基于频率响应法的励磁变压器绕组变形研究.pdf

772023,61(10)总第7 1 0 期机械制造故障基于频率响应法的励磁变压器绕组变形研究楼彬宋家由傅益鞋陈梁俊嘉兴南洋职业技术学院浙江嘉兴314031摘要：绕组故障导致励磁变压器故障的频率很高，绕组变形是绕组故障的主要原因之一。介绍了频率响应法和集总参数建模的基本原理，基于频率响应法建立励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型，对不同程度短路故障对励磁变压器绕组的影响进行分析，为励磁变压器绕组变形检测提供参考。关键词：频率响应法变压器绕组且变形研究中图分类号：TM403.2文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-4 9 9 8(2 0 2 3)1 0-0 0 7 7-0 4Abstract:Winding fault leads to high frequency of excitation transformer failure,and winding deformationis one of the main reasons for winding failure.The basic principles of frequency response method and lumpedparameter modeling were introduced.Based on the frequency response method,the dual winding lumpedparameter equivalent circuit model of excitation transformer was established to analyze the influence of differentdegrees of short circuit fault on excitation transformer winding to provide reference for winding deformationdetection of excitation transformer.Keywords:Frequency Response MethodTransformerWindingDeformationResearch1石研究背景励磁变压器是电网系统中的重要组成部分，变压器的运行状态直接影响电网系统是否能够安全稳定运行。根据统计，因励磁变压器绕组发生故障而导致的电力事故经常发生，绕组变形则是绕组故障的主要原因之一1-2 1。励磁变压器在生产、运输、安装、运行等多个环节中，励磁变压器绕组会因碰撞、振动、短路等因素发生变形。常见的变压器绕组变形有匝间短路、径向变形、轴向位移、轴心偏移等。在实际工程应用中，有些细微的励磁变压器绕组变形很难被察觉到，当励磁变压器绕组变形累积到一定程度时，就会引发机械故障和电气故障，从而导致励磁变压器，乃至整个电网系统发生故障，会带来极大的安全隐患3-4 1。因此，对励磁变压器绕组变形进行检测至关重要。目前，常用的励磁变压器绕组变形检测方法主要有振动检测法5 、短路阻抗法 、电容量变化法、低压脉冲法 、频率响应法9 。频率响应法具有扫频频率范围大、灵敏度高、可重复性强等优点，应用比较广泛。当励磁变压器的几何尺寸和内部结构一定时，励磁变压器绕组中分布的电性参数和频响特性也就基本确定。当励磁变压器绕组发生短路故障或者机械变形后，励磁变压器绕组中分布的电性参数随之改变。工*浙江省教育厅一般科研项目（编号：Y202044377）程中，励磁变压器价格比较昂贵，并且一直处于运行状态，现场测试较为困难。由此，对励磁变压器绕组建立仿真模型进行研究。笔者将一台实际励磁变压器的缩小几何模型作为参考模型，结合Multisim软件，基于频率响应法建立励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型，研究不同程度的短路故障对励磁变压器绕组造成的影响。2频率响应法基本原理1978年,Dick率先提出频率响应法，并引人变压器绕组变形测试中1 0 。之后，世界各国科研工作人员将频率响应法应用于变压器绕组故障检测和诊断工作。输人高频信号之后，变压器绕组可以等效为一个由线性电阻、电容、电感等元件构成的无源线性双端口网络，并且这一网络的频率特性不随时间的变化而变化。确定变压器绕组的等效电路和各参数值后，变压器绕组的频率响应特性就能确定。频率响应法检测变压器绕组变形原理如图1 所示。正弦扫频被测变压器绕组信号源U(o)H(o)U(a)图1频率响应法检测变压器绕组变形原理782023,61(10)总第7 1 0 期机械制造安全故障被测变压器绕组输出信号与输入信号之间的关系为：H(w)=U,()/Ur(w)(1)式中：H(）为绕组的电压传递函数；U,（）为输人信号；U（w）为输出信号；为采样频率。3集总参数建模基本原理根据频率响应法原理可知，当扫频信号的频率较高时，可以将变压器绕组等效为一个由电阻、电容、电感等元件构成的无源线性双端口网络，如图2 所示 L1L2LnYOK1K2KnRsUU2RC1+C2+C3+CnCn+1+八图2变压器绕组等效无源线性双端口网络图2 网络分为n阶，每一阶都包含了电感L、纵向电容K、对地电容C。R s 为输人匹配电阻,R为输出测量电阻。频域中电压V和电流I的导纳方程为：YYi2Y（n+1)VYY2Ya（m+1)V0(2)YYV.0(n+1)1(n+1)2(n+1)(n+1)n+1式中：Y为导纳。根据已知条件，式（1）经变形计算可以得到变压器绕组电压传递函数频率响应，为：VVH(o)二(3)VinV式中：Vout为输出端电压；Vin为输人端电压；Vn+1为n+1阶电压；V为一阶电压。根据集总参数建模基本原理，对于一个已知的变压器绕组，其频率响应结果是唯一的，变压器绕组发生故障后，会对电感和电容等元件产生影响，从而引起各段谐振频率和幅值变化。通过对比分析，就可以判断变压器绕组是否发生了故障。4励磁变压器绕组集总参数建模建立励磁变压器简化几何模型，如图3所示，由低压绕组和高压绕组组成，参数见表1。R低压绕组铁心cmH高压绕组W绝缘介质油箱壁绕组外壁铁心八图3励磁变压器简化几何模型表1 励磁变压器简化几何模型参数参数数值铁心高度H/cm80铁心半径d/cm12绕组每饼高度/cm9高压绕组平均半径R/cm24低压绕组平均半径r/cm16高压绕组宽度m/cm8低压绕组宽度w/cm4高压绕组与油箱壁距离h/cm4高压绕组匝数128低压绕组匝数86铁心相对磁导率1 000空气和绕组相对磁导率1单匝绕组横截面积/mm0.502 4在传统励磁变压器单绕组集总参数等效电路模型基础上进行改进，得到励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型，如图4 所示。在低压绕组的i阶等效电路中,Ci为等效对地电容,Ki为等效纵向电容,Li为等效电感。在高压绕组的i阶等效电路中，Ci为等效对地电容,Ki为等效纵向电容，Li为等效电感。Chli为高压绕组与低压绕组之间的电容。792023,61(10)总第7 1 0 期机械制造安全故障低压侧压OC1Chl1侧CI川K1L13LIKI+C2一Ch12C2K2+L23L2K2C3Ch13C3川C4K3+L33Ch14L3K3+C4川1111111111Cn11Chln11CnH-Cn+1Kn+Ln3Chln+1LnKnCn+1图4励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型5不同程度短路故障分析根据励磁变压器简化几何模型，构建8 阶励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型。在高压绕组的3阶设置三种不同程度的短路故障进行模拟分析，分别为短路3匝、短路4 匝和短路5 匝，由此分析不同程度短路故障对励磁变压器绕组的影响。根据励磁变压器绕组集总参数等效电路模型的几何特点和元件的等效计算关系，可以得到短路故障与分布参数变化的对应关系。当励磁变压器绕组发生短路故障后，分布参数会发生变化，最终会引起谐振频率发生变化，其中谐振峰值的变化更为明显。由此，励磁变压器绕组故障情况还可以通过比较谐振频率变化的百分比来判断。谐振频率变化百分比F为：Af=（fz-f)/f1 0 0%(4)式中：f为正常情况下第x个谐振点的谐振频率;fz为发生短路故障后第x个谐振点的谐振频率。经过仿真计算，得到励磁变压器绕组在正常情况和三种不同程度短路故障情况下的频响波峰值和谐振频率，分别见表2、表3。短路故障情况相比正常情况谐振频率变化百分比见表4。由分析结果可以看出，当励磁变压器绕组发生不同程度的短路故障后，分布参数会发生变化，从而导致频响波峰值和谐振频率发生变化。谐振频率基本都是向高频方向发生微小变化，但是在第8 个波峰处，频响波峰值和谐振频率发生了较大变化。随着短路故障程度的提高，谐振频率的变化幅度总体呈现增大趋势。表2励磁变压器频响波峰值dB波峰正常情况短路3匝短路4 匝短路5 匝第1 个-6.67-8.496-8.983-6.271第2 个-28.76-23.60-21.22-18.81第3个-20.16-15.97-22.39-17.22第4 个-40.07-52.75-57.92-58.15第5 个-18.75-25.20-31.46-30.79第6 个-59.45-62.06-59.50-57.61第7 个-50.35-66.17-33.30-58.32第8 个-67.48-34.82-13.41-13.37第9 个-15.61-20.96-26.35-31.21第1 0 个-20.38-22.46-23.72-25.48第1 1 个-14.18-29.07-15.97-29.38第1 2 个-37.85-34.4732.33-37.80第1 3个-39.36-40.1140.49-40.98第1 4 个-47.84-53.8849.22-31.12第1 5 个-64.88-60.84-32.21-62.67表3励磁变压器谐振频率Hz波峰正常情况短路3匝短路4 匝短路5 匝第1 个5.457548254825 495第2 个8053810981468165第3个11 190112201122011250第4 个14 0601442014.52014550第5 个1585016 07016 14016 180第6 个16 9001694016.94016940第7 个17 54017 66017 70017 700第8 个17 82019.59020 28020 460第9 个20 65020 89021 63023 230第1 0 个30 69030 69030.69030690第1 1 个37840379303793038020第1 2 个42.66042.75042.85042.850第1 3个45920459204592045920第1 4 个47970480804808048080第1 5 个4909049 20049 20049 200表4短路故障情况相比正常情况谐振频率变化百分比波峰短路3匝短路4 匝短路5 匝第1 个0.46%0.46%0.70%第2 个0.70%1.15%1.39%第3个0.27%0.27%0.54%第4 个2.56%3.27%3.49%第5 个1.39%1.82%2.08%第6 个0.24%0.24%0.24%第7 个0.68%0.91%0.91%第8 个9.93%13.80%14.81%第9 个1.16%4.75%12.49%第1 0 个000第1 1 个0.24%0.24%0.48%第1 2 个0.21%0.45%0.45%第1 3个000第1 4 个0.23%0.23%0.23%第1 5 个0.22%0.22%0.22%6结束语笔者基于频率响应法对励磁变压器绕组变形进行802023,61(10)总第7 1 0 期机械制造上接第34 页）罡编辑收稿时间：2 0 2 3-0 7A安全故障研究，在传统励磁变压器单绕组集总参数等效电路模型的基础上进行改进，利用Multisim软件建立励磁变压器双绕组集总参数等效电路模型，进行不同程度短路故障的模拟。通过研究确认励磁变压器绕组发生短路故障之后，分布参数发生变化，从而引起谐振频率变化。可以根据谐振频率变化情况，判断励磁变压器绕组变形程度，为励磁变压器绕组变形检测提供参考。参考文献1周楠，王昕，杨海龙.基于超声合成孔径弧形扫描联合算法的变压器绕组故障检测方法J.电力科学与技术学报,2 0 2 2,37(5):1 9 8 -2 0 6.2涂正宏，李磊，徐鹏程，等.基于多点阵列式三维成像的变压器绕组超声波检测系统研究J.机电工程，2 0 1 8,35(6):613-617.3刘英环.电力变压器绕组变形原因分析及测试方法J.科技创新与应用，2 0 2 0,1 0（2 6）：1 4 2-1 4 3.4曾卓维，李克讷，胡旭初.变压器铁芯参数化绘制系统J.机械制造,2 0 2 3,6 1(1)：1 8-2 1,34.5田昊洋，胡敏，徐鹏，等.振动检测法在短路试验中的应用研究J.变压器,2 0 1 9,5 6(7)：5 5-6 1.6张立坚.浅析短路阻抗法在变压器绕组变形试验中的应表2焊接工艺参数项目数值焊接电流/A220电弧电压/V30干伸长/mm20气体流量/(Lmin-l)255.2热处理工序控制调质处理前，行星架铸件外部加工面通过磁粉探伤，内腔非加工面采用超声探伤，严格控制铸件上的裂纹缺陷。淬火完成后，检测行星架的本体硬度，根据所测数据调整回火工艺。回火采用水冷的方式，避免铸件回火脆性的发生。6结束语笔者分析采煤机行星架铸件加工过程中的质量控制规律，对行星架铸件进行工艺性结构设计局部优化，制订合理的铸造工艺流程，控制补焊和热处理，进而提高结构性能，降低故障率。对行星架铸件进行质量优化，为行星架产品量身打造工艺设计，从内部质量与机械性能表现两方面对行星架产品的正常使用起到双重保障，也为采煤机其它零部件的结构性能改进提供了参考。参考文献1刘林，蔡淑芳，刘黎南，等.ZC42CrMo大型铸钢齿轮质量用J.中国水能及电气化，2 0 1 9（1 0）：5 5-5 7.7周中锋,刘强，刘行行，等.分布电容法和短路阻抗法在变压器绕组变形综合诊断中的应用J.河北电力技术,2 0 1 9,38(2):39-40,53.8李宏达，黄鼎琨，张彬，等.改进的低压脉冲法对变压器绕组变形的探测研究J.南京理工大学学报，2 0 2 0,4 4(1):15-20.9车月月.基于ANSYSMaxwell的电力变压器绕组模型参数获取方法研究D.西安：西安理工大学,2 0 2 2.10DICK E P,ERVEN C C.Transformer Diagnostic Testing byFrequency Response Analysis J.IEEE Transactions onPower Apparatus and Systems,1978,PAS-97(6):2144-2153.11电力变压器绕组变形的频率响应分析法：DL/T9112016S.作者简介：楼彬（1 9 8 9 一），女，讲师，主要研究方向为机电装调与自动控制。控制与热处理J.铸造，2 0 0 9,5 8（7）：7 33-7 36.2尹立孟.ZG42CrMo轨道梁的修复J.焊接，2 0 0 3（1）：4 4-45.3李超.采煤机导向滑靴导向面耐磨焊层的修复工艺J.机械制造,2 0 1 7,5 5（7）：8 7,1 0 3.4王话,孙爱新，杨纯辉，等.采煤机摇臂的铸造工艺研究J.铸造,2 0 1 2,6 1(7):7 9 9-8 0 1.5曹松，李伟，杜天彬.导向滑靴铸钢件的质量优化J.中国铸造装备与技术，2 0 1 5,5 0（5）：1 2-1 3.6李嘉倩，季德生，徐超，等.大型行星架铸钢件浇注系统设计J.大型铸锻件,2 0 2 1（3）：1 3-1 4,1 8.7李超.采煤机行走箱的修复焊接工艺J.机械制造，2 0 2 1，59(6):66-68.8袁岳东.采煤机行星架铸造工艺优化J.金属加工（热加工),2 0 2 2(9）：1 0 3-1 0 5.9邱桂永，杨智勇，管遵辉，等.风电机组铸钢行星架铸造工艺J.中国铸造装备与技术，2 0 1 1,4 6（2：2 4-2 7.10韩忠亮，杨梅.采煤机截割部二级行星架有限元分析J.煤矿机械,2 0 1 1,32(1 0）：1 1 5-1 1 6.收稿时间：2 0 2 3-0 5作者简介：李超（1 9 8 1 一），男，高级工程师，主要研究方向为矿用设备零部件制造工艺。（编辑屏丁罡）