電力變壓器鐵心振動特性分析

關(guān)鍵詞:電力變壓器；鐵心振動；希爾伯特黃變換

1引言

對運行中的電力變壓器實現(xiàn)在線監(jiān)測及故障診斷能夠有效的減少變壓器故障率,降低運行成本[1]。鐵心作為變壓器的主要部件之一,對變壓器的電磁性能、機械強度等起著至關(guān)重要的作用。資料顯示,鐵心故障在變壓器總事故中約占第3位[2],是變壓器的主要故障源之一。因此對鐵心進行振動特性分析是大型電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測中十分重要的一部分。變壓器穩(wěn)定運行時,鐵心振動主要來源于硅鋼片的磁致伸縮和疊片間特別是接縫處的電磁力[3]。由于鐵心磁化過程的飽和特性及法向磁通和縫隙磁通的復(fù)雜性,鐵心振動具有非平穩(wěn)、非線性的特性。鐵心振動受硅鋼片材料、制造工藝、運行狀態(tài)及環(huán)境等多種因素的影響[4-5],經(jīng)過緊固件、墊腳等固體及液體絕緣油兩種方式傳到油箱表面[6]。由于傳播過程本身十分復(fù)雜,油箱表面不同位置的振動各異。本文結(jié)合傅里葉變換和希爾伯特黃變換(HHT)方法,對6種不同型號的變壓器鐵心振動特性,傳遞特性,變壓器油箱振動特性以及繞組振動對鐵心振動的影響等幾個方面進行了深入的實驗研究與分析。

2 Hilbert-Huang變換在目前常采用的信號處理方法中,傅里葉變換受限于線性系統(tǒng)要求,在處理非線性非平穩(wěn)過程時易引入的多余簡諧波[7];而傳統(tǒng)的時頻分析方法如短時傅里葉變換[8]、Winger-Vill分布[9]以及小波變換[10]等,則因為Heisenberg測不準(zhǔn)定理的限制而無法同時提高時域分辨率與頻域分辨率[11]。因此,采用這些方法對具有非平穩(wěn)性、非線性特征的鐵心振動信號進行分析并不理想。而HHT方法則是由Norden E Huang等人在1998年提出的一種新的信號處理方法。該方法以計算瞬時頻率為出發(fā)點提出,適用于非線性非平穩(wěn)信號的時頻分析。將HHT方法引入鐵心振動信號分析,其基本原理包括兩個基本步驟[12-13]。第一步是應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?empirical mode decomposition,EMD)從鐵心振動信號中提取其本身固有的一組特征模式函數(shù)(intrinsic mode function,IMF),它的核心是一個“篩選”(sifting)過程。第二步是將鐵心振動信號的每個特征模式函數(shù)與它的Hilbert變換構(gòu)成一個解析復(fù)函數(shù),由此導(dǎo)出作為時域函數(shù)的瞬時幅值(能量)和瞬時頻率,從而給出幅值(能量)-時間-頻率三維譜圖,得到鐵心振動信號的Hilbert譜。可見,這種自適應(yīng)的時頻分析方法能夠較好地應(yīng)用于鐵心非線性振動特性研究與分析。

3實驗方法及實驗對象

3.1測試系統(tǒng)及參數(shù)變壓器振動實驗裝置采用自主研發(fā)的TCMS電力變壓器振動在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前置機和上位機及其系統(tǒng)功能軟件組成,以振動參量為主,結(jié)合變壓器電壓和電流參量等對電力變壓器進行多參量實時在線監(jiān)測。振動傳感器為ICP加速度傳感器,靈敏度為500 mV/g。其輸出連接到TCMS前置機的振動通道,同時采集相應(yīng)的電壓、電流信號,實現(xiàn)對監(jiān)測信號的調(diào)理、采樣、處理和顯示。采集和處理的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或串口通訊傳給上位機,其系統(tǒng)功能軟件采用LabVIEW軟件設(shè)計平臺,對變壓器的振動信號以及其他信號進行波形和頻譜等實時數(shù)據(jù)的顯示與分析、瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析、趨勢分析、報警分析以及數(shù)據(jù)管理。TCMS系統(tǒng)的采樣頻率為每通道20 kHz(各通道同步采樣),抗混疊道通濾波器截止頻率為2 kHz,振動加速度分辨率為0.024 m/s2。TCMS vibration monitoring system

3.2測試變壓器在研究分析電力變壓器鐵心振動特性的過程當(dāng)中,對6種不同型號的電力變壓器進行了振動實驗,實驗內(nèi)容包括空載情況下鐵心及油箱表面的振動信號采集和負載狀態(tài)下油箱表面振動信號的采集。

4實驗結(jié)果與分析

4.1鐵心表面振動特性實驗中獲得了1#和2#變壓器鐵心表面的振動信號。將1#變壓器鐵心從油箱中取出,拆掉高壓線圈,在低壓側(cè)加上額定電壓,測量鐵心表面的振動信號。4個測點(A相頂部及側(cè)面,C相頂部及側(cè)面)如所示。2#變壓器鐵心柱繞上實驗線圈,使得鐵心磁通達到額定值,現(xiàn)場測試如圖2右所示(4個測點為三相頂部及A相接縫側(cè))�？梢钥吹�,將傳感器直接貼于鐵心表面測量振動時波形中有50 Hz諧波的干擾。這是鐵心中的交變磁通對傳感器磁座作用所致。為了避免漏磁場對傳感器的干擾,在測量2#變壓器時將傳感器粘在絕緣紙上,再用502膠固定于鐵心表面。

5結(jié)論

本文的工作建立在實驗室、變壓器生產(chǎn)廠家和變壓器實際運行現(xiàn)場多臺型號變壓器各種不同狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù)的分析研究基礎(chǔ)上。由于篇幅的限制,僅給出了上述幾個主要結(jié)果圖譜。本文主要從以下幾個方面對鐵心振動信號進行了分析與研究:1)振動傳感器安裝方法對測試結(jié)果的影響。2)鐵心本體振動特性。3)鐵心振動的傳遞特性。4)繞組振動對鐵心振動的影響。5)油箱表面的振動特性。通過對6種不同型號變壓器的振動信號進行分析,更為深入清晰的理解變壓器鐵心的振動特性,為變壓器鐵心故障的在線狀態(tài)監(jiān)測打下了基礎(chǔ)。

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