基于振動的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

彭之彥，劉佳

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，武漢 430000）

1 引言

在電力變壓器使用過程中，由于繞組和設(shè)備磨損導(dǎo)致的鐵芯壓緊程度的降低都會在不同程度上使其短路發(fā)生概率提升，造成一定的安全隱患。電力變壓器作為一種在輸變電系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其隱患排查是保障電網(wǎng)運行安全與穩(wěn)定的基石。在當(dāng)前我國主流的變壓力監(jiān)測方法中，有色譜分析是較為常用的一種變壓器故障檢測方法，并且廣泛適用于油浸式變壓器設(shè)備管理中。本文所演示的變壓器監(jiān)控系統(tǒng)采用的是振動采集法，通過多種傳感器收集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)并依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定程序?qū)ψ儔浩鞯臓顟B(tài)進行綜合評估，對變壓器設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

2 電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力變壓器作為重要的電力基礎(chǔ)設(shè)備，其運行狀態(tài)的穩(wěn)定關(guān)系到電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，因此對電力變壓器的監(jiān)測和控制十分重要。電力變壓器的監(jiān)測系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大模塊，其中硬件部分是系統(tǒng)運行的載體，也是系統(tǒng)設(shè)計的先要條件。硬件系統(tǒng)包括嵌入式工控機、調(diào)離模塊、振動信號收集和傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)對模擬信號的采集和整理，而嵌入式工控機則負(fù)責(zé)對軟件信號的控制，并對變壓器的運行狀態(tài)加以控制。在工作環(huán)境中，由于電磁干擾較強，電纜的選用也相對苛刻，為了降低電磁干擾對數(shù)據(jù)信息精確度的影響，建議選擇使用同軸電纜來進行系統(tǒng)電信號的傳輸與鋪設(shè)。

2.1 傳感器以及信號調(diào)理模塊

一般情況下，電力變壓器的振動信號頻率一般在10khz以內(nèi)，該監(jiān)測系統(tǒng)使用的振動傳感器為CA-RW-185加速度傳感器。加速度傳感器的電路設(shè)計中，一側(cè)為壓電式傳感器，另一側(cè)為調(diào)離電路，兩種模塊的設(shè)計主要是為了對加速度信號進行放大和濾波。此外，為降低電磁干擾和噪聲對傳感器信號的影響，會局部對電纜電信號進行屏蔽處理。

2.2 主板和數(shù)據(jù)采集卡模塊

變電站內(nèi)電磁場信號比較冗雜，在這種電磁環(huán)境下，工控機主板為了保障信號來源的穩(wěn)定，必須要能夠應(yīng)對一定強度的電磁干擾。理論上來說，工控機應(yīng)當(dāng)能夠進行多道數(shù)據(jù)的算法調(diào)節(jié)，這就對主控板的運算速率和硬件性能提出了更高的要求。此外，變壓器的運行狀態(tài)需要進行數(shù)據(jù)記錄，并在一年至兩年的運行數(shù)據(jù)要隨時通過信息檔案進行查看，最終選擇EPC-8000主板進行安裝。數(shù)據(jù)采集卡的選擇要考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性，并且保障系統(tǒng)采樣率和穩(wěn)定性，因此對振動信號的收集要全面而可控，最好能夠覆蓋2-10kHZ頻率內(nèi)的所有信號。基于硬件需求，最終選擇使用16位的PCM-8365TB數(shù)據(jù)采集卡，這種數(shù)據(jù)采集卡的好處在于其每個端口都具備過壓保護功能，安裝時A/D端口接地，通過PC/108總線進行連接。

2.3 無線通信模塊設(shè)計

為保障監(jiān)測結(jié)果的即時性，需要構(gòu)建高效穩(wěn)定的無線通信系統(tǒng)便于監(jiān)測過程中的信息溝通。該電力變壓器的無線通信模塊采用的是DTU通信模組，能夠與Internet連接并同時通過物聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)進行信息的收發(fā)處理。首先，最高級別的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心會通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端提出信息數(shù)據(jù)的請求，這時系統(tǒng)會通過IP地址及ID號碼找出監(jiān)控終端的具體位置。然后，監(jiān)控終端會開始相應(yīng)信息指令，并通過GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到各個端口，最后完成整套的通訊應(yīng)答流程和信息的交互。

3 基于振動的測點選擇與監(jiān)測方法

3.1 振動測點的選擇與故障定位

做好振動測點的選擇是保障變壓器監(jiān)測效果的基本前提，在電力變壓器使用過程中，變壓器各級鐵芯和繞組的設(shè)備振動是進行監(jiān)測的數(shù)據(jù)來源，因此對振動測點的選擇也要盡量布置在信號覆蓋率高的區(qū)域。經(jīng)過設(shè)計部門的反復(fù)偵測和路徑分析，決定在正面中部布置振動測量點，其布置設(shè)計見圖1。

圖1 電力變壓器的振動測點布置設(shè)計

傳統(tǒng)電力變壓器的故障定位原理為：通過收集振動信號數(shù)據(jù)，對振動傳播的路徑與時間進行傳播時差分析，進而找出變壓器故障的大致位置。由于變壓器內(nèi)部空間較為緊密，且尺寸有限，因此振動信號的傳播時差也非常微弱，在電磁干擾較強的環(huán)境下，變壓器的故障難以得到有效分辨，對變壓器故障位置的定位非常困難。本文所引薦的變壓器機械故障監(jiān)測系統(tǒng)是基于最新的變壓器故障監(jiān)測原理，經(jīng)研究人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)：機械設(shè)備的振動信號傳播與傳統(tǒng)電信號傳播有著一定的差異，振動信號在變壓器內(nèi)進行傳播時衰減程度與空氣傳播效果完全不同。盡管這一理論有待進一步的優(yōu)化和認(rèn)識，但是對于新型變壓器的研究和設(shè)置已經(jīng)具備了一定的理論參考價值。我們可以依據(jù)振動信號在不同變壓器內(nèi)的信號傳播途徑差異和振動信號的衰減特性來推導(dǎo)出變壓器故障的所在位置。在變壓器內(nèi)傳感器位置的變化能夠初步附帶故障特性，進而實現(xiàn)故障的精確定位。

3.2 故障診斷的具體方法

鑒于變壓器的常見故障類型包括絕緣體弱化、鐵芯松動和繞組形變等，因此對變壓器故障的判斷也要分別進行實驗分析，來保障振動信號監(jiān)測的系統(tǒng)性和科學(xué)性[1]。在進行程序開發(fā)前要分別對故障和無故障兩種狀態(tài)進行區(qū)分性實驗，并收集這種狀態(tài)下的變壓器振動信號反饋，進而構(gòu)建統(tǒng)一的信號反饋程序。實驗樣本的收集要分多次進行，才能保障數(shù)據(jù)測試結(jié)果的可靠性。首先，要對實驗測試出的振動信號結(jié)果進行基礎(chǔ)的濾波和降噪處理，避免測試結(jié)果受到電磁或噪音的干擾；其次，對已經(jīng)測出的振動信號進行頻譜分析，進而將頻率分量分離出來，提出振動信號的閥值和故障位置；最后，計算頻數(shù)總值，實現(xiàn)對不同故障類型的有效識別。

4 實例分析結(jié)果

本章提取鐵芯松動模式下的振動頻率比較結(jié)構(gòu)，此時可以發(fā)現(xiàn)在變壓器松動狀態(tài)下振動頻率會產(chǎn)生明顯變化。其詳細(xì)數(shù)值見表1。

表1 變壓器鐵芯在不同工作狀態(tài)下振動幅值的變化比對結(jié)果

通過表1的振動幅值比較結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在變壓器為松動狀態(tài)下時，比常規(guī)模式下的振動幅度頻率要高出1.5倍左右，因此我們可以通過設(shè)置頻率閥值來對電力變壓器的故障進行判斷。最后，在軟件系統(tǒng)設(shè)置方面，需要軟件系統(tǒng)具備三項基本功能，控制、曲線顯示和存儲分析功能，其中監(jiān)測系統(tǒng)的控制是由系統(tǒng)時間來負(fù)責(zé)監(jiān)管的，而FFT測試及波形圖的控制則要由軟件開發(fā)部門進行整備。一般情況下，軟件的默認(rèn)系統(tǒng)存儲格式為文本，當(dāng)系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進行制備采集時，則要通過默認(rèn)路徑對數(shù)據(jù)進行存儲，并且使數(shù)據(jù)內(nèi)容保存至少一年以上，定期對數(shù)據(jù)反饋進行采樣和整理。

5 結(jié)論

綜上所述，本文所開發(fā)的基于振動的電力變壓器監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效提升電力變壓器的狀態(tài)監(jiān)測質(zhì)量，優(yōu)化監(jiān)測效果，通過提取振動特征量和常態(tài)振動參數(shù)相比較的方法實施對電力變壓器運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，具有良好的推廣和應(yīng)用價值。望本文研究內(nèi)容得到相關(guān)電力企業(yè)的關(guān)注和重視，深化軟件應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新，更好地推進電力變壓器設(shè)計研究，為電力變壓器研究設(shè)計總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗，提供建設(shè)性意見。