变压器运输时振动强度及倾斜角的测量方法

李圣+张孝云+刘鼎立

摘 要：大型电力变压器在出厂运往目的地的过程中，考虑到受变压器安装固定方式、沿途路况、运输车辆行驶速度及振动特性等各种因素影响，变压器会发生振动。道路坡度、装卸时吊具不对称、车辆弹簧伸缩等会使变压器倾斜，倾斜角大时会降低结构强度。为保证变压器运输安全和质量，须对其所受振动冲击和倾斜角进行监控。文中论述了基于惯性原理来实现对变压器振动冲击及倾斜角的测量方案，该方案对实现变压器运输状态监控研究有一定参考价值

关键词：电力变压器；振动冲击；倾斜角；惯性测量；数据融合；状态监控

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

1 引言

运输时为保障电气设备的安全，要尽力避免紧急制动、剧烈振动、冲撞或严重颠簸等异常情况的出现[1][2]。GBJ148—90《电气装置安装工程电力变压器、油浸电抗器、互感器施工及验收规范》中规定：“变压器、电抗器在装卸和运输过程中，不应有严重冲击和振动。变压器或电抗器装卸时，应防止因车辆弹簧伸缩或船只沉浮而引起倾倒。”

《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》中规定：“电压在220KV，容量为150～360MVA的变压器在运输过程中应装冲击记录仪”。针对大型变压器的冲击记录仪，国内已开始了初步研究，但距实用还须积累大量数据和经验。国外在这方的研究开始较早，目前已有定型产品，如瑞士SOLVE公司的g-log vibra系列产品。

冲击记录仪功能较为单一，无法测量变压器的倾斜角。本文提出的测量方案可实现对运输过程中变压器的振动冲击和倾斜角的测量。

2 振动强度测量

如图1所示，用长方体表示变压器模型，0xyz是随变压器一起运动的相对坐标系，变压器冲击振动强度以多少个g（重力加速度）来表示。矢量R表示变压器承受的冲击加速度。

在0xyz坐标系中，安装一个三轴加速度计，其x、y、z三个测量轴的布设方向与0xyz坐标系中三个轴的正方向一一对应。加速度计三个测量轴的输出值就是冲击加速度R在0xyz坐标系中的三个分量，表示变压器在运输方向、横向、垂直方向受到的冲击加速度大小。

3 变压器倾斜角度测量

受运输时道路坡度、装卸时运输车辆弹簧收缩及吊具不对称起吊等因素的影响，变压器相对于水平面有一倾斜角。

设地面坐标系0XYZ为参考坐标系（定系），变压器坐标系0xyz为相对坐标系（动系），两坐标系相对位置如图2所示。下面简要说明从定系到动系的坐标变换过程。

① 假设一开始两坐标系重合（表示变压器没有任何程度的倾斜）；

② 0xyz绕Z轴转θz，变为0x1y1z1（∠x10X=θz，∠y10Y=θz，∠z10Z=0）；

③ 0x1y1z1绕y1轴转θy，变为0x2y2z2（∠x20x1=θy，∠y20y1=0，∠z20

z1=θy）；

④ 0x2y2z2绕x2轴转θx，变为0xyz（∠x0x2=0 ， ∠y0y2=θx，∠z0z2=θx）。

以矩阵形式表述从定系到动系的转换过程：

（1）

在定系中重力矢量为（0 0 g），在动系中为（gsinθy gsinθxcosθy gcosθycosθx ）。设加速度计x、y、z三个轴与竖直向上方向的夹角分别为：α、β、γ。在变压器仅受重力的理想状态下加速度计x、y轴的理论输出值分别为：

当加速度计的三个测量轴完全相互垂直时，x0y相对于水平面的倾角等于z轴偏离竖直向上方向的角度，即：。

由此得到两种测量变压器相对于水平面倾斜角的计算方法：

① 单轴测量法：利用z轴的输出值求解倾角。

（7）

该式是单轴测量模式下z轴输出值对倾角的灵敏度。由该式知当变压器倾角较小时，单轴模式的灵敏度是很低的。

② 双轴测量法：利用x、y两轴的输出值求解倾角。（6）式表明，当变压器倾角较小时，双轴模式的灵敏度较高。

随着变压器倾斜角的增大，单轴模式的灵敏度会越来越高，而双轴模式的灵敏度会越来越低。以意法半导体公司的一款型号为LIS331DL的三轴数字式MEMS加速度计为例，其输出值寄存器是8位，量程为±2g时，试验结果表明当倾角在20°以内时，倾角平均每变化5.35°输出值寄存器才有一个单位数值的变化。

為防止变压器由于倾斜过大而引起结构变形，一般变压器的倾斜角上限为15°。为了提高在0～15°范围的测量灵敏度，宜采用双轴模式。

4 总结

本文给出了针对变压器在运输过程中的冲击强度及倾斜角的测控实现方案。现行的变压器冲击记录仪只能记录变压器的冲击加速度，无法给出变压器的倾斜状态。所设计的测控方案在保留冲击加速度测量功能的基础上，增加了测变压器倾斜角的功能，文中详细论述测量实现过程，并对所使用的数据融合方法进行了仿真。本文论述的测控方案对变压器运输过程状态测控研究有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]冯智勇，曾瀚，张力等.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报（自然科学版），2011（04）：137-141.

[2]邓海生，代斌，李勇.OSFPS-JT-750000/500分解运输式变压器的结构设计与现场安装[J].变压器，2011（05）：1-5.

[3]蒋海涛，郭战营.基于MEMS加速度传感器的飞行器倾角测量系统设计[J].计算机测量与控制，2011（01）：107-109.

[4]王有隆，陈福深.伺服加速度计用于高精度倾角测量的研究[J].电子科技大学学报，2001（08）：1-5.

[5]马洪连，郑保重，王伟.基于MEMS技术倾角测量系统的设计与实现[J].仪器仪表学报，2005（02）：185-187.

作者简介：李圣（1988-），男，山东泰安人，助理工程师，主要从事配网设备结构研究与设计工作。

*为通讯作者