基于振动的电力变压器状态监测系统设计

彭之彦 刘佳

【摘 要】论文演示了一种基于振动的电力变压器状态监测系统，该系统是以C++为开发语言，以EPC-8000为主板操作系统的控制平台的一种全新的基于振动设计的电力变压器监测系统，能够对变压器运行状态进行较为有效的监测和管理，并在出现故障时随时提出预警。

【Abstract】This paper presents a status monitoring system of power transformer based on vibration. The system is an absolutely new monitoring system of power transformer that designed based on vibration， which takes C++ as the development language and EPC-8000 as the control platform of the motherboard operating system. It can effectively monitor and manage the operation status of the transformer， and make alert at any time in case of failure.

【关键词】电力变压器；状态监测系统；电力控制

【Keywords】 power transformer； condition monitoring system； power control

【中图分类号】TM407 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0129-02

1 引言

在电力变压器使用过程中，由于绕组和设备磨损导致的铁芯压紧程度的降低都会在不同程度上使其短路发生概率提升，造成一定的安全隐患。电力变压器作为一种在输变电系统中重要的基础设施，其隐患排查是保障电网运行安全与稳定的基石。在当前我国主流的变压力监测方法中，有色谱分析是较为常用的一种变压器故障检测方法，并且广泛适用于油浸式变压器设备管理中。本文所演示的变压器监控系统采用的是振动采集法，通过多种传感器收集的系统数据并依据系统设定程序对变压器的状态进行综合评估，对变压器设计具有一定的指导意义。

2 电力变压器状态监测系统的硬件设计

在现代电力系统中，电力变压器作为重要的电力基础设备，其运行状态的稳定关系到电网运行的稳定性，因此对电力变压器的监测和控制十分重要。电力变压器的监测系统分为硬件和软件两大模块，其中硬件部分是系统运行的载体，也是系统设计的先要条件。硬件系统包括嵌入式工控机、调离模块、振动信号收集和传感器以及数据采集卡构成。其中数据采集卡主要负责对模拟信号的采集和整理，而嵌入式工控机则负责对软件信号的控制，并对变压器的运行状态加以控制。在工作环境中，由于电磁干扰较强，电缆的选用也相对苛刻，为了降低电磁干扰对数据信息精确度的影响，建议选择使用同轴电缆来进行系统电信号的传输与铺设。

2.1传感器以及信号调理模块

一般情况下，电力变压器的振动信号频率一般在10khz以内，该监测系统使用的振动传感器为CA-RW-185加速度传感器。加速度传感器的电路设计中，一侧为压电式传感器，另一侧为调离电路，两种模块的设计主要是为了对加速度信号进行放大和滤波。此外，为降低电磁干扰和噪声对传感器信号的影响，会局部对电缆电信号进行屏蔽处理。

2.2 主板和数据采集卡模块

变电站内电磁场信号比较冗杂，在这种电磁环境下，工控机主板为了保障信号来源的稳定，必须要能够应对一定强度的电磁干扰。理论上来说，工控机应当能够进行多道数据的算法调节，这就对主控板的运算速率和硬件性能提出了更高的要求。此外，变压器的运行状态需要进行数据记录，并在一年至两年的运行数据要随时通过信息档案进行查看，最终选择EPC-8000主板进行安装。数据采集卡的选择要考虑到数据传输的即时性，并且保障系统采样率和稳定性，因此对振动信号的收集要全面而可控，最好能够覆盖2-10kHZ频率内的所有信号。基于硬件需求，最终选择使用16位的PCM-8365TB数据采集卡，这种数据采集卡的好处在于其每个端口都具备过压保护功能，安装时A/D端口接地，通过PC/108总线进行连接。

2.3 无线通信模块设计

为保障监测结果的即时性，需要构建高效稳定的无线通信系统便于监测过程中的信息沟通。该电力变压器的无线通信模块采用的是DTU通信模组，能够与Internet连接并同时通过物联网和移动通信网络进行信息的收发处理。首先，最高级别的数据监控中心会通过内部网络向监控终端提出信息数据的请求，这时系统会通过IP地址及ID号码找出监控终端的具体位置。然后，监控终端会开始相应信息指令，并通过GPRS移动通信网络将监控数据发送到各个端口，最后完成整套的通讯应答流程和信息的交互。

3 基于振动的测点选择与监测方法

3.1 振动测点的选择与故障定位

做好振动测点的选择是保障变压器监测效果的基本前提，在電力变压器使用过程中，变压器各级铁芯和绕组的设备振动是进行监测的数据来源，因此对振动测点的选择也要尽量布置在信号覆盖率高的区域。经过设计部门的反复侦测和路径分析，决定在正面中部布置振动测量点，其布置设计见图1。

传统电力变压器的故障定位原理为：通过收集振动信号数据，对振动传播的路径与时间进行传播时差分析，进而找出变压器故障的大致位置。由于变压器内部空间较为紧密，且尺寸有限，因此振动信号的传播时差也非常微弱，在电磁干扰较强的环境下，变压器的故障难以得到有效分辨，对变压器故障位置的定位非常困难。本文所引荐的变压器机械故障监测系统是基于最新的变压器故障监测原理，经研究人员调查发现：机械设备的振动信号传播与传统电信号传播有着一定的差异，振动信号在变压器内进行传播时衰减程度与空气传播效果完全不同。尽管这一理论有待进一步的优化和认识，但是对于新型变压器的研究和设置已经具备了一定的理论参考价值。我们可以依据振动信号在不同变压器内的信号传播途径差异和振动信号的衰减特性来推导出变压器故障的所在位置。在变压器内传感器位置的变化能够初步附带故障特性，进而实现故障的精确定位。

3.2 故障诊断的具体方法

鉴于变压器的常见故障类型包括绝缘体弱化、铁芯松动和绕组形变等，因此对变压器故障的判断也要分别进行实验分析，来保障振动信号监测的系统性和科学性[1]。在进行程序开发前要分别对故障和无故障两种状态进行区分性实验，并收集这种状态下的变压器振动信号反馈，进而构建统一的信号反馈程序。实验样本的收集要分多次进行，才能保障数据测试结果的可靠性。首先，要对实验测试出的振动信号结果进行基础的滤波和降噪处理，避免测试结果受到电磁或噪音的干扰；其次，对已经测出的振动信号进行频谱分析，进而将频率分量分离出来，提出振动信号的阀值和故障位置；最后，计算频数总值，实现对不同故障类型的有效识别。

4 实例分析结果

本章提取铁芯松动模式下的振动频率比较结构，此时可以发现在变压器松动状态下振动频率会产生明显变化。其详细数值见表1。

通过表1的振动幅值比较结果可以发现，在变压器为松动状态下时，比常规模式下的振动幅度频率要高出1.5倍左右，因此我们可以通过设置频率阀值来对电力变压器的故障进行判断。最后，在软件系统设置方面，需要软件系统具备三项基本功能，控制、曲线显示和存储分析功能，其中监测系统的控制是由系统时间来负责监管的，而FFT测试及波形图的控制则要由软件开发部门进行整备。一般情况下，软件的默认系统存储格式为文本，当系统需要对数据进行制备采集时，则要通过默认路径对数据进行存储，并且使数据内容保存至少一年以上，定期对数据反馈进行采样和整理。

5 结论

综上所述，本文所开发的基于振动的电力变压器监控系统能够有效提升电力变压器的状态监测质量，优化监测效果，通过提取振动特征量和常态振动参数相比较的方法实施对电力变压器运行状态的在线监测，具有良好的推广和应用价值。望本文研究内容得到相关电力企业的关注和重视，深化软件应用和技术创新，更好地推进电力变压器设计研究，为电力变压器研究设计总结技术经验，提供建设性意见。

【参考文献】

【1】何苗忠，王丰华，钱国超，等.基于.NET框架的变压器振动噪声综合分析系统设计与开发[J].电力系统自动化，2017，41（15）：150-154.