振动监测方法在特高压电抗器缺陷分析中的应用

郑一鸣，孙 翔，张建平，李 晨，于 淼

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

传统油浸式电力设备有效的在线监测手段主要为油色谱分析方法、局部放电等。电力设备状态检修体系的构建以及智能变电站的建设都对电力设备在线监测手段提出了新的要求[1-4]。根据国家电网公司下发的《变电设备在线监测装置质量提升方案》，为提升变电设备在线监测装置使用效果和运行可靠性，充分发挥监测装置的作用，保障主设备安全稳定运行，国网公司鼓励有条件地开展基于新技术、新原理的在线监测装置的工程应用性研究，对多样化的监测技术提供运行条件[5-7]。

振动监测方法是一种利用传感器采集设备箱体表面振动信号，再进一步应用相关系统分析监测信号以诊断设备内部缺陷、评估设备运行状态的监测分析手段[8-12]。作为一种新型状态监测方法，振动监测的主要优点在于监测系统与设备主体无任何电气连接，安全可靠，抗干扰能力强，监测过程不会对电力设备的正常运行造成任何影响[14]。

以下应用振动监测手段，实时监测一台乙炔含量异常的特高压电抗器（以下简称高抗）箱壁的振动情况，通过分析定位了高抗内部可能的缺陷位置。经返厂解体分析，实际的缺陷部位与基于振动监测分析的定位基本一致，验证了振动监测方法在电力设备缺陷分析中的有效性。

1 缺陷设备信息

该高抗采用双器身串联结构，其器身主要结构与内部绕组连结方式如图1所示。铁心采用2个单相带旁轭式结构，2个铁心中的心柱由铁心饼组成。线圈为饼式绕组，两柱串联结构，每柱线圈皆为中部出线。设备主要技术参数见表1。

图1 高抗器身结构与绕组连结

表1 高抗主要技术参数

2 振动在线监测

发现高抗油色谱异常后，在设备箱体上加装了振动在线监测装置，该装置结构如图2所示。在高抗外壳表面布置传感器探头，传感器经信号线连接至振动检测仪ADRE208-P，再经数据线连接至计算机进行实时展示。

图2 振动在线监测装置结构

位移和速度探头的布置方式如图3（a）所示，共布置了9个位移和速度监测点：4号探头为速度监测点，其余为位移监测点；2，3，5，6，7，8号监测点布置在壳体表面，1和9号监测点布置在加强筋上。

加速度探头装设在在高抗外壁的4个方向，加速度探头的分布位置所图3（b）所示。

3 监测结果分析

3.1 振动位移（速度）监测结果分析

两个区间内位移和速度的监测情况变化不大，数值基本稳定。4号速度监测点和9号位移监测点的监测结果如图4所示。从时域看，在监测时间内振动信号存在波动但总体较为平稳，并未出现明显的突变现象。

图3 探头布置

图4 振动监测结果

每个监测点的最大测量值如表2所示。可以看出，2，3，9监测点的振动幅值较大。根据振动幅值的分布，通过拟合分析可以绘制高抗的振幅分布情况，进而发现主要振源有2个：一个为X柱靠近3号监测点和9号监测点位置，其振动幅值较大；另一个为A柱靠近2号监测点位置，其振动幅值较小。

典型的4号速度监测点和9号位移监测点的频谱如图5所示。可以看出，主振动频率为100Hz，是工频的2倍，因此可以判断箱体的振动主要来自铁心振动。

表2 最大测量值

3.2 振动加速度监测结果分析

图5 加窗频谱

按照图3（b）的编号顺序，1号探头的振动加速度监测值稳定在2~4 m/s2，2号探头的振动加速度监测值稳定在4~5 m/s2，3号探头的振动加速度的显示值为10倍的实测值（以下图中显示均为10倍值），监测值在2月28日之前稳定在20~25 m/s2（实际为2~2.5 m/s2），4号探头的振动加速度监测值在2月28日之前稳定在8~10 m/s2。可见高抗X柱侧和引下线侧振动较为明显，这与位移和速度探头的监测结果一致。

从2月28日开始，3号、4号探测点出现大幅波动，其时域波形分别如图6和图7所示。可以看出，3号、4号探测点的监测值波动明显，特别是3号探测点，其波动幅度达最高13 m/s2，说明在高抗X柱侧出现了较大的振源。

图6 2月28日加速度监测时域波形

图7 2月29日加速度监测时域波形

图8 加窗傅里叶分析

为进一步考察振动加速度频域的变化，将2月27日和29日3号探头监测值的加窗傅里叶分析示于图8。

可以看出，2月27日的主频率仍为铁心振动的频率100 Hz，其他的频率分量均为100 Hz的倍数，而从2月28日20∶10开始，出现了一个幅值将近15 m/s2的50 Hz分量，该频率分量在随后2月29日—3月8日的检测值中均有出现。可见，从2月28日起，高抗内部出现了一个非铁心的振源，振动频率等于工频，而同期乙炔含量也出现明显增长。

振动在线监测数据显示，在乙炔平稳期，高抗的振动主频率为100 Hz，应是由铁心振动引起。而在乙炔增长期，叠加了非铁心振动引起的工频振源，定位结果显示工频振源位于X柱靠接地引下线侧。

4 解体分析验证

高抗返厂解体后发现X柱地屏表面有碳黑痕迹。X柱地屏（由2张组成）铜带侧出现放电碳化现象，2张地屏各1条铜带出现断裂（图9）。

图9 X柱地屏明显放电痕迹

解体检查发现X柱芯柱地屏第34条（从上至下）与第35条铜带存在明显放电痕迹，2张地屏中的第34条铜带均存在断裂；A柱地屏也发现铜排皱褶和局部少量黑色痕迹，铜条局部变色（图10）。

图10 X柱和A柱地屏铜条样品

根据设备故障现象及解体检查结果可判断，引起该台高抗油色谱异常的主要原因为X柱心柱地屏铜带放电，验证了振动在线监测的定位结论。A柱地屏也发现铜排皱褶和局部的少量黑色痕迹，经检验为初步的间歇性放电痕迹，即缺陷发展前期征兆。结合振动在线监测的现象，X柱的振动整体上更大，因此更容易造成地屏铜条的振动和位移。

5 结论

（1）振动在线监测数据显示在乙炔平稳期，高抗的振动主频率为100 Hz，是由铁心振动引起。而在乙炔增长期，叠加了一个非铁心振动引起的工频振源，定位结果显示振源位于X柱接地引下线侧。

（2）解体发现X柱地屏与A柱地屏有少量黑迹，经检验和分析认为X柱地屏铜条明显的放电烧灼现象为铜条位移、振动及放电所致，铜条断裂系高温发热所致。该部位的缺陷系导致高抗油色谱异常的主要原因，与振动监测定位基本一致。A柱地屏也存在类似缺陷发生的早期症状，X柱与A柱振动的强弱对比与两者缺陷程度相一致。

[1]许婧，王晶，高峰，等.电力设备状态检修技术研究综述[J].电网技术，2000，24（8）∶48-52.

[2]JARDINE A K S，LIN D，BANJEVIC D.A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J].Mechanical Systems&Signal Processing，2006，20（7）∶1483-1510.

[3]GRALL A，BÉRENGUER C，DIEULLE L.A conditionbased maintenance policy for stochastically deteriorating systems[J].Reliability Engineering&System Safety，2002，76（2）∶167-180.

[4]翟瑞聪，王红斌，谢善益，等.电力设备状态检修系统研究与应用[J].广东电力，2013，26（5）∶96-100.

[5]郭碧红，杨晓洪.我国电力设备在线监测技术的开发应用状况分析[J].电网技术，1999，23（8）∶65-68.

[6]XIE Z，BI T，JIN H，et al.Research on power supply of online monitoring equipment for high-voltage transmission and distribution line[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2016（22）∶16-21.

[7]姜磊，吴成琦.电力设备在线监测系统软件框架的设计[J].高电压技术，1999，25（4）∶35-37.

[8]徐剑，邵宇鹰，王丰华，等.振动频响法与传统频响法在变压器绕组变形检测中的比较[J].电网技术，2011（6）∶213-218.

[9]徐志.基于振动法的变压器在线监测研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[10]潘徽，宋政湘，牛博.基于振动的断路器状态检测系统的设计与开发[J].高压电器，2014（12）∶83-88.

[11]崔亚辉，张俊杰，徐亚涛，等.大型机组振动故障的早期预警技术[J].电力系统自动化，2016，40（4）∶136-139.

[12]KANG P，BIRTWHISTLE D.Characterization of vibration signals using continuous wavelet transform for condition assessment of on-load tap-changers[J].mechanical systems&signal processing，2003，17（3）∶561-577.

[13]KANG P，BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers.Part 1∶Automatic condition diagnostics[J].Generation，Transmission and Distribution，IEE Proceedings，2001，148（4）∶301-306.

[14]KANG P，BIRTWHISTLE D.Condition monitoring of power transformer on-load tap-changers.part 2∶Detection of ageing from vibration signatures[J].IET Proceedings-Generation Transmission and Distribution，2001，148（4）∶307-311.