多傳感信息融合技術(shù)的變壓器振動(dòng)噪聲分析、故障診斷的研究與應(yīng)用

譚展 武煒

摘 要：變壓器是發(fā)電廠和變電所的主要設(shè)備之一。變壓器的作用是多方面的不僅能升高電壓把電能送到用電地區(qū)，還能把電壓降低為各級(jí)使用電壓，以滿足用電的需要。傳統(tǒng)方法僅僅能夠提供變壓器故障和事故后的滯后信息。變壓器在線監(jiān)測的主要特點(diǎn)是通過連續(xù)監(jiān)測變壓器一段時(shí)間內(nèi)參數(shù)的變化趨勢來判斷變壓器運(yùn)行狀況。在線監(jiān)測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監(jiān)測的時(shí)效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。既提高了變電站運(yùn)行的管理水平，又可為狀態(tài)檢修體系奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：變壓器 ；噪聲振動(dòng)； 在線監(jiān)測 ；加速傳感器 ；數(shù)據(jù)庫管理

一、研究背景

隨著電力系統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)的不斷擴(kuò)大與發(fā)展，對電力系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更嚴(yán)格的要求。而作為電力系統(tǒng)中核心設(shè)備的變壓器的安全運(yùn)行顯得尤為重要，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響人們的正常生活水平和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

傳統(tǒng)的監(jiān)測變壓器狀態(tài)信息的方法是外觀檢查、理化、高壓電氣試驗(yàn)和繼電保護(hù)。目前國內(nèi)外在檢測變壓器性能時(shí)候，基本采用的都是傳統(tǒng)的檢測方法，傳統(tǒng)檢測變壓器狀態(tài)信息的方法是紅外測溫、鐵心接地電流、油色譜分析等?？梢园l(fā)現(xiàn)變壓器套管接頭是否發(fā)熱、鐵心（夾件）是否存在多點(diǎn)接地故障、發(fā)現(xiàn)變壓器油是否正常等3種缺陷。這些傳統(tǒng)方法僅僅能夠提供變壓器故障現(xiàn)象和事故后的滯后信息，即在事故過后才能獲得狀態(tài)信息，但是無法發(fā)現(xiàn)變壓器振動(dòng)噪聲缺陷。這與現(xiàn)代化狀態(tài)維護(hù)發(fā)展趨勢不相適應(yīng)，不能滿足對變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測的需要。

二、研究原理

變壓器產(chǎn)生振動(dòng)的原理：變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要來源于結(jié)構(gòu)振動(dòng)和硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵芯周期性振動(dòng)。在運(yùn)行的過程中，鐵心部分受到外部磁圈電流的干擾會(huì)產(chǎn)生一定的磁化現(xiàn)象，此種磁化現(xiàn)象是不可避免的。而振動(dòng)的頻率和振幅的變化都可能引起電抗器的潛在故障發(fā)生或故障，變壓器繞組之間進(jìn)行能量交換，也會(huì)產(chǎn)生磁場變換而引起變壓器振動(dòng)，因而監(jiān)測電抗器振動(dòng)情況隨時(shí)了解供電網(wǎng)絡(luò)的變化和電抗器的工作狀態(tài)是必需的。

因此，通過項(xiàng)目的執(zhí)行，形成 完整的變壓器振動(dòng)噪聲分析方法、變壓器負(fù)載變化對變壓器振動(dòng)的影響分析方法等一套完整的影響變壓器安全運(yùn)行因素的分析理論體系和實(shí)時(shí)在線檢測分析設(shè)備等為一體的系列成果。

三、具體方案

深入分析變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的原因：從變壓器的組成鐵芯、繞組、散熱、負(fù)載、結(jié)構(gòu)等個(gè)方面開展對變壓器的振動(dòng)進(jìn)行理論分析，明晰變壓器振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，形成變壓器在線監(jiān)測分析基本法則，通過變壓器振動(dòng)形成的機(jī)理，選擇驗(yàn)證采集信號(hào)的傳感器的可行性、合理性和可靠性。

變壓器在線監(jiān)測的主要特點(diǎn)是通過連續(xù)監(jiān)測變壓器一段時(shí)間內(nèi)參數(shù)的變化趨勢來判斷變壓器運(yùn)行狀況。在線監(jiān)測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監(jiān)測的時(shí)效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。既提高了變電站運(yùn)行的管理水平，又可為狀態(tài)檢修體系奠定基礎(chǔ)。振動(dòng)測試技術(shù)一般由傳感器、采集信號(hào)的分析和傳輸元件、變壓器專用專家分析仿真平臺(tái)等組成。

1.傳感器

根據(jù)變壓器工作的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作環(huán)境、振動(dòng)形成的情況，我們擬選用加速度傳感器作為振動(dòng)信號(hào)采集的傳感器。加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。由于被測對象變壓器現(xiàn)場電磁干擾必然非常嚴(yán)重，綜合各種傳感器的結(jié)構(gòu)和采集信號(hào)的方法，選用壓電式加速度傳感器來采集變壓器上的振動(dòng)。

壓電加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的，當(dāng)加速度計(jì)振動(dòng)時(shí)，加速度發(fā)生變化，加于壓電元件上的外力必然也會(huì)產(chǎn)生變化，若被測振動(dòng)的頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率，則外力的變化與加速度成正比。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，比較適合我們采集電抗器上的振動(dòng)信號(hào)。

2.采集信號(hào)的分析和傳輸元件

為了全面了解分析變壓器的振動(dòng)情況，需要采集大量的數(shù)據(jù)，因而對采集信號(hào)處理器、通信傳輸技術(shù)和ADC轉(zhuǎn)換器等都提出了嚴(yán)格的要求，我們擬采用高精度、大吞吐量的ADC、高速低功耗的嵌入式ARM、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)組成測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過ARM系統(tǒng)強(qiáng)大的軟硬件功能，完成數(shù)據(jù)采集、分析和采集數(shù)據(jù)傳輸。

3.變壓器專用專家分析仿真平臺(tái)研究：

開發(fā)一套可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、小波變換、傅立葉變換等數(shù)據(jù)處理分析的軟件，融合振動(dòng)采集數(shù)據(jù)、溫度采集數(shù)據(jù)為一體，提出變壓器故障分析報(bào)告和告警報(bào)告，并給出解決問題的基本原則。同時(shí)逐步完善各種變壓器的測試數(shù)據(jù)，形成強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)支持平臺(tái)。

4.變壓器振動(dòng)測試整個(gè)系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)：

變壓器一般工作在戶外，工作環(huán)境比較惡劣，其本身又產(chǎn)生很大的電磁場，而采集振動(dòng)噪聲、電流電壓、溫度等參數(shù)的傳感器都屬于敏感器件，極易受到環(huán)境的干擾，同時(shí)采集的信號(hào)又及其微弱，信號(hào)的信噪比非常小，也容易受到強(qiáng)電磁場的干擾，這樣我們的項(xiàng)目產(chǎn)品除了要克服自然惡劣的環(huán)境影響，更主要的是要克服無規(guī)律、復(fù)雜的、強(qiáng)大的電磁場干擾，同時(shí)也要保證我們的項(xiàng)目產(chǎn)品不能影響變壓器及電網(wǎng)的正常工作，因而電磁兼容設(shè)計(jì)將是項(xiàng)目研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一。

5.變壓器參數(shù)和故障參數(shù)數(shù)據(jù)庫

我們擬采用SQL Server據(jù)庫軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。由于變壓器的品種、材料、工況等參數(shù)繁多，每個(gè)品種變壓器的情況各不相同，而數(shù)據(jù)庫又是我們對故障和潛在故障分析的支撐，因而強(qiáng)大的變壓器參數(shù)和故障參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立也是本項(xiàng)目研究的難點(diǎn)之一，需要不斷的通過實(shí)踐進(jìn)行填充和完善。

要描述具體的理論研究步驟，現(xiàn)場試驗(yàn)的地點(diǎn)和試驗(yàn)計(jì)劃。需要建設(shè)試驗(yàn)手段的項(xiàng)目，要給出試驗(yàn)手段的結(jié)構(gòu)和作用；針對不同的變壓器建立不同振動(dòng)噪聲模型；應(yīng)用仿真計(jì)算，進(jìn)行變壓器振動(dòng)信號(hào)判斷方法研究及計(jì)算的軟件開發(fā)。

四：效果檢查

經(jīng)努力研制。多傳感信息融合技術(shù)的變壓器振動(dòng)噪聲分析、故障診斷裝置研制成功。通過連續(xù)監(jiān)測變壓器一段時(shí)間內(nèi)參數(shù)的變化趨勢來判斷變壓器運(yùn)行狀況。在線監(jiān)測捕捉到非瞬間故障的先兆信息，使變壓器監(jiān)測的時(shí)效性大大增加，解決了離線固有的缺陷，對主、大電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。既提高了變電站運(yùn)行的管理水平，又可為狀態(tài)檢修體系奠定基礎(chǔ)。

我們在西安供電公司一變電站使用多傳感信息融合技術(shù)的變壓器振動(dòng)噪聲分析、故障診斷裝置。2016年4月發(fā)現(xiàn)此變電站2號(hào)主變時(shí)常伴隨著噪音。從2017年至今我們一直堅(jiān)持每月不定期不定時(shí)對此2號(hào)主變進(jìn)行帶電測量。其中包括紅外測溫、鐵芯引下線接地電流、油色譜分析。但現(xiàn)有3種試驗(yàn)方法無法從數(shù)據(jù)顯示出缺陷癥結(jié)。2018年11月3日，我們使用研制出來的多傳感信息融合技術(shù)的變壓器振動(dòng)噪聲分析、故障診斷裝置。通過裝置測量，我們發(fā)現(xiàn)變壓器空載時(shí)的振動(dòng)特性數(shù)據(jù)和變壓器負(fù)載時(shí)的振動(dòng)特性數(shù)據(jù)均不在合格范圍內(nèi)，確定了缺陷位置。隨即將測量情況向領(lǐng)導(dǎo)上報(bào)，上級(jí)將結(jié)合停電計(jì)劃將此變壓器進(jìn)行全方面綜檢。

結(jié)束語：變壓器綜合在線監(jiān)測技術(shù)通過及時(shí)捕捉早期故障的先兆信息，不僅防止了故障向嚴(yán)重程度的發(fā)展，還能夠?qū)⒐收显斐傻膰?yán)重后果降到最低限度。變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)越之處是以微處理技術(shù)為核心，具有標(biāo)準(zhǔn)程序軟件，可將傳感器、數(shù)據(jù)采集硬件、通信系統(tǒng)和分析功能組裝成一體，彌補(bǔ)了室內(nèi)常規(guī)檢測方法和裝置的不足。變壓器綜合在線監(jiān)測技術(shù)通過及時(shí)捕捉早期故障的先兆信息，不僅防止了故障向嚴(yán)重程度的發(fā)展，還能夠?qū)⒐收显斐傻膰?yán)重后果降到最低限度。提高了運(yùn)行可靠性，延緩了維護(hù)費(fèi)用的投入，延長了檢修周期和變壓器壽命，避免了變壓器停電故障。由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的；同時(shí)解決了現(xiàn)今人才資源短缺等一系列安全生產(chǎn)問題。因此本改造方案作為成功案例，對同類型設(shè)備都有推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者簡介：

譚展，男，漢，1985年11月，陜西，工程師，本科，電氣工程及其自動(dòng)化。