基于变压器振动的监测系统研究

谢传真

摘要：变压器是电力系统的重要设备，变压器振动反应着内部绕组与铁芯的机械状态，通过振动信号采集、特征提取、分析可以判断变压器运行状态，对变压器安全评估提供意见。

关键词：变压器振动;信号处理;在线检测

在线监测系统通过对变压器表面振动的监测、分析与诊断获得变压器的运行状态和故障信息。这种诊断方法与整个电力系统没有电气连接，不需要停用变压器而损失负荷，传感器可以灵活快速布置在变压器箱体表面，便于对投运变压器改造，可以快速、安全、可靠地实现变压器在线状态监测与故障诊断的目的。在提倡状态检修的情况下，对于变压器运行状况的评估具有实际意义。

一、在线监测系统研究

针对变压器内部铁芯和绕组松动、变形、绝缘垫损坏等异常现象，利用变压器箱体表面的振动信号进行分析处理，提出基于变压器内部异常振动的无线通信在线监测系统，实现变压器异常振动在线监测，以评估变压器的运行状态。

1.1监测算法的研究

首先探究變压器振动机理，变压器振动信号特性。通过查询资料已经知道，变压器振动主要来源于铁芯和绕组两部分，且理论上振动基频为加载电压和负载电流频率的两倍，由于变压器铁芯材料、垫圈材料存在非线性等原因，铁芯磁通密度波形并非标准正弦波，大量实验表明振动除了基频分量外，含有大量高次谐波分量。另一方面，冷却系统的振动需要通过硬件或算法进行过滤以免干扰对故障的判断。因此，监测算法从振动信号中提取有效的振动信息，利用振动的幅值特性或振动的频域特征，设定相应的阈值，以鉴别故障情况。

1.2系统硬件的设计

硬件上主要有振动传感器、采集单元、处理器、通信模块、电源模块、显示模块等。振动传感器的选择考虑振动信号频率范围并且能够可靠工作。为了避免电缆接线等对振动信号的干扰，采取无线通信方式，可以灵活布置传感器，也可以布置多个传感器构建无线传感网络。由于现场的电磁环境比较特殊，所选择的处理器和通信模块要有较强的抗电磁干扰能力，并且考虑到电源供电问题，尽量采取体积小、功耗低的模块。电源应能够持续稳定地为各单元提供电源，除电池外加装电磁场能量搜集或太阳能等方式进行充电，具备电源监控功能。

1.3功能软件的实现

在线监测系统软件具备实时数据采集、信号处理、协调通信、信息上报、人机交互等功能。数据采集和处理要能够保证信号不失真，通信上要能够协调多个传感器协同工作，信息上传和人机交互要简单明了。设计合理的程序流程，使系统简单易用，并且能够与变电站内现有资源进行结合。

二、在线监测系统的实现方案

2.1基本思路：在线监测系统主要分为无线通信采集终端和在线监测主机

无线通信采集终端通过安装在变压器箱体上的振动传感器采集变压器振动信号，经过数据处理模块滤波放大、量化、编码等一系列处理转化为数字量信号，再将数字信号通过无线通信方式发送给在线监测系统主机。在线监测主机可安装在变压器边上的本体端子箱内，距离变压器10M以内，因此无线通信拟采用ZigBee技术，ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。

在线监测主机将收到的振动信号按程序算法进行分析处理，处理后得出振动特征参数，同时在线监测系统主机接收来自电流传感器的模拟电流信号并进行模数转换处理，将振动特征参数与电流参数结合形成电流-振动数据。变压器正常运行时在线监测主机已预先进行电流和振动信号采集，形成电流-振动特性曲线并保存为特性表，监测主机输入按一定的裕度计算的定值，形成电流-振动预警线。当实时运行的电流-振动参数经与预警线对比，若超过预警值，则监测主机发出异常 振动告警信号给原有设备，原有设备将告警信号上送到变电站及调度监控系统。

2.2硬件设计：硬件设计分为在线监测主机和无线通信采集终端

在线监测主机主要的功能是接收与处理变压器振动信号和电流信号，分析处理变压器信号量，通过人机界面设置定值，判断变压器是否存在异常振动现象，并将异常振动告警信号接入到原有设备，变电站监控系统和调度监控系统将收到告警信号。在线监测主机包括以下模块：主控芯片模块、无线通信模块、数据处理模块、人机交互模块、信号开出模块、电源模块。

无线通信采集终端主要功能是利用振动传感器采集变压器振动信号，数据处理模块将振动信号转换处理后，通过无线通信模块将信号发送给在线监测主机，电源模块为各硬件提供稳定的电源，具备一定的续航能力，减少维护工作量。无线通信采集终端包括以下模块：振动传感器模块、数据处理模块、无线通信模块、电源模块。

2.3软件设计：软件设计可分为任务级程序设计和系统级程序设计

任务级程序设计是对实现某种具体功能的程序进行设计，如数据采集程序负责在线监测主机向无线通信采集终端发送开始采集命令后，无线通信采集终端立即进行采样、量化、编码，并将数据传递给无线通信模块;无线通信程序负责采样数据与控制命令的收发，人机交互程序负责键盘输入与液晶显示;信号分析程序负责对振动信号按某种算法并提取特征参数。而系统级程序设计即是对嵌入式操作系统进行设计，实现CPU管理、内存管理、外设管理、任务管理等功能，对多任务进行切换和调度，以提高CPU利用率。因此在线监测系统软件设计应包含：数据采集程序设计、无线通信程序设计、人机交互程序设计、信号分析程序设计、嵌入式操作系统设计。

2.4研发流程：研发流程分为仿真调试、实物调试和现场调试三个阶段

首先进行功能与目标的确定，然后对软硬件功能细化描述，对软硬件结构进行设计，利用计算机仿真软件设计电路和编程软件编译代码，通过软硬件结合进行仿真试验。若仿真调试失败，则对软硬件设计进行修改;仿真调试通过则进入实物电路设计组装，同时根据实物电路对程序进一步优化，完成后进行实物调试阶段。调试若失败，则进一步调整电路、优化程序;实物仿真调试通过，则进行现场实际调试。现场安装，根据变压器运行情况设置参数，模拟异常振动，在线监测装置是否正确告警。现场调试失败，者重新优化程序;现场调试通过，编辑相关的资料归档，完成设计。

结束语

电力系统最重要的设备就是变压器，它是否可靠运行，影响着整个电网的安全。针对变压器的特殊性，宜采用在线监测的方法进行隐患排查，振动分析方法就提供了一种在不停电情况下对变压器运行状态做出判断的方法。

参考文献

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