基于振動信號的變壓器在線監測裝置

魏剛　丁偉健

【摘 要】現階段對變壓器故障診斷的方法均屬于離線檢測法，檢測時需變壓器退出運行，不夠經濟方便。而振動法是一種用傳感器采集油箱表面振動信號，再進一步用相關系統分析此信號以預測鐵芯繞組故障的方法。本裝置是一種基于振動法的變壓器在線監測裝置，包括加速度傳感器、信號調理模塊、CPU和采集模塊、通信模塊和電源五個部分。

【關鍵詞】變壓器故障；振動信號；在線監測

【Abstract】At present， the methods of transformer fault diagnosis belong to off-line detection method， and it is not economical and convenient for the transformer to withdraw from operation. The vibration method is a sensor with the tank surface vibration signal acquisition， and then further analysis of the signal with the relevant system to predict the core winding fault method. The device is an on-line transformer monitoring device based on the vibration method. The device comprises an acceleration sensor， a signal conditioning module， a CPU and an acquisition module， a communication module and a power supply.

【Key words】Transformer fault； Vibration signal； On-line monitoring

0 引言

在電力變壓器的各種故障中，絕大多數變壓器故障來源于變壓器的繞組和鐵芯發生的變形或松動。因此研究開發基于振動法的變壓器在線監測裝置能有效地了解設備的運行狀況，及時發現設備的潛伏性故障，避免突發事故的發生。

1 監測原理

在變壓器運行中，壓緊力的變化、溫度的升高、絕緣層的損傷都能通過鐵芯振動加速度值的變化反映出來。

2 裝置介紹

2.1 裝置結構

本裝置主要由加速度傳感器、信號調理模塊、CPU和AD模數轉換器、通信模塊和電源五個部分組成。硬件結構圖如圖1所示：

2.2 裝置各模塊

2.2.1 MEMS加速度傳感器

本裝置采用了MS9002D加速度芯片，該芯片的主要技術指標為：靈敏度1000mV/g，帶寬≥100Hz，量程±2g，噪聲密度18μv，工作電壓5V，工作電流0.4mA，輸出阻抗50kΩ，提供模擬電壓信號輸出。

2.2.2 信號調理模塊

信號調理電路包括兩級放大和有源濾波電路。第一級放大采用了高共模抑制比、高輸入阻抗、高精度、高速、低漂移、極低噪聲的運算放大器，可實現阻抗變換。第二級放大電路將前置放大器單端輸出信號轉換為AD要求的雙端差分輸入信號，且采用程控放大，由采集系統控制放大倍數，防止振動信號飽和輸入。

2.2.3 AD模數轉換器

本裝置選用轉換芯片ADS1274，在采樣率20kHz時能達到19位分辨率，其滿量程輸入電壓為VREF=+/-2.5V，對應的轉換數字范圍：0x7FFFFF至0x800000；量化電平：2.5V/8388608=0.298uV，滿足微弱振動信號探測的要求。

2.2.4 CPU模塊

本裝置控制器采用ARM芯片STM32F107，包括10個定時器、兩個12位AD模數轉換器、兩個12位DA數模轉換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口和高質量數字音頻接口IIS，并且擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網10/100 MAC模塊。

2.2.5 通信模塊

本裝置的通信模塊可采用2.4G的無線通信技術，進行數據的傳輸；也可采用CAN總線進行數據傳輸，還可以通過RS485總線將數據上傳到監控主機。2.4G無線通信采用WIFI芯片選擇Marvell 88W8686芯片，采用SDIO接口和其控制芯片STM32103芯片接口，通過STM32F103和主CPU芯片STM32F107交換數據。如果利用CAN總線和RS485總線則利用主CPU芯片STM32F107自帶的CAN2.0接口和USART接口，在外部擴展相應的物理層芯片，實現CAN總線通信或RS485通信。

2.2.6 電源

電源可采用內置的鋰電池供電，也可通過外接的電源給整個裝置提供電能。內設電源轉換電路將電源提供的12V轉換為5V、3.3V和1.8V，給相應的器件供電。圖2是主CPU和電源轉換板以及采集電路板。

2.3 裝置的工作流程

將多個MEMS加速度傳感器均勻分布在油箱壁平板結構的對稱結構位置，避開變壓器的頂部、底部、支撐結構、油箱接縫處等易造成測量結果不準確的位置。

圖3加速度傳感器在變壓器上的安裝示意圖，黑點為傳感器安裝位置。

傳感器拾取到變壓器的振動信號后，將拾取到的信號送往信號調理模塊進行進一步的信號處理。AD模數轉換器在CPU的控制下實現對經信號調理模塊處理過的變壓器振動信號采集，轉換為數字信號送給CPU。采集到的振動信號將通過通信模塊將數據上傳到監控主機。

3 實驗數據

由于實驗條件有限，未能在電力變壓器上測試本裝置的有效性，考慮到本裝置的目的是檢測變壓器的振動信號，采用了輕微的敲擊來代替模擬信號。將MEMS加速度傳感器緊貼在桌面上，用手敲擊桌面，加速度傳感器拾取到振動信號后，送往監測裝置采集，轉換為數字信號后，通過通信模塊傳送至監控主機。采集的時候采用的是5K的采樣頻率，每周期采集512點。

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[責任編輯：朱麗娜]