电力变压器振动法故障诊断

1引言
大型电力变压器是电力系统的枢纽设备，是保证电网安全运行的重要因素之一。为了提高供电可靠率，除了在设备订货阶段应选用技术过硬、产品质量优异的变压器以外，更重要的一点是要不断提高主变压器的运行、维护及检修水平。在长期的理论研究与工程实践中，变压器的故障诊断积累了许多有效的技术手段与方法，也取得了很多成果。近年来，除了常规的预防性试验和基于油色谱分析的故障诊断方法外，昆山汉吉龙测控技术有限公司创造性的将基于振动测试的变压器故障诊断法成为常规方法的补充。

2 变压器故障诊断的主要方法
变压器的故障从发展过程上可分为两大类，即突发性故障和潜伏性故障。突发性故障发展过程很快，瞬间就会造成严重后果，如雷击、误操作及负载突变等，具有很大的偶然性，因而只能通过诸如避雷器和继电保护等手段，使突发性故障被限制在较小的范围内。潜伏性故障一般分为三种，即变压器内部局部放电、局部过热和变压器绝缘的老化。目前来看，故障诊断主要是针对这些潜伏性故障进行诊断或预测。
变压器发生故障的部位主要有绕组、铁心、引线、开关及绝缘等。针对不同部位的故障，在理论及实践上，已经有多种检测方法。

2．1 电气预防性试验
电气预防性试验是对大型电力变压器进行全面检验的主要手段之一。该试验对检查变压器的出厂缺陷，判断设备是否符合或达到设计标准发挥了重要作用。其中包括：直流电阻的测量、绝缘性能测试、有载调压开关特性测试、绕组变形测试、低电压短路阻抗的测试、铁心接地电流测试及远红外测温等。

2．2 油色谱分析法
油色谱分析法是目前为止运用较成熟的在线变压器故障诊断方法。它的主要原理是测试油中由于故障所产生的异常物质的含量。变压器的绝缘材料主要是绝缘油和纸。变压器故障时会产生多种气体，主要来源于油和纸的热裂解。绝缘油是由烷烃、环烷烃及芳香烃等碳氢化合物组成的混合物。绝缘纸的成分是纤维素，主要是由糖或多糖类构成的高分子碳水化合物。绝缘油热分解时，因分子链的断裂反应产生低分子烃类气体。有水分存在时。通过分辨变压器运行时内部故障产气与正常产气在技术上的区别，从而达到故障诊断的目的。定期对变压器充油设备的油进行湘色谱分析，可判断变压器内部是否存在着过热性故障(导电回路、铁心多点接地引起过热等)、严重的局部放电及电弧放电故障等。

2．3 噪声法故障诊断
     国外曾在电抗器上利用噪声法检测绕组和铁心状况。噪声法测量变压器振动噪声对测试环境要求非常严格，只有在专门的测试室中才能得到准确的测量结果，而在生产车问和运行现场，噪声法的测量误差非常大。美国的R．P．Kendig等人于1991年提出了一种“声强测量法”的噪声测量新方法，可以在背景噪声及声反射较大的生产车间内进行测量，但当背景噪声远远高丁被测变压器的噪声时，该方法同样无法测出在该背景噪声下变压器的噪声水平。

    变压器工作的环境一般是在室外，背景噪声的水平无法估计，难免会有背景噪声远远高于变压器本身噪声的时候，若此时应用噪声法在线监测电力变压器的运行状态，必然会造成误判。

2．4 基于专家系统的人工智能诊断方法
     变压器运行时出现内部故障的原因往往不是单一的，一般存在过热的同时还可能伴有局部放电，而且运行过程中故障还在不断发展和转化。在判断设备有无故障及故障严重程度时，要根据设备运行的历史记录和设备特点以及外部环境等因素进行综合判断。对变压器故障部位的准确判断，有赖于对其内部结构和运行状态的全面掌握，并结合历年色谱数据和其他试验(直流电阻、绝缘、变比、泄漏和空载等)进行比较。另外，色谱分析与判断的过程中也有大量的样本需要仔细辨别，否则极易出现误判。人工智能诊断为变压器故障诊断提供了新途径。判断故障的类型、故障点、故障状况需要大量的经验，而专家系统恰恰在解决这个问题上有明显优势。近几年来，基于小波理论、ARMA模型等的智能诊断方法不断得到应用，也逐步取得了一定的实用效果。

    近几年，欧美国家逐步采用新的技术来加强或辅助对变压器故障的诊断，而且也取得了明显的实际效果。这其中，基于振动数据分析的变压器诊断方法正逐步形成实用化系统，受到越来越多技术人员的关注。

3变压器振动法故障诊断原理
     

基于振动数据分析的变压器诊断方法较先在电力技术比较发达的国家获得研究及应用。俄罗斯、美国先开展了这方面的研究。其中，俄罗斯已经开发形成相应的产品投入市场，它是一种专利产品，名为“BECTA”系统。该系统的实刚价值在于它可根据充油电力变压器在运行中的技术状态来组织设备的检修工作，町保证变压器运行的较大可靠性。这种方法已在60多台大型充油电力变压器上使用。使用的实际情况证实它可适用于各种类型的变压器，不论是自耦变压器，还是三相变压器。用这种l方法诊断的结果与12台变压器吊罩检查的结果几乎完全一致。该系统的准确度据称高达80％～90％，完全可以实际应用。

振动法是诊断变压器运行叶l潜伏故障的一种有效手段，国外其较早应用于并联电抗器上。通过在线监测变压器器身表面的振动来反映变压器绕组及铁心状况在近儿年做了许多研究工作。与FRA、LVI及在线或离线测量短路电抗等方法相比，振动法能检测出绕组变形及铁心、夹件和其余结构件的松动故障。

    振动法是诊断变压器运行叶l潜伏故障的一种有效手段，国外其 早应用于并联电抗器上。通过在线监测变压器器身表面的振动来反映变压器绕组及铁心状况在近儿年做了许多研究工作。与FRA、LVI及在线或离线测量短路电抗等方法相比，振动法能检测出绕组变形及铁心、夹件和其余结构件的松动故障。
    实际运行中发现，大容量变压器的油箱表面的振动，与绕组和磁导体压紧固定的状态是密切相关的。运行中压紧状态的变化叮以由振动的改变反映出来，压紧状态变松则会使振动增大，频率也发生变化，进而出现谐振。
    变压器器身的振动是由于变压器本体(铁心和绕组等的统称)的振动及冷却装置的振动产生的。从物理角度来看，电力变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、绕组的位移及变形密切相关。因变压器器身各位置处的振动特征与距离 近的振源关系较紧密，根据变压器器身各处测取振动信号改变的程度可方便地判断出是哪一部分绕组或铁心发生了故障，即利用振动法监测电力变压器的振动异常可实现故障定位。以往认为，变压器的本体振动完全取决于铁心的振动。而实际上随着取向
高导磁硅钢片(例如Hi—B硅钢片)在变压器制造中的使用，以及铁心结构设计的改进，铁心工作磁密的降低，负载电流产生的漏磁引起的绕组振动大大增加，这种振动的大小与负载电流的平方成正比。特别是在额定 ] 作磁密低于1．4T时，绕组的振动甚至会超过铁心磁致伸缩引起的变 器器身的振动。

     电力变 器负载电流为零，因此绕组的振动可忽略不计，器身振动主要是励磁电流作用下铁心的振动引起的。因此，测量空载条件下运行的变压器器身振动信号即可得到变压器铁心的振动特性。在负载条件下，绕组中有负载电流流过，因此除了铁心的振动之外，变压器器身振动还包括负载电流作用下的绕组的振动。
     一般认为，变压器励磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载变化时大小基本保持不变，因此铁心的振动在空载、负载及负载变化时也基本不变。利用振动传感器，在空载及负载条件下分别测量变压器器身的振动信号，空载时测得的就是变压器铁心振动信号，负载时测得的是铁心和绕组的振动信号的叠加。从负载的振动信号中分离出空载时的振动信号显然可以得到绕组的振动信号。
    当变压器额定工作磁密比较高(大于1．4T)时，铁心的振动要远远大于绕组的振动，此时可忽略绕组的振动。在变压器稳定工作时，可以认为其器身振动是铁心振动引起的，振动情况的改变也是由于铁心故障引起的，以此可以诊断电力变压器铁心的状况。在变压器发生短路事故时，绕组中有很大的冲击电流流过，绕组的振动信号不再微弱，可认为其远远大于铁心振动。因此，在短路状况下变压器器身振动主要是由绕组振动引起的，这样可以利用发生短路事故时的变压器器身振动信号，来监测绕组是否发生了变形或松动。
    高、低压绕组之一在发生了变形、位移或崩塌后，绕组的压紧不够，使高、低压绕组问高度差逐渐扩大，导致绕组安匝不平衡加剧，使漏磁造成的轴向力增大，从而绕组的振动加剧；当铁心的压紧力不够大时，硅钢片的自重将使铁心产生弯曲变形，致使磁致伸缩增大，即铁心的振动加剧。这些现象具体表现在振动信号上的特征为：振动频率中增加了更高次的谐波成份，且振动的幅值变大。
正常运行的变压器振动信号，绕组振动信号基本上集中在基频100Hz处，且振动信号的大小与负载电流平方成正比；铁心振动信号主要集中在100Hz-400Hz，而1 000Hz后基本衰减到零。因此，在变压器油箱表面测得的振动信号高次谐波分量是由铁心振动引起，可通过200Hz、300Hz等高次谐波分量的变化诊断铁心状况。当其变化不大于某一限值时，可确定铁心无故障，然后通过基频幅值的变化诊断绕组状况。这一振动特征为振动法用于监测电力变压器提供了更有效的判据。
    变压器大修的目的，主要是进一步把绕组和磁导体压紧、固定好。因此，对大型变压器器身紧固状态需要进行诊断并提出是否需要进行大修的建议。
    但是，用传统的试验方法以及通过人孑L检查的办法均不能解决问题。值得指出的是，通过对变压器振动参数进行预测可能会发现内部故障发展的 初起因，应及时组织大修。例如，变压器器身中导线、磁路等固定部件紧固状态开始松动，其发展可使绝缘损伤。虽然绝缘变化可以通过分析变压器油来判定，但是分析油样所得到的结果只是内部故障后的结果而故障的根本原因却仍不清楚。振动测量分两种：一种是成套的空载测量；另一种是有载测量。空载时绕组的振动较小，主要是铁心振动，可忽略不计。有载时，铁心主磁通是稳定不变的，但由于绕组和结构元件有漏磁通，因而其振动应加上绕组的振动和结构元件的振动。不论是在何种运行方式下进行测量，都应该测量那些容易反映故障状况的位置。另一方面，测量点过多，也会使测量系统过于复杂，导致工作的低效率。常见的情况一般是取12个振动信号，即将12只振动信号发送器分别安装在变压器油箱外表面规定的各个测振点上。这l2个点的分布是每相4个测点。其中每相的压侧上部和下部各1个测点，低压侧上部和下部各1个测点。当然，由于变压器种类繁多，具体的测量数目及部位应根据现场设备的状态，综合其他试验的数据并依据诊断经验来确定。

4振动法故障诊断研究综述
    大量实践表明，绕组与铁心是发生故障较多的部件之一。大型电力变压器由于体积大，通过的电流大，因此对绕组的安装工艺要求更严格。通常对变压器进行基本维修的主要目的就是压紧绕组。因此在决定是否对大型电力变压器进行维修时，有必要预测绕组的压紧状况。目前国内外尚无可用于在线或离线监测和诊断变压器绕组状态(松动和变形等)的可靠手段。
从目前国内对变压器进行振动测试与研究的重点来看，大致分为三个方面，一是对变压器产生振动的机理进行研究，包括故障原因、故障发展与趋势预测等；二是对变压器产生振动信号的分析，包括色谱分析、噪声分离技术等；三是对振动监测分析系统的研制，包括测点布置、信号隔离及故障分离等。变压器器身的振动是一个复杂的综合表现，包括铁心振动、绕组的振动、变压器器身在干扰状态下的振动及一些环境干扰等。
由于变压器工作的特殊性，它所产生的振动信号与常规的旋转机械振动信号有很大不同，主要表现在强干扰性，非周期性等。
5变压器振动测试的技术要求
5．1 国内技术规范中对变压器振动参数的要求
国内多数关于变压器的技术规范中对振动提出了一定的要求，并对国内目前大型电力变压器的振动技术要求进行了归纳。表1是不同技术规范中对变压器振动测试的技术要求。
5_2 振动测试中的若干问题
直到现在，变压器振动测试仍然没有完全满足各种要求的统一规范。对变压器进行振动测量，根据目前的常规做法及兼顾到效果与成本等多种因素，在做试验前应综合考虑如下因素：
(1)变压器测试的选择问题。是单台变压器做测试还是全部变压器做测试。
(2)当额定电压和较高连续运行电压不一致时，是在哪一个电压下进行试验。
(3)测量位置的选取问题。在哪个位置，如何进行测量。一般是在油箱的四个侧面，并取足够的测量
点求得平均值。(4)从运行中的电力变压器油箱表面测取振动信号。虽然这样做会受到来自冷却系统及油箱振动等“噪声的干扰”，影响所测取的信号，但只有这样做
才可保证测量全过程的简便、快速和投资少的优点。
(5)测量的结果表示。一般用振动波的主波峰的幅值来表示。
(6)振动比较问题。对于大容量电抗器，要求出厂前要进行振动测量。若不可能在制造厂实现振动测量，可在安装现场进行测试。
6振动法故障诊断研究趋势
在变电站中，主变压器、电抗器等能否安全可靠运行，直接关系到电网的安全运行。传统的试验与诊断方法已不能满足电力系统的大容量化、高电压化发展要求。随着国外成功研制的变压器器身振动带电监测系统，并在多台大型充油电力变压器上的使用，振动信号分析法越来越受到重视。
由于多种原因，对于这些电气设备在交接试验和运行中的振动特性并没有统一的考核标准。但随着设备容量的增加，对电网可靠性的日益重视，大型电气设备的振动特性逐步引起了国家相关部门及各企业的重视。国内外对各级别的油浸式变压器及电抗器制定了相关的标准，在《电气设备安装工程一电气设备交接试验标准》(GB50150—2006)中明确要
求：电压等级为500kV的电抗器，在额定工况下测得的箱壳振动振幅双峰值不应大于100~m。在大型电气设备的运行导则中也提出在运行中应加强对设备振动的监视，对稳定运行时变压器油箱壁的振动限值也进行了规定，避免设备在过大的振动状态下运行。
从目前电气设备的振动测试现状上来看，大型电机的测试开展较多，故障诊断工作也取得了很多成果。而大型变压器、电抗器的振动测试开展的工作不多，通过振动对其进行辅助故障诊断方面的工作则更少。随着容量的增大，不仅单个电气设备的体积越来越庞大，而且由于绕组匝数的增多，在制造和安装工艺上出现的问题也呈现逐步增加的趋势，如有些变压器、电抗器一通入电流，机箱或壳体的振动就呈上升趋势，导致设备根本无法长期运行。由于振动与制造、安装及地基结构等可能都存在关系。因而，振动已经成为衡量设备能否安全和长期运行的一个重要指标。但长期以来，除了常规的电流、电压、温升等参数外，对于振动的测试与分析并没有受到多数
人的重视，如何通过监测变压器的振动信号来解决变压器稳定运行时的振动故障问题就成为实际中有待解决的问题。
(1)变压器振动故障的机理研究。
从理论上看，有待加强对变压器振动故障的机理研究，其中包括：故障模型的建立与分析、振动信号与故障间对应关系、故障判定准则、振动故障的趋势预测、振动信号的测试与分析方法及振动信号的噪声剔除。
(2)变压器振动故障在线监测诊断系统的研发。
从实际系统的研制上看，可以先使用离线开发及测试诊断等技术与方法成熟后再进行在线系统的移植和大规模运用。其中包括：测试仪器的选择、测试位置的选择、振动测试系统的配置、振动测试系统的抗干扰措施及诊断系统的软件开发。
7结论与建议
电力变压器器身振动信号与内部绕组及铁心状况密切相关，包含着丰富的信息，开展变压器振动的在线监测工作具有良好的应用前景。
振动法用于电力变压器在线监测的研究目前还没有达到完善、可靠的程度，归纳起来主要有以下几个方面的问题需要解决：
(1)由于高压与大电流的存在，如何对变压器电抗器的振动进行实时监测。
(2)除了常规的电流、电压、温升等参数监测外，如果变压器、电抗器出现了故障，振动变化是否能先于常规参数表现出来。
(3)振动变化与电气设备的故障之间是否存在一一对应的关系。
(4)对变压器、电抗器的振动故障进行系统和长期监测分析的可能性及其方法。
(5)由于变电站的特殊性，应将专家系统技术在振动故障诊断中加以应用。
(6)由于变电站的特殊性，应将现场的反映大型变压器、电抗器实时运行状况的振动等工艺参数传至一个约定的诊断中心进行远程的诊断，故障预测及维修建议等。