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摘要：变压器作为电力系统的关键设备，其安全性是电网稳定运行的基础。铁心松动，绕组变形等机械故障目前还没有广泛应用的在线监测手段，研究学者提出了基于振动信号的变压器状态监测技术，由于和系统无电气连接，灵敏度高，安全可靠等优点，该技术在变压器铁心绕组状态的在线监测领域具有良好的应用前景。本文在此基础上总结了基于振动特性的变压器故障诊断的相关内容。
关键词：振动特性；变压器；故障诊断
1引言
变压器故障诊断的方法有两大类，其中传统方法包括频率响应方法、短路阻抗方法以及低压脉冲法和以油中溶解气体为基础的混合诊断方法等。近年来，很多学者致力于通过变压器振动信号来监测变压器故障。与传统方法相比，该方法在诊断变压器故障时，抗干扰能力更强，灵敏度也比较高。另外，由于该方法所用监测设备不直接与整个电力系统的电气连接，所以不会影响系统的正常运行，比传统方法更安全可靠。
2变压器振动特性概述
变压器的振动主要源自绕组和铁芯。变压器运行时，输入的电压使得铁芯因磁致伸缩效应产生振动，负载电流则使得绕组因电磁力产生振动，绕组和铁芯的振动通过绝缘油和支撑机构传递到变压器油箱表面。对于一台正常变压器，当电流和电压产生的激励力一定时，在变压器内部机械结构保持不变的情况下，油箱表面不同位置的振动分布也基本保持不变。绕组作为变压器内部最为关键且脆弱的部件，当变压器发生短路故障时，绕组受到电磁力的冲击，很可能会导致绕组发生变形。绕组发生变形后其频响特性和内部磁场分布发生变化则会导致振动分布发生变化，从而导致油箱表面的振动分布也随之发生变化。而对于大型电力变压器，输入电压基本保持稳定，同时在变压器相同的分接位置，励磁电流在铁芯中产生的主磁通在空载、负载及负载变化时大小基本保持不变，因此，铁芯振动在不同负载电流下基本不变。由此可知，油箱表面振动分布的变化主要反映变压器绕组的机械结构状态。因此通过监测不同负载电流下油箱表面振动分布的变化，可实现对变压器绕组状态的监测。在工程力学中，重心位置会影响物体的平衡和稳定，重心位置往往体现了物体内部受力分布的情况。在此将重心的概念引入变压器振动分布特征的研究中，变压器绕组和铁芯的振动经过绝缘油和支撑结构传递到油箱表面，其振动重心的位置则可以反映出油箱表面振动的分布规律。对于一台正常变压器，内部机械结构不变时，油箱表面的振动分布也基本不变，当绕组出现故障时，会导致油箱表面振动分布发生变化，从而导致振动重心的位置也发生变化。因此可通过油箱表面振动重心位置的变化情况来对绕组状态进行监测。
3变压器正常工作时振动信号的分析
电力变压器正常工作时，硅钢片的磁致伸缩引起了铁心振动，负载电流的电场力引起绕组振动。对于绕组振动，由于作用在导体上的电动力与电流和磁场强度的乘积成正比，故变压器绕组所受的振动力正比于负载电流的平方，因此绕组振动的基频是负载电流频率的两倍，即100Hz。对于铁心振动，由于外加电压与磁通密度呈线性关系，可知由于磁致伸缩引起的振动力正比于外加电压的平方，因此铁心振动的基频是外加电压频率的两倍，也为100Hz。由上可得，变压器正常工作时，振动信号的基频为100Hz。由于电流与磁通之间存在非线性关系，磁致伸缩现象也有着非线性的特点，因此变压器正常工作时的声信号中还含有高次谐波成分。
4基于振动特性的变压器故障诊断
4.1振动信号采集系统的设计
该采集系统主要由电源模块、信号调理模块和STM32ZET6主控模块组成，采集变压器器身振动信号的设备是6路IEPE加速度传感器，信号调理电路可以将采集的电压转化成0-5V的电压，利用MCU和AD7888芯片将调理后的模拟信号转换为数字信号，再将转换后的数字信号用USB接口传送给上位机处理。此外，系统外接了OLED显示屏，以便直观了解变压器的振动情况。STM32ZET6主控芯片主要控制AD芯片的采样，以及外接OLED显示波形和USB接口数据传输，其中实心与空心箭头分别对应电源线和信号线。
4.2试验用单相变压器的振动测试
分别在空载和短路2种变压器运行状态下试验。选取国内某型号的35kv变压器为试验对象，将IEPE加速度传感器吸附在变压器箱体表面采集振动信号。
4.2.1铁心振动
变压器低压侧开路，即空载条件做铁心的振动试验．在空载条件下，负载电流为0，变压器绕组之间的电动力为0，绕组振动较小，可忽略不计，此时变压器机体的振动多数情况下来自于铁心振动，因此在空载时变压器机身振动特性即为变压器铁心的振动特性。压器加载电压分别为3.5，7.0，10.0，15.0，20.0，25.0，30.0，35.0kv，把振动信号数据分别存入mat文件，对数据滤波后进行FFT变换，提取100Hz的幅值．将得到的离散点进行最小二乘拟合，所得变压器主频幅值和加载电压的关系曲线图，由图可知，在变压器空载时，变压器的主频幅值与加载电压百分比的平方基本满足线性关系，验证了与理论分析的一致性。
4.2.2绕组振动
变压器低压侧短接，即在短路条件下试验绕组的振动。在该情况下，给一次侧加载较低的电压，二次侧加载就会产生较大的电流，并很快达到额定电流。此时，变压器铁心在低电压下磁致伸缩不明显，铁心引发的振动可以忽略，变压器机体振动主要来自于绕组的振动，即短路时变压器机身振动特性即为变压器绕组的振动特性。改变高压侧电压，使负载电流依次为额定电流的10%，20%，30%，…，100%。对数据滤波后进行FFT变换，提取100Hz的幅值．将得到的离散点进行最小二乘拟合，所得变压器主频幅值与负载电流的关系曲线图，由图可知，短路时，主频幅值基本上与加载电流百分比的平方为线性关系，实验结果与理论分析相吻合。
5结束语
文章通过对某一特定型号的变压器做空载和短路试验，总结出故障特征，提取出故障特征值。分析了变压器的振动机理，为铁心和绕组故障的判断提供了依据，设计了振动信号采集卡，可以用于采集变压器不同工况下的振动信号。
参考文献
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