武 廣

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

在常用的工業(yè)配電網(wǎng)中，企業(yè)為節(jié)省開支，一般對這種固定式的電力設(shè)備選用定期檢維修的方式，而這種定期的計劃檢修是很難發(fā)現(xiàn)電力變壓器本體內(nèi)部累積損傷的。電力變壓器本體內(nèi)部由繞組和鐵芯兩大機械結(jié)構(gòu)件組成，二者在運轉(zhuǎn)過程中會受到疊加效應(yīng)的作用而產(chǎn)生出細微的形變。隨著時間的推移和實際工況的運行，最初的微量形變會累加到量變，甚至引起質(zhì)變，從而發(fā)生電網(wǎng)事故[1]，給用電工業(yè)企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，工業(yè)企業(yè)應(yīng)加大對電力變壓器運行故障的研究，避免因突發(fā)性故障停電，給企業(yè)造成經(jīng)濟損失。根據(jù)電力變壓器本體內(nèi)部噪聲機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種電力變壓器振動信號采集和數(shù)據(jù)預處理裝置，以期及早發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，對提高電力變壓器使用過程中的穩(wěn)定性有著重要的意義。

1 變壓器本體機械結(jié)構(gòu)振動因素分析

電力變壓器產(chǎn)生振動的原因除了本體自身工作狀態(tài)下產(chǎn)生以外，還與冷卻系統(tǒng)等多個振動源糅雜在一起有關(guān)聯(lián)。但是，本體振動的原因是其自身是否處于正常工作狀態(tài)下最直接的表征，主要由鐵芯和繞組兩部分結(jié)構(gòu)耦合振動而產(chǎn)生[2]。內(nèi)部振動能量交換過程如圖1 電力變壓器內(nèi)部能量交換示意圖所示。

圖1 電力變壓器內(nèi)部能量交換示意

電力變壓器的內(nèi)部繞組線圈在交變電流和電磁場的雙重作用下產(chǎn)生動態(tài)的電場力，從而引發(fā)其繞組線圈產(chǎn)生振動。同樣，鐵芯硅鋼片在磁致伸縮效應(yīng)下和硅鋼片之間的疊片在電磁力作用下，也會導致變壓器本體內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)振動。二者相互結(jié)合，通過與變壓器外殼硬連接，就產(chǎn)生了噪聲振動[3]。由物理學右手定則可知，由于電流經(jīng)過高、低繞組的方向不同，導致高壓繞組產(chǎn)生輻向張力向外擴張，低壓繞組產(chǎn)生輻向壓縮力向內(nèi)壓縮，在以上兩種力的作用下，會產(chǎn)生較大的彎曲變形，從而引發(fā)變壓器的損壞，最終導致用電系統(tǒng)崩潰，無法正常供電。因此，設(shè)計一套穩(wěn)定、可靠的電力變壓器本體振動噪聲信息采集系統(tǒng)來識別其內(nèi)部機械損傷程度，對精準預判前期故障是非常重要的。

2 電力變壓器本體振動噪聲信息采集方案設(shè)計

2.1 硬件部分設(shè)計

從物理學角度來看，振動是通過空氣介質(zhì)以水波紋的形式向外界傳遞能量。在工業(yè)用電場所的電力變壓器周圍，我們經(jīng)?？梢月牭?“嗡嗡嗡” 的聲音，可以根據(jù)變壓器發(fā)出的聲音聯(lián)系其振動特點。同時，為了使噪聲振動信號在傳遞過程中更加穩(wěn)定且不失真，在傳統(tǒng)原理上升級采用加速度特征的傳遞方式。升級后的噪聲振動信息采集原理如圖2 所示。該采集方案在電力變壓器的本體上直接安裝加速度傳感器，跨過空氣介質(zhì)直接感知變壓器外部金屬殼振動，再將所采集到的信號傳送到數(shù)據(jù)采集卡中進行A/D 轉(zhuǎn)換，并存儲到計算機中進行分析研究。

圖2 升級電力變壓器噪聲振動信息采集原理

在不同應(yīng)用場合，加速器傳感器的頻率響應(yīng)速度、量程以及靈敏度三個參數(shù)需要配合選用。

1）靈敏度主要表現(xiàn)為加速度值隨著外界環(huán)境的變化發(fā)生增減變化時，所展現(xiàn)出的反應(yīng)輸出效果。

2）量程表現(xiàn)為在傳感器允許的最大范圍內(nèi)所能測得的最大值。但是，量程與靈敏度是此消彼長的關(guān)系。

3）頻率響應(yīng)為傳感器可測的實際頻率范圍。因本次所選用的傳感器是安裝在電力變壓器金屬外殼之上，要防止其掉落，也要考慮周圍環(huán)境的溫度變化。結(jié)合上述因素進行實測，選擇性價比最高的PCB 601C01 類型的壓電式加速度傳感器，傳感器參數(shù)值如表1 所示。

表1 PCB 601C01 技術(shù)參數(shù)表

2.2 軟件部分設(shè)計

軟件系統(tǒng)是將收集到的振動噪聲信號進行數(shù)據(jù)預處理，識別電力變壓器內(nèi)部機械的損傷情況。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)質(zhì)量可以使所建立的噪聲振動信號結(jié)果更加準確。在多變的負載工況下，如發(fā)生短路時，對電力變壓器內(nèi)部剛性系統(tǒng)造成的沖擊變形有更準確的 “探傷” 識別度。數(shù)據(jù)預處理目的在于提升振動噪聲信號的準確度，包括數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)化、篩選和集成等。

3 電力變壓器本體振動噪聲信號采集方案實施與應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用效果分析

針對某工業(yè)廠區(qū)用電系統(tǒng)的使用較長時間下的不同型號的電力變壓器進行振動噪聲復雜值頻率試驗分析。在變壓器金屬外殼上選擇3 個參考點，在3種不同負載下，采集短路電流時的噪聲振動信號，并以新出廠設(shè)備在普通運行狀態(tài)下的變壓器的噪聲振動信號與上述參考點進行對比分析。振動信號頻率成分復雜，計算結(jié)果如圖3 所示。A 為標準常態(tài)；B、C 和D 為空載的3 個參考點；E、F、G 為輕載的3 個參考點；H、I、J 為過載的3 個參考點。

圖3 電力變壓器不同工作狀態(tài)與不同測點

從圖3 可以看出，新出廠的電力變壓器常態(tài)情況下的頻率復雜值，遠遠小于工業(yè)廠區(qū)使用較長時間后電力變壓器所處的工作狀態(tài)下的頻率復雜值。輕載組中F 參考點明顯最高，這表明該參考點周圍的繞組結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了變化。過載組參考點的頻率復雜值全部偏高，說明在此工況下電力變壓器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)在短路電流的沖擊下出現(xiàn)損傷的可能性較大，且故障率更高。因此，該電力變壓器本體振動噪聲的信息采集分析研究方案符合實際工業(yè)用電系統(tǒng)故障診斷前期預測的需求。

3.2 經(jīng)濟性分析

某工業(yè)企業(yè)在用的電力變壓器設(shè)備有10 臺，檢修計劃為1 次/a，每次檢修需停電。1 臺電力變壓器檢修時長約為3 h，10 臺設(shè)備約為30 h。因檢修是計劃檢修，所以該廠進行停工檢修時，企業(yè)停產(chǎn)損失將降到最低。檢修費用為3 000 元/臺，10 臺為3 萬元。若1 臺電力變壓器沒及時發(fā)現(xiàn)損傷而導致無法正常供電工作，將給企業(yè)造成停電損失，材料費用和人工成本預計在15 萬元/d 以上。本次增加電力變壓器本體振動噪聲的信息采集分析研究系統(tǒng)需要2 萬元，可有效避免工業(yè)企業(yè)因電力變壓器突發(fā)損壞而導致的企業(yè)停電損失。使用該系統(tǒng)后，就可以針對性地對電力變壓器進行檢修，不必對10 臺設(shè)備全部檢修，節(jié)約了檢修費用。同時，也能避免因突發(fā)停電停產(chǎn)給企業(yè)造成不必要的損失。

4 結(jié)論

1）基于某工業(yè)企業(yè)在用電力變壓器設(shè)備定期維修而無法有效預估企業(yè)突發(fā)停電狀況，提出了變壓器本體機械振動信號采集系統(tǒng)方案設(shè)計思路。并根據(jù)電力變壓器的實際使用情況從硬件和軟件兩個方面進行方案設(shè)計。

2）對某工業(yè)企業(yè)的在用電力變壓器進行試驗分析，結(jié)果表明，電力變壓器本體振動噪聲的信息采集分析研究方案符合實際工業(yè)用電系統(tǒng)故障診斷前期預測的需求。

3）將電力變壓器本體振動噪聲的信息采集分析研究裝置應(yīng)用于某工業(yè)企業(yè)中，符合企業(yè)的用電保障需求，且屬于可持續(xù)的長效預期投資保障。