CN101709995A - 电力变压器振动在线监测及故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，该方法包括：以变压器油箱表面振动、变压器的电压、电流和油温，以及反映变压器振动源风扇和油泵开启状态的开关量为基本监测参量进行监测，监测参量经信号调理后进行连续的同步波形数据采样、处理和保存，再将处理后的波形数据进行连续实时显示，对波形数据进行信号分解，多参量相关性分析和特征矢量值提取，对比特定变压器的各种特征矢量阈值对变压器的运行状态和故障进行分析与诊断。本发明能够实时地对电力变压器的工作状态进行监测，提供预警和变压器故障状况的分析与诊断，保障变压器的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力变压器工作状态的监测方法，特别是一种电力变压器工作状态在线监测和故障诊断方法。
背景技术
大型电力变压器是电力系统各种设备中十分重要且贵重的关键设备之一，其安全运行对保证电网安全、可靠意义重大。大型电力变压器在运行时一旦发生事故，检修期很长，检修费用很高，还可能导致突然的大面积停电，从而造成巨大的直接和间接的经济损失。如果对运行中的电力变压器进行在线的状态监测和故障诊断，及时发现变压器的异常、故障及损伤，不仅可以预防变压器突发事故的发生，而且能够改变定期停工维修为状态维修，从而延长变压器寿命，大大降低运行成本。
目前变压器在线状态监测和故障诊断的方法主要是油样色谱法，但该方法对可能诱发变压器更大故障的机械结构缺陷无能为力，而且由于分析过程长难以及时诊断瞬时突发故障的来源和程度，使用成本也较高。振动分析法对变压器主要部件铁心、绕组和有载分接开关(OLTC)的状态和故障反应灵敏，并且与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，从而可以快速、安全、可靠地达到实时在线监测的目的。
专利号为ZL200810102885.0的中国专利公开了一种受直流偏磁影响交流电力变压器振动与噪声在线监测方法，由监测的噪声确定振动监测点位置，通过周期性采集油箱表面振动信号，比较变压器出现直流偏磁前后振动的峰值及主要谱值和趋势实现对电力变压器的在线监测。但该方法针对一种特定的变压器有无直流偏磁状况下的振动参数分析，不能给出变压器绕组、铁心和有载分接开关等主要故障部件的状况，由于没有引入和采样与变压器振动关联的变压器工作电压、电流、油温和风扇、油泵等工作状态的信号，其状态监测的准确性、有效性和实用性都有一定的局限。
发明内容
本发明提出一种基于电力变压器的振动在线监测与故障诊断方法，可以长期实时地对电力变压器进行监测，提供预警和变压器主要部件绕组、铁心和有载分接开关故障状况的分析与诊断，保障变压器的安全稳定运行。
本发明提出的基于振动的电力变压器在线监测与故障诊断方法，优选使用以下设备：
监测参量传感器，包括振动传感器、电压电流互感器、温度传感器和继电器触点，用于对电力变压器各主要部件的工作状态的信号进行监测；
信号调理和采集模块，和所述的监测参量传感器连接，用于对监测参量传感器监测的信号进行抗混叠滤波、放大等调理及信号采集、报警、数据传输、处理和保存；
分析诊断终端，和所述的信号调理和采集模块连接，获取信号调理和采集模块传输的数据，用于实现对各种数据图谱的显示与分析，变压器运行状态的分析与故障诊断；
所述的方法包括以下步骤：
(1)对电力变压器工作状态中的各种监测参量进行监测，对监测参量信号进行连续实时采集、数据处理、报警和趋势分析；
所述的监测参量为变压器油箱表面振动，变压器电压和电流、变压器油温和开关量；
a设置监测的参数，所述的监测参数包括监测参量的名称、测点号，所述的变压器油箱表面振动传感器的灵敏度，所述的变压器电压、电流互感器的变比值，采样频率和采集方式；
b、设定监测参量信号的采集方式，信号调理和采集模块对所有监测参量信号进行放大和抗混叠滤波预处理，对预处理后的信号进行连续的同步波形数据采集；所述的采集方式为间隔10秒的连续自动方式和手动触发方式，由监测参数设置设定，参数设置还包括报警阈值设定、变压器油箱表面振动加速度传感器灵敏度设定、变压器电压和电流的变比值和变压器油箱油温温度传感器的灵敏度的设定。
c、信号调理和采集模块对采集后的波形数据进行计算处理，得到各监测参量的静态数据；所述的静态数据包括振动信号的峰峰值、有效值和1～8次谐波值，变压器电压和电流的有效值以及变压器油温值和开关量值。
d、在信号调理和采集模块中，设置变压器油箱表面振动信号的峰峰值的阈值，当变压器油箱表面振动信号的峰峰值超过所述的阈值时产生报警，记录并冻结报警时刻变压器油箱表面振动、变压器电压和电流信号的波形数据和报警时刻前后各15次采样的静态数据，作为报警数据。
e、将步骤(c)中得到的各监测参量静态数据以10分钟和1小时为间隔计算记录最大值、最小值和平均值，作为趋势数据；
(2)分析诊断终端对采集的监测参量的波形数据和静态数据进行连续实时显示，对趋势数据和报警时冻结的报警数据进行显示与分析。
a、对采集到的变压器油箱表面振动信号、变压器电压和电流信号的数据以波形、棒图的形式进行连续实时显示，对静态数据的数据表进行连续实时显示；对当前5分钟内监测数据以10秒为间隔的实时趋势图进行连续实时显示；对变压器油箱表面振动的波形数据、变压器电压和电流的波形数据进行傅立叶变换和傅立叶频谱连续实时显示；对变压器油温、开关量值进行连续实时显示；
b、对所有被监测参量包括经计算处理后的静态数据进行以10分钟为间隔的当前24小时最大值、最小值和平均值的趋势数据分析，以1小时为间隔的某一天最大值、最小值和平均值的趋势数据分析；对报警时刻的波形、频谱和报警时刻前后各15次采集的静态数据即报警数据进行显示与分析；
(3)对获得的监测参量的波形数据进行信号分解、多参量相关性分析和特征值提取。
(4)根据提取的特征值，与特征数据库中特定变压器特征矢量阈值进行对比，判断变压器的运行状态与故障原因；
所述的变压器油箱表面振动为变压器油箱表面振动的加速度，所述的变压器电压为变压器高压侧电压，所述的变压器电流为变压器高压侧电流，所述的开关量参量为除绕组和铁心外其他振动源如风扇和油泵的继电器触点信号。
所述信号调理和采集模块通过以太网或RS-232串行接口与分析诊断终端进行数据传输。
所述故障分析诊断模块通过故障分析诊断算法软件对从所述信号调理和采集模块得到的所述监测参量波形数据进行信号分解、多参量相关性分析和特征提取计算，所提取的特征值与变压器各部件的故障特征阈值作对比，从而进行变压器各部件的运行状态与故障的分析和诊断。
所述的变压器油箱表面振动监测采用振动加速度传感器，所述变压器电压和电流监测采用电压和电流互感器，所述变压器油箱油温监测采用热电阻温度传感器及其变送器，所述开关量监测采用继电器的触点信号。所述的变压器邮箱表面振动、变压器电压和电流监测的通道数各为四路，所述变压器油箱油温监测通道为一路，所述开关量监测通道为八路。
变压器油箱表面振动测点位置在变压器油箱表面能够反应绕组、铁心和有载分接开关的振动敏感点，所述变压器电压、电流可以根据需要选择高压侧或低压侧的电压、电流，所述开关量参量为变压器风扇和油泵等振动源的继电器触点信号。
所述分析诊断终端中建立的数据库包括监测参数数据库和特征数据库，所述监测参数数据库可对所述信号调理和采集模块的所述监测参量采集方式与物理量显示进行设置和修改，所述的特征数据库，用于保存实时监测的变压器油箱表面振动信号的峰峰报警阈值、特定变压器的参数和变压器特征矢量阈值。
所述监测参数数据库包括所述监测参数的名称、测点号、所述振动加速度传感器的灵敏度、所述电压、电流互感器的变比值、采样频率和采样方式，所述采样方式为用于稳态振动监测的连续自动采样方式或用于瞬态振动监测的手动触发采样方式，所述监测参数数据库设定或修改后通过所述RS-232串行接口发送到所述信号调理和采集模块。
本发明通过监测电力变压器油箱表面振动以及电压、电流、温度等实现电力变压器在线状态监测和故障诊断的方法，可以长期实时地对电力变压器进行监测，给出变压器绕组、铁心和有载分接开关等主要故障部件运行状况的分析与诊断，其状态监测的准确性、有效性和实用性都有显著提高，能够保障变压器的安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明的设备结构组成示意图；
图2是本发明的信号调理和采集模块的原理示意图；
图3是本发明的故障分析与诊断方法流程示意图。
图4是本发明的某一时刻振动信号的实时波形示意图；
图5为图4的实时波形的频谱示意图
图6是本发明的报警事件波形示意图；
图7是本发明某一天24小时的振动信号的趋势数据分析示意图；
具体实施方式
参照图1，实现本发明的结构由监测参量传感器、信号调理模块和分析诊断终端组成。传感器包括振动传感器、电压电流互感器、温度传感器及其变送器和继电器触点。传感器输出经电缆连接到信号调理和采集模块，信号调理和采集模块通过以太网或RS-232串行口与分析诊断终端相连接进行数据通信。信号调理和采集模块实现对各类信号的滤波、放大等调理、信号采集、数据保存、报警和处理，分析诊断终端主要实现各种图谱的显示与分析，变压器运行状态的分析与故障诊断。
参照图2，信号调理和采集模块由振动加速度信号调理模块、电压电流信号调理模块、温度信号调理模块、开关量信号调理模块、A/D模块、CPU模块、通信模块和电源模块组成。
各种监测参量首先经过相应的信号调理模块，调理模块输出到A/D模块进行采样，数据处理后，并通过通信模块传输数据，CPU模块负责对采样模块和通信模块的控制。监测参量为变压器油箱表面振动，变压器电压和电流、变压器油温和开关量；所述的变压器油箱表面振动为变压器油箱表面振动加速度，所述的变压器电压为变压器高压侧电压，所述的变压器电流为变压器高压侧电流，所述的开关量参量为除绕组和铁心外其他振动源如风扇和油泵的继电器触点信号。信号的振动加速度信号调理模块实现对ICP压电加速度传感器的恒流供电、信号放大和抗混叠滤波，抗混叠滤波器的截止频率为2kHz；电压电流信号调理模块对各种等级的电压电流信号实现信号转换、放大和抗混叠滤波；温度信号调理模块对温度变送器的输出进行信号转换、放大和滤波；开关量调理模块实现继电器触点信号的转换与隔离；A/D模块对全部监测参量实现信号采集，考虑到各参量之间的相关特性和后续的分析诊断需要，采集方式采用所有通道同步采样。
根据变压器振动的特性，采样频率设定为4kHz。通信模块提供信号调理和采集模块与分析诊断终端之间的实时双向通信，通信模块设计有两个通信接口，以太网接口用于远程的网络通信，RS-232串行接口用于现场通信，包括参数设置。CPU模块实现信号采集、存储、处理和通信功能。根据实际需求，采样可以设定为连续采样方式和手动触发采样方式，在变压器稳态运行状况下，CPU模块控制A/D模块以10秒为间隔进行连续采样，在变压器特定状况下如投切过程，采样采用人工触发方式，采样频率和采样时间长度均可根据需求设置，对信号的每次采样均采样其波形数据。
参照图1、图2和图3，本发明内容包括在线监测和故障诊断。信号调理和采集模块每次对信号进行连续实时同步波形数据采样后，计算同步波形数据的静态数据，包括变压器油箱表面振动的峰峰值、有效值和1～8次的谐波值，变压器电压和电流信号的有效值，以及变压器油温值和开关量值。监测参量的静态数据以10分钟和1小时为间隔计算记录最大值、最小值和平均值，作为趋势数据；用计算得到的变压器油箱表面振动信号的峰峰值与设定的振动信号峰峰报警阈值比较，若超过报警阈值，进行报警事件处理，冻结报警时刻所有监测参量的波形数据和报警前后各15次采样的静态数据，作为报警数据。
分析诊断终端通过以太网从信号调理和采集模块获取数据并进行显示与分析，对实时数据以连续方式，即实时刷新每次采集的数据，包括图4所示的振动信号波形图、图5所示的频谱图，对报警事件和趋势分析，分析诊断终端向信号调理和采集模块下发命令，根据设定的参数获取数据并显示和分析，报警时的报警数据，如图6所示的振动信号波形图、表1所示的报警前后的静态数据：
表1
| -150秒 | -140秒 | -130秒 | -120秒 | -110秒 | -100秒 | -90秒 | -80秒 | -70秒 | -60秒 | -50秒 | -40秒 | -30秒 | -20秒 | -10秒 | |
| p-p(g) | 3.54 | 3.56 | 3.60 | 3.61 | 3.60 | 3.60 | 3.60 | 3.59 | 3.59 | 3.61 | 3.61 | 3.62 | 3.62 | 3.62 | 3.61 |
| RMS(g) | 0.79 | 0.79 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.79 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 | 0.80 |
| 100Hz(g) | 0.45 | 0.46 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.46 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 | 0.47 |
| 200Hz(g) | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| 300Hz(g) | 0.63 | 0.65 | 0.68 | 0.69 | 0.68 | 0.68 | 0.68 | 0.67 | 0.67 | 0.69 | 0.69 | 0.70 | 0.70 | 0.70 | 0.69 |
| 400Hz(g) | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.09 |
| 500Hz(g) | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 |
| 600Hz(g) | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 |
| 700Hz(g) | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 800Hz(g) | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 电压(KV) | 508.5 | 508.6 | 508.5 | 508.5 | 508.5 | 508.4 | 508.5 | 508.5 | 508.5 | 508.5 | 508.5 | 508.4 | 508.5 | 508.5 | 508.5 |
| 电流(A) | 423.2 | 423.1 | 423.2 | 423.2 | 423.2 | 423.3 | 423.2 | 423.2 | 423.2 | 423.2 | 423.2 | 423.3 | 423.2 | 423.2 | 423.2 |
| 温度1(℃) | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 | 58.5 |
| 温度2(℃) | 57.4 | 57.7 | 57.7 | 57.7 | 57.7 | 57.6 | 57.7 | 57.6 | 57.7 | 57.7 | 57.7 | 57.8 | 57.7 | 57.6 | 57.7 |
| 温度3(℃) | 59.3 | 59.3 | 59.2 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.2 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.3 | 59.3 |
| 温度4(℃) | 55.0 | 55.1 | 55.1 | 54.9 | 54.9 | 54.9 | 54.9 | 54.9 | 54.9 | 55.0 | 54.9 | 54.9 | 55.0 | 54.9 | 54.9 |
通过分析报警时刻的波形和频谱数据以及报警前后记录的报警数据能够对发生本次振动报警的状态和原因有个初步的认识；趋势数据如图7所示，为选定日期的某个参量如变压器油箱表面振动信号的最大值、最小值和平均值，比较其他参量及其静态数据的变化和互相的相关性，能够得出变压器运行状态的一些有用结果。分析诊断终端设计有特定变压器的特征数据库，包括变压器的电气和机械参数、绕组和铁心的振动特征矢量，从信号调理和采集模块获得的实时数据或报警数据等历史数据，分析诊断模块对振动信号进行分离处理，对分离后的绕组和铁心振动信号的波形数据进行基于多参量相关性的特征提取和特征矢量计算，比较特征库中的特征矢量阈值，计算出变压器运行状态和部件故障的评价值。
分析诊断终端还设计有监测参数数据库，包括各种传感器的灵敏度，峰峰报警阈值，采样频率，采集方式和采样时间长度，监测参量信号包括监测变压器用户信号及测点位号。分析诊断模块可以对监测参数数据进行修改，并通过RS-232串行接口下发到信号调理和采集模块，信号调理和采集模块以新的参数进行采集和处理。
本发明所述电力变压器的监测对象主要为绕组、铁心、有载分接开关等变压器主要振动部件。本发明所述的信号调理和采集模块中A/D模块和CPU模块可以采用PC104模块，分析诊断模块可以在普通PC机上运行，程序编程可以采用LabVIEW平台结合c语言，数据库可以采用SQL Server数据库。
Claims (6)
1.一种电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
(1)对电力变压器工作状态中的各种参量进行监测，对监测参量信号进行连续采集、数据处理、报警和趋势分析；
所述的监测参量为变压器油箱表面振动，变压器电压和电流、变压器油温和开关量；
a、设定监测参量信号的采集方式，对所有监测参量信号经放大和抗混叠滤波预处理后进行连续实时同步波形数据采集；
b、对采样后的波形数据进行计算处理，得到监测参量的静态数据；
所述的静态数据包括变压器油箱表面振动信号的峰峰值、有效值和1～8次谐波值，变压器电压和电流信号的有效值以及变压器油温值和开关量值；
c、设置变压器油箱表面振动信号的峰峰值的阈值，当变压器油箱表面振动信号的峰峰值超过所述的阈值时产生报警，记录并冻结报警时刻变压器油箱表面振动、变压器电压和电流信号的波形数据和报警时刻前后各15次采样的静态数据，作为报警数据；
d、将步骤b中得到的监测参量的静态数据以10分钟和1小时为间隔计算记录最大值、最小值和平均值，作为趋势数据；
(2)对采集的波形数据及其频谱和静态数据进行连续实时显示，对趋势数据和报警数据进行显示；
(3)对获得的监测参量的波形数据进行信号分解、多参量相关性分析和特征值提取；
(4)将步骤(3)中提取的特征值，与特征数据库中保存的特定变压器特征矢量阈值进行对比，判断变压器的运行状态与故障原因；
所述的特征数据库，用于保存实时监测的变压器油箱表面振动信号的峰峰报警阈值、特定变压器的参数和变压器特征矢量阈值。
2.根据权利要求1所述的电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：在步骤(1)中，采集监测参量信号时设置监测参量的监测参数，所述的监测参数包括监测参量的名称、测点号，所述的变压器油箱表面振动传感器的灵敏度，所述的变压器电压、电流互感器的变比值，采样频率和采样方式。
3.根据权利要求1所述的电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的对变压器油箱表面振动的监测为监测变压器油箱表面振动的加速度，所述的变压器电压为变压器高压侧电压，所述的变压器电流为变压器高压侧电流，所述的开关量为变压器振动源风扇和油泵的继电器触点信号。
4.根据权利要求1所述的电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的采集方式为间隔10秒的连续自动方式或手动触发方式。
5.根据权利要求3所述的电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：所述采样方式通过参数设置设定，参数设置还包括报警阈值设定、变压器油箱表面振动加速度传感器灵敏度设定、变压器电压和电流的变比值和变压器油箱油温温度传感器的灵敏度的设定。
6.根据权利要求1所述的电力变压器振动在线监测及故障诊断方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的对采集的波形数据及其频谱和静态数据进行连续实时显示，对趋势数据和报警数据进行显示与分析包括；
(1)对采集到的变压器油箱表面振动信号、变压器电压和电流信号的数据以波形、棒图的形式进行连续实时显示，对静态数据的数据表进行连续实时显示；对当前5分钟内监测数据以10秒为间隔的实时趋势数据图进行连续实时显示；对变压器油箱表面振动的波形数据、变压器电压和电流的波形数据进行傅立叶变换和傅立叶频谱连续实时显示；对变压器油温值、开关量值进行连续实时显示；
(2)对所有被监测参量包括经计算处理后的静态数据进行以10分钟为间隔的当前24小时最大值、最小值和平均值的趋势数据分析，以1小时为间隔的某一天最大值、最小值和平均值的趋势数据分析；对报警时刻保存的报警数据进行显示与分析。
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