電力變壓器鐵心振動(dòng)特性分析

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摘要:作為電力變壓器的主要部件,變壓器鐵心的振動(dòng)信號(hào)主要與鐵心緊固狀況、絕緣程度密切相關(guān),具有較強(qiáng)的非線性非平穩(wěn)特性。本文以電力變壓器鐵心為研究對(duì)象,將希爾伯特黃變換(HHT)時(shí)頻分析方法引入變壓器鐵心非線性振動(dòng)信號(hào)分析領(lǐng)域,并結(jié)合傳統(tǒng)頻譜分析法對(duì)六種不同型號(hào)的電力變壓器鐵心振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析及實(shí)驗(yàn)研究,從時(shí)域、頻域及時(shí)-頻域等幾個(gè)角度分析了鐵心本體振動(dòng)特性、油箱表面空載時(shí)振動(dòng)特性及負(fù)載時(shí)繞組振動(dòng)對(duì)鐵心振動(dòng)的影響。該研究分析結(jié)果為電力變壓器的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:電力變壓器；鐵心振動(dòng)；希爾伯特黃變換 1引言 對(duì)運(yùn)行中的電力變壓器實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷能夠有效的減少變壓器故障率,降低運(yùn)行成本[1]。鐵心作為變壓器的主要部件之一,對(duì)變壓器的電磁性能、機(jī)械強(qiáng)度等起著至關(guān)重要的作用。資料顯示,鐵心故障在變壓器總事故中約占第3位[2],是變壓器的主要故障源之一。因此對(duì)鐵心進(jìn)行振動(dòng)特性分析是大型電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中十分重要的一部分。變壓器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),鐵心振動(dòng)主要來源于硅鋼片的磁致伸縮和疊片間特別是接縫處的電磁力[3]。由于鐵心磁化過程的飽和特性及法向磁通和縫隙磁通的復(fù)雜性,鐵心振動(dòng)具有非平穩(wěn)、非線性的特性。鐵心振動(dòng)受硅鋼片材料、制造工藝、運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境等多種因素的影響[4-5],經(jīng)過緊固件、墊腳等固體及液體絕緣油兩種方式傳到油箱表面[6]。由于傳播過程本身十分復(fù)雜,油箱表面不同位置的振動(dòng)各異。本文結(jié)合傅里葉變換和希爾伯特黃變換(HHT)方法,對(duì)6種不同型號(hào)的變壓器鐵心振動(dòng)特性,傳遞特性,變壓器油箱振動(dòng)特性以及繞組振動(dòng)對(duì)鐵心振動(dòng)的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究與分析。 2 Hilbert-Huang變換在目前常采用的信號(hào)處理方法中,傅里葉變換受限于線性系統(tǒng)要求,在處理非線性非平穩(wěn)過程時(shí)易引入的多余簡諧波[7];而傳統(tǒng)的時(shí)頻分析方法如短時(shí)傅里葉變換[8]、Winger-Vill分布[9]以及小波變換[10]等,則因?yàn)镠eisenberg測(cè)不準(zhǔn)定理的限制而無法同時(shí)提高時(shí)域分辨率與頻域分辨率[11]。因此,采用這些方法對(duì)具有非平穩(wěn)性、非線性特征的鐵心振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析并不理想。而HHT方法則是由Norden E Huang等人在1998年提出的一種新的信號(hào)處理方法。該方法以計(jì)算瞬時(shí)頻率為出發(fā)點(diǎn)提出,適用于非線性非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析。將HHT方法引入鐵心振動(dòng)信號(hào)分析,其基本原理包括兩個(gè)基本步驟[12-13]。第一步是應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?empirical mode decomposition,EMD)從鐵心振動(dòng)信號(hào)中提取其本身固有的一組特征模式函數(shù)(intrinsic mode function,IMF),它的核心是一個(gè)“篩選”(sifting)過程。第二步是將鐵心振動(dòng)信號(hào)的每個(gè)特征模式函數(shù)與它的Hilbert變換構(gòu)成一個(gè)解析復(fù)函數(shù),由此導(dǎo)出作為時(shí)域函數(shù)的瞬時(shí)幅值(能量)和瞬時(shí)頻率,從而給出幅值(能量)-時(shí)間-頻率三維譜圖,得到鐵心振動(dòng)信號(hào)的Hilbert譜。可見,這種自適應(yīng)的時(shí)頻分析方法能夠較好地應(yīng)用于鐵心非線性振動(dòng)特性研究與分析。 3實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)對(duì)象 3.1測(cè)試系統(tǒng)及參數(shù)變壓器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置采用自主研發(fā)的TCMS電力變壓器振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前置機(jī)和上位機(jī)及其系統(tǒng)功能軟件組成,以振動(dòng)參量為主,結(jié)合變壓器電壓和電流參量等對(duì)電力變壓器進(jìn)行多參量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。振動(dòng)傳感器為ICP加速度傳感器,靈敏度為500 mV/g。其輸出連接到TCMS前置機(jī)的振動(dòng)通道,同時(shí)采集相應(yīng)的電壓、電流信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的調(diào)理、采樣、處理和顯示。采集和處理的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或串口通訊傳給上位機(jī),其系統(tǒng)功能軟件采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)平臺(tái),對(duì)變壓器的振動(dòng)信號(hào)以及其他信號(hào)進(jìn)行波形和頻譜等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示與分析、瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析、趨勢(shì)分析、報(bào)警分析以及數(shù)據(jù)管理。TCMS系統(tǒng)的采樣頻率為每通道20 kHz(各通道同步采樣),抗混疊道通濾波器截止頻率為2 kHz,振動(dòng)加速度分辨率為0.024 m/s2。TCMS vibration monitoring system 3.2測(cè)試變壓器在研究分析電力變壓器鐵心振動(dòng)特性的過程當(dāng)中,對(duì)6種不同型號(hào)的電力變壓器進(jìn)行了振動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括空載情況下鐵心及油箱表面的振動(dòng)信號(hào)采集和負(fù)載狀態(tài)下油箱表面振動(dòng)信號(hào)的采集。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 4.1鐵心表面振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)中獲得了1#和2#變壓器鐵心表面的振動(dòng)信號(hào)。將1#變壓器鐵心從油箱中取出,拆掉高壓線圈,在低壓側(cè)加上額定電壓,測(cè)量鐵心表面的振動(dòng)信號(hào)。4個(gè)測(cè)點(diǎn)(A相頂部及側(cè)面,C相頂部及側(cè)面)如所示。2#變壓器鐵心柱繞上實(shí)驗(yàn)線圈,使得鐵心磁通達(dá)到額定值,現(xiàn)場測(cè)試如圖2右所示(4個(gè)測(cè)點(diǎn)為三相頂部及A相接縫側(cè))?？梢钥吹?將傳感器直接貼于鐵心表面測(cè)量振動(dòng)時(shí)波形中有50 Hz諧波的干擾。這是鐵心中的交變磁通對(duì)傳感器磁座作用所致。為了避免漏磁場對(duì)傳感器的干擾,在測(cè)量2#變壓器時(shí)將傳感器粘在絕緣紙上,再用502膠固定于鐵心表面。 5結(jié)論 本文的工作建立在實(shí)驗(yàn)室、變壓器生產(chǎn)廠家和變壓器實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場多臺(tái)型號(hào)變壓器各種不同狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù)的分析研究基礎(chǔ)上。由于篇幅的限制,僅給出了上述幾個(gè)主要結(jié)果圖譜。本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)鐵心振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析與研究:1)振動(dòng)傳感器安裝方法對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。2)鐵心本體振動(dòng)特性。3)鐵心振動(dòng)的傳遞特性。4)繞組振動(dòng)對(duì)鐵心振動(dòng)的影響。5)油箱表面的振動(dòng)特性。通過對(duì)6種不同型號(hào)變壓器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,更為深入清晰的理解變壓器鐵心的振動(dòng)特性,為變壓器鐵心故障的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)打下了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn): [1]朱光偉,張彼德.電力變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].變壓器,2009,46(2):23-24.ZHU G W,ZHANG B D.The status and prospects ofresearch on vibration monitoring of power transform-ers[J].Transformer,2009,46(2):23-24. 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