CN105092024A - 一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***，该方法根据轴向安培力稳定分量作用下绕组上层线饼固有频率减小的特征，在变压器油箱上表面的振动信号中提取绕组上层线饼的固有频率，且绕组轴向压紧状态劣化，即预紧力的减小将导致绕组线饼的固有频率减小，因而通过跟踪观测固有频率的变化趋势实现大型电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测。该***包括振动信号采集模块、负载电流采集模块、分析控制模块、存储模块、输出显示模块、声音报警模块，振动信号采集模块、负载电流采集模块、存储模块、输出显示模块、声音报警模块分别与分析控制模块连接。本发明具有物理意义清晰和实现方式简单的优点。

Description

一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***

技术领域

本发明涉及一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***，属于输变电设备状态在线智能监测技术领域。

背景技术

电力变压器在电力***中承担着电能变换、网络互连的重要作用，对电网的安全稳定运行至关重要。若变压器绕组压紧状态劣化，绕组轴向稳定性减小，绕组抗短路电流冲击的能力减弱。当短路电流引发的电磁力超过变压器绕组材料的弹性极限，变压器绕组将产生不可恢复的塑性变形也即绕组变形。变压器运行时绕组会受到2倍于基频的交变电磁力。根据材料力学的常识，材料在交变应力作用下会受到疲劳破坏，疲劳破坏的最大应力远低于绕组材料的抗拉强度，破坏前虽无明显的塑性变形，但易发生细小的脆性裂痕。据统计，绕组的松动变形是变压器的主要故障，已经上升到事故率的首位。

由于振动在线监测***与电力变压器无电气连接，具有灵敏度高、安全可靠的优点，能较好的检测电力变压器绕组的机械状态而成为国内外的研究热点。其中，中国电力科学研究院、上海交通大学和沈阳工业大学等在失电状态下研究绕组预紧力对绕组轴向振动特性的影响，测取变压器绕组在失电状态下的固有频率，试验表明绕组一阶固有频率在不同预紧力下一般处于100Hz-200Hz之间，但由于绕组轴向安培力包含稳定分量和交流分量，在分析预紧力对变压器绕组固有频率的影响中未计及安培力稳定分量的影响。

经对现有技术的检索发现：中国专利申请号为201110275583.5，专利名称为：一种变压器绕组工作状态的在线监测方法，该专利采集变压器箱壁的振动信号，通过比较箱壁振动信号100Hz分量幅值与变压器箱壁振动模型期望值的大小判别绕组的松动或变形状态，但变压器振动信号中100Hz分量不具有反映绕组固有频率的作用；中国专利申请号为201210193931.9，专利名称为：电力变压器铁芯松动故障诊断与故障初步定位***及方法，该专利虽然采取在变压器油箱上表面放置3个振动传感器的方式测量振动信号，但该专利是用来实现变压器铁芯松动的故障诊断，不能实现绕组轴向压紧状态的识别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***，根据绕组安培力稳定分量对绕组固有频率的影响，从变压器油箱振动信号中提取绕组线饼固有频率的振动信号，并根据其频率变化规律监测变压器绕组轴向压紧状态。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法，包括两个部分：

第一步，在电力变压器负载运行且未发生绕组轴向预紧力减小时建立频谱曲线峰值的频率值与负载电流的对应关系库，具体步骤如下：

步骤1，预设采样频率和采样时间，采集电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号，且相同负载电流至少采样3次；

步骤2，对步骤1采集的振动信号降噪后进行傅立叶变换，提取100Hz振动分量的幅值；

步骤3，在100Hz～200Hz频率范围内，提取频谱曲线峰值对应的频率值，若频谱曲线峰值对应的幅值大于100Hz振动分量的τ₁％，τ₁为第一阀值，则记录并存储该频谱曲线峰值对应的频率值；

步骤4，从步骤3存储的频率值中筛选出随着负载电流的增大而减小的频率值，并建立该频率值与负载电流的对应关系库；

第二步，利用该对应关系库监测绕组轴向预紧力是否减小是在待监测的负载运行的电力变压器上进行，具体步骤如下：

步骤5，在待监测的负载运行的电力变压器上，重复步骤1-步骤4，得到随负载电流增大而减小的频率值与负载电流的新的对应关系库；

步骤6，对比步骤5与步骤4得到的两个对应关系库，若在相同负载电流下，在步骤5得到的对应关系库中对应的频率值小于在步骤4得到的对应关系库中对应的频率值，且两者之差大于故障阀值τ₂，则判定绕组轴向预紧力减小，否则回到步骤5。

优选的，步骤3所述τ₁取值为0.2。

优选的，步骤6所述τ₂取值为0.1Hz。

一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***，包括振动信号采集模块、负载电流采集模块、分析控制模块、存储模块；

所述振动信号采集模块用于采集电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号并传输给分析控制模块；

负载电流采集模块用于采集电力变压器的负载电流并传输给分析控制模块；

分析控制模块用于对振动信号降噪并进行傅立叶变换，提取100Hz～200Hz氛围内频谱曲线峰值对应的频率值，并且将幅值大于100Hz振动分量τ₁％的频率值存储到存储模块中，在电力变压器负载运行且未发生预紧力减小、电力变压器负载运行并处于待监测这两种情况下，建立该频率值与负载电流的对应关系库；比较上述两种情况下，相同负载电流在两个对应关系库中对应的频率值，在两者之差大于故障阀值时，判定绕组轴向预紧力减小；

存储模块用于存储电力变压器的负载电流信息和分析控制模块分析得到的随负载电流的增大而减小的频率值与负载电流的对应关系库信息。

进一步的，该***还包括输出显示模块、声音报警模块，所述输出显示模块、声音报警模块分别与分析控制模块连接。

优选的，所述振动信号采集模块包括振动加速度传感器、振动信号采集仪，所述振动加速度传感器经振动信号采集仪与分析控制模块连接。

优选的，所述负载电流采集模块包括霍尔电流传感器、电流信号采集仪，所述霍尔电流传感器经电流信号采集仪与分析控制模块连接。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***，根据轴向安培力稳定分量作用下绕组上层线饼固有频率减小的特征，在变压器油箱上表面的振动信号中提取绕组上层线饼的固有频率，通过跟踪观测固有频率的变化趋势实现电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测，具有物理意义清晰和实现方式简单的优点。

附图说明

图1是本发明电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***的结构框图。

图2是本发明电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法的控制流程图。

图3是本发明电力变压器高低压绕组漏磁场的分布图。

图4是本发明电力变压器绕组安培力轴向分布图。

图5是本发明轴向安培力稳定分量作用下电力变压器绕组线饼固有频率的变化图。

图6(a)-图6(d)分别是本发明电力变压器A相绕组标准预紧力下，负载电流为40％、60％、80％、100％额定电流时测点的振动频谱图。

图7(a)-图7(d)分别是本发明电力变压器A相绕组50％预紧力下，负载电流为40％、60％、80％、100％额定电流时测点的振动频谱图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法及***，在电力变压器正常运行时，对变压器不同负载电流下的油箱上表面振动信号进行傅立叶分析，根据轴向安培力稳定分量作用下绕组上层线饼固有频率将减小的特征，识别变压器上层绕组的固有频率，建立绕组固有频率与负载电流的对应关系库；由于变压器绕组轴向压紧状态劣化后，线饼固有频率减小，根据变压器绕组线饼固有频率的变化趋势即可实现电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测。

如图1所示，本发明的实施***包括振动信号采集模块、负载电流采集模块、分析控制模块、存储模块、输出显示模块和声音报警模块。振动信号采集模块由振动加速度传感器和振动信号采集仪组成，振动加速度传感器放置在变压器绕组对应的油箱上表面，振动信号采集仪送出拾取的振动信号给分析控制器模块；负载电流采集模块由霍尔电流传感器和电流信号采集仪组成，霍尔电流传感器采集变压器的负载电流，电流信号采集仪送出采集的电流信号给分析控制器模块；站用电源(220V)与分析控制模块相连，存储模块记录并保存当前变压器负载电流，分析控制模块对振动信号采集仪送来的信号降噪后进行傅立叶变换，提取100Hz～200Hz频率范围内且幅值大于100Hz振动分量幅值τ₁％的频谱曲线峰值对应的频率值并储存到存储模块中；分析控制模块分别与输出显示模块、声音报警模块相连接，分析控制模块将计算结果传送至输出显示模块。

如图2所示，本发明提出的一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法，包含以下步骤：

步骤(1)：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，振动加速度传感器拾取电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号，同一负载电流下采样不少于3次；

步骤(1)中涉及不同负载电流下的变压器油箱表面振动信号，因而有必要分析负载电流产生的绕组轴向安培力稳定分量对线饼固有频率的影响。如图3所示，是电力变压器高低压绕组漏磁场的分布图，图中绕组共有2n-1层线饼。根据变压器绕组的结构特点和安培力的计算法则，第i层线饼在径向漏磁感应强度作用下的轴向安培力F_Zi可表示为

F_Zi∝k_iI_σI₁(1+cos2ωt)(1)

式(1)中k_i为系数，I_σ为漏磁的励磁电流，I₁为绕组电流。由式(1)可知，轴向安培力F_Zi可分为两个部分：安培力的稳定分量；2倍于基频的交流分量(100Hz)。安培力稳定分量作用在变压器绕组时，相当于给绕组施加阶跃激励，由于变压器绕组是有阻尼的***，阶跃激励引起的暂态响应会很快衰减，其稳定状态下可视安培力稳定分量为静力作用在绕组上。根据图3所示绕组漏磁场分布特征和安培力的方向判断法则可以得出电力变压器绕组安培力轴向分布图，如图4所示。由图4可知，变压器高低压绕组的轴向安培力分布一致，具有对称、反向向心和两端大中间无的特点，也即在轴向安培力作用下绕组呈两端向内压紧的状态。图5为轴向安培力稳定分量作用下电力变压器绕组线饼固有频率的变化图。由图5可知，安培力稳定分量施加至变压器绕组后，绕组两端线饼的固有频率减小，中间线饼的固有频率增大。

步骤(2)：对振动信号采集仪送来的振动信号降噪后进行傅立叶变换，提取100Hz振动分量的幅值；

步骤(3)：在100Hz～200Hz频率范围内，若频谱曲线峰值的幅值大于100Hz振动分量幅值的τ₁％，τ₁为第一阀值，则记录并存储该频谱曲线峰值对应的频率值；

步骤(3)涉及频谱范围和频谱曲线峰值的幅值的选择。由于不同预紧力下变压器绕组的一阶固有频率一般处于100Hz～200Hz之间。由于变压器结构的复杂性、试验环境的干扰和各种非线性因数的影响，变压器运行时的振动信号除了100Hz分量外还包含频带分布较宽的噪声信号，噪声将激发线饼以其固有频率振动。由于变压器绕组在安培力的作用下其固有频率呈一定的分布特性，即各层线饼的固有频率均有一定的差异，因而位于下层线饼的固有频率的振动信号在向上传播的过程中会衰减较大，变压器油箱上表面的振动传感器主要采集的是靠近传感器的线饼的振动信号。由于在100Hz～200Hz频率范围内的频谱曲线的峰值很多，为了减小计算量，仅对频谱幅值大于100Hz振动分量幅值τ₁％的峰值取其频率值。

步骤(4)：从步骤(3)中存储的频率值中筛选出随着负载电流增大而减小的振动特征频率分量，并建立该特征频率分量与负载电流的对应关系库；

步骤(4)涉及变压器绕组上层线饼固有频率的识别。由图5可知，绕组上层线饼的固有频率随绕组电流的增大具有减小的特征，而变压器油箱上表面的振动信号包含上层绕组线饼的固有频率，且该频率随负载电流增加而减小的特征，即随着负载电流增大而减小的振动特征频率分量为绕组线饼的固有频率。

在电力变压器负载运行时，进行以下步骤实现绕组轴向压紧状态的在线监测：

步骤(5)：重复步骤(1)至步骤(4)，进行电力变压器振动信号采集、处理，得到100Hz～200Hz频率范围内且幅值大于100Hz振动分量幅值τ₁％的频谱曲线峰值的频率值，并重新建立随着负载电流增大而减小的特征频率分量与负载电流的关系库；

步骤(6)：对比步骤(5)与步骤(4)建立的特征频率分量与负载电流的关系库，若在同一负载电流下，步骤(5)中对应的特征频率值小于步骤(4)中对应的特征频率值，且频率差值大于故障阀值τ₂，τ₂为第二阀值，则判定绕组轴向预紧力减小，频率差值越大绕组预紧力越小，即绕组轴向压紧状态劣化愈严重，否则回到步骤(5)。

步骤(6)涉及绕组预紧力即绕组压紧状态的监测。由于绕组固有频率随预紧力的增加而减小，因而绕组预紧力减小后，振动信号中反应绕组固有频率的分量也会相应减小，即跟踪变压器绕组上层线饼固有频率的变化即可实现绕组压紧状态的在线监测。

下面以具体的电力变压器现场试验作为实施例。

在南京立业电力变压器有限公司对一台型号为SFZ10-31500/110、电压比为110/10.5kV、联接组标号为YNd11的变压器开展短路试验，测取绕组不同压紧状态下变压器油箱表面的振动信号，试验接线如图1。加速度振动传感器轴向灵敏度为20pC/g，最大横向灵敏度小于5％，测量频率为0.5kHz-12kHz。通过尼高力数据采集仪采集，采样频率为10kHz，每次采样10s。利用钳形电流互感器采集电流，互感器输出电压信号与被测电流信号的对应关系为1mV/100mA。

试验过程中需对变压器进行抽油、吊罩、松动等操作步骤。采用液压预紧器调节绕组预紧力，标准预紧力下试验变压器螺杆对端圈的压强为28MPa，通过调节螺杆对端圈的压强改变绕组压紧状态，50％松动状态下螺杆对端圈的压强设定为14MPa。短路试验电流分别设定为额定电流的40％、60％、80％、100％，共4种状态。

下面以加速度振动传感器放置在SFZ10-31500/110电力变压器A相绕组对应的油箱上表面、设置A相绕组松动为例验证本发明内容。电力变压器A相绕组标准预紧力下的短路试验如下：

步骤1：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，振动加速度传感器拾取电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号，同一负载电流下采样不少于3次。

步骤2：对振动信号采集仪送来的振动信号降噪后进行傅立叶变换，提取100Hz振动分量的幅值，具体测量结果见表1。

表1变压器A相绕组标准预紧力下100Hz振动分量幅值

40％额定电流	60％额定电流	80％额定电流	100％额定电流
				0.00129g	0.005046g	0.008486g	0.01418g

步骤3：在100Hz～200Hz频率范围内，若频谱曲线峰值的幅值大于100Hz振动分量幅值的0.2％，则记录并存储该频谱曲线峰值对应的频率值。

步骤4：从步骤3中存储的频率值中筛选出随着负载电流增大而减小的振动特征频率分量，并建立该特征频率分量与负载电流的对应关系库。图6中标圈的频率分量随着负载电流增大而减小，该频率分量与负载电流的对应关系表见表2。

表2变压器A相绕组标准预紧力下，特征频率分量与负载电流的对应关系

40％额定电流	60％额定电流	80％额定电流	100％额定电流
				128.4Hz	128.0Hz	127.7Hz	127.6Hz

在电力变压器负载运行时，进行以下步骤实现绕组轴向压紧状态的在线监测：

步骤5：重复步骤1至步骤4，进行电力变压器振动信号采集、处理，得到100Hz～200Hz频率范围内且幅值大于100Hz振动分量幅值0.2％的频谱曲线峰值的频率值，并重新建立随着负载电流增大而减小的特征频率分量与负载电流的关系库。表3为变压器A相绕组50％标准预紧力下100Hz振动分量幅值；图7中标圈的频率分量随着负载电流增大而减小，该频率分量与负载电流的对应关系表见表4。

表3变压器A相绕组50％标准预紧力下100Hz振动分量幅值

40％额定电流	60％额定电流	80％额定电流	100％额定电流
				0.001957g	0.007485g	0.01335g	0.02153g

表4变压器A相绕组50％标准预紧力下，特征频率分量与负载电流的对应关系

40％额定电流	60％额定电流	80％额定电流	100％额定电流
				122.4Hz	122.3Hz	122.2Hz	121.9Hz

步骤6：对比步骤5与步骤4建立的特征频率分量与负载电流的关系库，即表2与表4。对比表2和表4可以看出相同短路电流下的特征频率分量减小，因而可以判定绕组松动。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法，其特征在于：包括两个部分：

第一步，在电力变压器负载运行且未发生绕组轴向预紧力减小时建立频谱曲线峰值的频率值与负载电流的对应关系库，具体步骤如下：

步骤1，预设采样频率和采样时间，采集电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号，且相同负载电流至少采样3次；

步骤2，对步骤1采集的振动信号降噪后进行傅立叶变换，提取100Hz振动分量的幅值；

步骤3，在100Hz~200Hz频率范围内，提取频谱曲线峰值对应的频率值，若频谱曲线峰值对应的幅值大于100Hz振动分量的τ ₁%，τ ₁为第一阀值，则记录并存储该频谱曲线峰值对应的频率值；

步骤4，从步骤3存储的频率值中筛选出随着负载电流的增大而减小的频率值，并建立该频率值与负载电流的对应关系库；

第二步，利用该对应关系库监测绕组轴向预紧力是否减小是在待监测的负载运行的电力变压器上进行，具体步骤如下：

步骤5，在待监测的负载运行的电力变压器上，重复步骤1-步骤4，得到随负载电流增大而减小的频率值与负载电流的新的对应关系库；

步骤6，对比步骤5与步骤4得到的两个对应关系库，若在相同负载电流下，在步骤5得到的对应关系库中对应的频率值小于在步骤4得到的对应关系库中对应的频率值，且两者之差大于故障阀值τ ₂，则判定绕组轴向预紧力减小，否则回到步骤5。

2.如权利要求1所述电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法，其特征在于：步骤3所述τ ₁取值为0.2。

3.如权利要求1所述电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测方法，其特征在于：步骤6所述τ ₂取值为0.1Hz。

4.一种电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***，其特征在于：包括振动信号采集模块、负载电流采集模块、分析控制模块、存储模块；

所述振动信号采集模块用于采集电力变压器在不同负载电流下绕组对应油箱上表面的振动信号并传输给分析控制模块；

负载电流采集模块用于采集电力变压器的负载电流并传输给分析控制模块；

分析控制模块用于对振动信号降噪并进行傅立叶变换，提取100Hz~200Hz氛围内频谱曲线峰值对应的频率值，并且将幅值大于100Hz振动分量τ ₁%的频率值存储到存储模块中，在电力变压器负载运行且未发生预紧力减小、电力变压器负载运行并处于待监测这两种情况下，建立该频率值与负载电流的对应关系库；比较上述两种情况下，相同负载电流在两个对应关系库中对应的频率值，在两者之差大于故障阀值时，判定绕组轴向预紧力减小；

存储模块用于存储电力变压器的负载电流信息和分析控制模块分析得到的随负载电流的增大而减小的频率值与负载电流的对应关系库信息。

5.如权利要求4所述电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***，其特征在于：该***还包括输出显示模块、声音报警模块，所述输出显示模块、声音报警模块分别与分析控制模块连接。

6.如权利要求5所述电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***，其特征在于：所述振动信号采集模块包括振动加速度传感器、振动信号采集仪，所述振动加速度传感器经振动信号采集仪与分析控制模块连接。

7.如权利要求5所述电力变压器绕组轴向压紧状态在线监测***，其特征在于：所述负载电流采集模块包括霍尔电流传感器、电流信号采集仪，所述霍尔电流传感器经电流信号采集仪与分析控制模块连接。