電力變壓器鐵心振動特性分析

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摘要:作為電力變壓器的主要部件,變壓器鐵心的振動信號主要與鐵心緊固狀況、絕緣程度密切相關,具有較強的非線性非平穩(wěn)特性。本文以電力變壓器鐵心為研究對象,將希爾伯特黃變換(HHT)時頻分析方法引入變壓器鐵心非線性振動信號分析領域,并結合傳統頻譜分析法對六種不同型號的電力變壓器鐵心振動信號進行了分析及實驗研究,從時域、頻域及時-頻域等幾個角度分析了鐵心本體振動特性、油箱表面空載時振動特性及負載時繞組振動對鐵心振動的影響。該研究分析結果為電力變壓器的狀態(tài)檢測與故障診斷提供了一個良好的基礎。

關鍵詞:電力變壓器；鐵心振動；希爾伯特黃變換 1引言 對運行中的電力變壓器實現在線監(jiān)測及故障診斷能夠有效的減少變壓器故障率,降低運行成本[1]。鐵心作為變壓器的主要部件之一,對變壓器的電磁性能、機械強度等起著至關重要的作用。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。因此對鐵心進行振動特性分析是大型電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測中十分重要的一部分。變壓器穩(wěn)定運行時,鐵心振動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雜性,鐵心振動具有非平穩(wěn)、非線性的特性。鐵心振動受硅鋼片材料、制造工藝、運行狀態(tài)及環(huán)境等多種因素的影響[4-5],經過緊固件、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雜,油箱表面不同位置的振動各異。本文結合傅里葉變換和希爾伯特黃變換(HHT)方法,對6種不同型號的變壓器鐵心振動特性,傳遞特性,變壓器油箱振動特性以及繞組振動對鐵心振動的影響等幾個方面進行了深入的實驗研究與分析。 2 Hilbert-Huang變換在目前常采用的信號處理方法中,傅里葉變換受限于線性系統要求,在處理非線性非平穩(wěn)過程時易引入的多余簡諧波[7];而傳統的時頻分析方法如短時傅里葉變換[8]、Winger-Vill分布[9]以及小波變換[10]等,則因為Heisenberg測不準定理的限制而無法同時提高時域分辨率與頻域分辨率[11]。因此,采用這些方法對具有非平穩(wěn)性、非線性特征的鐵心振動信號進行分析并不理想。而HHT方法則是由Norden E Huang等人在1998年提出的一種新的信號處理方法。該方法以計算瞬時頻率為出發(fā)點提出,適用于非線性非平穩(wěn)信號的時頻分析。將HHT方法引入鐵心振動信號分析,其基本原理包括兩個基本步驟[12-13]。第一步是應用經驗模式分解(empirical mode decomposition,EMD)從鐵心振動信號中提取其本身固有的一組特征模式函數(intrinsic mode function,IMF),它的核心是一個“篩選”(sifting)過程。第二步是將鐵心振動信號的每個特征模式函數與它的Hilbert變換構成一個解析復函數,由此導出作為時域函數的瞬時幅值(能量)和瞬時頻率,從而給出幅值(能量)-時間-頻率三維譜圖,得到鐵心振動信號的Hilbert譜。可見,這種自適應的時頻分析方法能夠較好地應用于鐵心非線性振動特性研究與分析。 3實驗方法及實驗對象 3.1測試系統及參數變壓器振動實驗裝置采用自主研發(fā)的TCMS電力變壓器振動在線狀態(tài)監(jiān)測系統。該系統由前置機和上位機及其系統功能軟件組成,以振動參量為主,結合變壓器電壓和電流參量等對電力變壓器進行多參量實時在線監(jiān)測。振動傳感器為ICP加速度傳感器,靈敏度為500 mV/g。其輸出連接到TCMS前置機的振動通道,同時采集相應的電壓、電流信號,實現對監(jiān)測信號的調理、采樣、處理和顯示。采集和處理的數據通過以太網或串口通訊傳給上位機,其系統功能軟件采用LabVIEW軟件設計平臺,對變壓器的振動信號以及其他信號進行波形和頻譜等實時數據的顯示與分析、瞬態(tài)數據采集與分析、趨勢分析、報警分析以及數據管理。TCMS系統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,振動加速度分辨率為0.024 m/s2。TCMS vibration monitoring system 3.2測試變壓器在研究分析電力變壓器鐵心振動特性的過程當中,對6種不同型號的電力變壓器進行了振動實驗,實驗內容包括空載情況下鐵心及油箱表面的振動信號采集和負載狀態(tài)下油箱表面振動信號的采集。 4實驗結果與分析 4.1鐵心表面振動特性實驗中獲得了1#和2#變壓器鐵心表面的振動信號。將1#變壓器鐵心從油箱中取出,拆掉高壓線圈,在低壓側加上額定電壓,測量鐵心表面的振動信號。4個測點(A相頂部及側面,C相頂部及側面)如所示。2#變壓器鐵心柱繞上實驗線圈,使得鐵心磁通達到額定值,現場測試如圖2右所示(4個測點為三相頂部及A相接縫側)?？梢钥吹?將傳感器直接貼于鐵心表面測量振動時波形中有50 Hz諧波的干擾。這是鐵心中的交變磁通對傳感器磁座作用所致。為了避免漏磁場對傳感器的干擾,在測量2#變壓器時將傳感器粘在絕緣紙上,再用502膠固定于鐵心表面。 5結論 本文的工作建立在實驗室、變壓器生產廠家和變壓器實際運行現場多臺型號變壓器各種不同狀態(tài)下的大量數據的分析研究基礎上。由于篇幅的限制,僅給出了上述幾個主要結果圖譜。本文主要從以下幾個方面對鐵心振動信號進行了分析與研究:1)振動傳感器安裝方法對測試結果的影響。2)鐵心本體振動特性。3)鐵心振動的傳遞特性。4)繞組振動對鐵心振動的影響。5)油箱表面的振動特性。通過對6種不同型號變壓器的振動信號進行分析,更為深入清晰的理解變壓器鐵心的振動特性,為變壓器鐵心故障的在線狀態(tài)監(jiān)測打下了基礎。 參考文獻: [1]朱光偉,張彼德.電力變壓器振動監(jiān)測研究現狀與發(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. [2]金豐.采用沖擊電流消除變壓器鐵心多點接地故障[J].中國科技博覽,2009(31):94.JIN F.Treatment of multi-point grounding of transformercore with impulse current[J].China Science and Tech-nology Review,2009(31):94. [3]WEISER B.Relevance of magnetostriction and force forthe generation of audible noise of transformer cores[J].IEEE Transation on Magnetics,2000,36(5). [4]FOSTER S L,REIPLINGER E.Characteristics and con-trol of transformer sound[J].IEEE Transactions onPower Apparatus and Systems,1981,PAS-100(3):1072-1077. [5]董志剛.變壓器的噪聲(3)[J].變壓器,1995,32(12):37.DONG ZH G.The transformer noise(3)[J].TRANSF-ORMER,1995,32(12):37. [6]GORDY T D.Audible noise of power transformers[J].American Institute of Electrical Engineers,1950,61(1):45-53. [7]劉毅華,趙光宙.希爾伯特-黃變換在電力系統故障檢測中的應用研究[J].繼電器,2006,34(14):4-6.LIU Y H,ZHAO G ZH.Application of Hilbert-Huangtransform in power system[J].Relay,2006,34(14):4-6. [8]POTTER R K,KOPP G,GREEN H C.Visiblespeech[M].New York:Van Nostrand,1947. [9]胡廣書.現代信號處理教程[M].北京:清華大學出版社,2004.HU G SH.Modern signal processing[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004. [10]MORLET J.Wave propagation and sampling the-ory-partz:sampling theory and complex waves[J].Geo-physics,1982,47(2):222-236. [11]熊衛(wèi)華.經驗模態(tài)分解方法及其在變壓器狀態(tài)監(jiān)測中的應用研究[D].杭州:浙江大學.2006.XIONG W H.Empirical mode decomposition methodand its application research on transformer’s conditionmonitoring[D].Hangzhou:Zhejiang University.2006. [12]NORDEN E H,ZHENG SH,STEVEN R L,et al.Theempirical mode decomposition and the hilbert spectrumfor nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proc.R.Soc.Lond.A,454:903-995,1998. [13]NORDEN E H,ZHENG SH,STEVEN R L,et al.A newview of nonlinear water waves:The hilbert spectrum[J].Annu.Rev.Fluid Mech,1999,31:417-57. [14]姜宏偉.采用瞬時法分析三相五柱配電變壓器的磁通分布[J].變壓器,2004,41(1):10-13.JIANG H W.Flux distribution analysis of three-phasefive-limb distribution transformer by instantaneousmethod[J].Transformer,2004,41(1):10-13. [15]BELEN G.Transformer tank vibration modeling as amethod of detecting winding deformations-partⅠ:theo-retical foundation[J].IEEE transactions on power deliv-ery,2006,21(1):157-163. [16]BELEN G.Transformer tank vibration modeling as amethod of detecting winding deformations-partⅡ:Ex-perimental verification[J].IEEE transactions on powerdelivery,2006,21(1):164-169.