一种基于励磁电流的电力变压器绕组轴向预紧力监测方法

摘要

本发明公开了一种基于励磁电流的电力变压器绕组轴向预紧力监测方法，绕组以100Hz的振动切割50Hz的漏磁场将产生50Hz和150Hz两个分量的动生电动势，通过监测空载运行电力变压器在不同试验电压下，绕组励磁电流中50Hz和150Hz分量的变化趋势进行绕组振动状态的评估，根据绕组的振动状态监测预紧力的变化趋势；本发明应用简单方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输变电设备状态在线监测技术，具体是一种基于励磁电流 的电力变压器绕组轴向预紧力监测方法，属于智能变电站技术领域。

背景技术

电力变压器是电力系统的重要组成部分，对电网的安全稳定运行至关重要。 电力变压器在运行时，绕组会受到交变电磁力的作用而振动，此外铁芯硅钢片 在磁场作用下磁致伸缩，也是引起电力变压器振动的主要因素之一。根据安培 力的计算法则，电力变压器绕组在径向漏磁感应强度作用下的轴向安培力F_Z为：

F_Z＝KI_σI₁(1+cos2ωt)

式中，I_σ为漏磁场的励磁电流，I₁为绕组电流。由上式可知，电力变压器绕组 和铁心受到电磁力的频率为电网基频的2倍，即电力变压器振动的主要频率为 100Hz。

据统计，绕组的松动变形是电力变压器的主要故障，已经上升到事故率的首 位。目前，绕组变形故障诊断的研究较多，其中应用最为广泛的是频率响应分 析法、短路阻抗法和低压脉冲法，但相比于绕组变形，绕组轴向松动而引发的 形变小，用于识别故障特征的参数灵敏度较低而导致上述方法不再适用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于励磁电流的电力变压器绕 组轴向预紧力监测方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于励磁电流的电力变压器绕组轴向预紧力监测方法，绕组以100Hz 的振动切割50Hz的漏磁场将产生50Hz和150Hz两个分量的动生电动势，通过 监测空载运行电力变压器在不同试验电压下，绕组励磁电流中50Hz和150Hz 分量的变化趋势进行绕组振动状态的评估，根据绕组的振动状态监测预紧力的 变化趋势。

绕组以100Hz振动切割50Hz的漏磁场产生的动生电动势的成分可由下式表 示，

E(t)∞-K[sin(3ωt)+sin(ωt)]

其中，K为系数，ω为角频率。

电力变压器绕组轴向预紧力监测方法的具体步骤为，

正常电力变压器空载运行时，进行以下步骤：

步骤a：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，利用电流互感器测取 正常电力变压器在不同空载试验电压U下的励磁电流；

步骤b：对步骤a中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作μ₅₀和μ₁₅₀，并保存；

电力变压器空载稳定运行时，进行以下步骤：

步骤c：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，利用电流互感器测电 力变压器在不同空载试验电压U下稳定运行的励磁电流；

步骤d：对步骤c中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作τ₅₀和τ₁₅₀，并保存；

步骤e：若空载试验电压U小于电力变压器的额定电压，设置阀值M₅₀和 M₁₅₀，其中M₅₀和M₁₅₀均大于零，若μ₅₀-τ₅₀＞M₅₀且μ₁₅₀-τ₁₅₀＞M₁₅₀，则判 定绕组松动；若空载试验电压U等于或大于电力变压器的额定电压，设置阀值 N₅₀和N₁₅₀，其中N₅₀大于零，N₁₅₀小于零，若μ₅₀-τ₅₀＞N₅₀且μ₁₅₀-τ₁₅₀＜N₁₅₀， 则判定绕组松动。

本发明所达到的有益效果：本发明根据绕组100Hz振动产生50Hz和150Hz 两个动生电动势的特征，通过监测空载运行电力变压器在不同试验电压下，绕 组励磁电流中50Hz和150Hz分量的变化趋势实现绕组振动状态的评估，实现绕 组预紧力的监测，应用简单方便。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为基于励磁电流的电力变压器绕组轴向预紧力监测系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

由于电力变压器绕组是有阻尼的系统，绕组在2ω频率的电磁力作用下的谐 振载荷反应振幅xp为，

$x_p=\frac{F_Z{I}_{\sigma }{I}_1}{m}\frac{1}{\sqrt{{({\omega }_i^2-4{\omega }^2)}^2+8{\mathrm{\xi \omega }}_i^2{\omega }^2}}$

其中，m为质量，ω_i为绕组固有频率，ξ为粘滞阻尼比。由上式可知，若 轴向安培力F_Z不变，绕组固有频率减小将导致谐振载荷振幅变大，此外，绕组 振动的同时将切割磁感线，产生动生电动势而阻碍磁通的变化。电力电压器空 载运行时，一次侧的空载电流即为励磁电流，因而可以通过监测电力变压器励 磁电流的实现绕组振动状态的监测，并根据绕组的振动状态评估绕组的轴向压 紧状态。

根据上述分析可得一种基于励磁电流的电力变压器绕组轴向预紧力监测方 法：绕组以100Hz的振动切割50Hz的漏磁场将产生50Hz和150Hz两个分量的 动生电动势，通过监测空载运行电力变压器在不同试验电压下，绕组励磁电流 中50Hz和150Hz分量的变化趋势进行绕组振动状态的评估，根据绕组的振动状 态监测预紧力的变化趋势。

上述绕组以100Hz振动切割50Hz的漏磁场产生的动生电动势的成分可由下 式表示，

E(t)∞-K[sin(3ωt)+sin(ωt)]

其中，K为系数，ω为角频率。

电力变压器绕组轴向预紧力监测方法的具体步骤如图1所示：

正常电力变压器空载运行时，进行以下步骤：

步骤a：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，利用电流互感器测取 正常电力变压器在不同空载试验电压U下的励磁电流；

步骤b：对步骤a中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作μ₅₀和μ₁₅₀，并保存；

电力变压器空载稳定运行时，进行以下步骤：

步骤c：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，利用电流互感器测电 力变压器在不同空载试验电压U下稳定运行的励磁电流；

步骤d：对步骤c中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作τ₅₀和τ₁₅₀，并保存；

步骤e：若空载试验电压U小于电力变压器的额定电压，设置阀值M₅₀和 M₁₅₀，其中M₅₀和M₁₅₀均大于零，若μ₅₀-τ₅₀＞M₅₀且μ₁₅₀-τ₁₅₀＞M₁₅₀，则判 定绕组松动；若空载试验电压U等于或大于电力变压器的额定电压，设置阀值 N₅₀和N₁₅₀，其中N₅₀大于零，N₁₅₀小于零，若μ₅₀-τ₅₀＞N₅₀且μ₁₅₀-τ₁₅₀＜N₁₅₀， 则判定绕组松动。

上述方法根据绕组100Hz振动产生50Hz和150Hz两个动生电动势的特征， 通过监测空载运行电力变压器在不同试验电压下，绕组励磁电流中50Hz和 150Hz分量的变化趋势实现绕组振动状态的评估，实现绕组预紧力的监测，应用 简单方便。

为了进一步说明上述方法，举以下具体实施例。

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的电力变压器开展空载试验，测取B相绕组 不同压紧状态下电力变压器油箱表面的振动信号和空载励磁电流信号，试验接 线如图2。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。

试验过程中需对电力变压器进行抽油、吊罩、松动等操作步骤。采用液压 预紧器调节绕组预紧力，标准预紧力下试验电力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。空载试验电压施加在电 力变压器低压侧，实验电压分别设定为额定电压的60％、70％、80％、90％、95％、 100％、105％、110％共8种状态。

下面以加速度振动传感器放置在SFZ10-31500/110大型电力变压器B相绕 组对应的油箱上表面、设置B相绕组松动为例验证本发明内容。大型电力变压 器B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，利用电流互感器测取 电力变压器B相绕组标准预紧力下不同空载试验电压U下的励磁电流，同一空 载电压下采样不少于3次；

步骤2：对步骤1中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作μ₅₀和μ₁₅₀，并保存，结果见表一；

表一标准预紧力下励磁电流中的50Hz和150Hz分量

步骤3：根据预定的振动信号的采样频率和采样时间，利用电流互感器测取 电力变压器B相绕组零预紧力状态下不同空载试验电压U下的励磁电流，同一 空载电压下采样不少于3次；

步骤4：对步骤3中采集到的励磁电流作傅立叶变换，提取励磁电流中的 50Hz和150Hz分量的幅值，分别记作τ₅₀和τ₁₅₀，并保存，结果见表二。

表二零预紧力状态下励磁电流中的50Hz和150Hz分量

步骤5：表三为励磁电流中的50Hz和150Hz分量随预紧力减小的变化趋势， 由表三可以看出，当电力变压器空载电压小于额定电压时，励磁电流中的50Hz 和150Hz分量随松动的增加而减小，可判定绕组松动；

表三励磁电流中的50Hz和150Hz分量随预紧力减小的变化趋势

空载试验电压 50Hz变化率/％ 150Hz变化率/％ 60％ -5.521 -17.566 70％ -1.716 -11.416 80％ -5.370 -27.588 90％ -3.918 -17.785 95％ -3.815 -4.997

100％ -3.481 4.854 105％ -12.020 0.274 110％ -8.122 16.216

由表三可以看出，当电力变压器空载电压等于或大于额定电压时，励磁电 流中的50Hz分量随松动的增加而减小，励磁电流中的150Hz分量随松动的增加 而增大，可判定绕组松动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。