基于變壓器振動的監測系統研究

謝傳真

摘要：變壓器是電力系統的重要設備，變壓器振動反應著內部繞組與鐵芯的機械狀態，通過振動信號采集、特征提取、分析可以判斷變壓器運行狀態，對變壓器安全評估提供意見。

關鍵詞：變壓器振動;信號處理;在線檢測

在線監測系統通過對變壓器表面振動的監測、分析與診斷獲得變壓器的運行狀態和故障信息。這種診斷方法與整個電力系統沒有電氣連接，不需要停用變壓器而損失負荷，傳感器可以靈活快速布置在變壓器箱體表面，便于對投運變壓器改造，可以快速、安全、可靠地實現變壓器在線狀態監測與故障診斷的目的。在提倡狀態檢修的情況下，對于變壓器運行狀況的評估具有實際意義。

一、在線監測系統研究

針對變壓器內部鐵芯和繞組松動、變形、絕緣墊損壞等異常現象，利用變壓器箱體表面的振動信號進行分析處理，提出基于變壓器內部異常振動的無線通信在線監測系統，實現變壓器異常振動在線監測，以評估變壓器的運行狀態。

1.1監測算法的研究

首先探究變壓器振動機理，變壓器振動信號特性。通過查詢資料已經知道，變壓器振動主要來源于鐵芯和繞組兩部分，且理論上振動基頻為加載電壓和負載電流頻率的兩倍，由于變壓器鐵芯材料、墊圈材料存在非線性等原因，鐵芯磁通密度波形并非標準正弦波，大量實驗表明振動除了基頻分量外，含有大量高次諧波分量。另一方面，冷卻系統的振動需要通過硬件或算法進行過濾以免干擾對故障的判斷。因此，監測算法從振動信號中提取有效的振動信息，利用振動的幅值特性或振動的頻域特征，設定相應的閾值，以鑒別故障情況。

1.2系統硬件的設計

硬件上主要有振動傳感器、采集單元、處理器、通信模塊、電源模塊、顯示模塊等。振動傳感器的選擇考慮振動信號頻率范圍并且能夠可靠工作。為了避免電纜接線等對振動信號的干擾，采取無線通信方式，可以靈活布置傳感器，也可以布置多個傳感器構建無線傳感網絡。由于現場的電磁環境比較特殊，所選擇的處理器和通信模塊要有較強的抗電磁干擾能力，并且考慮到電源供電問題，盡量采取體積小、功耗低的模塊。電源應能夠持續穩定地為各單元提供電源，除電池外加裝電磁場能量搜集或太陽能等方式進行充電，具備電源監控功能。

1.3功能軟件的實現

在線監測系統軟件具備實時數據采集、信號處理、協調通信、信息上報、人機交互等功能。數據采集和處理要能夠保證信號不失真，通信上要能夠協調多個傳感器協同工作，信息上傳和人機交互要簡單明了。設計合理的程序流程，使系統簡單易用，并且能夠與變電站內現有資源進行結合。

二、在線監測系統的實現方案

2.1基本思路：在線監測系統主要分為無線通信采集終端和在線監測主機

無線通信采集終端通過安裝在變壓器箱體上的振動傳感器采集變壓器振動信號，經過數據處理模塊濾波放大、量化、編碼等一系列處理轉化為數字量信號，再將數字信號通過無線通信方式發送給在線監測系統主機。在線監測主機可安裝在變壓器邊上的本體端子箱內，距離變壓器10M以內，因此無線通信擬采用ZigBee技術，ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信技術。

在線監測主機將收到的振動信號按程序算法進行分析處理，處理后得出振動特征參數，同時在線監測系統主機接收來自電流傳感器的模擬電流信號并進行模數轉換處理，將振動特征參數與電流參數結合形成電流-振動數據。變壓器正常運行時在線監測主機已預先進行電流和振動信號采集，形成電流-振動特性曲線并保存為特性表，監測主機輸入按一定的裕度計算的定值，形成電流-振動預警線。當實時運行的電流-振動參數經與預警線對比，若超過預警值，則監測主機發出異常 振動告警信號給原有設備，原有設備將告警信號上送到變電站及調度監控系統。

2.2硬件設計：硬件設計分為在線監測主機和無線通信采集終端

在線監測主機主要的功能是接收與處理變壓器振動信號和電流信號，分析處理變壓器信號量，通過人機界面設置定值，判斷變壓器是否存在異常振動現象，并將異常振動告警信號接入到原有設備，變電站監控系統和調度監控系統將收到告警信號。在線監測主機包括以下模塊：主控芯片模塊、無線通信模塊、數據處理模塊、人機交互模塊、信號開出模塊、電源模塊。

無線通信采集終端主要功能是利用振動傳感器采集變壓器振動信號，數據處理模塊將振動信號轉換處理后，通過無線通信模塊將信號發送給在線監測主機，電源模塊為各硬件提供穩定的電源，具備一定的續航能力，減少維護工作量。無線通信采集終端包括以下模塊：振動傳感器模塊、數據處理模塊、無線通信模塊、電源模塊。

2.3軟件設計：軟件設計可分為任務級程序設計和系統級程序設計

任務級程序設計是對實現某種具體功能的程序進行設計，如數據采集程序負責在線監測主機向無線通信采集終端發送開始采集命令后，無線通信采集終端立即進行采樣、量化、編碼，并將數據傳遞給無線通信模塊;無線通信程序負責采樣數據與控制命令的收發，人機交互程序負責鍵盤輸入與液晶顯示;信號分析程序負責對振動信號按某種算法并提取特征參數。而系統級程序設計即是對嵌入式操作系統進行設計，實現CPU管理、內存管理、外設管理、任務管理等功能，對多任務進行切換和調度，以提高CPU利用率。因此在線監測系統軟件設計應包含：數據采集程序設計、無線通信程序設計、人機交互程序設計、信號分析程序設計、嵌入式操作系統設計。

2.4研發流程：研發流程分為仿真調試、實物調試和現場調試三個階段

首先進行功能與目標的確定，然后對軟硬件功能細化描述，對軟硬件結構進行設計，利用計算機仿真軟件設計電路和編程軟件編譯代碼，通過軟硬件結合進行仿真試驗。若仿真調試失敗，則對軟硬件設計進行修改;仿真調試通過則進入實物電路設計組裝，同時根據實物電路對程序進一步優化，完成后進行實物調試階段。調試若失敗，則進一步調整電路、優化程序;實物仿真調試通過，則進行現場實際調試。現場安裝，根據變壓器運行情況設置參數，模擬異常振動，在線監測裝置是否正確告警。現場調試失敗，者重新優化程序;現場調試通過，編輯相關的資料歸檔，完成設計。

結束語

電力系統最重要的設備就是變壓器，它是否可靠運行，影響著整個電網的安全。針對變壓器的特殊性，宜采用在線監測的方法進行隱患排查，振動分析方法就提供了一種在不停電情況下對變壓器運行狀態做出判斷的方法。

參考文獻

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