西安交通大学电气学院(西安710049)    汲胜昌  刘味果  单平  李彦明

国电南京自动化股份有限公司(南京210003)    徐大可

摘要  介绍了振动法监测电力变压器铁心及绕组状况的原理。根据对测量对象等的分析，在合理选择了传感器、电荷放大器及采取了一系列的抗干扰措施后，设计并组成了一套完整的测试系统。利用该系统提取了试验用小型变压器在空载情况下的振动信号。从提取的振动信号频谱图可看出，该测试系统可正确测取变压器在空载条件下铁心的振动信号。试验表明，利用振动法在线监测变压器是可行的。

关键词  变压器铁心  绕组振动  传感器  在线监测  测试系统

0  引言

根据变压器历年的统计资料表明^［1］,绕组与铁心是发生故障较多的部件。因此，积极开展变压器绕组及铁心状况的诊断工作，及时发现有故障隐患的变压器,并有计划进行吊罩验证及检修，可以减少运行成本，延长设备寿命，预防变压器突发事故的发生，带来良好的经济和社会效益。本文叙述的通过在线监测器身振动来反映其绕组及铁心状况的方法，最早是在并联电抗器上采用，在电力变压器上使用振动测试，美国、俄罗斯及加拿大等国已进行了多方面的研究^［2］。这种方法的最大优点是通过贴在变压器器身上的振动传感器来在线监测其绕组及铁心状况，与整个电力系统没有电气连接，可安全、可靠地达到在线监测的目的。

1  原理

1.1  变压器器身振动起因

变压器器身的振动是由于变压器本体(铁心、绕组等)及冷却装置的振动产生的。国内外研究表明，变压器本体振动的根源在于^［3］：

1) 硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。

2) 硅钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁而产生的电磁吸引力。

3) 当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的漏磁引起绕组的振动。

由此可见，变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关。

1.2  铁心及绕组振动特征

一般认为，在变压器相同的分接位置激磁电流在铁心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，铁心的振动也基本不变。为此，为了得到在不同分接位置变压器铁心振动的振动特性，只需测取不同分接位置处变压器在空载条件下的器身振动信号^［4］。由磁致伸缩引起的铁心振动是以2倍的电源频率为其基频(≈100 Hz)，另外由于硅钢片磁致伸缩的非线性，使得励磁磁通明显偏离正弦波，即有高次谐波的磁通分量存在。也就是说，变压器铁心振动频谱中除基频外，还包含基频整数倍的高次谐波［4］。当铁心的夹紧力不够大时，硅钢片的自重将使铁心产生弯曲变形，致使磁致伸缩增大，即铁心的振动加剧。

在负载条件下，变压器器身振动还包括负载电流作用下的绕组振动，通过比较空载和负载的振动信号，可得到绕组的振动特征。高低压绕组之一发生变形、位移或崩塌后，绕组的压紧不够，高、低压绕组间高度差逐渐扩大，绕组安匝不平衡加剧，漏磁造成的轴向力增大，绕组的振动加剧^［3］。

良好状态变压器振动的特征向量可作为指纹留用(指纹量的特征向量包括绕组和铁心振动信号的频谱、功率谱、能量谱等)。由以上分析可看出变压器绕组及铁心的压紧状况以及绕组的位移及变形将引起作为指纹的特征向量变化，因而可在线、及时地给出有关变压器铁心及绕组状况的指示，一旦变压器发生故障，由当前特征向量与指纹比较就可快速反映出来。当然，还应确定负载电流变化引起的绕组振动变化的规律，以免造成误判。

2  测试系统设计

2.1  测试对象和记录仪器

采用小型干式试验变压器，环氧树脂浇注，容量为1 kVA，电压为200V/10kV，单相；记录仪器选用TDS220数字存储示波器，采样频率为50 kHz，一次存储2500个采样点，或直接将振动信号送入PC总线的A/D卡。振动信号送入计算机进行处理，提取特征向量。

2.2  振动传感器的选择

被测信号为电气机械振动信号，初步估计振动频宽10～2000Hz，振幅0.5～50μm^［6］。可供选择的振动传感器有加速度、速度和位移传感器。

加速传感器可分为压电式、应变式和伺服加速传感器。伺服加速传感器低频响应非常好(从DC开始)，但频宽窄(＜500 Hz)，显然不适于变压器器身振动的测量。压电式与应变式相比较，压电式加速传感器应用更为广泛，自重2～500g，安装谐振频率(即频率响应上限)从4～100 kHz，有足够的频宽。因此，振动传感器选择压电式加速传感器较合理。

2.3  电荷放大器

压电式加速传感器测取的振动信号一般幅值较低，需要放大后再传送到后续电路处理。而压电式加速传感器是一种电容性传感器，输出为电荷量，具有很高的输出阻抗，普通电压放大器难以满足测试要求，需要专门设计的电荷放大器，见图1。

其中，Q为传感器产生的电荷；A为运放开环增益；C_t为传感器电容；C₀为电缆电容。

因此U₀=－QA/［C_t+C₀+C_f(1+A)］

由于A很大，｜C_t+C₀｜＜＜｜C_f(1+A)｜，所以

U₀=－QA/C_f(1+A)≈－Q/C_f

即输出电压U₀与输出电荷成正比，而与电缆电容无关。因此电荷放大器可使用很长的输入电缆而对测量精度影响很小，一般电压放大器是无法达到此项要求的。本研究选用YE5852型电荷放大器，具有带通滤波、归一化放大的功能。

综合上述，整个测试系统见图2。

测试过程中，传感器需要与被测变压器良好接触，要求固定后安装谐振频率大于被测振动信号的5～10倍以上，并且水平垂直方向都不能有滑动。

据文献［7］，国外在进行试验时，测点一般选在每相绕组侧面的1/4，1/2和3/4处，顶部另有一测点。在实验室中分别测取以上各点处被测变压器空载时的振动信号后发现，同样条件下，变压器大侧面1/2处振动信号幅值较大，且波形稳定，能基本反映在空载条件下变压器的振动特性，所以在以后的试验中都是在变压器大侧面1/2处测取振动信号进行分析处理。

3  测试系统抗干扰措施

考虑到将来整个测试系统用于现场时，将会有较大的电磁干扰存在，如何使测试系统在恶劣的电磁环境下正常工作，抗干扰措施显得尤其重要。在试验过程中，采取了以下的抗干扰措施：

1) 传感器“浮地”。因为传感器外壳与信号接地端相连，当传感器贴于变压器金属外壳时，如果不采取绝缘措施，因涡流作用金属外壳带有感应电流，将引入非常大的工频干扰，所以传感器与变压器金属外壳一定要绝缘，保持“浮地”。

2)传输导线屏蔽。在使用了屏蔽电缆后，电磁干扰耦合的模型见图3。图中U₁为干扰源电压；U_S为干扰耦合到输入端电压；C_1G、C_2G、C₁₂为分布电容；C_S为导线与屏蔽间耦合电容。由图3可看出，只要保证电缆屏蔽可靠接地，则U_S=0，电磁干扰消除。还可以采用将电缆外套以金属屏蔽管、管壁接地，即采用双层屏蔽的方法。

3) 放大器电源线的合理布置。由电荷放大器电源线引入的工频干扰不可忽视。当电源线靠近或平行于放大器机壳时，通过导线与机壳间的分布电容会引入工频干扰，这时可把电源线拉开一段距离或两根电源线呈十字交叉，工频干扰迅速减弱。

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