多傳感信息融合技術的變壓器振動噪聲分析、故障診斷的研究與應用

譚展 武煒

摘 要：變壓器是發電廠和變電所的主要設備之一。變壓器的作用是多方面的不僅能升高電壓把電能送到用電地區，還能把電壓降低為各級使用電壓，以滿足用電的需要。傳統方法僅僅能夠提供變壓器故障和事故后的滯后信息。變壓器在線監測的主要特點是通過連續監測變壓器一段時間內參數的變化趨勢來判斷變壓器運行狀況。在線監測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監測的時效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網安全、可靠運行起到至關重要的作用。既提高了變電站運行的管理水平，又可為狀態檢修體系奠定基礎。

關鍵詞：變壓器 ；噪聲振動； 在線監測 ；加速傳感器 ；數據庫管理

一、研究背景

隨著電力系統電網建設的不斷擴大與發展，對電力系統的安全性和可靠性提出了更嚴格的要求。而作為電力系統中核心設備的變壓器的安全運行顯得尤為重要，一旦發生故障，將嚴重影響人們的正常生活水平和國家經濟建設。

傳統的監測變壓器狀態信息的方法是外觀檢查、理化、高壓電氣試驗和繼電保護。目前國內外在檢測變壓器性能時候，基本采用的都是傳統的檢測方法，傳統檢測變壓器狀態信息的方法是紅外測溫、鐵心接地電流、油色譜分析等。可以發現變壓器套管接頭是否發熱、鐵心（夾件）是否存在多點接地故障、發現變壓器油是否正常等3種缺陷。這些傳統方法僅僅能夠提供變壓器故障現象和事故后的滯后信息，即在事故過后才能獲得狀態信息，但是無法發現變壓器振動噪聲缺陷。這與現代化狀態維護發展趨勢不相適應，不能滿足對變壓器進行實時狀態監測的需要。

二、研究原理

變壓器產生振動的原理：變壓器振動產生的原因主要來源于結構振動和硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵芯周期性振動。在運行的過程中，鐵心部分受到外部磁圈電流的干擾會產生一定的磁化現象，此種磁化現象是不可避免的。而振動的頻率和振幅的變化都可能引起電抗器的潛在故障發生或故障，變壓器繞組之間進行能量交換，也會產生磁場變換而引起變壓器振動，因而監測電抗器振動情況隨時了解供電網絡的變化和電抗器的工作狀態是必需的。

因此，通過項目的執行，形成 完整的變壓器振動噪聲分析方法、變壓器負載變化對變壓器振動的影響分析方法等一套完整的影響變壓器安全運行因素的分析理論體系和實時在線檢測分析設備等為一體的系列成果。

三、具體方案

深入分析變壓器振動產生的原因：從變壓器的組成鐵芯、繞組、散熱、負載、結構等個方面開展對變壓器的振動進行理論分析，明晰變壓器振動產生的機理，形成變壓器在線監測分析基本法則，通過變壓器振動形成的機理，選擇驗證采集信號的傳感器的可行性、合理性和可靠性。

變壓器在線監測的主要特點是通過連續監測變壓器一段時間內參數的變化趨勢來判斷變壓器運行狀況。在線監測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監測的時效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網安全、可靠運行起到至關重要的作用。既提高了變電站運行的管理水平，又可為狀態檢修體系奠定基礎。振動測試技術一般由傳感器、采集信號的分析和傳輸元件、變壓器專用專家分析仿真平臺等組成。

1.傳感器

根據變壓器工作的結構、工作原理、工作環境、振動形成的情況，我們擬選用加速度傳感器作為振動信號采集的傳感器。加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量獲得加速度值。根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。由于被測對象變壓器現場電磁干擾必然非常嚴重，綜合各種傳感器的結構和采集信號的方法，選用壓電式加速度傳感器來采集變壓器上的振動。

壓電加速度傳感器是利用壓電效應來進行工作的，當加速度計振動時，加速度發生變化，加于壓電元件上的外力必然也會產生變化，若被測振動的頻率遠低于加速度計的固有頻率，則外力的變化與加速度成正比。壓電式加速度傳感器具有動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產生電荷信號不需要任何外界電源等特點，比較適合我們采集電抗器上的振動信號。

2.采集信號的分析和傳輸元件

為了全面了解分析變壓器的振動情況，需要采集大量的數據，因而對采集信號處理器、通信傳輸技術和ADC轉換器等都提出了嚴格的要求，我們擬采用高精度、大吞吐量的ADC、高速低功耗的嵌入式ARM、物聯網通信技術組成測試數據采集系統，通過ARM系統強大的軟硬件功能，完成數據采集、分析和采集數據傳輸。

3.變壓器專用專家分析仿真平臺研究：

開發一套可對采集數據進行時域分析、頻域分析、小波變換、傅立葉變換等數據處理分析的軟件，融合振動采集數據、溫度采集數據為一體，提出變壓器故障分析報告和告警報告，并給出解決問題的基本原則。同時逐步完善各種變壓器的測試數據，形成強大的大數據支持平臺。

4.變壓器振動測試整個系統電磁兼容性設計：

變壓器一般工作在戶外，工作環境比較惡劣，其本身又產生很大的電磁場，而采集振動噪聲、電流電壓、溫度等參數的傳感器都屬于敏感器件，極易受到環境的干擾，同時采集的信號又及其微弱，信號的信噪比非常小，也容易受到強電磁場的干擾，這樣我們的項目產品除了要克服自然惡劣的環境影響，更主要的是要克服無規律、復雜的、強大的電磁場干擾，同時也要保證我們的項目產品不能影響變壓器及電網的正常工作，因而電磁兼容設計將是項目研究的重點和難點內容之一。

5.變壓器參數和故障參數數據庫

我們擬采用SQL Server據庫軟件進行數據庫管理。由于變壓器的品種、材料、工況等參數繁多，每個品種變壓器的情況各不相同，而數據庫又是我們對故障和潛在故障分析的支撐，因而強大的變壓器參數和故障參數數據庫建立也是本項目研究的難點之一，需要不斷的通過實踐進行填充和完善。

要描述具體的理論研究步驟，現場試驗的地點和試驗計劃。需要建設試驗手段的項目，要給出試驗手段的結構和作用；針對不同的變壓器建立不同振動噪聲模型；應用仿真計算，進行變壓器振動信號判斷方法研究及計算的軟件開發。

四：效果檢查

經努力研制。多傳感信息融合技術的變壓器振動噪聲分析、故障診斷裝置研制成功。通過連續監測變壓器一段時間內參數的變化趨勢來判斷變壓器運行狀況。在線監測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監測的時效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網安全、可靠運行起到至關重要的作用。既提高了變電站運行的管理水平，又可為狀態檢修體系奠定基礎。

我們在西安供電公司一變電站使用多傳感信息融合技術的變壓器振動噪聲分析、故障診斷裝置。2016年4月發現此變電站2號主變時常伴隨著噪音。從2017年至今我們一直堅持每月不定期不定時對此2號主變進行帶電測量。其中包括紅外測溫、鐵芯引下線接地電流、油色譜分析。但現有3種試驗方法無法從數據顯示出缺陷癥結。2018年11月3日，我們使用研制出來的多傳感信息融合技術的變壓器振動噪聲分析、故障診斷裝置。通過裝置測量，我們發現變壓器空載時的振動特性數據和變壓器負載時的振動特性數據均不在合格范圍內，確定了缺陷位置。隨即將測量情況向領導上報，上級將結合停電計劃將此變壓器進行全方面綜檢。

結束語：變壓器綜合在線監測技術通過及時捕捉早期故障的先兆信息，不僅防止了故障向嚴重程度的發展，還能夠將故障造成的嚴重后果降到最低限度。變壓器在線監測技術的優越之處是以微處理技術為核心，具有標準程序軟件，可將傳感器、數據采集硬件、通信系統和分析功能組裝成一體，彌補了室內常規檢測方法和裝置的不足。變壓器綜合在線監測技術通過及時捕捉早期故障的先兆信息，不僅防止了故障向嚴重程度的發展，還能夠將故障造成的嚴重后果降到最低限度。提高了運行可靠性，延緩了維護費用的投入，延長了檢修周期和變壓器壽命，避免了變壓器停電故障。由此帶來的經濟效益是非常可觀的；同時解決了現今人才資源短缺等一系列安全生產問題。因此本改造方案作為成功案例，對同類型設備都有推廣應用價值。

作者簡介：

譚展，男，漢，1985年11月，陜西，工程師，本科，電氣工程及其自動化。