袁國剛，饒柱石

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基于振動分析法的變壓器非電量狀態(tài)監(jiān)測與診斷研究

袁國剛1，饒柱石2

(1．上海睿深電子科技有限公司，上海市 閔行區(qū) 201108；2．機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室(上海交通大學)，上海市 閔行區(qū) 200240)

振動分析法可在不停機、不解體的情況下實現(xiàn)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，對提高設備運行可靠性具有重要意義。變壓器表面的振動與變壓器繞組及鐵心的壓緊狀態(tài)、位移、形變等密切相關，國內外學者對其進行了深入廣泛的研究。對振動分析中的數(shù)值計算分析方法、振動測試技術進行了敘述，結合快速傅里葉變換、小波、希爾伯特黃變換、盲源分離技術介紹了信號處理方法在變壓器振動分析中的應用，闡述了聲學分析方法在變壓器異常情況下的作用。對在線監(jiān)測系統(tǒng)和離線振動頻響的基本分析方法進行了簡述。結合振動分析方法在變壓器診斷應用中的趨勢和難點，給出了需要深入研究的方向。

變壓器；非電量狀態(tài)監(jiān)測；振動；故障診斷

0 引言

變壓器作為電力系統(tǒng)中極為重要的一次設備，其重要性不言而喻。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2005—2010年，變壓器繞組線圈事故占據(jù)電力系統(tǒng)總故障數(shù)量的60%，其中抗短路能力不足造成的損壞占據(jù)總事故次數(shù)的40%，占據(jù)繞組事故的67.2%[1]。由此可見，對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行來說，加強對變壓器工作狀態(tài)(繞組以及鐵心狀況)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)設備故障，對于延長變壓器使用壽命、提高電網(wǎng)運行可靠性和經(jīng)濟性有著重要意義。

機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術初步成形于20世紀60年代末，迅速發(fā)展在70—80年代[2]，基于振動方法的變壓器故障診斷也是起步于這一階段。變壓器振動是一個復雜的過程，當變壓器內部機械結構發(fā)生變化時，其振動信號也會發(fā)生相應的變化，因此，可以通過監(jiān)測變壓器表面振動信號的方式進行故障檢測。與頻率響應法、低壓脈沖分析法等傳統(tǒng)檢測方法相比，基于振動信號的變壓器故障檢測方法與整個電力系統(tǒng)無電氣連接，抗干擾能力更強、靈敏度更高，更加安全可靠[3-4]。

振動分析法可以用于監(jiān)測主要部件如繞組和鐵心振動，并便于開展在線和離線測試，因此得到了廣泛應用。本文首先從數(shù)值計算分析方法、振動試驗分析方法兩方面介紹了變壓器非電量振動分析方法及相應成果，然后重點敘述了變壓器故障信號分析方法，深入梳理了現(xiàn)階段幾種常用的基于信號處理的變壓器故障分析方法，接著結合應用介紹了基于振動分析法的變壓器故障檢測裝置發(fā)展狀況。最后針對現(xiàn)有技術的難點與不足，對其發(fā)展前景做出了展望。

1 變壓器非電量振動分析方法概述

國外早期的研究主要集中在變壓器箱體振動能量與負載電流的關系[5-8]，對振動幅值參數(shù)(時頻域)的變化趨勢進行研究并進行降噪處理[9-10]。Berler[11]等人分別進行了空載和負載測試，研究鐵心振動和繞組振動的變化規(guī)律。Garcia和Burgos[12-13]研究了變壓器振動信號在傳播路線上的相位和幅值的變化情況，以及振動信號與電流、電壓和溫度的數(shù)值關系。國內對于變壓器的機械振動診斷分析方法研究起始于2000年左右，代表單位有西安交通大學[14-18]和上海交通大學[19-25]，他們采用振動分析方法對變壓器表面振動和繞組狀態(tài)進行測試分析，并開展鐵心與繞組的有限元仿真分析，特別分析了軸向預緊力對繞組特性的影響，以及通過非穩(wěn)態(tài)信號分析對繞組狀態(tài)進行故障識別。

變壓器的振動是由變壓器的本體電磁力(鐵心、繞組)和冷卻裝置共同引起的，但是由于冷卻裝置一般不會造成機械故障，因此通常不予考慮，國內外通過大量的數(shù)值模擬及實驗研究結果分析表明，變壓器振動的根源在于[26-27]：

1）由于硅鋼片的磁致伸縮誘發(fā)的鐵心振動；

2）硅鋼片的搭接和疊片之間的漏磁造成的鐵心振動；

3）繞組內部電流產生的動態(tài)電磁力誘發(fā)的振動。

近些年，變壓器硅鋼片接縫處和疊片之間的電磁吸引力所引起的鐵心振動有了大幅改善，相對硅鋼片磁致伸縮的鐵心振動可忽略不計，主要得益于鐵心制造工藝的改進，如疊積方式采用階梯接縫、心柱和鐵軛用環(huán)氧玻璃絲粘帶綁扎等。隨著采取高導磁硅鋼片(例如Hi-B硅鋼片)在變壓器制造中的使用，以及鐵心結構設計的改進，鐵心工作磁密的降低，負載電流產生的漏磁引起的繞組振動在整體振動中的比重大大增加。綜上，變壓器本體的振動主要取決于鐵心和繞組的振動。

變壓器本體的振動會沿著各種途徑傳播，繞組和鐵心的振動主要通過結構件傳遞至箱壁上，同時也通過變壓器油傳遞到箱壁上[25]，所以變壓器內部結構的變化會反映到箱壁。變壓器振動傳遞路徑如圖1所示。

圖1 變壓器振動傳遞路徑

1.1 數(shù)值計算分析方法

早在20世紀70年代，國外就開始了變壓器的動力學特性仿真分析研究，其研究利用變壓器繞組的機械動力學模型進行故障分析，但其模型僅針對繞組自身，存在局限性[28]。因此，MIT的Lavalle[29]將變壓器作為一個整體建立其電—振動模型，該模型構建了電流諧波成分與振動諧波成分平方的關系，隨后基于此進行了繞組松動故障研究，Garcia[30-31]等在MIT的模型基礎上又提出了基于變壓器油箱壁振動基頻的繞組監(jiān)測模型。

國內的研究中，上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室[21]利用有限元仿真軟件建立繞組和鐵心模型，分析了繞組預緊力變化對繞組振動和箱壁響應的影響，并對結構模型進行了適當簡化。

由于變壓器的激勵源和結構傳遞路徑較為復雜，是典型的多物理場問題，涵蓋了電磁力—結構振動—流固耦合的問題，因此近些年來沈陽工業(yè)大學[32]開展了利用多物理場耦合軟件將電場、磁場、結構力場和聲場進行有效的耦合分析。仿真分析的目的是為了和試驗模型進行相關分析，類比其他變壓器結構方式的改進效果，以及用于變壓器測量點位置的優(yōu)化和敏感點的識別。國網(wǎng)上海電科院[33-34]通過數(shù)值模擬表明振動測點應盡量選擇布置在繞組振動傳遞路徑上，即變壓器繞組底部和箱壁側面。另一方面，通過振動場(對于諧波分量由試驗振動數(shù)據(jù)作為輸入)可以推算輻射聲能的大小，因此國網(wǎng)上海電科院[35]通過建立如圖2所示典型干式變壓器的有限元模型，對其振聲關系進行了分析，結果如圖3所示，可以看出在100 Hz和200 Hz還是有比較好的吻合度，但在高頻能量上差異比較明顯。

圖2 典型的變壓器有限元模型

圖3 變壓器輻射聲場計算結果

1.2 振動試驗分析方法

變壓器的振動試驗方法較多，主要包括出廠時的空載試驗、實際運行狀態(tài)下的負載試驗和短路承受能力試驗。國內現(xiàn)有關于對變壓器振動的要求技術規(guī)范比較多，總的來說，都是對振動位移進行的限定，并且對國內目前大型電力變壓器的振動技術要求進行了規(guī)定，不能超過100mm[36]，具體見表1。測試通常采用加速度傳感器進行測量，通過2次積分后得到對應的位移值，通常直接積分會引起低頻段的較大誤差，需要在積分時適當選取合適的高通濾波器。

表1 變壓器振動測試的技術要求標準匯總

為研究變壓器本體的動力學特性，需對變壓器的箱體和繞組進行動力學測試，如試驗模態(tài)分析、工作變形分析等。由于變壓器本體可以視為一個由若干個質量、剛度、阻尼等組成的機械結構體，則當繞組/鐵心結構或者傳遞路徑發(fā)生變化時，都可以從它的機械動力學特性上即振動特性上得到反映。繞組振動通過變壓器內部結構連接件傳遞到變壓器箱體，從變壓器箱體表面檢測得到的振動信號與變壓器的繞組/鐵心振動特性有密切的關系，因此，對變壓器部件和整體進行模態(tài)測試是獲取其動力學參數(shù)的重要方法。目前有些學者開始開展大型變壓器/電抗器運行狀態(tài)下的工作變形試驗，將獲取的變形向量進行相似度/響應置信度的歷史數(shù)據(jù)縱向評估以判定是否存在故障[37]。

2 變壓器故障信號分析方法

在20世紀90年代中后期，隨著測試和信號處理技術的快速發(fā)展，通過振動測量數(shù)據(jù)來判別繞組及鐵心狀態(tài)的研究逐步展開[38-39]。變壓器表面振動的特征是比較清晰的，對于正常運行的變壓器，其繞組振動信號主要集中在100Hz，其振幅正比于負載電流的平方；鐵心振動信號除了集中在100Hz之外，200、300和400Hz處都有信號，1000Hz以上的振動信號能量極低可以忽略。變壓器表面測得的高次諧波振動信號分量主要是由鐵心非線性振動引起的，通過對振動信號高次諧波分量變化的分析可診斷出鐵心狀況。因此可以監(jiān)測變壓器表面的1000Hz范圍內的振動頻譜進行變壓器本體狀態(tài)的識別[36]。

2.1 基于平穩(wěn)信號的分析方法

對于振動信號的分析，最基本的信號處理方法是快速傅里葉變換(fast Fourier transform， FFT)，其能將時域信號與頻域信號關聯(lián)起來，實現(xiàn)對頻域信號的分析，但由于只能實現(xiàn)一對一映射關系，不能把二者有機地結合起來，是一種時頻完全分離的分析方法。因此，難以滿足復雜的變壓器振動信號分析與處理的要求，但這是振動監(jiān)測和分析的最為常用算法，它假設變壓器設備的振動為平穩(wěn)信號，用于檢測箱體的振動頻率和振動量級。意大利的Cipriano等人[40]基于頻譜分析結果，提出了振動諧波量THD用于評估異常變壓器的特征值。

2.2 基于非穩(wěn)態(tài)信號的分析方法

短時傅里葉變換(short-time Fourier transform，STFT)是一種常用的時頻分析方法，其基本原理主要是把一段時域信號劃分成許多小段的信號，再用STFT對每段信號進行分析，從而確定該段信號內的頻率。由于STFT只使用單一的窗函數(shù)，導致其在整個時頻平面上的時頻分辨率是固定不變的，這是該方法的主要不足。

小波分析也是時頻分析的常用算法之一。相對于STFT，小波分析具有一個尺度因子，可根據(jù)時頻平面里時頻網(wǎng)格劃分的特殊性，改變滑動窗函數(shù)的特性，實現(xiàn)在高頻段內較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。很多學者將小波分析應用于變壓器振動的特征量提取[36]，但是小波分析方法無法預測固有頻率的改變，頻率分辨率差，以及缺少對小波基的優(yōu)化選擇。

此外，一些學者針對于變壓器的非穩(wěn)態(tài)信號，提出了希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang transform，HHT)作為非線性非穩(wěn)態(tài)信號的分析方法[16,41]，該方法在時頻域上都有較好的分辨率，三維希爾伯特譜的能量分布體現(xiàn)了信號內在的本質特征。HHT方法主要由經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)和希爾伯特變換構成。首先利用EMD對非線性非穩(wěn)態(tài)信號進行分解，得到少量的IMF組合，在此基礎上再對IMF進行希爾伯特變換，得到瞬時頻率和振幅，在時間?頻率平面上把振幅取分貝數(shù)就形成了信號的希爾伯特譜分布。浙江大學的熊衛(wèi)華等[43]利用HHT對鐵心振動信號進行分析，比較了變壓器正常狀態(tài)和鐵心緊固不良狀態(tài)時的三維希爾伯特譜分布及邊界譜分布，從而分析了鐵心故障的振動特性。

2.3 盲源分離分析方法

變壓器鐵心和繞組振動產生的機理是完全不同的，振動特性也完全不一樣，需要對其振動信號進行有效分離是進行故障診斷和定位的重要依據(jù)。

盲源分離方法可分離變壓器振動信號中不同振源的信號，從而實現(xiàn)對來自于不同振源信號的單獨分析。陸亮[44]等采用基于獨立分量分析的盲源分離方法(fast independent component analysis，F(xiàn)ast ICA)應用在低信噪比振動信號信噪分離中，華北電力大學的趙洪山[45]認為變壓器不同振源振動信號之間并不是完全獨立的，F(xiàn)ast ICA有其局限性，據(jù)此提出了基于集成經(jīng)驗模態(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)和負熵準則的盲源分離方法分析變壓器振動信號，但是其分離效果和工程應用價值還需要進一步的研究驗證。

2.4 聲信號分析方法

通過振動測量的分析方法目前使用的較為廣泛，但是聲學方法也隨之應用在變壓器的故障分析[11]中，如果剔除風扇等其他附件的發(fā)聲，變壓器的噪聲和振動是強烈耦合的，都是來自于箱體的外殼結構振動和鐵心結構的輻射聲，因此分析其聲學信號對于某些無法直接測量變壓器表面振動量的也具備工程意義，結合振動和噪聲的指紋特征進行聲振聯(lián)合分析以彌補振動測量點較多且差異較大的情況也是未來研究的課題之一[46]。聲學處理的計算方法和振動信號類似，但是考慮到聲場信號的空間分布特征，可以通過基于波束成形方法的成像技術進行主要聲源的空間定位，圖4是國網(wǎng)上海電科院對于10kV變壓器的聲學成像分析，結果表明該干變主要聲源點在B柱的底部[47]。對于某出廠檢查發(fā)現(xiàn)異常情況的110kV變壓器進行聲場檢測，發(fā)現(xiàn)其在A柱的上軛處有明顯的異常聲源，后檢查發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)松動[47]。

圖4 干變的聲源和鐵心松動造成的異常聲源

3 在線及離線振動監(jiān)測裝置

考慮到振動方法檢測技術和信號處理技術的日益成熟，使得通過在線及離線測試變壓器振動的方法成為工程化可行的方案。

目前使用較多的是振動在線監(jiān)測方法和離線掃頻分析方法。其中在線監(jiān)測方法較為簡單，主要是連續(xù)采集變壓器箱體表面的振動和三相電流，通過連續(xù)監(jiān)測振動烈度和100Hz分量值[48]，對于突發(fā)短路信號采用EMD方法對沖擊信號進行希爾伯特邊際譜和希爾伯特能量計算以識別繞組狀態(tài)[49]，這項技術已經(jīng)在多個220kV和500kV的主變上進行了試驗驗證。

近年來上海交大提出了振動頻響法(vibration frequency response analysis，VFRA)來診斷繞組的變形故障。通過對一臺220kV大型變壓器的實驗，驗證了多種繞組變形的故障特征，同時與傳統(tǒng)電量檢測法(阻抗法和FRA法)比較，發(fā)現(xiàn)VFRA法更加靈敏，說明VFRA法作為一種離線診斷法，在診斷繞組變形故障上是有效可靠的[24]。上海交通大學和南方電網(wǎng)在2016年利用此項技術研制了一套大型40kV×A的自適應恒流VFRA掃頻裝置[50]，利用恒流源激勵繞組，測量箱壁振動從而評估繞組狀態(tài)，并在3座110kV/ 220kV變電站進行了試驗，結果表明繞組發(fā)生狀態(tài)變化后VFRA出現(xiàn)了明顯的變化。

4 結論

振動測試方法在近30年取得了較快的發(fā)展，經(jīng)歷了早期的振動信號的獲取，到振動信號和運行參數(shù)的關聯(lián)分析，結構動力學建模到故障模式的識別，直至振動裝置的開發(fā)和部署；研究對象也從初期的10kV配電變壓器逐步上升到特高壓的500~1000kV變壓器。但是還存在很多值得進一步研究的方面：

1）變壓器的電-磁結構振動場的模型仍然存在值得更進一步優(yōu)化和精確的需求，特別是充分考慮鐵心的非線性特性和磁通不均勻造成的非對稱動力學響應。

2）新的振動傳感器檢測技術的應用，特別是隨著光纖傳感器技術的成熟，未來將光纖振動傳感器安裝在變壓器的繞組和鐵心上進行直接 測量。

3）新的處理分析方法的發(fā)展，主要是繞組和鐵心振動分離技術的進一步成熟；另外箱壁上的形態(tài)相似度技術也是可能有效的狀態(tài)評估方法等。

4）新的振動試驗方法，已經(jīng)證明VFRA方法對繞組狀態(tài)的評估有比較好的試驗效果，如何進一步提升掃頻裝置的容量并兼顧便攜性是進一步發(fā)展的方向，并且可以結合光纖振動傳感器的應用。

5）振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測技術已經(jīng)較為成熟，但是如何將海量的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他狀態(tài)量(如其他在線監(jiān)測量)進行大數(shù)據(jù)的融合分析，提高早期故障預警的可靠性是未來的趨勢。

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[49] 周求寬，萬軍彪，王豐華，等．變壓器繞組狀態(tài)診斷方法：CN103135035A[P]．2013-06-05．

[50] 基于振動頻響法的變壓器繞組機械穩(wěn)定性檢測技術研究及應用[R]．昆明：云南電力科學研究院，2017．

Review of Non-electrical Quantity Monitoring and Fault Diagnosis forPower Transformer on Vibration Analysis Method

YUAN Guogang1, RAO Zhushi2

(1.Shanghai Rhythm Electronic Technology Company, Minhang District, Shanghai 201108，China; 2. The State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration(Shanghai JiaoTong University), Minhang District, Shanghai 200240, China)

Vibration analysis method can realize condition monitoring and fault diagnosis of transformer without shutdown and disintegration, which is meaningful to improve the reliability of equipment operation. The vibration of transformer surface is closely related to the compaction state, displacement and deformation of transformer windings and cores, and has been extensively studied by domestic and foreign scholar. The numerical calculation and analysis methods and vibration testing techniques in vibration analysis was described. The application of signal processing methods in transformer vibration analysis was introduced in combination with fast Fourier transform (FFT), wavelet, Hilbert-Huang transform (HHT) and blind source separation technology. The role of acoustic analysis methods in transformer abnormal conditions was expounded. The development of the test device was briefly described, mainly the on-line monitoring system and the basic analysis method of off-line vibrabion frequency response analysis（VFRA）. According to the trend and difficulty of vibration analysis method in transformer diagnosis application, the direction of further research was given.

transformer; non-electrical quantity monitoring; vibration; fault diagnosis

10.12096/j.2096-4528.pgt.18037

2018-11-23。

袁國剛(1980)，男，工學碩士，高級工程師，研究方向為機械振動與聲學技術，guogang.yuan@rhythm-tech.com；

袁國剛

饒柱石(1962)，男，教授，博士生導師，研究方向為結構振動噪聲分析與控制、旋轉機械動力學，zsrao@sjtu.edu.cn。

上海市科學技術委員會科技創(chuàng)新行動計劃重點資助項目(18511109402)。

Project Supported by Science and Technology Innovation Action Plan of Shanghai Municipal Commission of Science and Technology(18511109402).

(責任編輯 楊陽)