變壓器運輸時振動強度及傾斜角的測量方法

李圣+張孝云+劉鼎立

摘 要：大型電力變壓器在出廠運往目的地的過程中，考慮到受變壓器安裝固定方式、沿途路況、運輸車輛行駛速度及振動特性等各種因素影響，變壓器會發生振動。道路坡度、裝卸時吊具不對稱、車輛彈簧伸縮等會使變壓器傾斜，傾斜角大時會降低結構強度。為保證變壓器運輸安全和質量，須對其所受振動沖擊和傾斜角進行監控。文中論述了基于慣性原理來實現對變壓器振動沖擊及傾斜角的測量方案，該方案對實現變壓器運輸狀態監控研究有一定參考價值

關鍵詞：電力變壓器；振動沖擊；傾斜角；慣性測量；數據融合；狀態監控

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.047

1 引言

運輸時為保障電氣設備的安全，要盡力避免緊急制動、劇烈振動、沖撞或嚴重顛簸等異常情況的出現[1][2]。GBJ148—90《電氣裝置安裝工程電力變壓器、油浸電抗器、互感器施工及驗收規范》中規定：“變壓器、電抗器在裝卸和運輸過程中，不應有嚴重沖擊和振動。變壓器或電抗器裝卸時，應防止因車輛彈簧伸縮或船只沉浮而引起傾倒。”

《三相油浸式電力變壓器技術參數和要求》中規定：“電壓在220KV，容量為150～360MVA的變壓器在運輸過程中應裝沖擊記錄儀”。針對大型變壓器的沖擊記錄儀，國內已開始了初步研究，但距實用還須積累大量數據和經驗。國外在這方的研究開始較早，目前已有定型產品，如瑞士SOLVE公司的g-log vibra系列產品。

沖擊記錄儀功能較為單一，無法測量變壓器的傾斜角。本文提出的測量方案可實現對運輸過程中變壓器的振動沖擊和傾斜角的測量。

2 振動強度測量

如圖1所示，用長方體表示變壓器模型，0xyz是隨變壓器一起運動的相對坐標系，變壓器沖擊振動強度以多少個g（重力加速度）來表示。矢量R表示變壓器承受的沖擊加速度。

在0xyz坐標系中，安裝一個三軸加速度計，其x、y、z三個測量軸的布設方向與0xyz坐標系中三個軸的正方向一一對應。加速度計三個測量軸的輸出值就是沖擊加速度R在0xyz坐標系中的三個分量，表示變壓器在運輸方向、橫向、垂直方向受到的沖擊加速度大小。

3 變壓器傾斜角度測量

受運輸時道路坡度、裝卸時運輸車輛彈簧收縮及吊具不對稱起吊等因素的影響，變壓器相對于水平面有一傾斜角。

設地面坐標系0XYZ為參考坐標系（定系），變壓器坐標系0xyz為相對坐標系（動系），兩坐標系相對位置如圖2所示。下面簡要說明從定系到動系的坐標變換過程。

① 假設一開始兩坐標系重合（表示變壓器沒有任何程度的傾斜）；

② 0xyz繞Z軸轉θz，變為0x1y1z1（∠x10X=θz，∠y10Y=θz，∠z10Z=0）；

③ 0x1y1z1繞y1軸轉θy，變為0x2y2z2（∠x20x1=θy，∠y20y1=0，∠z20

z1=θy）；

④ 0x2y2z2繞x2軸轉θx，變為0xyz（∠x0x2=0 ， ∠y0y2=θx，∠z0z2=θx）。

以矩陣形式表述從定系到動系的轉換過程：

（1）

在定系中重力矢量為（0 0 g），在動系中為（gsinθy gsinθxcosθy gcosθycosθx ）。設加速度計x、y、z三個軸與豎直向上方向的夾角分別為：α、β、γ。在變壓器僅受重力的理想狀態下加速度計x、y軸的理論輸出值分別為：

當加速度計的三個測量軸完全相互垂直時，x0y相對于水平面的傾角等于z軸偏離豎直向上方向的角度，即：。

由此得到兩種測量變壓器相對于水平面傾斜角的計算方法：

① 單軸測量法：利用z軸的輸出值求解傾角。

（7）

該式是單軸測量模式下z軸輸出值對傾角的靈敏度。由該式知當變壓器傾角較小時，單軸模式的靈敏度是很低的。

② 雙軸測量法：利用x、y兩軸的輸出值求解傾角。（6）式表明，當變壓器傾角較小時，雙軸模式的靈敏度較高。

隨著變壓器傾斜角的增大，單軸模式的靈敏度會越來越高，而雙軸模式的靈敏度會越來越低。以意法半導體公司的一款型號為LIS331DL的三軸數字式MEMS加速度計為例，其輸出值寄存器是8位，量程為±2g時，試驗結果表明當傾角在20°以內時，傾角平均每變化5.35°輸出值寄存器才有一個單位數值的變化。

為防止變壓器由于傾斜過大而引起結構變形，一般變壓器的傾斜角上限為15°。為了提高在0～15°范圍的測量靈敏度，宜采用雙軸模式。

4 總結

本文給出了針對變壓器在運輸過程中的沖擊強度及傾斜角的測控實現方案。現行的變壓器沖擊記錄儀只能記錄變壓器的沖擊加速度，無法給出變壓器的傾斜狀態。所設計的測控方案在保留沖擊加速度測量功能的基礎上，增加了測變壓器傾斜角的功能，文中詳細論述測量實現過程，并對所使用的數據融合方法進行了仿真。本文論述的測控方案對變壓器運輸過程狀態測控研究有一定借鑒意義。

參考文獻：

[1]馮智勇，曾瀚，張力等.基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態角度測量[J].西南師范大學學報（自然科學版），2011（04）：137-141.

[2]鄧海生，代斌，李勇.OSFPS-JT-750000/500分解運輸式變壓器的結構設計與現場安裝[J].變壓器，2011（05）：1-5.

[3]蔣海濤，郭戰營.基于MEMS加速度傳感器的飛行器傾角測量系統設計[J].計算機測量與控制，2011（01）：107-109.

[4]王有隆，陳福深.伺服加速度計用于高精度傾角測量的研究[J].電子科技大學學報，2001（08）：1-5.

[5]馬洪連，鄭保重，王偉.基于MEMS技術傾角測量系統的設計與實現[J].儀器儀表學報，2005（02）：185-187.

作者簡介：李圣（1988-），男，山東泰安人，助理工程師，主要從事配網設備結構研究與設計工作。

*為通訊作者