500kV变压器表面震动信号测量研究

深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿 王凯悦

1 引言

不同变压器表面震动信号呈个性化分布，即不同的变压器表面震动信号存在差异性[1-2]。虽然从原理上讲变压器的主要震动源即铁心和绕组的震动都有特定频率，但受自身结构和运行环境等因素的影响，变压器表面震动信号的分布规律并不相同，若要借助震动分析法对变压器进行状态评价和故障诊断，需对每台变压器表面震动信号特征进行统计和分析[3-5]。对运行中的变压器不同工况下、表面不同测点处的震动信号进行统计分析，有助于利用震动分析法评价变压器的运行状态和诊断部分内部故障[6-7]。为此，文中针对两种结构的500kV自耦变压器表面不同测点的震动信号进行测量，所测变压器均经过停电试验验证不存在内部故障，利用震动分析法对所测变压器进行状态监测和故障诊断提供数据支持。

2 变压器表面测振点的选择

2.1 三相一体自耦强迫油循环风冷变压器测振点布置

对比常见的500kV自耦变压器，该变压器体积较为庞大，三相一体化布局使其内部结构相比单相变压器复杂。在其箱体较宽的一个侧面靠近箱体底部与内部绕组所对应的箱体表面位置均匀布置3 个测振点；另一个较宽的侧面由于设置有油泵和冷却风扇，为排除冷却系统电机震动的干扰，未设置测振点；两个较窄的侧面直接对应的是变压器内部的铁心，侧面2 由于布置有爬梯等较多的附件，为减少附件机构对信号传输过程的影响，此处选择侧面1设置一组传感器。

结合该变压器三相五柱式铁心结构，此处为较宽侧面既有绕组震动又有铁心震动；较窄的侧面所测量到的表面震动信号以铁心震动为主，但不能排除绕组震动传导至表面的震动。由于该变压器结构较为紧凑，表面布置有大量的机械强化部件导致表面的结构复杂，所测的信号无法彻底排除箱体表面机械结构对震动信号传递特性的影响。

2.2 单相三绕组自耦自然油循环风冷变压器测振点布置

文中选取的500kV单相自耦变压器结构，四个侧面中有两个侧面布置有冷却器，另外两个侧面分别是高压套管和中低压及中性点套管。其轴心为一个主心柱加两个旁柱的单相三柱式结构，绕组套在主心柱上，从内到外依次为低压绕组、调压绕组、公共绕组和串联绕组。

单相变压器测振点总体分布如图1所示。

图1 单相变压器测振点分布

3 变压器表面震动信号的测量

3.1 同一负荷不同测振点的震动信号

三相一体变压器测点震动信号如图2所示。

图2 三相一体变压器测点震动信号

由图2可知，三相一体变压器测振点4信号中含有大量50Hz、100Hz 的倍频成分，100Hz 成分含量很小，表现出典型的铁心震动特性，而测振点1、2、3信号中含有一定量的100Hz成分，应该是既有铁心震动的特性又有绕组震动的特性。

单相变压器测点震动信号如图3所示。

图3 单相变压器测点震动信号

由图3可知，单相变压器4 个测振点中均含有50Hz 或其倍频成分以及100Hz 及其倍频，符合铁心震动的频率分布，说明4 个测振点信号中均含有铁心震动成分。由于绕组震动主要以100、200、300Hz为主，对比测点1和测点3震动信号频谱图，可以得出测点1和测点3中铁心震动比较明显，与变压器内部结构相对应；根据该变压器内部结构，测点2和测点4应该既有铁心震动又有绕组震动，根据测量结果也可以发现这两个测点震动频率中既有铁心震动成分又有绕组震动成分，且由于铁心震动和绕组震动的频率有重叠部分，所以难以直接判断测点2和测点4中具体是以铁心震动为主还是以绕组震动为主。

3.2 同一测振点不同负荷的震动信号

单相变压器表面信号中，测振点1 在负荷增大时表面震动信号的100Hz成分有明显增大，200Hz成分明显缩小，400Hz 成分也增大；测振点2 信号在负荷增大时，100Hz、200Hz、300Hz、400Hz成分增加，500Hz 减小。随着负荷的变化，绕组震动中的100Hz、200Hz、300Hz 频率成分将会有明显变化，铁心震动的频率成分与电源频率及电压有关，不应有明显变化。但是从两台变压器不同负荷时表面信号的变化来看，随着负荷的变化变压器表面信号的频率成分发生显著差异变化，但是表面信号的变化趋势与理论计算公式并不吻合。

3.3 主变表面震动信号的盲源分离

利用自适应相关函数对仿真信号和实际测量到的变压器震动信号进行降噪，仿真信号的自相关降噪结果如图4所示。

图4 仿真信号的自相关降噪结果

盲源分离算法可以分别将铁心震动和绕组震动信号分离[8]。为此本文选择单相变压器表面震动信号作为盲源分离的源信号，同时采集测振点1 和测振点2 的表面震动信号。由于实际测量中的信号中不可避免会有一定的噪声干扰，且多数盲源分离算法在含噪声的条件下效果并不理想，因此本文先对测量的震动信号进行降噪，在设备状态检测中应用广泛。自相关处理可以将周期性信息进行有效保存，将非周期的噪声信号有效去除，降噪后原始信号的周期性和差异性等信息得以保存。

利用一个周期为0.1s，幅值为1 的正弦信号模拟震动信号，叠加噪声后进行自相关降噪，降噪后信号在一定时延范围内周期性与原信号一致。同时测量单相变压器测点1和2的表面震动信号，经时延自相关降噪后的时域震动信号，测点1和测点2测量到的时域信号如图5所示。

图5 测点1和测点2测量到的时域信号

利用自适应盲源对测量到的震动信号进行处理，时域盲源分离信号如图6所示。

图6 时域盲源分离信号

从盲源分离信号的频谱可以看出，分离信号1频率成分主要为100Hz、350Hz、450Hz，以及少量的200Hz、300Hz、400Hz，较为符合铁心震动的特征；分离信号2 频率成分主要为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz，以及少量的500Hz、600Hz成分，更加符合绕组震动的特征。

在被测主变停电检修期间，对其空载运行时的震动信息进行测量，在主变220kV 断路器合闸后，且35kV、500kV 均未合闸时，此时震动信号以铁心震动为主。主变空载时1号测振点震动信号如图7所示，其与正常运行时盲源分离得到的铁心震动信号存在一定差别，这个现象可能由于空载合闸时的铁心的非线性所导致，若要得到更加精确的额定电压下空载震动信号，需要在额定电压下长时间充电运行，主变正常停送电倒闸操作时不符合长时间充电运行的条件。

图7 主变空载时1号测振点震动信号

4 结语

结合变压器的结构，对实际运行中两种结构的500kV 自耦变压器表面不同测振点的震动信号进行测量，并利用自适应盲源对变压器表面震动信号进行处理，得到两路源信号。在某被测变压器停送电时，测量约等于铁心震动信号的短时空载震动信号，其与该变压器盲源分离的某路源信号较为接近，间接验证该盲源分离算法的有效性。由于无法直接测量实际运行中变压器绕组的震动信号，所以盲源分离结果中另外一路信号与绕组震动信号的符合程度无法精确验证，需要借助更加先进的测量手段。