便携式配变“听诊器”的研制与应用

便携式配变“听诊器”的研制与应用

谢运华,黄晓华,罗曼瑜,张浩宁

广东电网有限责任公司广州供电局

摘要：配电变压器在电网中有重要的作用，其健康、稳定的运行关系到电压转换、电能分配的顺进行，故障诊断为变压器的正常运转保驾护航。通过对变压器常见故障的分析，常采用听音的方式，本文设计出一种新的国内外配电变压器故障诊断的设备-便携式配变“听诊器”，通过对比研究不同听音的方式的准确率来证明便携式配变“听诊器”对配电变压器故障分析的准确率高、便捷性好、专业性强等特点。

关键词：配电变压器 便携式配变“听诊器” 配电变压器故障分析

在电力系统运行过程中，变压器为必备设备设施，主要作用：控制电流、电压和阻抗变换等，运行稳定性会直接影响电气设备安全，在多个环节中发挥着重要的作用。其中配电变压器（简称为“配变”）是电力系统中静止的电气设备，是电力传输过程中的重要环节，其工作原理是利用电磁感应定律转换电压、电流并将其电流传输，将某数值的交流电压（电流）变成频率相同的一种或几种数值不同的电压（电流）的设备[1–3]。配电变压器与人们的生产生活息息相关。配电变压器一旦出现故障，对人类的生产生活带来巨大的不便和损失，故对配电变压器故障的检测十分重要。其中根据变压器发生故障时所发出的声音可以判断故障的位置和问题，因此对变压器故障声音的分析可以快速解决问题。

1变压器的常见故障类型及其声音分析

上个世纪，声学分析应用于发动机、内燃机等机械设备故障诊断并取得了良好的效果，因此将声学分析应用于配电变压器上，马宏彬等人研究变压器听声诊断技术，提出了基于声测法和区间能量提取的变压器故障诊断方法，并进行了试验验证，为可听声诊断技术的应用奠定了基础[4–6]。变压器可听声信号为变压器振动噪声频率为 20 Hz～20 kHz 的声波信号，变压器可听声信号主要来自绕组、铁心、油箱(包括磁屏蔽等)、冷却风扇的振动以及冷却装置的振动（可听声信号小可忽略不计）。其中重点分析铁心及绕组振动的发声[7]；配电变压器在正常运转时的工作原理：当交流电流通过配电变压器绕组，在铁心里产生周期性的交变磁通，引起硅钢片的磁致伸缩，铁心的接缝与叠层之间的磁力作用以及绕组的导线之间的电磁力作用引起振动，发出一种具有固有频率且有规律的声音，当配电变压器发生故障时，有些故障会在运转声音上。通过对变压器声音的强弱、节奏的高低、音色的变化、音量的大小以及是否有杂音判断出配电变压器是否运转正常是否出现了故障，并进一步对故障的原进行分析。

配电变压器的故障问题分为外界和自身原因两种，外界原因主要包括输配电短路、长期过负荷运行、外界过电压、天气原因等等。自身原因为工艺设计不当、其附件质量不合格、其材料不恰当等原因[8–12]。

1.1缺相时的声音

当变压器发生缺相时，若第二相不通，送上第二相无声，送上第三项时才有响声；若第三相不通，送上第二相无声，送上第三项响声不发生变化，和二相时一样。发生缺相的原因大致有三方面：A电源缺一相电。B变压器高压保险丝熔断一相。C变压器由于运输不慎，加上高压引线较细，造成振动，一相断线（但未接壳）。

1.2调压分接开关不到位或接触不良

当变压器投入运行时，若分接开关不到位，将发生较大的“啾啾”响声，严重时造成高压熔丝熔断；如果分接开关接触不良，就会产生轻微的“吱吱”火花放电声，一旦负荷加大，就有可能烧坏分接开关的触头。遇到这种情况，要及时停电修理。

1.3 掉入异物和穿心螺杆松动

电压表、电流表和温度计等指示均属正常，当变压器夹紧铁芯的穿心螺杆松动，铁芯上遗留有螺帽零件或变压器中掉入小金属物件时，变压器将发出“叮叮当当”的敲击声或“呼……呼”的吹风声以及“吱啦吱啦”的像磁铁吸动小垫片的响声，而变压器的电压、电流和温度却正常。这类情况一般不影响变压器的正常运行，可等到停电时进行处理。

1.4变压器高压套管脏污或裂损

当变压器的高压套管脏污，表面釉质脱落或裂损时，会发生表面闪络，听到“嘶嘶”或“赫赫”的响声，晚上可以看到火花。

1.5变压器的铁芯接地断线

此时，变压器将产生“哔剥哔剥”的轻微放电声。

1.6内部放电

送电时若听到“噼啪噼啪”的清脆击铁声，是导电引线通过空气对变压器外壳的放电声；如果听到通过液体沉闷的“噼啪”声，则是导体通过变压器油面对外壳的放电声。如属绝缘距离不够，则应停电吊芯检查，加强绝缘或增设绝缘隔板。

1.7外部线路断线或短路

当线路在导线的连接处发生断线，在刮风时时接时断，接触时发生弧光或火花，这时变压器会发出像青蛙的“唧哇唧哇”的叫声；当低压线路发生接地或出现短路事故时，变压器会发出“轰轰”的声音；如果短路点较近，变压器将发出像老虎的吼叫声。

1.8变压器过负荷

当变压器过负荷严重时，电压升高时配电压器的铁心磁通密度也增大，再测量负荷或触摸配电变压器外壳温度来判断变压器过负荷会发出低沉的如重载飞机的“嗡嗡”声。

1.9 电压过高

当电源电压过高时，会使变压器过励磁，响声增大且尖锐。

1.10绕组发生短路

当变压器绕组发生层间或匝间短路而烧坏时，短路电流突然激增会使变压器会发出“咕嘟咕嘟”的开水。

2 配变“听诊器”的设计

当运行人员在日常巡视中，需要通过绝缘杆接触变压器器身，监听变压器内部运行声音，以此初步判断变压器运行是否异常以及存在何种异常。声音信号特征提取是开展故障诊断基本环节，近年来，随着不断创新，变压器声音信号的特征提取方法增多，传统使用拉闸杆听音，拉闸杆为非专业听音工具，收音效果差，受外界噪音影响大[8]。

为解决以上问题，更准确的监测配变内部运行声音，减少声音传导过程中的音衰，减少外界噪声干扰，本项目研发一种具有声音播效果好，音衰小，抗外界干扰强且满足10kV电气设备电压绝缘等级，携带和存储方便，长度根据需要可调整的绝缘听音杆-配变“听诊器”。

具有声音传播效果好，音衰小，抗外界干扰强且满足10kV电气设备电压绝

缘等级，携带和存储方便，长度根据需要可调整的绝缘听音杆-配变“听诊器”其中听音杆技术要求：（1）是一种用于判断配变运行声音的辅助工具，是一种绝缘听音杆，包括听筒(具有声音放大功能)，杆身（空心杆），听针（针形，用于接触设备），听筒、杆身、听针外罩高压绝缘材料。（2）杆身分成若干段，用螺纹螺母连接，可组装成需要的长度，每段400-500mm（根据需求订制）。

配变“听诊器”的构造图如图1、2所示，听音杆主要材料及参数（听筒，杆身，听针外罩绝缘硅胶套）如图3所示：

图1 伸缩式听音杆整体示意图       图 2 听筒构造图示意图

图 3 听音杆主要材料及参数（听筒，杆身，听针外罩绝缘硅胶套）

3 配变“听诊器”与拉闸杆听音对比

当配电变压器设备的异常运行状态达到一定临界值时，会导致配电变压器设备故障，影响电力系统的稳定运行。及时分析区域配变设备的运行状态并对配变

设备异常状态进行预警能够帮助相关运维人员了解配变设备的运行情况，确认当前配变设备运行的安全性与稳定性，及时对异常配变设备进行维护与检修，保障配变设备运行的稳定性与可靠性[13,14]。

通过对几个变压器采用配变“听诊器”与传统拉闸杆听音对比发现对故障声音分贝测试对比如图4所示

通过对几个变压器采用配变“听诊器”与传统拉闸杆听音对比发现对故障的检修准确率对比如图4所示

结论

在当前电力系统中，配电变压器设备是电力系统稳定运行的核心设备。它具有运行环境复杂、发热量大、类型多的特点，容易出现异常运行。通过声音分析变压器的状态能及时地帮助维护人员对变压器的检修，从而使变压器能正常运行，通过开发上述配变“听诊器”，可以使维护人员能更专业的检修配电变压器，并通过对配变“听诊器”听音效果的检测，并基于配变“听诊器”与拉闸杆听音均能够对变压器的故障进行有效的诊断，所得的结论也能够和现场分析的结果相一致，配变“听诊器”方法具有便捷性、专业性、准确性高。

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