通过研究油箱表面运行变形振型，来诊断变压器故障的新思路
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电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员师愉航、汲胜昌、张凡、陆伟锋、占草，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“变压器油箱表面运行变形振型特性研究”）指出，变压器油箱表面振动信号与其内部绕组及铁心的机械状况密切相关，对其进行测量及特性分析是诊断变压器机械故障的重要手段之一。传统的单点测量方式受油箱固有模态特性的影响，使得拾取的信号因测点位置不同而产生很大的差异，且随正常工况波动而变化，限制了该方法的进一步现场应用。
该文首先提出变压器油箱表面运行变形振型（ODS）的测量方法；然后在空载及负载试验条件下，分别研究了不同电压和电流时变压器油箱表面的ODS特性，提出了利用振型相关系数（SCC）判断ODS变化程度的方法；最后研究了绕组压紧程度松动时变压器油箱的ODS特性。
结果表明：不同测点加速度为多频率复合的周期稳态准同步信号，因各点信号相位相同或相反使得整个表面振动分布呈现波动形式，且不同频率最大振幅出现的位置也有所不同。加载电压及负载电流的变化会直接影响油箱表面振动加速度幅值，但并不影响整体形态，SCC接近于1，即各点间振动幅值比值不变，振动相位不变。与正常情况下相比，绕组松动时SCC远小于1，说明ODS发生了明显变化。该研究工作为基于振动信号的变压器绕组及铁心机械状态评估和故障诊断提供了一条新思路。
作为实现电能传输和分配的主要设备，电力变压器对系统的稳定运行起到决定性作用，一旦发生故障损坏，波及范围极广。在电磁力或机械力作用下，变压器绕组和铁心的机械结构发生不可恢复的改变，包括绕组松动、翘曲、鼓包及错位、铁心松动、片间磨损等，是变压器安全稳定运行的隐患，且这些改变无法通过油中溶解气体、局部放电等常规的绝缘试验反映出来。
随着检测技术的不断发展，可供选择的检测技术不断被提出，其中，基于振动信号的检测技术对于机械结构改变有很高的灵敏性，如结构的固有频率、阻尼比、模态振型以及运行变形振型（Operating Deflection Shapes,ODS）等参数或属性会随机械结构的改变而发生明显变化。
20世纪90年代中后期，研究人员提出了基于变压器振动信号的变压器铁心及绕组机械状态评估和故障检测技术，随后国内外展开了大量的研究工作，主要集中在振动信号采集系统的开发、振动产生和传递的仿真以及振动信号的处理技术。
目前绕组振动传递机理及固液耦合作用下油箱表面振动响应的研究还不够深入，变压器振动测点的数量、位置的选择仍缺乏理论依据，大多是按照绕组上下端部相对应的油箱表面作为振动拾取的位置，高低压三相套管两侧共布置12个测点。由于变压器内部结构复杂，油箱表面的振动信号受油箱结构的影响，使得各单一测点的振动情况复杂且难以估计，信号分离的效果不理想。
另外，振动信号会随着变压器电压、电流、温度、直流偏磁等工况改变而改变，为基于振动信号的变压器状态检测方法研究带来了困难。实际上，振动在油和薄板中的传播以振动波的形式相互作用，而在目前常规的测点布置中，测点间距离较大，获得的是单一测点振动特性，并未考虑测点间振动特性的内在联系，导致拾取到的多点振动信号信息各自孤立，利用并不充分。
为了充分利用各点的振动信息，研究人员提出了ODS的概念。模态振型属于结构固有属性，只与结构本身物理特性（质量、刚度、阻尼等）有关，与外部激励无关，而对于电力变压器等在工作状态下的大型设备，无法获得其模态振型。与常规的模态振型不同，ODS是在工作状态下某一特定频率下的运动形态，或为结构上多个点之间的相对运动状况，与结构本身物理特性、边界条件及激励有关。
ODS可以直观地显示工作状态下变压器油箱的振动变形情况，由此分析得出振动最大位置、边界固定情况、整体变形等。研究人员通常利用设备正常和异常状态下ODS的变化进行机械状态评估和故障诊断，ODS技术有着广泛的应用前景。
本文针对饼式绕组结构的单相油浸式电力变压器，搭建了变压器ODS测量试验系统，提出了合适的测量方法，并分别进行变压器空载和负载试验，深入研究了变压器运行电压、负载电流等因素对其油箱表面ODS特性的影响。利用振型相关系数对绕组松动故障进行判断，发现油箱表面ODS发生明显变化。本文研究结果对基于振动信号的变压器机械状态识别、故障诊断具有重要的参考意义。
图2 变压器ODS测量试验系统
图3 变压器油箱测点分布
图13 绕组松动调节方式
本文研究了单相变压器在有、无负载试验下的运行变形振型特性，在此基础上模拟绕组松动故障，分析了故障时SCC值的变化情况。主要得到如下结论：
1）稳定工作状态下，每个测点的加速度是多频率复合的周期稳态信号，振动频率主要集中在100~500 Hz。不同测点的振动加速度为准同步信号，且具有相同或相反的相位，使得表面振动分布呈现波动形式，存在波节点，不同频率振动的最大振幅的位置有所不同，单点测量时应避开节点，选择振动幅值较大的区域。
2）变压器电压、电流的变化只影响变压器油箱表面振动加速度幅值，对其油箱ODS的SCC值无影响，不影响整体形态，即各点振动相位不变，振动幅值比值不变，避免了单点测量时电压、电流变化对振动的影响而产生状态误判，同时避免了单点测量位置难以选择的问题。
3）在绕组松动故障条件下，设备油箱ODS的SCC值变化明显，利用该特征值对铁心线圈类设备（如各类变压器、油浸式电抗器、电压互感器等电力设备）的机械故障进行诊断具有很好的应用前景。
本文对于测点的布置仍不够密集，未对更高频率的ODS特性进行研究。本文中故障形式较为单一，后期还需进行更多的定量研究，从而建立判据依据，并将该方法应用于变压器的故障诊断中。另外，比较ODS相似程度的特征量有待进一步挖掘，可借鉴图像处理的算法进行判断。