馮忠奎，劉廣，崔炎，高瑜，李陽

（國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博,255000）

0 引言

本文研制了一種基于振動信號的干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置及系統(tǒng)。粘附在伸縮式絕緣支撐機(jī)構(gòu)上的加速度振動傳感器測取振動信號，通過無線測振終端傳給主站系統(tǒng)，系統(tǒng)在線監(jiān)測振動數(shù)據(jù)，分析振動趨勢。該系統(tǒng)能夠有效預(yù)判變壓器內(nèi)部繞組松動、繞組幅向錯位和鐵心松動三大主要故障，實(shí)現(xiàn)故障定位，掌握變壓器繞組、鐵心及其他部件的參數(shù)變化、運(yùn)行狀態(tài)、故障原因和損害程度等信息，將變壓器的故障次數(shù)和故障損失降到最低限度。

1 基于振動信號的干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

針對目前廣泛應(yīng)用的澆注干式變壓器，本文研制圖1所示的基于振動信號的干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，包括監(jiān)測裝置本體和無線測振終端，其中監(jiān)測裝置本體包括加速度振動傳感器、伸縮式絕緣支撐機(jī)構(gòu)，無線測振終端包括微處理器單元、無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元。

圖1 干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置

1.2 工作原理

通過安裝在伸縮式絕緣支撐機(jī)構(gòu)上的NB-loT加速度振動傳感器（型號為ZZ-ST-NB）對變壓器的振動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，避免了傳感器與變壓器的直接接觸，最大程度減弱了變壓器運(yùn)行對傳感器工作的電和熱的負(fù)面影響；通過采用“希爾伯特-黃變換”方法對變壓器的振動信號進(jìn)行分析與處理，通過“粒子群算法”、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法”、最小二乘支持向量機(jī)”等多種故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)“頻譜分析、趨勢分析、時域分析、故障樹診斷”等多種功能應(yīng)用，精準(zhǔn)監(jiān)測變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，及時預(yù)判“繞組松動”、“繞組幅向錯位”和“鐵心松動”這三大類故障，捕捉故障發(fā)生的前兆，實(shí)現(xiàn)變壓器“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警”、“分析與診斷”、“預(yù)防性維護(hù)”的閉環(huán)管控。

無線數(shù)據(jù)發(fā)送單元將分析處理后的狀態(tài)信息發(fā)送給主站系統(tǒng)，避免了高壓現(xiàn)場數(shù)據(jù)線布置的問題。這種狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置具有精度高，安裝方便靈活，受變壓器發(fā)熱影響小，無需停電維修等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)振動信號監(jiān)測和發(fā)送的功能。

2 干式變壓器振動信號分析

2.1 振動機(jī)理分析

配電變壓器的本體繞組和鐵心振動以及冷卻裝置引起的振動會通過各種途徑向變壓器外殼傳播，變壓器振動的來源和傳播途徑如下圖所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，變壓器箱體內(nèi)的主絕緣是本體部件的振動向外傳遞的主要介質(zhì)，在電磁力的作用下繞組產(chǎn)生振動經(jīng)主絕緣向外殼傳遞，受磁致伸縮影響鐵心產(chǎn)生振動通過變壓器主絕緣以及絕緣筒、墊塊和緊固螺栓等支撐單元向變壓器外殼傳遞。對于某些存在冷卻裝置的配電變壓器，風(fēng)扇及緊固件等冷卻結(jié)構(gòu)的振動也會通過支撐單元傳遞至變壓器外表面。因此，變壓器器身的振動是由變壓器本體振動以及冷卻系統(tǒng)的振動經(jīng)變壓器主絕緣和支撐單元等介質(zhì)傳遞到變壓器外殼而產(chǎn)生的。

圖2 變壓器振動來源及傳播途徑示意圖

由于變壓器的本體振動頻率分布主要與加載電壓和負(fù)載電流的二倍頻（100Hz）及高次諧波分量緊密相關(guān)，而冷卻系統(tǒng)振動頻率主要集中在100Hz以下，這使得變壓器冷卻系統(tǒng)振動與本體的振動特性明顯不同，可以比較容易地通過濾波等方式實(shí)現(xiàn)振動信號分離。

2.2 振動分析法

變壓器鐵心受力引起的振動具有豐富的頻率成分，而且由于鐵心勵磁產(chǎn)生的磁致伸縮現(xiàn)象存在很強(qiáng)的非線性特點(diǎn)，鐵心除了基頻信號外加電磁場變化頻率的2倍之外，還包括高次諧波分量。此外，鐵心振動在向箱體表面?zhèn)鞑サ倪^程中，會受到電磁場干擾、局部放電干擾以及冷卻系統(tǒng)的影響，因此箱體振動加速度信號中會存在大量的低頻和高頻噪聲。

希爾伯特黃變換（HHT）是一種非穩(wěn)定、非線性信號的數(shù)據(jù)處理方法。它可以根據(jù)被分析信號自身的特點(diǎn)，自適應(yīng)選擇頻帶，提取信號的時頻局部化特征信息，能夠有效定位振動信號中的特征頻率，具有更高的頻率分辨率，適用于非線性非平穩(wěn)信號分析，在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域受到越來越多重視。其核心思想是，把復(fù)雜的原始信號分解成若干個本征模態(tài)函數(shù)和一個殘余信號，公式為：

令x(t)=imf(t)，對IMF希爾伯特黃變換：

因此得到的解析信號為：

解析信號的瞬時振幅為：

瞬時相位為：

瞬時頻率為：

由于瞬時振幅與頻率皆為時間的函數(shù)，因此可以獲得信號在此時間一頻率域上的振幅能量分布。

3 基于互聯(lián)網(wǎng)的干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖3系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)診斷三部分。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

在變壓器高壓側(cè)A、B、C三相繞組對應(yīng)的變壓器外殼表面及變壓器頂部支撐構(gòu)件，分別配置一個加速度振動傳感器，監(jiān)測變壓器的振動情況；加速度振動傳感器通過有機(jī)硅凝膠牢固地粘附在伸縮式絕緣支撐機(jī)構(gòu)上，在變壓器與傳感器臨近的表面涂一層絕緣漆，保證傳感器與變壓器金屬外殼的絕緣，減少感應(yīng)電流帶來的工頻干擾。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

在無線測振終端內(nèi)，加配NB-IoT芯片模組，用于數(shù)據(jù)無線通信，向云平臺傳輸數(shù)據(jù)。NB-IoT作為一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、硬件成本低、連接終端數(shù)量大等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 數(shù)據(jù)診斷

系統(tǒng)后臺對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抑制干擾、去噪、放大識別，進(jìn)行各種信號處理與數(shù)據(jù)特征識別，建立動態(tài)故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的自動預(yù)判與診斷。在前端直觀展現(xiàn)各類分析應(yīng)用統(tǒng)計曲線、圖表，診斷結(jié)論等，并自動進(jìn)行報警信息的推送。

3.2 系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)具有振動數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、振動趨勢分析、智能診斷、變壓器健康分析、振動報警統(tǒng)計等功能，下面重點(diǎn)介紹其主要功能。

3.2.1 振動數(shù)據(jù)在線監(jiān)測

振動數(shù)據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果以數(shù)據(jù)組態(tài)的方式展現(xiàn)每臺設(shè)備各個監(jiān)測點(diǎn)的振動數(shù)據(jù)；當(dāng)振動異常超出設(shè)置的界限時，將進(jìn)行報警提醒。

3.2.2 智能診斷知識庫

系統(tǒng)建立各類振動故障的故障類型、性能特征知識庫，將振動的動態(tài)數(shù)據(jù)特征與故障診斷知識庫進(jìn)行比對，依據(jù)故障判定規(guī)則來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障類型和性能情況。

3.2.3 大數(shù)據(jù)智能診斷模塊

系統(tǒng)將測振終端采集的振動數(shù)據(jù)，預(yù)先采用多種算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計算處理，提取數(shù)據(jù)特征；然后結(jié)合變壓器的基本信息數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)診斷知識庫，進(jìn)行更精確的故障診斷。

4 結(jié)語

本文研制了一種基于振動信號的干式變壓器狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置及系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：（1）應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)，以深度學(xué)習(xí)、人工智能等為關(guān)鍵診斷技術(shù)，以物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)為底層聯(lián)接技術(shù)；（2）診斷分析功能豐富，能夠?qū)ψ儔浩鳟?dāng)前運(yùn)行狀態(tài)做出精準(zhǔn)的故障預(yù)判；（3）系統(tǒng)采用無線架構(gòu)，安裝簡單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大量變壓器設(shè)備的低成本、實(shí)時性的個性化管理。本文成果提升配網(wǎng)變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有實(shí)際意義，具備良好的應(yīng)用前景和推廣價值。