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基于振动的变压器铁芯故障诊断机理分析

发布时间:2018-07-20 09:21      浏览次数:
1、变压器铁芯振动的机理及其特征
    变压器振动主要包括变压器本体(主要是铁芯和绕组)、冷却装置以及分接开关动作的振动。空载时,绕组振动较小,振动主要来自铁芯。铁芯振动是硅钢片在励磁电流作用下磁致伸缩引起的,这种伸缩使得铁芯随着励磁频率的变化而周期性地振动。
    磁性物质长度变化与磁通密度的关系见图1。
磁致伸缩形变随磁通密度变化曲线
图1 磁致伸缩形变随磁通密度变化曲线
    忽略滞后现象的影响,图1中实线可以用图中虚线所绘的理想曲线代替。这条理想曲线的数学表达式可近似为一个二次函数,这样,就建立了磁致伸缩量和磁通密度平方之间的线性关系。
    变压器空载运行时,在匝数为 N1 的原边施加交流电压u1=V1sinΩt,在横截面积为S 的铁芯上激励交变的主磁通Φ。根据法拉第电磁感应定律,可求得铁芯中的磁感应强度B 为:
铁芯中的磁感应强度B(1)
考虑到伸缩量与外力成正比,再结合图1表示的磁致伸缩量和磁通密度之间的关系,可知铁芯由于磁致伸缩引起的振动力和所加载电压的平方呈正比关系,即
(2)
加载电压的2倍频率为100Hz,故磁致伸缩力的基频为100Hz,由加速度和力的关系可知,加速度信号基频也为100 Hz。磁致伸缩现象固有的非线性特点,使铁芯所受磁致伸缩力还存在着以100Hz为基频的高阶谐波分量,甚至一些高次谐波的分量很大,但没有一定的规律。

2、变压器油箱共振机理
    电力变压器本体的振动通过铁芯垫脚及绝缘油2条路径传递到变压器油箱壁,使油箱壁产生振动。设变压器油箱受到的驱动力按余弦规律变化,即F=F0cosωt,其中F0 为驱动力幅值,ω为驱动力角频率。驱动力作用下的强迫振动运动方程为:
强迫振动运动方程(3)
    式中:m 为质量;k为刚度;γ为阻力系数。
强迫振动运动方程
    式中:β为阻尼系数;ω0 为无阻尼时振子固有频率。在阻尼较小的情况下,式(4)的解为
    式中:A0 和φ0 分别为阻尼振动幅值和初始相位;A和φ 分别为简谐振动的幅值和初始相位。
    式(5)是阻尼振动和简谐振动的叠加,经过一段时间后,等号右侧第1项衰减到可以忽略不计,受迫振动进入稳定的等幅振动,其表达式为:
    在其他条件不变的情况下,幅值 A 随驱动力的频率而改变,驱动力的频率为某一特定值时,受迫振动的幅值将达到极大值,发生共振。由于铁芯振动还存在着以100Hz为基频的高阶谐波分量,当振动的某一频率分量接近油箱的共振频率时,从油箱表面测得的振动信号幅值会变得很大,因此有必要对选取的油箱测试点固有频率进行测试。

3、基于100Hz分量所占比例的阈值设定方法
    由前面变压器铁芯振动的机理及其特征的分析内容可知,100Hz频率分量值随电压变化而变化,如果要准确设定铁芯松动故障的阈值就需要考虑电压的影响,即当电压变化时,故障判断阈值要乘以一个与电压相关的系数。这对信号采集系统来说又要增加一个测量值,增加了额外的通道和时间。此外,当使用不同型号的振动加速度传感器时,还要考虑灵敏度的影响。因此,可考虑采用100Hz特征频率分量占总分量(1kHz以内)的比例来设定阈值,因为1kHz以后的频率分量很小,几乎衰减到0。
    变压器加额定电压UN 时,变压器油箱表面测得的振动信号可表示为:
振动信号
式中:X´表示第i 次谐波分量幅值,这里基波分量X´的频率为100Hz。
    由于振动信号中以100 Hz为基频的高阶分量相对较小,可认为谐波分量也与电压的平方成正比。当变压器电压为U 时,油箱表面的振动信号为:
振动信号
从式(10)及式(11)可以看出,油箱表面振动信号与电压的平方成正比,因此,直接采用基波或谐波特征分量设定故障阈值时,将受到电压参数的影响。本文以100Hz特征频率分量占总分量的比例来设定阈值,将消除电压变量的干扰,100 Hz基波分量所占比例Y1 为:
    当变压器电压变化或使用不同灵敏度的传感器时,Y1 表达式的分子、分母都乘以一个系数,比例值Y1 不会变化。因此,当用100 Hz基波分量所占比例值Y1 来设定故障阈值时无需再考虑电压以及不同传感器灵敏度的影响。