distribution rule of correlation coefficient of transfer function and correlation coefficient threshold selection.On this basis,by waveform time-domain analysis and simulation research,explore the effects of winding short-circuit fault on transfer function, and finally study the relationship between the preload and the correlation coefficient,via the above study,define the relationship between the vibration characteristics of transformers under impact of short-circuit current, it laid the foundation for further analysis on transformer fault by vibration method.

impact of short-circuit current; transfer function; correlation coefficient; preload; vibration analysis method

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0042—03

2016—08—26

TM 41

A

1000—9787(2017)08—0042—03

谷红霞(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感器，测试计量等。

李 川(1971-)，男，通讯作者，教授，博士生导师，主要从事光纤传感器技术与应用方面的研究，E—mail:1625677252@qq.com。