刍议油浸式电力变压器绕组与铁芯振动特性

电力变压器在电力系统中占据着非常重要的位置，主要负责电压的调节，其工作状态和电力系统稳定性以及安全性有着密不可分的联系。油浸式变压器的散热介质为变压器油，故其优势比较多，目前在电力系统中已经得到广泛应用，绕组、铁芯的振动经变压器自身和油传递至油箱，促使油箱振动，而油箱表面振动和变压器绕组和铁芯压紧情况、变形状态、位移情况存在着密切的关系，故可经油箱表面振动的在线测量监测绕组情况、铁芯情况[1]。本文就油浸式电力变压器绕组与铁芯振动特性进行阐述。

1、油浸式变压器铁芯振动分析

油浸式电力变压器的铁芯硅钢片参数值如下，即弹性模量为2.1E+11Pa，泊松比为 0.3，密度为 765kg/m² ，因铁芯为硅钢片堆叠构成，该结构有安装间隙，同时硅钢片表面为涂油绝缘材料，上述因素在不同程度上容易对铁芯实际密度产生一定的影响，为保证数据的准确性，修正铁芯密度，修正系数为0.97，最终密度是 7420.5kg/m²Ω 。因铁芯结构是 0.27mm- 20.35mm 厚度的电工磁性钢带叠构组成，随着叠片的变化其参数值也会发生相应的变化，故在计算铁芯固有频率时，可等效处理铁芯尺寸[2]。安装铁芯时经夹件和底部支撑，通过底部支撑保证和铁芯之间的接触，因此施加边界条件时，可全自由度约束铁芯底面。重点分析铁芯装配形式，并对相应的结构特征进行确定，不难发现铁芯振动的形式是纵向垂直振动，振动能量分布的情况是低频振动，且频率越高，则能量越低。

因铁芯振动主要是纵向垂直振动，分析其谐相应时，可以单纯地施加轴向简谐激励，铁芯经夹紧件、紧固后对螺杆形成相应的约束。一旦发生铁芯夹紧力较小的问题，就会产生松动的现象，无形中增加振动故障发生率。如果发现夹紧力处于过大的状态，那么就会在过渡挤压铁芯这种情况的影响下发生翘曲变形的现象，无法保证铁芯功能达标[3]。基于此，实际落实预紧力选择工作时就要保证在相应预紧力的作用下，提高铁芯运行稳定性与安全性。就出厂的油浸式变压器而言，铁芯预紧力已明确，因此在其运行过程中如果出现铁芯夹紧件松动，且铁芯振动加剧，在这种情况下固有频率的数值则会发生变化。除此之外，有研究报道指出，将振动频率落在 100Hz 位置上这种情况，作为铁芯轴线松动或多点接地情况的判断依据。如果具体落在 100Hz 、650Hz—740Hz 等多个位置上，低频位置有多次谐波，以及高频位置的数值波动处于剧烈的状态，那么能够确定 ΔX 向已经出现故障机理 [4]。

2、油浸式变压器绕组振动分析

在油浸式变压器中绕组作为重要的一个构件，其结构比较复杂，相关调查数据显示，在变压器总故障中绕组故障所占比重可达 60% 及以上，同时因轴向预紧力不足造成的绕组线饼振动变形故障也随之增多。在这种情况下分析绕组结构振动特性也变得特别重要，其不仅能够为后续做好绕组设计、动态监测运行情况等工作提供重要保障，也能达到显著提高绕组故障诊断结果精准可靠性的目的 [5]。这种情况下，如果想要进一步增强绕组稳定性，就要避免发生预紧力不足的现象，进而防止发生线饼和垫块二者之间隙持续增大的问题。导致其变形或位移，从而使绕组整体特性受影响。故选择合适预紧力也成为确保绕组有效且长时间工作的关键。绕组主要包含三个部分，即上下钢体挡板、绕组线饼以及绝缘垫块，其中绕组线饼的弹性模量为 1.28×105MPa ，密度为 8.9×103kg/m² ；上下挡板的弹性模量为 2.06×105MPa ，密度为 7.9×103kg/m² ；绝缘垫板密度为 1.8×103kg/ m² ；三个构成部分的泊松比均是 0.3。绕组在安装期间存在预紧力，绝缘垫块作为一种弹性体，预紧力的不同则其变形也会相应的不同，其静刚度是非线性的。研究发现，绕组轴向预紧力这项因素直接影响绝缘垫片的弹性模量，具体表现为二者之间存在正相关的关系，并且绕组各阶振动的固有频率也会发生随之增加的现象，呈现出一种单调递增的趋势。在此期间与低阶固有频率进行对比，还会发现预紧力变化之后绕组高阶固有频率受到相应的影响，同样处于发生较大变化的状态。在高预紧力这种情况的影响下，各阶固有频率与低预紧力相比，存在分布范围更加广泛的特征。

因本次研究条件有限，关于电流、电磁对绕组耦合影响本文并未进行深入研究，特别是涡流所致损耗以及温升问题，仅仅只是从结构力学实施了分析，同时未分析变压器的附加设备，如器身绝缘以及油枕等。

3、结束语

综上，电力变压器作为电力系统中的重要构成部分，如果电网波动比较大时，需考虑其对铁芯振动、绕组的影响，有效判断故障类型，以此确保电力变压器运行的安全性、有效性以及可靠性。

参考文献

[1] 张志宇 , 寇家俊 , 张重远 , 等 . 基于本征正交分解和克里金代理模型的油浸式变压器绕组温度场快速计算方法 [J]. 电工技术学报 ,2025,40(7):2215-2225.

[2] 刘刚 , 胡万君 , 郝世缘 , 等 . 面向数字孪生模型应用的油浸式变压器绕组温度 POD-RBFLP 降阶计算方法 [J]. 中国电机工程学报 ,2024,44(11):4566-4578, 中插 34.

[3] 胡万君 , 刘刚 , 朱章宸 , 等 . 油浸式电力变压器绕组稳态温升降阶计算方法研究 [J]. 中国电机工程学报 ,2023,43(16):6505-6516.

[4] 刘刚, 胡万君, 刘云鹏, 等. 降阶技术与监测点数据融合驱动的油浸式变压器绕组瞬态温升快速计算方法 [J]. 电工技术学报 ,2024,39(19):6162-6174.

[5] 张琛 , 董旭柱 , 阮江军 , 等 . 面向典型负荷曲线的油浸式电力变压器动态载荷能力评估方法 [J]. 电网技术 ,2024,48(8):3515-3524.