ВИБРАЦИОННАЯ  ДИАГНОСТИКА  КАК  СПОСОБ  ОЦЕНКИ  ТЕХНИЧЕСКОГО  СОСТОЯНИЯ  ТРАНСФОРМАТОРОВ

Вилков  Сергей  Александрович

аспирант,  ФГБОУ  ВПО  «Магнитогорский  государственный  технический  университет  им.  Г.И.  Носова»,  г.  Магнитогорск.

E-mail: 

VIBRATION  DIAGNOSTICS  AS  A  WAY  TO  ASSESS  THE  TECHNICAL  CONDITION  OF  TRANSFORMERS

Sergey  Vilkov

postgraduate,  FSBEI  HPE  “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

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  H.  Ibargüengoytia,  Roberto  Liñan,  Alberth  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  Intemational  Symposium  on  Electrical  Insulation,  Anaheim,  CA  USA,  2000.  —  p.  263—266.