Вибрационная диагностика как способ оценки технического состояния трансформаторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА КАК СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Вилков Сергей Александрович

аспирант, ФГБОУ ВПО «Магнитогорскийгосударственный технический

университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.

E-mail: sergun-1989@mgn.ru

VIBRATION DIAGNOSTICS AS A WAY TO ASSESS THE TECHNICAL

CONDITION OF TRANSFORMERS

Sergey Vilkov

postgraduate, FSBEIHPE “Magnitogorsk State Technical University named after

G.I. Nosov”, Magnitogorsk.

АННОТАЦИЯ

Данная статья содержит описание специфических особенностей вибрационной диагностики силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Определены факторы, влияющие на общую вибрационную характеристику. Выявлены критерии оценки состояния прессовки обмоток и магнитопровода.

ABSTRACT

This article describes the specific features of vibration diagnostics of power transformers and autotransformers. Factors that have an effect on overall vibration response have been identified. Evaluation indicators of core and winding clamping condition have been defined.

Ключевые слова: трансформатор; вибрационная диагностика; прессовка обмоток; прессовка магнитопровода; спектр сигнала.

Keywords: transformer; vibration diagnostics; core clamping; winding

clamping; signal spectrum.

Вибрационное обследование силовых трансформаторов является весьма эффективным способом оценки их технического состояния. Его неоспоримым достоинством в сравнении с другими способами диагностирования является возможность проведения обследования в процессе работы трансформатора и, соответственно, возможность построения на его основе системы

диагностирования, работающей в режиме on-line. По результатам

вибрационного обследования можно судить о состоянии фундамента трансформатора, состоянии охлаждающих вентиляторов и масляных насосов, качестве прессовки обмоток и магнитопровода, а также производить балансировку вентиляторов системы охлаждения и устранять резонансные явления [1].

В процессе работы трансформатор всегда генерирует вибрационные колебания. Вибрация может быть зарегистрирована на разных частотах, в разных местах трансформатора и быть вызвана различными источниками.

Наиболее важным параметром при диагностике трансформатора является состояние прессовки его обмоток и магнитопровода. В нормальных рабочих условиях именно эти элементы являются главным источником вибрации, которая передается на бак трансформатора через трансформаторное масло и твердые элементы конструкции. Частота этих колебаний лежит в диапазоне от 100 Гц до 800 Гц [2].

Колебания с частотой до 100 Гц, как правило, являются результатом работы охлаждающих вентиляторов и масляных насосов. Колебания с частотой свыше 1 кГц генерируются небольшими элементами, не связанными с магнитопроводом и обмотками трансформатора [1].

Вибрация обмоток обусловлена силами Лоренца, величина которых зависит от плотности тока и плотности потока рассеяния. Т. к. поток рассеяния и плотность тока разнонаправленны, плотность силы имеет компоненты в радиальном и в осевом сечении. К тому же, обе компоненты являются функцией тока нагрузки, поэтому результирующая сила является квадратичной функцией тока. Стоить отметить, что вибрация обмоток в нормальных условиях является незначительной, но при определенных неисправностях она резко возрастает.

Вибрация в магнитопроводе обусловлена процессом магнитострикции — изменением геометрических размеров пластин магнитопровода вследствие изменения ориентации кристаллов материала под действием магнитных полей.

Таким образом, эффект магнитострикции зависит от величины напряженности приложенного поля. Также известно, что основная частота магнитострикционных сил составляет 100 Гц, т. е. в два раза больше частоты возбуждения.

Еще одним источником вибрации магнитопровода является воздушный зазор, появляющийся вследствие магнитного отталкивания между пластинами. Отталкивающие силы по большей части присутствуют в угловых соединениях магнитопровода и также имеют основную частоту колебаний 100 Гц [2].

Спектр установившихся колебаний идеального трансформатора имеет всего три нечетных гармонических составляющих, кратных частоте электромагнитной силы, т.е. удвоенной частоте сети (100 Гц). Первая гармоника создается магнитострикционными силами в магнитопроводе и электродинамическими силами в обмотках. Третья и пятая гармоники являются результатом насыщения магнитопровода.

В реальных трансформаторах вибрация ослабленных витков обмоток или ослабленных пластин магнитопровода добавляет высшие гармоники в спектр вибрационной характеристики трансформатора, и чем больше будет значение люфта этих элементов, тем выше будут соответствующие номера гармоник в спектральной характеристике и их амплитуда.

Как правило, при проведении анализа состояния прессовки обмоток и магнитопровода используют 12 датчиков виброскорости: 6 на высоковольтной стороне бака трансформатора (HV) и 6 на низковольтной стороне (LV). Датчики должны быть примерно равноудалены от контролируемых элементов и не должны располагаться вблизи трубопроводов и ребер жесткости.

Рекомендуемые места крепления датчиков виброскорости показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Рекомендуемые места крепления датчиков виброскорости на

баке трансформатора

В таблице 1 и на рисунке 2 представлен пример измерения виброскорости (мм/с) на баке трансформатора 500/220 кВ, 50 Гц по семи гармоникам.

Таблица 1.

Результаты измерения виброскорости трансформатора 500/200 кВ

Точка 100 Гц 200 Гц 300 Гц 400 Гц 500 Гц 600 Гц 700 Гц

НУ, верх 6,5 0,7 1,0 1,7 0,6 - -

НУ, низ 6,0 1,0 1,9 0,9 1,0 0,3 -

ЬУ, верх 5,4 1,0 1,2 1,3 - - 0,2

ЬУ, низ 7,0 4,8 0,9 2,3 0,9 0,2 0,4

Из графиков видно, что в спектре полученных сигналов присутствуют высшие гармоники, что свидетельствует о наличии ослабления прессовки обмоток или магнитопровода.

Рисунок 2. Результаты измерения виброскорости трансформатора

500/200 кВ

Для того чтобы разделить «вклад» вибрации магнитопровода и обмоток в общую вибрационную характеристику трансформатора, рекомендуется проводить измерение дважды: под нагрузкой и в режиме холостого хода. Это обусловлено тем, что в режиме холостого хода электродинамические силы в обмотках трансформатора практически отсутствуют, поэтому снятые вибрационные характеристики будут описывать по большей части вибрацию магнитопровода. Под нагрузкой в вибрационной характеристике будут присутствовать обе составляющие [3].

Таким образом, измерение и анализ вибрации на баке трансформатора является весьма эффективным способом оценки состояния прессовки обмоток и магнитопровода трансформатора. Тем не менее, данный способ целесообразно использовать с другими способами диагностирования, такими как измерение частичных разрядов в изоляции трансформатора, анализ трансформаторного масла и тепловизионный контроль.

Список литературы:

1. Русов В.А, Софьина Н.Н. «Вибрационное обследование и диагностика

состояния трансформаторов» // Методы и средства оценки состояния Энергетического оборудования. Выпуск 11. Спб.: ПЭИПК, 2000. — с. 38— 53.

2. Pablo Н. IbarguD engoytia, Roberto Linan, Albeitli Pascacio and Enrique

Betancourt . Probabilistic Vibration Models in the Diagnosis of Power

Transformers // ISBN: 978-953-307-696-6, Mexico, InTech, 236 pages, 2011. — p. 103—122.

3. Zalya Berler, Alexander Golubev, Valery Rusov, Vladimir Tsvetkov, Cal

Patterson. Vibro-Acoustic Method of Transformer Clamping Pressure

Monitoring // Conference Record of the 2000 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Anaheim, CA USA, 2000. — p. 263—266.