穩(wěn)態(tài)條件下變壓器繞組軸向振動(dòng)特性及其影響因素

皮火箭

摘 要：為了對(duì)影響變壓器繞組振動(dòng)特性的因素進(jìn)行研究，本文構(gòu)建了電力變壓器的有限元模型，結(jié)合Maxwell等相關(guān)軟件提供輔助， 對(duì)基于穩(wěn)態(tài)條件下的變壓器繞組軸向振動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，之后將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)互相對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)普測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出變壓器繞組軸向振動(dòng)特性的影響因素。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)條件;變壓器;繞組軸向;振動(dòng)特性;影響因素

我國(guó)電網(wǎng)行業(yè)近幾年來(lái)獲得迅猛發(fā)展，變壓器作為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，只有保持運(yùn)行穩(wěn)定性才能促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行更加可靠。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)電壓器經(jīng)常出現(xiàn)重點(diǎn)事故部分為繞組線圈，因此需要對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下的變壓器繞組軸向振動(dòng)特性與其影響因素進(jìn)行研究，才能確保變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定。

一、穩(wěn)態(tài)條件下變壓器繞組軸向振動(dòng)特性影響因素仿真計(jì)算

將變壓器振動(dòng)理論作為基礎(chǔ)，運(yùn)行工況會(huì)對(duì)變壓器的振動(dòng)產(chǎn)生影響?；谶\(yùn)行工況相同的基礎(chǔ)上，其他非故障因素也會(huì)對(duì)繞組的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。通過(guò)繞組質(zhì)量-彈簧模型可以看出，內(nèi)部的繞組絕緣墊塊產(chǎn)生的力學(xué)特性會(huì)對(duì)軸向振動(dòng)產(chǎn)生重要影響。絕緣墊塊為紙板，無(wú)論是溫度、濕度、應(yīng)力等因素都會(huì)對(duì)其力學(xué)特性產(chǎn)生影響。

（一）預(yù)緊力因素

1.絕緣塊力學(xué)特性受到的影響

將絕緣墊塊的楊氏模量進(jìn)行改變，就可以產(chǎn)生變壓器的軸向預(yù)緊力，也會(huì)對(duì)繞組的振動(dòng)造成影響。若變壓器處于某種預(yù)緊力下，可以利用理論計(jì)算得出絕緣墊塊的所受應(yīng)力，從而獲得絕緣墊塊楊氏模量的結(jié)果[1]。通過(guò)相關(guān)公式的計(jì)算，可以獲得繞組預(yù)緊力與墊塊楊氏模量中存在的關(guān)系。將實(shí)驗(yàn)中變壓器的一層墊塊為例，計(jì)算獲得楊氏模量與繞組預(yù)緊力之間的關(guān)系，可以看出，基于繞組預(yù)緊力范圍基礎(chǔ)上，繞組墊塊楊氏模量與預(yù)緊力之間存在正比關(guān)系。

2.繞組軸向振動(dòng)特性受到的影響

通過(guò)對(duì)繞組模型進(jìn)行分析，對(duì)不同預(yù)緊力條件下的高壓繞在振動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算與分析。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，若預(yù)緊力增高，就會(huì)減少變壓器繞組的振動(dòng)幅值。因此可以看出，若變壓器的繞組出現(xiàn)松動(dòng)情況，就會(huì)增加基頻的振動(dòng)分量。

（二）溫度因素

1.絕緣塊力學(xué)特性受到的影響

本文的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算中，將絕緣墊塊浸泡在不同油溫情況下，之后對(duì)絕緣墊塊的楊氏模量進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)。之后對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的楊氏模量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，若油溫增加，絕緣墊塊的楊氏模量會(huì)減少。

2.繞組振動(dòng)特性受到的影響

將不同溫度條件下的絕緣墊塊楊氏模量擬合值結(jié)合繞組模型進(jìn)行計(jì)算，從而獲得基于不同溫度狀態(tài)下的低壓繞組振動(dòng)特性結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，繞組基頻振幅與變壓器的浸油溫度數(shù)據(jù)間為正比關(guān)系，同時(shí)，在相同繞組的不同位置線餅的振動(dòng)情況下，斜率基本相同。

（三）老化程度因素

1.絕緣墊塊力學(xué)特性受到的影響

本文采用了加速熱老化的方式，對(duì)不同老化程度的絕緣紙板試樣進(jìn)行了準(zhǔn)備。溫度與熱作用時(shí)間會(huì)對(duì)絕緣紙板的熱老化程度產(chǎn)生主要影響，在對(duì)其熱老化等效絕緣壽命進(jìn)行計(jì)算時(shí)，使用了蒙辛格熱老化規(guī)則，熱老化系數(shù)采用了我國(guó)油浸式變壓器的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度數(shù)據(jù)。設(shè)置樣品的制備溫度為130 [2]，之后對(duì)制備樣品進(jìn)行了計(jì)算。還測(cè)試了每一個(gè)樣品的楊氏模量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果可以看出，絕緣紙板楊氏模量與運(yùn)行年限之間呈反比關(guān)系。

2.繞組振動(dòng)特性受到的影響

將不同運(yùn)行年限條件下的繞組墊塊應(yīng)力應(yīng)變曲線值利用繞組模型進(jìn)行計(jì)算，會(huì)得出不同溫度條件下的低壓繞組振動(dòng)特性結(jié)果。從結(jié)果可以看出，運(yùn)行年限的提升，會(huì)加快變壓器繞組振動(dòng)由于絕緣墊塊造成的老化速度。與此同時(shí)，若樣品等效的運(yùn)行年限超過(guò)20a，會(huì)使振動(dòng)幅度大幅提升，若等效運(yùn)行時(shí)間在20a范圍內(nèi)，絕緣墊塊老化因素不會(huì)對(duì)其振動(dòng)增幅產(chǎn)生較大影響。

二、實(shí)驗(yàn)分析

（一）繞組的松動(dòng)情況

為了對(duì)穩(wěn)態(tài)條件下的變壓器繞組預(yù)緊力對(duì)繞組振動(dòng)特性產(chǎn)生的影響，對(duì)變壓器進(jìn)行了人工模擬故障操作，之后繪制了箱體部分的振動(dòng)頻譜圖。通過(guò)頻譜圖可以看出，若繞組出現(xiàn)松動(dòng)故障，振動(dòng)的加速度分量會(huì)快速增加。與此同時(shí)，預(yù)緊力與繞組的基頻振幅呈反比狀態(tài)，同時(shí)負(fù)載電流的水平上升，也會(huì)增加振動(dòng)的斜率。

（二）升溫實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)溫度對(duì)變壓器振動(dòng)特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的變壓器采用了升溫實(shí)驗(yàn)，并獲得振動(dòng)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，變壓器的繞組在不同部分產(chǎn)生的振動(dòng)，隨著溫度增加，會(huì)呈現(xiàn)線性上升的狀態(tài)，增長(zhǎng)的斜率較為相似。同時(shí)，溫度的不斷上升，會(huì)使振動(dòng)的主頻率基頻分量不斷上升。

（三）運(yùn)行時(shí)間對(duì)振動(dòng)特性產(chǎn)生影響

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行了振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，其中包括含有運(yùn)行年限信息的機(jī)器，之后將不同運(yùn)行年限基礎(chǔ)上的變壓器振動(dòng)基頻分量值進(jìn)行了檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果與已經(jīng)運(yùn)行42a的剛出長(zhǎng)變壓器振動(dòng)基頻幅值進(jìn)行對(duì)比，可以看出，變壓器的運(yùn)行時(shí)間增加，就會(huì)造成變壓器基頻振動(dòng)幅值呈現(xiàn)出增加的規(guī)律狀態(tài)。造成這種變化規(guī)律出現(xiàn)的主要因素可能是變壓器的墊塊老化[3]，減少了墊塊的彈性模量，從而增高了繞組基頻振動(dòng)幅值，與仿真計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果相同。

三、結(jié)語(yǔ)

本文將實(shí)際變壓器為基礎(chǔ)，構(gòu)建了繞組振動(dòng)特性有限元仿真模型，之后使用模型對(duì)繞組的預(yù)緊力、溫度等因素對(duì)振動(dòng)特性產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算與分析，并得出結(jié)論：第一，絕緣墊塊是變壓器繞組振動(dòng)模型中的彈性元件，其力學(xué)特性會(huì)受到多方面因素的影響，若預(yù)緊力增加，其楊氏模量就會(huì)提升。同時(shí)若溫度與老化時(shí)間增加，就會(huì)降低絕緣墊塊的楊氏模量。第二，通過(guò)仿真計(jì)算與研究，發(fā)現(xiàn)變壓器的繞組預(yù)緊力若下降，軸向的振動(dòng)幅值就會(huì)上升。若繞組溫度上升，軸向振動(dòng)也會(huì)上升。若繞組老化時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)增加軸向的振動(dòng)幅值。第三，變壓器的箱體振動(dòng)信號(hào)中，基頻分量值與油溫呈正比，以線性的方式增長(zhǎng)，若相同繞組增長(zhǎng)斜率相似，就會(huì)使振動(dòng)頻譜中高次諧波分量持續(xù)上升，還會(huì)具備較強(qiáng)的隨機(jī)性。

因此相關(guān)企業(yè)、單位需要將變壓器繞組軸向振動(dòng)特性與其影響因素作為基礎(chǔ)加強(qiáng)變壓器的檢測(cè)力度，避免變壓器出現(xiàn)故障，為電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李付貴. 油浸式變壓器振動(dòng)特性分析及油溫變化對(duì)振動(dòng)的影響研究[D].東南大學(xué)，2017.

[2]閆志強(qiáng)，雷霞，何建平，李琪菡. 油浸式變壓器繞組振動(dòng)影響因素研究[J]. 電力科學(xué)與工程，2017，33（06）：72-78.

[3]王萬(wàn)超. 多次短路下變壓器繞組短路強(qiáng)度與穩(wěn)定性研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2017.