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摘要：变压器一旦因故障损坏，将造成广泛影响，导致严重损失。因此对变压器实时监测，变压器机械特性的劣化通常是长期和累积发生的，而在机械稳定性劣化初期，变压器电气性能保持良好，很难通过上述方法检测变压器潜在威胁。振动信号可以灵敏反映变压器机械状态，因此基于振动分析法的变压器状态检测受到学者广泛关注。
关键词：振动分析法;变压器;故障诊断
前言
变压器在运行中的振动信号特性由流过变压器的电流和变压器铁心、绕组的机械结构决定，电流电压在变压器铁心、绕组中产生振动的原理和特性固定，铁心、绕组的机械特性变化实时影响变压器振动信号特性，因此，可由变压器振动信号特性反映铁心、绕组的机械状态，其灵敏性相较于传统的油色谱法和电压电流监测方法更高，同时变压器振动信号的监测可实现不与变压器产生电联系的在线监测，因此，基于振动信号的变压器铁心、绕组故障区分对变压器铁心绕组故障的隐患排查，快速定位以及设备安全运行有着重要的意义。
1变压器振动机理
变压器振动是由铁心、绕组振动共同引起的，是引起变压器振动的主要原因，包含了变压器机械稳定性状态，通过对变压器振動原理分析，选取合理振动特征参量，实现变压器状态精确评估，为下一步对变压器故障诊断提供依据。铁磁材料在磁场作用下其磁畴方向的变化将引起铁磁材料的形状改变。铁心振动主要是由硅钢片的磁致伸缩现象引起，设电源电压为U=Ussinωt，单位为V;则铁心振动加速度与电压平方成正比[1]。但考虑到铁心具有磁滞损耗、涡流损耗等问题，铁心振动产生畸变，产生高频振动分量，因此铁心振动为以100Hz为基频振动信号非线性程度增加，导致产生更多高频分量，同时振动幅值等时域特征也产生相应变化，通过分析振动信号特征参量变化，判断变压器状态。由于铁心在正常和松动时的压应力不同，而压应力的大小又会改变铁心的磁导率以及磁致伸缩，因此会改变铁心振动，而正常的电压波动也会导致铁心振动的改变，正常状态下，变压器是一个确定性系统，在相同输入条件下，振动信号相对稳定;当变压器机械结构发生变化时，振动信号将随之发生改变。振动分析法是通过分析变压器振动信号的差异对变压器状态评估，实现变压器状态检测。本文通过对振动信号进行实时分析和与历史数据进行对比分析两个维度进行变压器状态检测，对变压器铁心和绕组故障进行区分。
2铁心与绕组振动信号特性差异研究
根据变压器铁心、绕组振动机理可知，在理想条件下，当只考虑磁致伸缩带来的铁心振动和电动力带来的绕组振动时，铁心、绕组振动具有相同的特性，即都是以两倍电源频率（100Hz）为基频的周期信号。但在实际运行中，由于变压器铁心材料硅钢片的磁饱和特性以及绕组匝间垫块、绝缘纸等材料形变的非线性特性，将使铁心、绕组振动信号出现不同程度的畸变，而对比研究铁心、绕组振动信号的畸变特性差异是基于振动信号区分铁心、绕组故障的关键。
2.1变压器铁心振动信号特性
当磁场强度达到饱和壁磁化强度时，铁磁材料有正的最大磁致伸缩应变，当磁场强度达到饱和磁场强度时，铁磁材料有负的最大磁致伸缩应变。同时从整个变化趋势可以看出，这样的特性将导致铁心的振动信号在含有基频信号的同时还含有高次谐波分量[2]。由于测试环境、测量精度以及其他影响因素，实测振动信号含有噪声信号，由于变压器振动信号频率主要集中于50Hz的整数倍频率，因此以50HZ整数倍信号分量为分析对象。铁心振动信号波形为周期信号，与理论分析一致周期为0.01s，但不是标准的正弦波形。从频谱图可以看出，铁心振动信号除了含有100Hz基频以外，由于铁磁材料的磁致伸缩形变随磁场变化具有很强的非线性，每个测试位置的振动信号还同时含有200Hz、300Hz以及400Hz等高次谐波分量。正常状态下，变压器是一个确定性系统，在相同输入条件下，振动信号相对稳定。振动分析法是通过分析变压器振动信号的差异对变压器状态评估，实现变压器状态检测。
2.2变压器绕组振动信号特性
绕组结构中除了铜绕组以外，绕组匝间、层间还含有绝缘垫块、绝缘纸等弹性材料。弹性材料会对振动信号的传递特性存在一定的影响。弹性材料通常为木纤维，木纤维浸入变压器油中会吸油填充其松散的毛细孔，当绝缘垫块受力挤压时，排除吸收的变压器油，垫块中变压器油的含量变化会对其杨氏模量产生影响[3]。随着应力的变化，油浸式绝缘垫块的应变呈非线性变化，这将导致绕组振动信号同铁心振动信号一样，同时含有高次谐波分量。变压器短路运行时，绕组中电流为额定电流，但是电源电压很低，铁心材料磁致伸缩引起的铁心振动很微弱，因此，变压器短路时采集的振动信号反映的是变压器绕组的振动特性。绕组振动信号波形为周期信号，与理论分析一致周期为0.01s，同铁心振动波形一样。同样不是标准的正弦波形。从频谱图可以看出，绕组振动信号主要集中在100Hz基频分量位置，虽然由于油浸式绝缘垫块应力与应变曲线的非线性而存在一定的非线性特征，但高次谐波分量位置信号幅值远小于基频分量幅值。但由于油浸式绝缘垫块应力与应变曲线曲率小于铁磁材料磁化曲线和磁致伸缩曲线曲率。
2.3铁心与绕组振动信号特性差异
关于铁心绕组故障分别对应的变压器振动信号基频和高频分量的改变特性，分别模拟变压器样机的铁心和绕组故障，在变压器带额定阻性负载条件下采集变压器故障前后的振动信号。绕组振动信号中的高频能量只占基频能量的20%左右，当变压器铁心发生故障时，将同时影响变压器振动信号的基频和高次谐波分量的大小，当变压器绕组发生故障时，将主要反映于振动信号基频分量特性的变化。绕组故障主要改变了振动信号基频分量幅值，并未引起高次谐波分量幅值的增加，铁心故障对基频和高次谐波分量幅值均有很大影响。铁心故障后振动信号1000Hz以内各频率幅值都出现了较大的变化，而绕组故障后除了100Hz分量幅值出现较大的增加以外，高次谐波频率幅值波动较小。因此根据变压器振动信号基频和高次谐波频率幅值变化的不同规律，可以区分铁心和绕组故障。
结束语
在实验验证过程中发现，当电压波动时，仅将振幅变化作为铁心松动故障的唯一诊断条件，会给变压器铁心故障诊断带来较大误差，难以保证诊断的准确性。通过理论结合实测数据，分别探讨了变压器铁心和绕组振动信号的共性与特性，所得主要结论包括：（1）绕组振动信号均以100Hz基频为主，铁心振动信号除100Hz分量外同时含有200Hz、300Hz、400Hz分量;（2）变压器带负载运行时，振动信号基频幅值由铁心绕组共同决定，高频幅值主要取决于铁心振动;（3）变压器绕组故障时，振动信号基频幅值出现突增，高频幅值波动较小;铁心故障时，振动信号基频与高频幅值同时出现突增。
参考文献
[1]赵莉华，张振东，刘浩，等.基于多重分形-贝叶斯融合算法的变压器绕组机械状态识别[J].电测与仪表，2020，57（14）：45-50，118.
[2]方涛，钱晔，郭灿杰，等.基于天牛须搜索优化支持向量机的变压器故障诊断研究[J].电力系统保护与控制，2020，48（20）：90-96.
[3]吴君，丁欢欢，马星河，等.改进自适应蜂群优化算法在变压器故障诊断中的应用[J].电力系统保护与控制，2020，48（9）：174-180.
浙江上青元电力科技有限公司 浙江省 杭州市 310015
关键词：振动分析法;变压器;故障诊断
前言
变压器在运行中的振动信号特性由流过变压器的电流和变压器铁心、绕组的机械结构决定，电流电压在变压器铁心、绕组中产生振动的原理和特性固定，铁心、绕组的机械特性变化实时影响变压器振动信号特性，因此，可由变压器振动信号特性反映铁心、绕组的机械状态，其灵敏性相较于传统的油色谱法和电压电流监测方法更高，同时变压器振动信号的监测可实现不与变压器产生电联系的在线监测，因此，基于振动信号的变压器铁心、绕组故障区分对变压器铁心绕组故障的隐患排查，快速定位以及设备安全运行有着重要的意义。
1变压器振动机理
变压器振动是由铁心、绕组振动共同引起的，是引起变压器振动的主要原因，包含了变压器机械稳定性状态，通过对变压器振動原理分析，选取合理振动特征参量，实现变压器状态精确评估，为下一步对变压器故障诊断提供依据。铁磁材料在磁场作用下其磁畴方向的变化将引起铁磁材料的形状改变。铁心振动主要是由硅钢片的磁致伸缩现象引起，设电源电压为U=Ussinωt，单位为V;则铁心振动加速度与电压平方成正比[1]。但考虑到铁心具有磁滞损耗、涡流损耗等问题，铁心振动产生畸变，产生高频振动分量，因此铁心振动为以100Hz为基频振动信号非线性程度增加，导致产生更多高频分量，同时振动幅值等时域特征也产生相应变化，通过分析振动信号特征参量变化，判断变压器状态。由于铁心在正常和松动时的压应力不同，而压应力的大小又会改变铁心的磁导率以及磁致伸缩，因此会改变铁心振动，而正常的电压波动也会导致铁心振动的改变，正常状态下，变压器是一个确定性系统，在相同输入条件下，振动信号相对稳定;当变压器机械结构发生变化时，振动信号将随之发生改变。振动分析法是通过分析变压器振动信号的差异对变压器状态评估，实现变压器状态检测。本文通过对振动信号进行实时分析和与历史数据进行对比分析两个维度进行变压器状态检测，对变压器铁心和绕组故障进行区分。
2铁心与绕组振动信号特性差异研究
根据变压器铁心、绕组振动机理可知，在理想条件下，当只考虑磁致伸缩带来的铁心振动和电动力带来的绕组振动时，铁心、绕组振动具有相同的特性，即都是以两倍电源频率（100Hz）为基频的周期信号。但在实际运行中，由于变压器铁心材料硅钢片的磁饱和特性以及绕组匝间垫块、绝缘纸等材料形变的非线性特性，将使铁心、绕组振动信号出现不同程度的畸变，而对比研究铁心、绕组振动信号的畸变特性差异是基于振动信号区分铁心、绕组故障的关键。
2.1变压器铁心振动信号特性
当磁场强度达到饱和壁磁化强度时，铁磁材料有正的最大磁致伸缩应变，当磁场强度达到饱和磁场强度时，铁磁材料有负的最大磁致伸缩应变。同时从整个变化趋势可以看出，这样的特性将导致铁心的振动信号在含有基频信号的同时还含有高次谐波分量[2]。由于测试环境、测量精度以及其他影响因素，实测振动信号含有噪声信号，由于变压器振动信号频率主要集中于50Hz的整数倍频率，因此以50HZ整数倍信号分量为分析对象。铁心振动信号波形为周期信号，与理论分析一致周期为0.01s，但不是标准的正弦波形。从频谱图可以看出，铁心振动信号除了含有100Hz基频以外，由于铁磁材料的磁致伸缩形变随磁场变化具有很强的非线性，每个测试位置的振动信号还同时含有200Hz、300Hz以及400Hz等高次谐波分量。正常状态下，变压器是一个确定性系统，在相同输入条件下，振动信号相对稳定。振动分析法是通过分析变压器振动信号的差异对变压器状态评估，实现变压器状态检测。
2.2变压器绕组振动信号特性
绕组结构中除了铜绕组以外，绕组匝间、层间还含有绝缘垫块、绝缘纸等弹性材料。弹性材料会对振动信号的传递特性存在一定的影响。弹性材料通常为木纤维，木纤维浸入变压器油中会吸油填充其松散的毛细孔，当绝缘垫块受力挤压时，排除吸收的变压器油，垫块中变压器油的含量变化会对其杨氏模量产生影响[3]。随着应力的变化，油浸式绝缘垫块的应变呈非线性变化，这将导致绕组振动信号同铁心振动信号一样，同时含有高次谐波分量。变压器短路运行时，绕组中电流为额定电流，但是电源电压很低，铁心材料磁致伸缩引起的铁心振动很微弱，因此，变压器短路时采集的振动信号反映的是变压器绕组的振动特性。绕组振动信号波形为周期信号，与理论分析一致周期为0.01s，同铁心振动波形一样。同样不是标准的正弦波形。从频谱图可以看出，绕组振动信号主要集中在100Hz基频分量位置，虽然由于油浸式绝缘垫块应力与应变曲线的非线性而存在一定的非线性特征，但高次谐波分量位置信号幅值远小于基频分量幅值。但由于油浸式绝缘垫块应力与应变曲线曲率小于铁磁材料磁化曲线和磁致伸缩曲线曲率。
2.3铁心与绕组振动信号特性差异
关于铁心绕组故障分别对应的变压器振动信号基频和高频分量的改变特性，分别模拟变压器样机的铁心和绕组故障，在变压器带额定阻性负载条件下采集变压器故障前后的振动信号。绕组振动信号中的高频能量只占基频能量的20%左右，当变压器铁心发生故障时，将同时影响变压器振动信号的基频和高次谐波分量的大小，当变压器绕组发生故障时，将主要反映于振动信号基频分量特性的变化。绕组故障主要改变了振动信号基频分量幅值，并未引起高次谐波分量幅值的增加，铁心故障对基频和高次谐波分量幅值均有很大影响。铁心故障后振动信号1000Hz以内各频率幅值都出现了较大的变化，而绕组故障后除了100Hz分量幅值出现较大的增加以外，高次谐波频率幅值波动较小。因此根据变压器振动信号基频和高次谐波频率幅值变化的不同规律，可以区分铁心和绕组故障。
结束语
在实验验证过程中发现，当电压波动时，仅将振幅变化作为铁心松动故障的唯一诊断条件，会给变压器铁心故障诊断带来较大误差，难以保证诊断的准确性。通过理论结合实测数据，分别探讨了变压器铁心和绕组振动信号的共性与特性，所得主要结论包括：（1）绕组振动信号均以100Hz基频为主，铁心振动信号除100Hz分量外同时含有200Hz、300Hz、400Hz分量;（2）变压器带负载运行时，振动信号基频幅值由铁心绕组共同决定，高频幅值主要取决于铁心振动;（3）变压器绕组故障时，振动信号基频幅值出现突增，高频幅值波动较小;铁心故障时，振动信号基频与高频幅值同时出现突增。
参考文献
[1]赵莉华，张振东，刘浩，等.基于多重分形-贝叶斯融合算法的变压器绕组机械状态识别[J].电测与仪表，2020，57（14）：45-50，118.
[2]方涛，钱晔，郭灿杰，等.基于天牛须搜索优化支持向量机的变压器故障诊断研究[J].电力系统保护与控制，2020，48（20）：90-96.
[3]吴君，丁欢欢，马星河，等.改进自适应蜂群优化算法在变压器故障诊断中的应用[J].电力系统保护与控制，2020，48（9）：174-180.
浙江上青元电力科技有限公司 浙江省 杭州市 310015