基于振動分析法的變壓器故障振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究

王 磊

（晉能控股煤業(yè)集團地煤公司大同市焦煤礦， 山西 朔州 038300）

引言

變壓器作為輸變電以及供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，保障輸變電效率和經(jīng)濟性的同時，對電網(wǎng)的安全也至關(guān)重要，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，煤礦用電對變壓器的性能要求也在提高，隨著變壓器光柵和容量的增加，如何保證變壓器的安全穩(wěn)定運行，及時發(fā)現(xiàn)故障信息成為用戶關(guān)心的問題。變壓器故障振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠監(jiān)測變壓器的實時和瞬時狀態(tài)，并分析采集數(shù)據(jù)得出診斷結(jié)果[1-2]。基于振動分析法的故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)故障監(jiān)測方式，沒有電氣量的接入，完全不影響變壓器電路的工作，且故障監(jiān)測效率高，診斷結(jié)果準確[3-5]。

1 變壓器繞組的振動機理

變壓器的線圈繞組在工作時會受到鐵芯和繞組時間的電磁力作用產(chǎn)生機械運用趨勢，進而帶動電壓器內(nèi)部部件的機械振動，當(dāng)通過的電流過大時，變壓器振動可能會導(dǎo)致變壓器故障。變壓器繞組的機械振動力學(xué)等效模型如圖1 所示，其中F（t）為線餅的電磁力，X（t）分別為線餅的垂直運動和軸向位移，Ks為靜傳動剛度，Kv為黏彈性的動力穩(wěn)定傳動剛度，R 為傳動阻尼阻力系數(shù)。

圖1 變壓器繞組等效彈簧力學(xué)模型

變壓器在設(shè)計制造中已經(jīng)考慮了電磁力引起的繞組振動對變壓器的影響，但由于變壓器負載端的接入過大等因素引起的較大電磁力振動產(chǎn)生的激振能量，會使得整個變壓器產(chǎn)生一種被迫振動，長期振動或瞬時的大能量振動會導(dǎo)致變壓器的一些連接件松動，出現(xiàn)故障。

2 變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包含用來采集變壓器電流、電壓、溫度以及振動等信號的采集模塊，信號調(diào)理模塊，歸集采集轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)及程度處理中心的CPU 模塊，對系統(tǒng)供電的電源模塊，數(shù)據(jù)和程度存儲的存儲模塊以及系統(tǒng)參數(shù)顯示模塊，各模塊的結(jié)構(gòu)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變壓器振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號采集模塊

信號采集傳感器的選擇是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計中需要對三路電流信號和三路電壓信號進行采集，同時振動信號需要采集八路，另外還需要采集一路溫度信號，其中電流信號采用電流互感器從CT 端子進行測量，電壓信號采用PT100 進行測量，振動傳感器的選擇是信號采集模塊的設(shè)計重點。振動傳感器的種類一般可以總結(jié)為速度式、加速度式、電容式等，不同種類振動傳感器的對比見下頁表1。

表1 不同種類振動傳感器對比表

基于以上對比分析，本文采用ICP 加速度式振動傳感器，振動頻率測量范圍為5 Hz～10 kHz，靈敏度為500 mV/g，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.2 信號調(diào)理模塊

主要針對電流、電壓以及振動信號進行調(diào)理，其中電流信號采集到的是交流信號，因此要對信號進行I/V 轉(zhuǎn)化電路、信號放大電路以及抗混疊濾波電路；電壓信號調(diào)理主要通過電壓互感電路以及抗混疊濾波電路完成；振動信號實際上也是電流信號，與電流信號調(diào)理模塊不同的是，在振動信號調(diào)理模塊中增加了加速度振動傳感器的供電電路。

2.3 數(shù)據(jù)采集與CPU 模塊

變壓器振動頻率一般在0～2.5 kHz 之間，數(shù)據(jù)采集模塊選型時需要覆蓋此范圍，同時要求對磁場具有較強的抗干擾性。本設(shè)計采用由北京阿爾泰生產(chǎn)的PC104+總線數(shù)據(jù)采集卡，其采集速率高、采集精度高，與CPU 的通信采用32 通道，采集量程滿足振動需求，最高振動采集頻率為200 kHz。CPU 模塊則選用研華生產(chǎn)的PCM2251 型，與數(shù)據(jù)采集卡的通信同樣采用總線方式，工作溫度滿足需求，同時設(shè)置有豐富的通信接口，方面外接設(shè)備數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

2.4 數(shù)據(jù)儲存模塊

變壓器振動數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)需要儲存大量的振動采集、系統(tǒng)處理以及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)儲存模塊容量足夠大，同時要求其具有一定的抗震性能，防止系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)振動故障。基于以上因素，本系統(tǒng)設(shè)計選用8 G 的固態(tài)硬盤，其數(shù)據(jù)讀寫能力強、效率高，同時能滿足系統(tǒng)運行環(huán)境要求。

3 變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

變壓器振動監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器振動的監(jiān)測精度要求較高，同時要求對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)程序設(shè)定判斷故障信息，同時要對用戶顯示故障信息，并對系統(tǒng)執(zhí)行故障判斷后的運行狀態(tài)進行干涉，因此系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于WINDOWS 計算機系統(tǒng)上運行LabVIEW 進行開發(fā)的，軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要包含四大模塊，如圖3 所示，分別是數(shù)據(jù)采集功能模塊、故障診斷分析功能模塊、數(shù)據(jù)庫功能模塊以及用戶管理功能模塊。

圖3 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

作為系統(tǒng)的核心功能模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和故障診斷模塊的程度設(shè)定如圖4 所示，數(shù)據(jù)庫功能模塊主要包含五類數(shù)據(jù)信息：變壓器信息數(shù)據(jù)、各類傳感器信息數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)定的原始數(shù)據(jù)、振動特征信息數(shù)據(jù)庫和振動診斷結(jié)果信息數(shù)據(jù)庫。其中原始數(shù)據(jù)庫儲存的是系統(tǒng)的實時和瞬時采集的振動、溫度和電流電壓信號數(shù)據(jù)，未經(jīng)過處理器處理；振動特征信息數(shù)據(jù)庫主要記錄各種振動形式的特征量，如峰谷峰值數(shù)據(jù)、周期頻率數(shù)據(jù)、諧波峰值數(shù)據(jù)以及方差數(shù)據(jù)信息等；振動診斷結(jié)果信息數(shù)據(jù)庫則是對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)處理分析后判斷的結(jié)果信息進行儲存。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

鑒于變壓器的不同工作狀態(tài)，為了降低系統(tǒng)的故障誤報率，系統(tǒng)在設(shè)計時將數(shù)據(jù)采樣工況分為兩種，一種是變壓器在上電、斷電以及投切等非穩(wěn)定工作狀態(tài)，另一種是變壓器穩(wěn)定工作狀態(tài)，二者的采用方式設(shè)計不同，其中非穩(wěn)定工作狀態(tài)采用瞬時采用方式，用來采集變壓器的瞬態(tài)信號，采集頻率、時間的設(shè)定對用戶開放，可以由用戶自行設(shè)定，穩(wěn)定工作狀態(tài)時采用實時信號數(shù)據(jù)采集方式，采集周期設(shè)定為8 s 一次，每次采集時間為0.5 s，瞬時采集信號的優(yōu)先度要高于實時采集信號。

4 結(jié)論

本文針對變壓器由于電磁力產(chǎn)生的被迫振動進行了振動數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了變壓器振動數(shù)據(jù)的實時采集以及故障信息的精準診斷，且系統(tǒng)的設(shè)計未對變壓器電路進行電氣量接入，不影響變壓器正常電路。通過本文的研究主要形成以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)包含信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、CPU 模塊、電源模塊、存儲模塊和顯示模塊，構(gòu)建完整振動信號采集、分析、儲存、診斷以及顯示為一體的功能系統(tǒng)；

2）通過分析各元器件特點以及系統(tǒng)設(shè)計需求，監(jiān)測系統(tǒng)采用ICP 加速度式振動傳感器、PC104+總線數(shù)據(jù)采集卡和PCM2251 型CPU，監(jiān)測精度和頻率覆蓋范圍滿足設(shè)計需求，同時數(shù)據(jù)采集與CPU 通信穩(wěn)定；

3）數(shù)據(jù)采集方式根據(jù)變壓器的穩(wěn)定和非穩(wěn)定兩種狀態(tài)設(shè)計了實時和瞬時采集兩種方式，保證變壓器工況振動數(shù)據(jù)采集的精度。