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

【摘 要】論文演示了一種基于振動的電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以C++為開發(fā)語言，以EPC-8000為主板操作系統(tǒng)的控制平臺的一種全新的基于振動設(shè)計的電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)ψ儔浩鬟\行狀態(tài)進行較為有效的監(jiān)測和管理，并在出現(xiàn)故障時隨時提出預警。

【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.

【關(guān)鍵詞】電力變壓器；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；電力控制

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

【中圖分類號】TM407 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）08-0129-02

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)采集卡主要負責對模擬信號的采集和整理，而嵌入式工控機則負責對軟件信號的控制，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?；谟布枨?，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。

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。其詳細數(shù)值見表1。

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)時間來負責監(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，軟件的默認系統(tǒng)存儲格式為文本，當系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進行制備采集時，則要通過默認路徑對數(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。

【參考文獻】

【1】何苗忠，王豐華，錢國超，等.基于.NET框架的變壓器振動噪聲綜合分析系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，41（15）：150-154.