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(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司，云南 昆明 650217)

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基于振動(dòng)法的變壓器振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)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(yàn)研究院(集團(tuán))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(yán)重的故障，目前對(duì)其采用的故障診斷方法主要是離線檢測(cè)的方法，不夠安全方便。針對(duì)此問題，研發(fā)了一種基于振動(dòng)法原理的變壓器振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過振動(dòng)校驗(yàn)臺(tái)校驗(yàn)了其精度符合要求，通過對(duì)變壓器實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出了變壓器的振動(dòng)特征頻率，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)多月的監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)補(bǔ)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(dòng)； 繞組； 鐵心； 監(jiān)測(cè)

0引言

在變壓器故障中，鐵心和繞組故障是最為頻繁且嚴(yán)重的故障之一[1]。現(xiàn)階段對(duì)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(duì)鐵心故障診斷的方法主要有氣相色譜分析法、測(cè)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(cè)法，檢測(cè)時(shí)需要變壓器退出運(yùn)行，試驗(yàn)進(jìn)行起來不夠經(jīng)濟(jì)方便，氣相色譜分析法又存在不能診斷機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷的問題。而振動(dòng)法是一種用傳感器采集油箱表面振動(dòng)信號(hào)，再進(jìn)一步用相關(guān)系統(tǒng)分析此信號(hào)以預(yù)測(cè)鐵心繞組故障的方法。振動(dòng)法監(jiān)測(cè)的整個(gè)過程不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，并且還可對(duì)鐵心、夾件和其余結(jié)構(gòu)部件的松動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。因此，本文設(shè)計(jì)的基于振動(dòng)法的變壓器振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)變壓器故障診斷方法的補(bǔ)充和完善，有很大的研究?jī)r(jià)值。

1基于振動(dòng)法的變壓器故障診斷原理

1.1振動(dòng)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(huì)引起振動(dòng)的部件有鐵心、繞組和冷卻裝置。鐵心振動(dòng)主要是由硅鋼片的磁致伸縮導(dǎo)致，繞組振動(dòng)主要由負(fù)載電流與漏磁產(chǎn)生的電動(dòng)力導(dǎo)致[3]，冷卻裝置振動(dòng)主要由冷卻風(fēng)扇和變壓器油泵在運(yùn)行時(shí)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(dòng)傳遞到油箱表面，引起箱體振動(dòng)。

1.2診斷原理

變壓器油箱表面振動(dòng)主要由鐵心、繞組和冷卻裝置振動(dòng)共同構(gòu)成，其中，冷卻裝置產(chǎn)生的振動(dòng)集中在100 Hz以下[4]，與繞組、鐵心的振動(dòng)頻率在不同的范圍，因此，可以將其分辨出來，避免干擾。當(dāng)變壓器空載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流為零，因此，繞組產(chǎn)生的振動(dòng)可以忽略不計(jì)，此時(shí)監(jiān)測(cè)得到的振動(dòng)信號(hào)主要由鐵心振動(dòng)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(dòng)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(dòng)除基頻振動(dòng)外還包含高次諧波，其振動(dòng)信號(hào)范圍一般在100～400 Hz，1 000 Hz后基本衰減到0[3]。繞組振動(dòng)同樣以電源頻率的2倍為基頻，其振動(dòng)信號(hào)大小與負(fù)載電流平方呈正比，且其他諧波分量很小。因此，通過測(cè)量空載時(shí)振動(dòng)信號(hào)即可得到鐵心振動(dòng)特征信號(hào)，負(fù)載時(shí)測(cè)量所得信號(hào)為繞組與鐵心振動(dòng)信號(hào)的疊加，從中分離出鐵心振動(dòng)信號(hào)即可得到繞組振動(dòng)特征信號(hào)。得到繞組和鐵心振動(dòng)特征信號(hào)后，通過觀察其變化情況，即可對(duì)繞組與鐵心故障情況進(jìn)行判斷[6]。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，上位機(jī)裝有由LabVIEW編寫的“變壓器振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，用于對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)與分析，其接收參數(shù)分為兩部分。第一部分為振動(dòng)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(shí)時(shí)控制器及與之配套的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理并上傳到上位機(jī)進(jìn)行分析存儲(chǔ)。第二部分為電力變壓器運(yùn)行負(fù)載狀態(tài)參數(shù)，包括P，I，V等運(yùn)行參數(shù)及開關(guān)量，此部分參數(shù)從變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信柜獲得，通過RS—232串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析。

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

3硬件設(shè)計(jì)

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(zhǔn)確反映變壓器內(nèi)部振動(dòng)狀況，選擇將傳感器分別安裝在變壓器繞組首末端對(duì)應(yīng)的變壓器油箱外殼處，其簡(jiǎn)易安裝位置圖如圖2，圖中黑點(diǎn)即為傳感器安裝位置，高低壓側(cè)各6個(gè)點(diǎn)，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(duì)地絕緣電阻大于108 Ω，滿足變壓器繞組及鐵心振動(dòng)測(cè)試的要求。

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

3.2實(shí)時(shí)控制器

實(shí)時(shí)控制器選用NI cRIO—9023嵌入式實(shí)時(shí)控制器，主要完成現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)及上傳。它具有一個(gè)533 MHz Freescale MPC8347工業(yè)實(shí)時(shí)處理器，用于確定可靠的實(shí)時(shí)應(yīng)用，同時(shí)還具有256 MB DDR2 RAM與2 GB 非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，用于程序存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)記錄。該控制器還提供了2個(gè)以太網(wǎng)端口，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。此控制器的設(shè)計(jì)堅(jiān)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(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)試需求[7]。

3.3信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊選用NI 9234動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，該模塊與傳感器連接，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量。NI 9234模塊的動(dòng)態(tài)范圍為102 dB，在信號(hào)傳輸過程中能對(duì)加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。每個(gè)采集模塊包含4個(gè)輸入通道，用于連接加速度傳感器接收振動(dòng)信號(hào)。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的過程中，每通道轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)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(hào)準(zhǔn)確性[7]。使用時(shí)，需將其插入NI cRIO—9023嵌入式實(shí)時(shí)控制器卡槽內(nèi)，組合使用。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)功能

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

4.2振動(dòng)臺(tái)校驗(yàn)

在此系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)前，先用振動(dòng)校驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)臺(tái)選用2臺(tái)ZA—ZDT02B便攜式振動(dòng)校驗(yàn)臺(tái)。校驗(yàn)時(shí)對(duì)1#振動(dòng)臺(tái)輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，振幅1 m/s2，頻率20 Hz；對(duì)2#振動(dòng)臺(tái)輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，振幅2 m/s2，頻率50 Hz。如圖3所示，圖(a)為1#振動(dòng)臺(tái)即A相高壓側(cè)上側(cè)通道的振動(dòng)時(shí)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(hào)為正弦信號(hào)，幅值為1 m/s2，頻率為20 Hz，與校驗(yàn)臺(tái)輸入?yún)?shù)相符。圖(c)、圖(d)輸出波形同樣與2#振動(dòng)臺(tái)輸入?yún)?shù)一致。后輸入其他頻率、振幅進(jìn)行校驗(yàn)，均滿足要求。

圖3　振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)FFT分析Fig 3　FFT analysis of vibration platform data

4.3變壓器實(shí)測(cè)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(duì)三相主變高低壓側(cè)共12個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，截止目前，系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)5個(gè)月。其振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)和近5個(gè)月振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其他測(cè)點(diǎn)1 250 Hz處振幅較小，因此,可得出該變壓器振動(dòng)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(dòng)信號(hào)疊加產(chǎn)生，200,400,600 Hz主要由鐵心振動(dòng)信號(hào)高次諧波產(chǎn)生。

圖4　變壓器實(shí)測(cè)振動(dòng)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(shì)分析

系統(tǒng)除了能對(duì)保存過的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域的讀取分析外，還能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理。該功能將最能反映繞組鐵心振動(dòng)情況的100,200,300,400,500,600 Hz振動(dòng)信號(hào)單獨(dú)分離出來，用于觀察一段時(shí)間內(nèi)各頻率下的振動(dòng)趨勢(shì)變化情況。圖5為500,600 Hz下，該變壓器一天內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的分頻趨勢(shì)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(shì)，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(dòng)分頻趨勢(shì)與日用電負(fù)荷趨勢(shì)大致相同。如果對(duì)變壓器進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量，則可對(duì)幾個(gè)月甚至幾年的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻趨勢(shì)分析，以達(dá)到更準(zhǔn)確分析變壓器繞組和鐵心運(yùn)行狀況的目的。

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

5結(jié)論

1)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)的采集、傳輸、分析及存儲(chǔ)，并具有界面操作簡(jiǎn)單，分析功能齊全，程序維護(hù)容易，可在惡劣環(huán)境下可長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

2)通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到該變壓器的振動(dòng)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(dòng)信號(hào)疊加產(chǎn)生，200，400，600 Hz主要由鐵心振動(dòng)信號(hào)高次諧波產(chǎn)生。

3)通過對(duì)一整天的變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分頻處理分析，得出其振動(dòng)趨勢(shì)與該地區(qū)日用電負(fù)荷大致相同的結(jié)論，證明了該系統(tǒng)具備分頻趨勢(shì)分析的能力。同時(shí)，對(duì)變壓器為期5個(gè)月的連續(xù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，證明了該系統(tǒng)其穩(wěn)定可靠性。

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楊文睿(1991-)，男，云南大理人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽儔浩髡駝?dòng)監(jiān)測(cè)。

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(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TM 411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000—9787(2016)01—0088—03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51369012，51469011)

收稿日期：2015—11—24

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