作為實(shí)現(xiàn)電能傳輸和分配的主要設(shè)備，電力變壓器對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用，一旦發(fā)生故障損壞，波及范圍極廣。在電磁力或機(jī)械力作用下，變壓器繞組和鐵心的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的改變，包括繞組松動(dòng)、翹曲、鼓包及錯(cuò)位、鐵心松動(dòng)、片間磨損等，是變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，且這些改變無法通過油中溶解氣體、局部放電等常規(guī)的絕緣試驗(yàn)反映出來。

隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，可供選擇的檢測(cè)技術(shù)不斷被提出，其中，基于振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)改變有很高的靈敏性，如結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型以及運(yùn)行變形振型（Operating Deflection Shapes,ODS）等參數(shù)或?qū)傩詴?huì)隨機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生明顯變化。

20世紀(jì)90年代中后期，研究人員提出了基于變壓器振動(dòng)信號(hào)的變壓器鐵心及繞組機(jī)械狀態(tài)評(píng)估和故障檢測(cè)技術(shù)，隨后國(guó)內(nèi)外展開了大量的研究工作，主要集中在振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的開發(fā)、振動(dòng)產(chǎn)生和傳遞的仿真以及振動(dòng)信號(hào)的處理技術(shù)。

目前繞組振動(dòng)傳遞機(jī)理及固液耦合作用下油箱表面振動(dòng)響應(yīng)的研究還不夠深入，變壓器振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量、位置的選擇仍缺乏理論依據(jù)，大多是按照繞組上下端部相對(duì)應(yīng)的油箱表面作為振動(dòng)拾取的位置，高低壓三相套管兩側(cè)共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，油箱表面的振動(dòng)信號(hào)受油箱結(jié)構(gòu)的影響，使得各單一測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)情況復(fù)雜且難以估計(jì)，信號(hào)分離的效果不理想。

另外，振動(dòng)信號(hào)會(huì)隨著變壓器電壓、電流、溫度、直流偏磁等工況改變而改變，為基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器狀態(tài)檢測(cè)方法研究帶來了困難。實(shí)際上，振動(dòng)在油和薄板中的傳播以振動(dòng)波的形式相互作用，而在目前常規(guī)的測(cè)點(diǎn)布置中，測(cè)點(diǎn)間距離較大，獲得的是單一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)特性，并未考慮測(cè)點(diǎn)間振動(dòng)特性的內(nèi)在聯(lián)系，導(dǎo)致拾取到的多點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)信息各自孤立，利用并不充分。

為了充分利用各點(diǎn)的振動(dòng)信息，研究人員提出了ODS的概念。模態(tài)振型屬于結(jié)構(gòu)固有屬性，只與結(jié)構(gòu)本身物理特性（質(zhì)量、剛度、阻尼等）有關(guān)，與外部激勵(lì)無關(guān)，而對(duì)于電力變壓器等在工作狀態(tài)下的大型設(shè)備，無法獲得其模態(tài)振型。與常規(guī)的模態(tài)振型不同，ODS是在工作狀態(tài)下某一特定頻率下的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，或?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上多個(gè)點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況，與結(jié)構(gòu)本身物理特性、邊界條件及激勵(lì)有關(guān)。

ODS可以直觀地顯示工作狀態(tài)下變壓器油箱的振動(dòng)變形情況，由此分析得出振動(dòng)最大位置、邊界固定情況、整體變形等。研究人員通常利用設(shè)備正常和異常狀態(tài)下ODS的變化進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)評(píng)估和故障診斷，ODS技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

本文針對(duì)餅式繞組結(jié)構(gòu)的單相油浸式電力變壓器，搭建了變壓器ODS測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了合適的測(cè)量方法，并分別進(jìn)行變壓器空載和負(fù)載試驗(yàn)，深入研究了變壓器運(yùn)行電壓、負(fù)載電流等因素對(duì)其油箱表面ODS特性的影響。利用振型相關(guān)系數(shù)對(duì)繞組松動(dòng)故障進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)油箱表面ODS發(fā)生明顯變化。本文研究結(jié)果對(duì)基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器機(jī)械狀態(tài)識(shí)別、故障診斷具有重要的參考意義。

圖2 變壓器ODS測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 變壓器油箱測(cè)點(diǎn)分布

圖13 繞組松動(dòng)調(diào)節(jié)方式

結(jié)論

本文研究了單相變壓器在有、無負(fù)載試驗(yàn)下的運(yùn)行變形振型特性，在此基礎(chǔ)上模擬繞組松動(dòng)故障，分析了故障時(shí)SCC值的變化情況。主要得到如下結(jié)論：

1）穩(wěn)定工作狀態(tài)下，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度是多頻率復(fù)合的周期穩(wěn)態(tài)信號(hào)，振動(dòng)頻率主要集中在100~500 Hz。不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度為準(zhǔn)同步信號(hào)，且具有相同或相反的相位，使得表面振動(dòng)分布呈現(xiàn)波動(dòng)形式，存在波節(jié)點(diǎn)，不同頻率振動(dòng)的最大振幅的位置有所不同，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)應(yīng)避開節(jié)點(diǎn)，選擇振動(dòng)幅值較大的區(qū)域。

2）變壓器電壓、電流的變化只影響變壓器油箱表面振動(dòng)加速度幅值，對(duì)其油箱ODS的SCC值無影響，不影響整體形態(tài)，即各點(diǎn)振動(dòng)相位不變，振動(dòng)幅值比值不變，避免了單點(diǎn)測(cè)量時(shí)電壓、電流變化對(duì)振動(dòng)的影響而產(chǎn)生狀態(tài)誤判，同時(shí)避免了單點(diǎn)測(cè)量位置難以選擇的問題。

3）在繞組松動(dòng)故障條件下，設(shè)備油箱ODS的SCC值變化明顯，利用該特征值對(duì)鐵心線圈類設(shè)備（如各類變壓器、油浸式電抗器、電壓互感器等電力設(shè)備）的機(jī)械故障進(jìn)行診斷具有很好的應(yīng)用前景。

本文對(duì)于測(cè)點(diǎn)的布置仍不夠密集，未對(duì)更高頻率的ODS特性進(jìn)行研究。本文中故障形式較為單一，后期還需進(jìn)行更多的定量研究，從而建立判據(jù)依據(jù)，并將該方法應(yīng)用于變壓器的故障診斷中。另外，比較ODS相似程度的特征量有待進(jìn)一步挖掘，可借鑒圖像處理的算法進(jìn)行判斷。