受直流偏磁影响交流电力变压器振动与噪声在线监测方法

摘要

本发明涉及受直流偏磁影响交流电力变压器振动与噪声在线监测方法，属于电工领域电力安全监测技术，该方法包括：在没有直流偏磁时，采集变压器位置的噪声声压计的噪声声压信号，确定振动信号监测点，并记录该监测点无直流偏磁时变压器本体振动的主要特征数据；在出现直流偏磁状态之后，根据所述采样间隔、采样频率，以及监测周期进行在线监测，设定最大振动幅值的监测阈值；每经过一个监测周期，分析被保存的原始数据，当连续1天以上稳定出现预警情况，则需要对变压器本体进行进一步检测，否则，认为变压器运行状态保持良好；本发明可通过长期在线监测，实现直流偏磁条件下对于变压器振动状态的判断，保障电力变压器安全稳定运行。

说明书

技术领域

本发明属于电工领域电力安全监测技术，特别涉及一种通过监测电力变压器箱体表面振动与噪声状态进而实现监测受直流偏磁影响的交流电力变压器运行状态的方法。

背景技术

电力变压器是交流电力系统中的核心设备，其铁心励磁特性曲线呈现典型的非线性。在正常条件下，变压器主要运行在该特性曲线的饱和点附近，但在直流系统单极大地回流的影响下，流入大地的直流电流将有部分电流流入直流接地极附近的中性点接地的交流电力变压器中，流入的直流电流可达几十安培，变压器铁心中将因此出现直流磁通分量，励磁磁通向某一侧偏移，设备工作点极易进入励磁特性曲线的饱和段，发生半波饱和，这种现象就被称之为直流偏磁。直流偏磁将导致箱体内部漏磁通增加，绕组电流畸变明显，进而造成铁心和绕组振动加剧，箱体表面振动和噪声明显增大，振动幅值可达原有振动状态5倍以上，可能对于变压器的结构产生损坏，对电力变压器运行性能和使用寿命产生严重的影响。

变压器本体振动主要由铁心的磁致伸缩和绕组振动引起，电力变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、绕组的位移及变形密切相关。铁心的磁致伸缩与变压器端口电压有密切联系，绕组的振动与绕组电流和变压器工作负荷有紧密联系。在直流偏磁状态出现之后，如果高低压绕组之一在发生了变形、位移或者崩塌，绕组的压紧不够，使高低压绕组间的高度差逐渐扩大，导致绕组安匝不平衡加剧，使漏磁造成的轴向力增大，从而绕组的振动加剧；如果铁心压紧程度受到影响，硅钢片发生松动，或者硅钢片的自重将使铁心弯曲或者变形时，硅钢片之间的缝隙变大，硅钢片接缝处和叠片之间的漏磁变大，导致了电磁吸引力变大，于是铁心的振动变大，另外当铁心存在多点接地的故障时，硅钢片变热，也会引起磁滞伸缩导致的铁心振动变大。这些具体表现在振动信号上的特征为：振动频谱发生改变，出现了更高次的谐波成分，且振动的幅值变大。

目前对于变压器本体振动与噪声的研究，以探究变压器本体振动和噪声的性质为主，是将振动传感器通过磁力座贴在变压器箱体表面的不同位置上，在变压器附近布置噪声声压计，通过采样装置根据现场需求提取并分析箱体表面的振动加速度信号，进而实现对于变压器铁心及绕组物理状态的监测，监测系统与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行不会产生影响。但其仅可以实现短时间内噪声声压波形和振动幅值的监测，时间上不具备连贯性，对于振动波形缺乏直观的描述，无法实现噪声与振动的同步监测及结果比对，没有定量地判断振动频谱的变化，无法通过长期在线监测实现直流偏磁条件下对于变压器振动状态的判断。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种直流偏磁状态下交流电力变压器振动与噪声在线监测方法，可通过长期在线监测，实现直流偏磁条件下对于变压器振动状态的判断，保障电力变压器安全稳定运行。

本发明提出的交流电力变压器在直流偏磁状态后的振动与噪声在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在没有直流偏磁时，在变电站主变压器现场，将3个或3个以上振动传感器贴在变压器箱体表面上，在变压器箱体正面中点处距变压器一段距离处布置一个噪声声压计(一般间距为1-3米，距离远近对于相对量的改变影响不大，但过近将造成接近部分的声源对于噪声贡献过大，过远则不能忽略其它噪声源的干扰)；在设定的时间内(一般为1-3天，根据当地的负荷变化情况确定，只要可以确定无直流偏磁条件下变压器正常运行时箱体表面的振动幅值范围即可)，根据设定的采样间隔、采样频率(采样间隔小于5分钟即可，5分钟或者小于5分钟的采样间隔可以保证完整的记录变压器在相当长一段时间内的振动变化趋势；采样频率一般设定为2.5kHz-5kHz，由于变压器振动频谱分布于50-1000Hz的范围内，根据采样定理，采样频率至少要达到该频率范围的2倍以上约为2.5kHz，但由于采集设备的限制，最高设定在5kHz)，采集所述位置的噪声声压计的噪声声压信号，以及采集变换不同位置后的振动传感器的振动信号，根据采样数据确定振动信号变化最大的振动传感器的位置作为振动信号监测点，并记录该监测点无直流偏磁时变压器本体振动的主要特征数据；

2)在出现直流偏磁状态之后，根据所述采样间隔、采样频率，以及监测周期进行在线监测(监测周期一般为1-7天，以观测明显和持续的变化趋势，同时保持较小的数据量。监测)，设定最大振动幅值的监测阈值(阈值可设为无直流偏磁时最大振动幅值的120％，监测阈值过小将记录下大量的无效数据，监测阈值过大则可能造成初始阶段无法及时发现问题)，只有当振动幅值超过此阈值时在数据库中保存原始数据，否则只在数据库中记录振动峰谷值和相应频率范围内的各次频谱幅值；

3)每经过一个监测周期，分析被保存的原始数据，当长期稳定(连续1天以上)出现预警情况，则需要对变压器本体进行进一步检测(怀疑变压器内部结构可能出现问题)，否则，认为变压器运行状态保持良好；

上述步骤1)中监测点无直流偏磁时变压器本体振动的主要特征数据包括：(1)监测点振动波形和噪声波形；(2)不同运行负荷对应的箱体表面振动幅值，并绘制设定时间内的振动幅值曲线，确定正常状态下振动幅值的最大值和最小值的范围；(3)50-1400Hz范围内振动和噪声频谱分布；(4)各次频谱对应幅值与时域振动幅值的比值。

上述步骤3)中所述出现预警情况为以下四种情况之任一种；

(4)振动幅值超出振动幅值的最大值和最小值的范围的20％以上；

(5)若所述振动幅值的超出振动幅值的最大值和最小值的范围的20％以上，而且不是因变压器运行负荷有明显改变造成的；

(6)频谱范围中有高次频谱出现；

(7)各次频谱对应幅值与时域振动幅值超出了20％的变化范围。

本发明专利的有益效果是，可以监测较大的直流偏磁(如在直流线路单极大地回流运行方式下或者出现太阳磁暴时)对交流电力系统及主要电力设备的不利影响，保障电力变压器安全稳定运行，具有十分重要的经济效益。

附图说明

图1为本实施例的直流偏磁前测点处振动加速度时域波形及频域分析图，其中，图1(a)为振动时域波形，图1(b)为振动频谱分析。

图2为本实施例中一天时间内振动波峰与时间对应关系曲线图。

图3为各次谐波频谱分量随时间变化曲线图。其中曲线1为350Hz的频率分量随时间变化曲线，曲线2为450Hz的频率分量随时间变化曲线。

图4为直流偏磁过程中测点处振动加速度时域波形及频域分析图，其中，图4(a)为振动时域波形，图4(b)为振动频谱分析。

图5为本实施例的直流偏磁后测点处振动加速度时域波形及频域分析图，其中，图5(a)为振动时域波形，图5(b)为振动频谱分析。

具体实施方式

本发明提出的受直流偏磁影响交流电力变压器振动与噪声在线监测方法结合附图及实施例详细说明如下：

本实施例的方法包括以下步骤：

在没有直流偏磁时，在变电站主变压器现场，将3个振动传感器通过磁力座贴在变压器箱体表面的不同位置上，在变压器箱体正面中点处距变压器1米距离处布置一个噪声声压计；在1天的时间内，以5.2kHz的采样频率采集所述位置的噪声声压计的噪声声压信号，以及采集变换不同位置后的振动传感器的振动信号，根据采样数据确定振动信号变化最大的振动传感器的位置作为振动信号监测点，本实施例监测到该点的时域波形如图1(a)所示，波形清晰，规律性明显，在监测周期内的某一时刻，其振动波峰最大值为7.5m/s²，振动波谷最小值为-10.0m/s，其最大振动幅值对该点的振动波形进行频谱分析，其结果如图1(b)所示，可见频谱主要分布在200-600Hz范围内，其中350-450Hz的分量最为明显，频谱分析的结果表明该振动信号中几乎没有800Hz以上的频率分量。

本实施例将振动信号的采样频率设为5.2kHz，将信号采样间隔设为每2分钟采样一次，在Access数据库中记录每次振动的峰值并自动分析及50-1400Hz范围内的频谱分布，在1天的时间范围内，监测到了箱体表面振动幅值随时间变化的曲线，并由此确定正常状态下振动幅值的最大值和最小值的范围。如图2所示，该点振动的波峰最大值为17m/s²，最小为1m/s²，从监控室得到的数据显示对应的有功纵坐标分别为460和200，也分别为负荷的最大值和最小值。由此认为振动幅值的下限为1m/s²，上限为17m/s²。

对于主要频谱分量的幅值与振动幅值的比值也进行了监测，由于350Hz和450Hz的分量占最主要部分，这里着重分析了一下这两种分量的变化情况，如图3所示。曲线1为350Hz对应的频谱幅值与时域振动幅值的比值曲线，在9％-11％之间；曲线2为400Hz对应的频谱幅值与时域振动幅值的比值，在28％-32％之间。

出现直流偏磁时，如图4(a)所示，该测点振动信号幅值迅速上升，波形变得非常不规律，振动波峰最大值达到50m/s²，波谷最小值达到-20m/s²，如图4(b)所示，800-1200Hz以上的高频分量出现。在直流偏磁条件下，由于外界条件有明显改变，无法根据此时变化确定变压器内部结构的状态，此外，由于变压器的内部结构破坏是一个逐渐加剧的过程，所以需要在直流偏磁之后进行进一步的分析和监测。

图5给出了直流偏磁之后该测点的振动信号的时域波形和频域分析图，从图5(a)可以直观上看出，振动波形基本没有变化，其振动波峰最大值为6.0m/s²，振动波谷最小值为-8.0m/s，对该点的振动波形进行频谱分析，其结果如图5.(b)所示，频谱仍主要分布在200-600Hz范围内，以350-450Hz的分量最为明显，该振动信号中800Hz以上的频率分量几乎消失，可认为与直流偏磁之前的振动状态一致。

直流偏磁出现之后与出现之前的振动进行对比，如果相同负荷下偏磁后的振动长期稳定超过偏磁之前20％的范围，比如，如果纵坐标处于200或以下时，该监测点的振幅有长期明显的超过1.2m/s²；纵坐标处于460或以下时，该监测点的振幅有长期明显的超过20m/s²；我们都认为变压器内部可能出现问题，需结合其它测点和现场的实际考察进行确定。本次试验过程中，在直流偏磁条件之后，监测了对应最大有功为460左右时的振动幅值为17.3m/s²，与无直流偏磁条件时相比，其变化范围约为2％，小于20％；最小有功为200左右时的振动幅值为1m/s²，与无直流偏磁条件时相比，基本没有变化。

此外，在50-1400Hz的频率范围内，一方面监测是否有高次谐波大量而长期的出现，另一方面监测300-450Hz内谐波幅值与波峰的比值在短暂的波动后是否还能返回并稳定在原来的范围之内。如果此比值范围的变化长期大于20％，也有必要进行适当的检测以考察变压器状态。本次试验过程中，在直流偏磁之后350Hz对应的频谱幅值与时域振动最大幅值的比值仍在9％-11％之间，400Hz对应的频谱幅值与时域振动最大幅值的比值仍在28％-32％之间。其他振动测点与噪声测点的信号与此测点类似，在本次具体实施过程中，结合所有测点的结果，可认为该变压器在直流偏磁之后的短时间范围内运行状态良好，但仍需进一步的长时间在线监测。