電力變壓器本體振動噪聲信息采集分析研究

武 廣

（唐山唐鋼氣體有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

在常用的工業配電網中，企業為節省開支，一般對這種固定式的電力設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現電力變壓器本體內部累積損傷的。電力變壓器本體內部由繞組和鐵芯兩大機械結構件組成，二者在運轉過程中會受到疊加效應的作用而產生出細微的形變。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，甚至引起質變，從而發生電網事故[1]，給用電工業企業造成巨大的經濟損失。因此，工業企業應加大對電力變壓器運行故障的研究，避免因突發性故障停電，給企業造成經濟損失。根據電力變壓器本體內部噪聲機械結構，設計了一種電力變壓器振動信號采集和數據預處理裝置，以期及早發現內部故障，對提高電力變壓器使用過程中的穩定性有著重要的意義。

1 變壓器本體機械結構振動因素分析

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

圖1 電力變壓器內部能量交換示意

電力變壓器的內部繞組線圈在交變電流和電磁場的雙重作用下產生動態的電場力，從而引發其繞組線圈產生振動。同樣，鐵芯硅鋼片在磁致伸縮效應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部的機械結構振動。二者相互結合，通過與變壓器外殼硬連接，就產生了噪聲振動[3]。由物理學右手定則可知，由于電流經過高、低繞組的方向不同，導致高壓繞組產生輻向張力向外擴張，低壓繞組產生輻向壓縮力向內壓縮，在以上兩種力的作用下，會產生較大的彎曲變形，從而引發變壓器的損壞，最終導致用電系統崩潰，無法正常供電。因此，設計一套穩定、可靠的電力變壓器本體振動噪聲信息采集系統來識別其內部機械損傷程度，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計

2.1 硬件部分設計

從物理學角度來看，振動是通過空氣介質以水波紋的形式向外界傳遞能量。在工業用電場所的電力變壓器周圍，我們經常可以聽到 “嗡嗡嗡” 的聲音，可以根據變壓器發出的聲音聯系其振動特點。同時，為了使噪聲振動信號在傳遞過程中更加穩定且不失真，在傳統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據采集卡中進行A/D 轉換，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

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

1）靈敏度主要表現為加速度值隨著外界環境的變化發生增減變化時，所展現出的反應輸出效果。

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

3）頻率響應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，也要考慮周圍環境的溫度變化。結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，傳感器參數值如表1 所示。

表1 PCB 601C01 技術參數表

2.2 軟件部分設計

軟件系統是將收集到的振動噪聲信號進行數據預處理，識別電力變壓器內部機械的損傷情況。優化后的數據質量可以使所建立的噪聲振動信號結果更加準確。在多變的負載工況下，如發生短路時，對電力變壓器內部剛性系統造成的沖擊變形有更準確的 “探傷” 識別度。數據預處理目的在于提升振動噪聲信號的準確度，包括數據采集、轉化、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用分析

3.1 應用效果分析

針對某工業廠區用電系統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，并以新出廠設備在普通運行狀態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，計算結果如圖3 所示。A 為標準常態；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與不同測點

從圖3 可以看出，新出廠的電力變壓器常態情況下的頻率復雜值，遠遠小于工業廠區使用較長時間后電力變壓器所處的工作狀態下的頻率復雜值。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構出現了變化。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部機械結構在短路電流的沖擊下出現損傷的可能性較大，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用電系統故障診斷前期預測的需求。

3.2 經濟性分析

某工業企業在用的電力變壓器設備有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，企業停產損失將降到最低。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現損傷而導致無法正常供電工作，將給企業造成停電損失，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需要2 萬元，可有效避免工業企業因電力變壓器突發損壞而導致的企業停電損失。使用該系統后，就可以針對性地對電力變壓器進行檢修，不必對10 臺設備全部檢修，節約了檢修費用。同時，也能避免因突發停電停產給企業造成不必要的損失。

4 結論

1）基于某工業企業在用電力變壓器設備定期維修而無法有效預估企業突發停電狀況，提出了變壓器本體機械振動信號采集系統方案設計思路。并根據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計。

2）對某工業企業的在用電力變壓器進行試驗分析，結果表明，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用電系統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用于某工業企業中，符合企業的用電保障需求，且屬于可持續的長效預期投資保障。