摘要：对500kV单相发电机变压器开展了直流偏磁试验下的振动特性研究，对空载和负载下的不同直流偏磁电流下的振动特性进行了测量分析，对功率谱和奇异谱进行了分析，得出了一些对产品运行有重要参考意义的结论。

关键词：500kV单相发电机变压器；直流偏磁；振动试验；奇异谱和功率谱

 

Research on 500kV single phase generator transformer dc bias Vibration test

FANG Shan-chen¹, LIN Gang², OU Xiao-dong¹, HUANG Zuo-liu¹, LI Ying², WANG Feng-hua³

(1 Datang Guanyinyan Hydropower Development Co.Ltd, 2 TBEA Hengyang Transformer Co.Ltd, 3 Shang Hai Jiao Jong University)

 

Abstract: For 500kV single phase generator transformer，Vibration test has been given out under dc bias load and no-load in this paper，Vibration character and singular spectrum and power spectrum under dc bias have been analysis，Some important valuable results have been given out.

Keywords: 500kV single phase generator transformer；dc bias；vibration test；singular spectrum and power spectrum

 

作者简介：方善臣（1968-），男，广西人，高级工程师，主任，长期从事电力系统设备研究工作。

 

1 概述

       本次直流偏磁试验为500kV单相发电机变压器，型号为DSP-223000/550，其参数如表1所示。其铁心型式为单相三柱，主柱带高压和低压线圈，冷却方式为OWAF，联接组标号为II₀。

表1 试验变压器参数

Tab.1 the parameters of test transformer

    分别基于空载与负载情况，试验研究直流偏磁下500kV变压器的振动特性。

    空载试验接线如图1所示。图中，G为发电机，T1和T2为2台型号相同的试验用500kV变压器，B1为中间变，E，R，L，C，g分别为直流电源、可调电阻、电感、保护电容以及放电间隙。具体试验时，2台试验变压器高压侧相连，T2低压侧空载，运行电压为100%U_N（U_N为额定电压）。直流电流通过2台变压器中性点注入到试验变压器，其大小分别为0A、1A和1.75A。

 

振动测点及其熵值	振动测点编号
	1	2	3	4	5	6	7
奇异谱熵	0.6585	0.5999	0.7135	0.7201	0.8832	0.6304	0.5224
功率谱熵	1.3077	1.6693	1.5040	1.7167	2.4002	1.9148	1.3883

图2 负载直流偏磁试验接线图

Fig.2 the test connection diagram under dc bias on-load

       在空载试验和负载试验时，对不同直流电流下试验变压器T2的振动进行测试，测试用设备如表2所示。

表2 振动测试设备

Tab.2 the vibration test equipments

序号	名称	型号	个数	用途
1	振动加速度传感器	DH186	7	测试振动
2	数据采集系统	NI/CompactRIO	1	数据采集

振动传感器均布置于2号变压器上1/2油箱高度处，其中低压侧正面位置布置两个振动传感器（No.1和No.2），侧面位置布置两个振动传感器（No.3和No.4），高压侧正面位置布置三个振动传感器（No.5、No.6和No.7），共7个振动测点。振动传感器测点位置平面示意图及现场位置图如图3所示。

（a）振动测点位置平面示意图                 （b）低压侧振动测点位置实物图

（c）侧面振动测点位置实物图             （d）高压侧振动测点位置实物图

图3振动测点位置示意图及现场图片

Fig.3 the sketch diagram and on-the-spot scene of vibration test

2 信号特征量分析方法

振动现有特征量描述提取方法主要不足之处有：（1）难以准确描述测试信号的非平稳信号特征；（2）难以解决信号特征的定量评价问题。为了更好地对变压器的振动信号进行描述，本文在此分别使用奇异谱熵和功率谱熵对振动信号的特征量进行描述。其中，奇异谱熵对振动信号的时域信息进行描述，功率谱熵对振动信号的频域信息进行描述。简单描述如下：

2.1 奇异谱熵

选定分析模式窗口的长度 M，通常也称为嵌入维数。为了充分利用信号的信息，选定时延常数为 1，用此（M,1）的窗口顺序截取信号中的模式数据进行分析。

构造模式数据矩阵或嵌入空间中的轨迹矩阵。设{x_i},i= 1,2,...N是离散的振动信号，以（M,1）的模式窗口将{x_i}顺序分为N–M+1段模式数据，这些数据构成了一个模式矩阵 A，即：

                  (1)

对模式矩阵 A 进行奇异值分解。设计算获得的奇异值为 ，则 构成了振动信号的奇异值谱。

由奇异值与模式矩阵中模式的相应关系，可以认为，奇异值谱 是对振动信号在时域中的一种划分。由此可定义时域中信号的奇异谱熵为：

                             (2)

       式中， 为第i个奇异值在整个谱中所占的比重。

由上面的定义可知，奇异谱熵反映了振动能量在奇异谱划分下的不确定性。振动信号越简单，能量越集中于少数几个模式，奇异谱熵越小；相反，振动信号越复杂，能量就越分散，奇异谱熵越大。

2.2 功率谱熵

基于振动信号的功率谱，也可给出其信息熵特征。信号的总能量是各频率分量的能量之和。因此，各阶频率的功率谱 可以看作是对原始信号的一种划分。由此可以定义其划分的测度为：

                         (3)

则其对应的信息熵——功率谱熵为

                      (4)

功率谱熵反映了振动能量在频域内分布的情况。振动能量在各个频率成分上分布的越均匀，则信号越复杂，因此不确定性程度越大。反之，振动能量越集中于部分频率成分，信号越简单，功率谱熵也就越小。

3 空载试验结果分析

3.1 无直流偏磁的情形振动信号分析

分别计算各个振动测点信号的奇异谱熵和功率谱熵，结果如表3所示。由表3可见：各个测点的奇异谱熵与功率谱熵均有一定程度的差异，说明各个测点振动信号在时域和频域上均有差异。另外，5号测点的奇异谱熵与功率谱熵均为最大，说明该测点的振动信号最为复杂。结合试验变压器油箱壁结构及表3的计算结果，重点选取分别位于2号变压器低压侧、侧面以及高压侧的1号、3号和7号振动测点进行分析。其对应的时域波形及频谱分别如图4所示。由图4见：1号和7号测点的振动信号时域幅值较为接近，3号测点的振动信号时域幅值较大。振动信号的频谱分量主要为100Hz及其倍频，集中在500Hz以内，300Hz分量幅值较大。

表3 无直流偏磁时振动信号的熵值

Tab.3 the entropy of vibration signal under dc bias no-load

(a) 1号振动测点

(b) 3号振动测点

(c) 7号振动测点

图4 无直流偏磁时振动信号时域波形及频谱分布

Fig.4 the vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under dc bias no-load

3.2 直流分量为1A的情形振动信号分析

    表4为直流分量为1A时各个振动测点奇异谱熵和功率谱熵的计算结果。由表可见：各个振动测点对应振动信号的奇异谱熵与功率谱熵各不相同，4号测点的奇异谱熵为最大，但3号测点的功率谱熵为最大。和空载的情形相比较，各个振动测点的奇异谱熵与功率谱熵均有不同程度的增加。

       此外，各个测点振动信号的时域幅值呈现不同程度的增加，以3号测点的振动幅值为最大。频谱分布中新出现了50Hz的倍频信号，以450Hz分量最为明显。另外，3号测点出现了较为丰富的频谱分量，且频宽更广。直流为1A时3号振动测点振动信号的时域波形及频谱图如图5所示。      

表4 直流分量为1A时振动信号的熵值

Tab.4 the entropy of vibration signal under DC-1A bias load

图5 直流为1A时3号振动测点振动信号的时域波形及频谱图

Fig.5 the No.3 vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under DC-1A bias on-load

3.3 直流为1.75A的情形振动信号分析

       表5为直流分量为1.75A时各个振动测点奇异谱熵和功率谱熵的计算结果。由表可见：各个振动测点对应振动信号的奇异谱熵与功率谱熵各不相同，4号测点的奇异谱熵为最大，但3号测点的功率谱熵为最大，和直流为1A的情形类似。但振动信号的奇异谱值和直流为1A的情形相比较有所增大，功率谱值有所降低。

       此外，各个测点振动信号的时域幅值呈现不同程度的增加，以3号测点的振动幅值为最大。振动信号频谱分布中450Hz分量幅值最大。另外，3号测点出现了较为丰富的频谱分量，且频宽更广。直流为1.75A时3号测点的时域波形及频谱图如图6所示。   

表5 直流分量为1.75A时振动信号的熵值

Tab.5 the entropy of vibration signal under DC-1.75A bias load

(b)

图6 直流为1.75A时3号测点的时域波形及频谱图

Fig.6 the No.3 vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under DC-1.75A bias on-load

3.4 振动信号随直流分量的变化分析

       图7和图8分别为空载下振动信号各个测点奇异谱熵和功率谱熵随外加直流的变化规律，可见：除去5号振动测点外，其它振动测点的振动信号奇异谱熵均随着外加直流的增加而增大，说明在时域上振动信号能量越来越分散，信号复杂度升高。功率谱熵随外加直流分量的增加呈现出先增大后降低的总体趋势，说明随着直流分量的出现，振动信号中有新的频谱分量出现。但随着直流分量的增加，振动信号频谱分布更多的集中在某个特定频率分量上。

图7 振动信号各个测点奇异谱熵随外加直流的变化规律

Fig.7 the change laws of singular spectrums of different vibration signal test points in DC

 

图8 振动信号各个测点功率谱熵随外加直流的变化规律

Fig.8 the change laws of power spectrums of different vibration signal test points in DC

由图7、图8可以得出：奇异谱熵在空载直流下随着直流的增加，所有测点均显示增大趋势，在时域内振动更加复杂，功率谱熵随着直流电流增加，各点呈献不同的变化规律，起伏更大，这与振动的复杂传递过程有关。

4 负载试验结果分析

4.1无直流偏磁振动信号特性分析

负载试验时，为了安全起见，低压侧振动测点均不再测量，仅对3至7号振动测点的振动信号进行测量。表6为各个振动测点的奇异谱熵和功率谱熵。由表6可见：各个测点的振动信号奇异谱熵与功率谱熵各不相同，但均大于空载试验时无直流偏磁的情形，说明负载时振动信号更为复杂。

为与空载工况的结果进行对比分析，同样选取3号振动测点进行分析，其振动信号时域波形及频谱分布如图9所示。由图9可见：变压器在8.3%额定电流下运行时，振动信号频谱分量主要为100Hz及其倍频分量，且300Hz分量幅值最大，还有部分奇次频率分量，但各个测点的频谱分布并不相同。

表6 无直流偏磁时振动信号的熵值

Tab.6 the entropy of vibration signal under dc bias no-load

振动测点及其熵值	振动测点编号
	3	4	5	6	7
奇异谱熵	0.7905	0.8395	0.8685	0.7387	1.2628
功率谱熵	2.1354	3.0086	2.2489	2.9103	2.7268

图9 无直流偏磁时3号振动信号的时域波形及频谱图

Fig.9 the No.3 vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under dc bias no-load

4.2 直流为1A的振动信号分析

直流为1A时各个振动测点振动信号的奇异谱熵和功率谱熵如表7所示。由表7可见：不同测点振动信号奇异谱熵与功率谱熵有所不同。和无直流的情形相比较，奇异谱熵均有所增大，但功率谱熵部分测点有所增大，部分测点呈现递减现象。

图10为3号振动测点的时域波形和频谱分布。由图10可见：振动信号的时域幅值有所增大。频谱分布中，300Hz分量的幅值最大，且其幅值大于无直流的情形。此外，有较为明显的450Hz分量出现，且500Hz分量和550Hz分量的幅值均大于无直流的情形。

表7 直流为1A时振动信号的熵值

Tab.7 the entropy of vibration signal under DC-1A bias on-load

振动测点及其熵值	振动测点编号
	3	4	5	6	7
奇异谱熵	0.9190	1.0056	0.8832	0.8069	0.7895
功率谱熵	2.3109	2.2801	1.8750	3.0533	2.9769

图10 直流为1A时3号振动测点信号的时域波形及频谱分布

Fig.10 the No.3 vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under DC-1A bias on-load

4.3 直流为1.8A的振动信号分析

直流为1.8A时各个振动测点振动信号的奇异谱熵和功率谱熵如表8所示。由表8可见：不同测点振动信号奇异谱熵与功率谱熵有所不同。和无直流的情形相比较，奇异谱熵均有所增大，但功率谱熵部分测点有所增大，部分测点呈现递减现象。

图11分别为3号和6号振动测点的时域波形和频谱分布。由图11可见：3号振动测点的时域幅值较大。频谱分布中，300Hz分量幅值最大，450Hz分量和550Hz分量幅值也较大。

表8 直流为1.8A时振动信号的熵值

Tab.8 the entropy of vibration signal under DC-1.8A bias on-load

振动测点及其熵值	振动测点编号
	3	4	5	6	7
奇异谱熵	1.3717	1.3536	1.2341	1.2410	1.2388
功率谱熵	3.2912	1.6795	1.0932	1.8605	1.9293

图11 直流为1.8A时3号测点振动信号时域波形及频谱分布

Fig.11 the No.3 vibration signal time domain waveform and spectrum distribution

under DC-1.8A bias on-load

4.4 振动信号随直流分量的变化分析

    图12为10%额定电流负载运行时振动信号各个测点奇异谱熵和功率谱熵随外加直流的变化规律。由图12可见：除去7号振动测点外，振动测点的振动信号奇异谱熵均随着外加直流的增加而增大，意味着振动信号复杂度的增加。

图12 振动测点奇异谱熵随直流分量的变化规律

Fig.12 the change laws of singular spectrums of different vibration signal test points in DC

    图13为10%额定电流负载运行时振动信号各个测点功率谱熵随外加直流的变化规律。由图13可见：3号振动测点的振动信号功率谱熵随外加直流的增加而增加，意味着振动信号的频谱分量更为分散，信号复杂度升高。其余振动测点的振动信号功率谱熵随直流分量的增加呈现先上升后下降的趋势，说明随着直流分量的出现，振动信号中有新的频谱分量出现。但随着直流分量的增加，振动信号频谱分布更多的集中在某个特定频率分量上。

图13 振动测点功率谱熵随直流分量的变化规律

Fig.13 the change laws of power spectrums of different vibration signal test points in DC

在小负载电流下，各测点振动基本呈现随着直流电流增加，奇异谱熵增加的趋势，说明时域范围内振动信号更加复杂。功率谱熵各测点呈现不同的变化规律，起伏更大，这与振动的复杂传递过程有关，多数点体现出向部分频率集中的特点。

5 结论

对变压器空载下和运行在8%∽10%额定电流下不同直流工况时振动信号的分析结果表明：

（1）无直流偏磁时，变压器各个振动测点的信号幅值各异，并关于横轴对称。频谱分量均主要为100Hz分量及其倍频分量，但各个频谱分量与测点位置密切相关。

（2）直流偏磁时，变压器振动信号的幅值随直流分量的增加而增大。频谱分布中开始出现50Hz的倍频分量和100Hz的更高次倍频分量。但是，振动各个频谱分量与测点位置密切相关，各个频谱分量随直流分量的增加呈现多样性增加的特性。

（3）振动信号的奇异谱熵随外加直流分量的增加而增大。但功率谱熵随直流分量的变化分量不甚明显，意味着振动信号频谱分布具有多样化的特征。

（4）负载工况下，变压器的振动信号频谱分量主要为100Hz分量及其倍频，还有少许50Hz分量的倍频分量出现，但与测点位置密切相关。

（5）有直流分量作用时，变压器振动信号时域幅值呈现增加趋势，表现为奇异谱熵的增大。

（6）有直流分量作用时，变压器振动信号的频谱分布更为丰富，且部分频率分量随外加直流的增加而增加，增幅各异。表现为部分测点的功率谱熵随直流分量的增加而增大，部分测点的功率谱熵随直流分量的增加而降低。

6 参考