电力变压器铁心振动特性分析

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摘要:作为电力变压器的主要部件,变压器铁心的振动信号主要与铁心紧固状况、绝缘程度密切相关,具有较强的非线性非平稳特性。本文以电力变压器铁心为研究对象,将希尔伯特黄变换(HHT)时频分析方法引入变压器铁心非线性振动信号分析领域,并结合传统频谱分析法对六种不同型号的电力变压器铁心振动信号进行了分析及实验研究,从时域、频域及时-频域等几个角度分析了铁心本体振动特性、油箱表面空载时振动特性及负载时绕组振动对铁心振动的影响。该研究分析结果为电力变压器的状态检测与故障诊断提供了一个良好的基础。

关键词:电力变压器；铁心振动；希尔伯特黄变换 1引言 对运行中的电力变压器实现在线监测及故障诊断能够有效的减少变压器故障率,降低运行成本[1]。铁心作为变压器的主要部件之一,对变压器的电磁性能、机械强度等起着至关重要的作用。资料显示,铁心故障在变压器总事故中约占第3位[2],是变压器的主要故障源之一。因此对铁心进行振动特性分析是大型电力变压器状态监测中十分重要的一部分。变压器稳定运行时,铁心振动主要来源于硅钢片的磁致伸缩和叠片间特别是接缝处的电磁力[3]。由于铁心磁化过程的饱和特性及法向磁通和缝隙磁通的复杂性,铁心振动具有非平稳、非线性的特性。铁心振动受硅钢片材料、制造工艺、运行状态及环境等多种因素的影响[4-5],经过紧固件、垫脚等固体及液体绝缘油两种方式传到油箱表面[6]。由于传播过程本身十分复杂,油箱表面不同位置的振动各异。本文结合傅里叶变换和希尔伯特黄变换(HHT)方法,对6种不同型号的变压器铁心振动特性,传递特性,变压器油箱振动特性以及绕组振动对铁心振动的影响等几个方面进行了深入的实验研究与分析。 2 Hilbert-Huang变换在目前常采用的信号处理方法中,傅里叶变换受限于线性系统要求,在处理非线性非平稳过程时易引入的多余简谐波[7];而传统的时频分析方法如短时傅里叶变换[8]、Winger-Vill分布[9]以及小波变换[10]等,则因为Heisenberg测不准定理的限制而无法同时提高时域分辨率与频域分辨率[11]。因此,采用这些方法对具有非平稳性、非线性特征的铁心振动信号进行分析并不理想。而HHT方法则是由Norden E Huang等人在1998年提出的一种新的信号处理方法。该方法以计算瞬时频率为出发点提出,适用于非线性非平稳信号的时频分析。将HHT方法引入铁心振动信号分析,其基本原理包括两个基本步骤[12-13]。第一步是应用经验模式分解(empirical mode decomposition,EMD)从铁心振动信号中提取其本身固有的一组特征模式函数(intrinsic mode function,IMF),它的核心是一个“筛选”(sifting)过程。第二步是将铁心振动信号的每个特征模式函数与它的Hilbert变换构成一个解析复函数,由此导出作为时域函数的瞬时幅值(能量)和瞬时频率,从而给出幅值(能量)-时间-频率三维谱图,得到铁心振动信号的Hilbert谱。可见,这种自适应的时频分析方法能够较好地应用于铁心非线性振动特性研究与分析。 3实验方法及实验对象 3.1测试系统及参数变压器振动实验装置采用自主研发的TCMS电力变压器振动在线状态监测系统。该系统由前置机和上位机及其系统功能软件组成,以振动参量为主,结合变压器电压和电流参量等对电力变压器进行多参量实时在线监测。振动传感器为ICP加速度传感器,灵敏度为500 mV/g。其输出连接到TCMS前置机的振动通道,同时采集相应的电压、电流信号,实现对监测信号的调理、采样、处理和显示。采集和处理的数据通过以太网或串口通讯传给上位机,其系统功能软件采用LabVIEW软件设计平台,对变压器的振动信号以及其他信号进行波形和频谱等实时数据的显示与分析、瞬态数据采集与分析、趋势分析、报警分析以及数据管理。TCMS系统的采样频率为每通道20 kHz(各通道同步采样),抗混叠道通滤波器截止频率为2 kHz,振动加速度分辨率为0.024 m/s2。TCMS vibration monitoring system 3.2测试变压器在研究分析电力变压器铁心振动特性的过程当中,对6种不同型号的电力变压器进行了振动实验,实验内容包括空载情况下铁心及油箱表面的振动信号采集和负载状态下油箱表面振动信号的采集。 4实验结果与分析 4.1铁心表面振动特性实验中获得了1#和2#变压器铁心表面的振动信号。将1#变压器铁心从油箱中取出,拆掉高压线圈,在低压侧加上额定电压,测量铁心表面的振动信号。4个测点(A相顶部及侧面,C相顶部及侧面)如所示。2#变压器铁心柱绕上实验线圈,使得铁心磁通达到额定值,现场测试如图2右所示(4个测点为三相顶部及A相接缝侧)。可以看到,将传感器直接贴于铁心表面测量振动时波形中有50 Hz谐波的干扰。这是铁心中的交变磁通对传感器磁座作用所致。为了避免漏磁场对传感器的干扰,在测量2#变压器时将传感器粘在绝缘纸上,再用502胶固定于铁心表面。 5结论 本文的工作建立在实验室、变压器生产厂家和变压器实际运行现场多台型号变压器各种不同状态下的大量数据的分析研究基础上。由于篇幅的限制,仅给出了上述几个主要结果图谱。本文主要从以下几个方面对铁心振动信号进行了分析与研究:1)振动传感器安装方法对测试结果的影响。2)铁心本体振动特性。3)铁心振动的传递特性。4)绕组振动对铁心振动的影响。5)油箱表面的振动特性。通过对6种不同型号变压器的振动信号进行分析,更为深入清晰的理解变压器铁心的振动特性,为变压器铁心故障的在线状态监测打下了基础。 参考文献: [1]朱光伟,张彼德.电力变压器振动监测研究现状与发展方向[J].变压器,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]金丰.采用冲击电流消除变压器铁心多点接地故障[J].中国科技博览,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]董志刚.变压器的噪声(3)[J].变压器,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]刘毅华,赵光宙.希尔伯特-黄变换在电力系统故障检测中的应用研究[J].继电器,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]胡广书.现代信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,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]熊卫华.经验模态分解方法及其在变压器状态监测中的应用研究[D].杭州:浙江大学.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]姜宏伟.采用瞬时法分析三相五柱配电变压器的磁通分布[J].变压器,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.