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    基于振動的變壓器鐵芯故障診斷機理分析

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:01:05 瀏覽次數:
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    1、變壓器鐵芯振動的機理及其特征
        變壓器振動主要包括變壓器本體(主要是鐵芯和繞組)、冷卻裝置以及分接開關動作的振動??蛰d時,繞組振動較小,振動主要來自鐵芯。鐵芯振動是硅鋼片在勵磁電流作用下磁致伸縮引起的,這種伸縮使得鐵芯隨著勵磁頻率的變化而周期性地振動。
        磁性物質長度變化與磁通密度的關系見圖1。

    磁致伸縮形變隨磁通密度變化曲線
    圖1 磁致伸縮形變隨磁通密度變化曲線
        忽略滯后現象的影響,圖1中實線可以用圖中虛線所繪的理想曲線代替。這條理想曲線的數學表達式可近似為一個二次函數,這樣,就建立了磁致伸縮量和磁通密度平方之間的線性關系。
        變壓器空載運行時,在匝數為 N1 的原邊施加交流電壓u1=V1sinΩt,在橫截面積為S 的鐵芯上激勵交變的主磁通Φ。根據法拉第電磁感應定律,可求得鐵芯中的磁感應強度B 為:
    鐵芯中的磁感應強度B(1)
    考慮到伸縮量與外力成正比,再結合圖1表示的磁致伸縮量和磁通密度之間的關系,可知鐵芯由于磁致伸縮引起的振動力和所加載電壓的平方呈正比關系,即
    (2)
    加載電壓的2倍頻率為100Hz,故磁致伸縮力的基頻為100Hz,由加速度和力的關系可知,加速度信號基頻也為100 Hz。磁致伸縮現象固有的非線性特點,使鐵芯所受磁致伸縮力還存在著以100Hz為基頻的高階諧波分量,甚至一些高次諧波的分量很大,但沒有一定的規律。

    2、變壓器油箱共振機理
        電力變壓器本體的振動通過鐵芯墊腳及絕緣油2條路徑傳遞到變壓器油箱壁,使油箱壁產生振動。設變壓器油箱受到的驅動力按余弦規律變化,即F=F0cosωt,其中F0 為驅動力幅值,ω為驅動力角頻率。驅動力作用下的強迫振動運動方程為:
    強迫振動運動方程(3)
        式中:m 為質量;k為剛度;γ為阻力系數。
    強迫振動運動方程
        式中:β為阻尼系數;ω0 為無阻尼時振子固有頻率。在阻尼較小的情況下,式(4)的解為
        式中:A0 和φ0 分別為阻尼振動幅值和初始相位;A和φ 分別為簡諧振動的幅值和初始相位。
        式(5)是阻尼振動和簡諧振動的疊加,經過一段時間后,等號右側第1項衰減到可以忽略不計,受迫振動進入穩定的等幅振動,其表達式為:
        在其他條件不變的情況下,幅值 A 隨驅動力的頻率而改變,驅動力的頻率為某一特定值時,受迫振動的幅值將達到極大值,發生共振。由于鐵芯振動還存在著以100Hz為基頻的高階諧波分量,當振動的某一頻率分量接近油箱的共振頻率時,從油箱表面測得的振動信號幅值會變得很大,因此有必要對選取的油箱測試點固有頻率進行測試。

    3、基于100Hz分量所占比例的閾值設定方法
        由前面變壓器鐵芯振動的機理及其特征的分析內容可知,100Hz頻率分量值隨電壓變化而變化,如果要準確設定鐵芯松動故障的閾值就需要考慮電壓的影響,即當電壓變化時,故障判斷閾值要乘以一個與電壓相關的系數。這對信號采集系統來說又要增加一個測量值,增加了額外的通道和時間。此外,當使用不同型號的振動加速度傳感器時,還要考慮靈敏度的影響。因此,可考慮采用100Hz特征頻率分量占總分量(1kHz以內)的比例來設定閾值,因為1kHz以后的頻率分量很小,幾乎衰減到0。
        變壓器加額定電壓UN 時,變壓器油箱表面測得的振動信號可表示為:
    振動信號
    式中:X´表示第i 次諧波分量幅值,這里基波分量X´的頻率為100Hz。
        由于振動信號中以100 Hz為基頻的高階分量相對較小,可認為諧波分量也與電壓的平方成正比。當變壓器電壓為U 時,油箱表面的振動信號為:
    振動信號
    從式(10)及式(11)可以看出,油箱表面振動信號與電壓的平方成正比,因此,直接采用基波或諧波特征分量設定故障閾值時,將受到電壓參數的影響。本文以100Hz特征頻率分量占總分量的比例來設定閾值,將消除電壓變量的干擾,100 Hz基波分量所占比例Y1 為:
        當變壓器電壓變化或使用不同靈敏度的傳感器時,Y1 表達式的分子、分母都乘以一個系數,比例值Y1 不會變化。因此,當用100 Hz基波分量所占比例值Y1 來設定故障閾值時無需再考慮電壓以及不同傳感器靈敏度的影響。

     




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