基于振動法的變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)*

楊文睿, 董鴻魁, 于鳳榮, 張思青, 李　丹, 劉小偉

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，云南 昆明 650217)

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基于振動法的變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)*

楊文睿1, 董鴻魁2, 于鳳榮1, 張思青1, 李丹1, 劉小偉1

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司，云南 昆明 650217)

摘要:鐵心和繞組故障是變壓器故障中比較常見且危害嚴重的故障，目前對其采用的故障診斷方法主要是離線檢測的方法，不夠安全方便。針對此問題，研發(fā)了一種基于振動法原理的變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過振動校驗臺校驗了其精度符合要求，通過對變壓器實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出了變壓器的振動特征頻率，現(xiàn)場連續(xù)多月的監(jiān)測驗證了該系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)補充和完善了傳統(tǒng)變壓器故障診斷方法。

關(guān)鍵詞：變壓器； 振動； 繞組； 鐵心； 監(jiān)測

0引言

在變壓器故障中，鐵心和繞組故障是最為頻繁且嚴重的故障之一[1]。現(xiàn)階段對繞組故障診斷的方法主要有短路阻抗法、頻響分析法、低壓脈沖法等方法，對鐵心故障診斷的方法主要有氣相色譜分析法、測試絕緣電阻法等方法。除氣相色譜分析法外，上述方法均屬于離線檢測法，檢測時需要變壓器退出運行，試驗進行起來不夠經(jīng)濟方便，氣相色譜分析法又存在不能診斷機械結(jié)構(gòu)缺陷的問題。而振動法是一種用傳感器采集油箱表面振動信號，再進一步用相關(guān)系統(tǒng)分析此信號以預(yù)測鐵心繞組故障的方法。振動法監(jiān)測的整個過程不會對電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響，并且還可對鐵心、夾件和其余結(jié)構(gòu)部件的松動情況進行監(jiān)測[2]。因此，本文設(shè)計的基于振動法的變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)是對傳統(tǒng)變壓器故障診斷方法的補充和完善，有很大的研究價值。

1基于振動法的變壓器故障診斷原理

1.1振動原因與傳播途徑

變壓器主要由鐵心、繞組、變壓器油、油箱、絕緣套管、冷卻裝置等構(gòu)成。其中會引起振動的部件有鐵心、繞組和冷卻裝置。鐵心振動主要是由硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致，繞組振動主要由負載電流與漏磁產(chǎn)生的電動力導(dǎo)致[3]，冷卻裝置振動主要由冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運行時產(chǎn)生。鐵心、繞組和冷卻裝置通過絕緣油與固體連接部件將振動傳遞到油箱表面，引起箱體振動。

1.2診斷原理

變壓器油箱表面振動主要由鐵心、繞組和冷卻裝置振動共同構(gòu)成，其中，冷卻裝置產(chǎn)生的振動集中在100 Hz以下[4]，與繞組、鐵心的振動頻率在不同的范圍，因此，可以將其分辨出來，避免干擾。當變壓器空載運行時，負載電流為零，因此，繞組產(chǎn)生的振動可以忽略不計，此時監(jiān)測得到的振動信號主要由鐵心振動產(chǎn)生。鐵心磁致伸縮變化周期為電源周期的1/2，因此,磁致伸縮導(dǎo)致的鐵心振動基頻為電源頻率的2倍，約為100 Hz[5]。由于磁致伸縮的非線性等原因，鐵心振動除基頻振動外還包含高次諧波，其振動信號范圍一般在100～400 Hz，1 000 Hz后基本衰減到0[3]。繞組振動同樣以電源頻率的2倍為基頻，其振動信號大小與負載電流平方呈正比，且其他諧波分量很小。因此，通過測量空載時振動信號即可得到鐵心振動特征信號，負載時測量所得信號為繞組與鐵心振動信號的疊加，從中分離出鐵心振動信號即可得到繞組振動特征信號。得到繞組和鐵心振動特征信號后，通過觀察其變化情況，即可對繞組與鐵心故障情況進行判斷[6]。

2系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖1所示，上位機裝有由LabVIEW編寫的“變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)”，用于對變壓器振動信號的監(jiān)測與分析，其接收參數(shù)分為兩部分。第一部分為振動特征參數(shù)，此部分參數(shù)通過安裝在變壓器油箱表面的12只加速度傳感器采集獲得，采集到的數(shù)據(jù)通過嵌入式實時控制器及與之配套的動態(tài)信號采集模塊對其進行預(yù)處理并上傳到上位機進行分析存儲。第二部分為電力變壓器運行負載狀態(tài)參數(shù)，包括P，I，V等運行參數(shù)及開關(guān)量，此部分參數(shù)從變電站遠動通信柜獲得，通過RS—232串口發(fā)送到計算機進行輔助分析。

圖1　變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖Fig 1　Block diagram of transformer vibration on-linemonitoring system

3硬件設(shè)計

3.1傳感器

本系統(tǒng)選用12只ICP型壓電式加速度傳感器。為準確反映變壓器內(nèi)部振動狀況，選擇將傳感器分別安裝在變壓器繞組首末端對應(yīng)的變壓器油箱外殼處，其簡易安裝位置圖如圖2，圖中黑點即為傳感器安裝位置，高低壓側(cè)各6個點，一共安裝12只傳感器。傳感器電壓靈敏度為300 mV/gn，分辨率為0.001 m/s2，無阻尼固有頻率為25 kHz，安裝諧振頻率為16 kHz，對地絕緣電阻大于108 Ω，滿足變壓器繞組及鐵心振動測試的要求。

圖2　傳感器安裝位置圖Fig 2　Diagram of sensor installation location

3.2實時控制器

實時控制器選用NI cRIO—9023嵌入式實時控制器，主要完成現(xiàn)地數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲及上傳。它具有一個533 MHz Freescale MPC8347工業(yè)實時處理器，用于確定可靠的實時應(yīng)用，同時還具有256 MB DDR2 RAM與2 GB 非易失性存儲介質(zhì)，用于程序存儲與數(shù)據(jù)記錄。該控制器還提供了2個以太網(wǎng)端口，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。此控制器的設(shè)計堅固、可靠且電源能耗低，并可在-40～70 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，滿足現(xiàn)場長期連續(xù)測試需求[7]。

3.3信號采集模塊

信號采集模塊選用NI 9234動態(tài)信號采集模塊，該模塊與傳感器連接，對振動信號進行高精度測量。NI 9234模塊的動態(tài)范圍為102 dB，在信號傳輸過程中能對加速度傳感器進行信號調(diào)理。每個采集模塊包含4個輸入通道，用于連接加速度傳感器接收振動信號。在對信號進行數(shù)字化的過程中，每通道轉(zhuǎn)換速率可以達到51.2 kHz，轉(zhuǎn)換過程還應(yīng)用了內(nèi)置抗混疊濾波器，保證了信號準確性[7]。使用時，需將其插入NI cRIO—9023嵌入式實時控制器卡槽內(nèi)，組合使用。

4軟件設(shè)計

4.1系統(tǒng)功能

本文所述“變壓器振動在線監(jiān)測系統(tǒng)”由LabVIEW軟件編寫，該系統(tǒng)具有實時振動數(shù)據(jù)顯示、實時振動數(shù)據(jù)FFT分析、數(shù)據(jù)存儲、歷史振動數(shù)據(jù)查詢、歷史分頻趨勢查詢等功能。振動信號通過加速度傳感器以10.24 kHz的采樣速率進行連續(xù)采集，并上傳至上位機進行存儲。同時通過離散快速傅里葉變換(fast Fourier transformation,FFT)算法得到振動頻譜后對繞組和鐵心的對應(yīng)特征頻率進行分析，并通過歷史分頻趨勢圖查詢其變化趨勢，為繞組和鐵心故障診斷提供依據(jù)。

4.2振動臺校驗

在此系統(tǒng)應(yīng)用于實際變壓器振動監(jiān)測前，先用振動校驗臺對其進行校驗，校驗臺選用2臺ZA—ZDT02B便攜式振動校驗臺。校驗時對1#振動臺輸入標準正弦信號，振幅1 m/s2，頻率20 Hz；對2#振動臺輸入標準正弦信號，振幅2 m/s2，頻率50 Hz。如圖3所示，圖(a)為1#振動臺即A相高壓側(cè)上側(cè)通道的振動時域圖，圖(b)為該通道經(jīng)過FFT后得到的頻譜圖，從圖中可得知，該信號為正弦信號，幅值為1 m/s2，頻率為20 Hz，與校驗臺輸入?yún)?shù)相符。圖(c)、圖(d)輸出波形同樣與2#振動臺輸入?yún)?shù)一致。后輸入其他頻率、振幅進行校驗，均滿足要求。

圖3　振動臺數(shù)據(jù)FFT分析Fig 3　FFT analysis of vibration platform data

4.3變壓器實測數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)制作完成后，將其安裝于云南下關(guān)某變電站，對三相主變高低壓側(cè)共12個測點進行振動測量，截止目前，系統(tǒng)已連續(xù)運行監(jiān)測5個月。其振動時域圖和經(jīng)FFT分析后的頻域圖如圖4所示。限于篇幅，圖中只給出A相高壓側(cè)上側(cè)和A相高壓側(cè)下側(cè)的振動時域、頻域圖。從圖中看出在100，200，400，600，1 250 Hz處振幅較大，但結(jié)合另外10個測點振動數(shù)據(jù)和近5個月振動數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)其他測點1 250 Hz處振幅較小，因此,可得出該變壓器振動特征頻率為100,200,400,600 Hz。其中,100 Hz頻率主要由鐵心與繞組振動信號疊加產(chǎn)生，200,400,600 Hz主要由鐵心振動信號高次諧波產(chǎn)生。

圖4　變壓器實測振動數(shù)據(jù)分析Fig 4　Analysis of practical test transformer vibration data

4.4歷史數(shù)據(jù)趨勢分析

系統(tǒng)除了能對保存過的歷史數(shù)據(jù)進行時域、頻域的讀取分析外，還能對歷史數(shù)據(jù)進行分頻處理。該功能將最能反映繞組鐵心振動情況的100,200,300,400,500,600 Hz振動信號單獨分離出來，用于觀察一段時間內(nèi)各頻率下的振動趨勢變化情況。圖5為500,600 Hz下，該變壓器一天內(nèi)振動信號的分頻趨勢圖。從圖中分析可知,從早上7:00開始幅值有所升高，然后保持震蕩上升趨勢，17:00～22:00間為峰值，22:00以后開始下降。由于大理地區(qū)工業(yè)用電較少，多是居民用電，所以,該振動分頻趨勢與日用電負荷趨勢大致相同。如果對變壓器進行長期連續(xù)測量，則可對幾個月甚至幾年的振動數(shù)據(jù)進行分頻趨勢分析，以達到更準確分析變壓器繞組和鐵心運行狀況的目的。

圖5　歷史數(shù)據(jù)分頻趨勢圖Fig 5　Frequency dividing tendency chart of historical data

5結(jié)論

1)該系統(tǒng)實現(xiàn)了對變壓器振動信號的采集、傳輸、分析及存儲，并具有界面操作簡單，分析功能齊全，程序維護容易，可在惡劣環(huán)境下可長期安全穩(wěn)定運行等優(yōu)點。

2)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到該變壓器的振動特征頻率為100，200，400，600 Hz。其中，100 Hz頻率主要由鐵心與繞組振動信號疊加產(chǎn)生，200，400，600 Hz主要由鐵心振動信號高次諧波產(chǎn)生。

3)通過對一整天的變壓器振動信號進行分頻處理分析，得出其振動趨勢與該地區(qū)日用電負荷大致相同的結(jié)論，證明了該系統(tǒng)具備分頻趨勢分析的能力。同時，對變壓器為期5個月的連續(xù)振動監(jiān)測，證明了該系統(tǒng)其穩(wěn)定可靠性。

參考文獻:

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楊文睿(1991-)，男，云南大理人，碩士研究生，研究方向為變壓器振動監(jiān)測。

于鳳榮，通訊作者，E—mail:yufengrong@kmust.edu.cn。

On-line monitoring system for transformer vibration based on vibration method*

YANG Wen-rui1, DONG Hong-kui2, YU Feng-rong1, ZHANG Si-qing1, LI Dan1, LIU Xiao-wei1

(1.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China; 2.Yunnan Electric Test & Research Institute Group Co Ltd, Kunming 650217,China)

Abstract:The iron core and winding fault is a common and serious fault,and the fault diagnosis method is mainly based on method of off-line detection,it’s lack of safety and convenience.Aiming at this problem,an online monitoring system for transformer vibration is developed based on principle of vibration method,and by vibration verification platform,verify that its precision which meets the demands,and vibration characteristic frequency of transformer is derived by analyzing actual monitoring data and long time monitoring verifies stability of the system.This system complements and improves traditional fault diagnosis method of transformer.

Key words:transformer； vibration； winding； iron core； monitor

作者簡介:

中圖分類號：TM 411

文獻標識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)01—0088—03

*基金項目：國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金資助項目(51369012，51469011)

收稿日期：2015—11—24

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0088—03