CN105606933A - 一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，包括用于获取信号信号采集模块、用于将信号转换为数字化的二进制编码的数据采集模块、通信模块和用于对所监测的信号实时显示波形，并用于分析判断换流变压器是否故障的监控中心；所述信号采集模块包括用于采集振动信号的振动信号采集装置、用于采集噪声信号的噪声信号采集装置、用于采集换流变压器三相电压电流信号和换流变压器中性点电流信号的霍尔传感器。本发明能够实时采集三相电压、电流以及中性点电流并上传至监控中心实时显示它们的波形；能够实时的采集换流变压器的振动和噪声信号，并通过通信模块上传到监控中心，可实时显示换流变压器振动噪声波形以及对其进行频谱分析，实现换流变压器实时在线监测。

Description

一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统
技术领域
本发明属于换流变压器在线监测领域，尤其涉及一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统。
背景技术
换流变压器作为换流站中最重要的设备之一，其可靠性对整个直流输电系统的正常运行起着至关重要的作用，换流变压器一旦发生故障，对输电系统的影响很大，且检修强度大。因此实时在线监测换流变压器的运行状态具有非常重要的意义。
目前检测换流变压器的方法可分为在线监测和离线检测。离线检测基本上都需要将换流变压器退出正常运行，对一个正在服役的换流变压器进行离线检测与诊断会带来较大的经济损失。常用的换流变压器油色谱在线检测法，通过检测换流变压器中的气体成分，达到监测换流变压器运行状态的目的。通常情况下气相色谱分析需要在实验室中完成，并且极其复杂、耗时。人工取样分析过程中，又会产生各种各样的误差。
现有的换流变压器振动监测系统硬件电路繁琐，以单一的振动信号来反映换流变压器绕组变形存在着一定的误差。并且不能实时显示振动信号的波形，难以分析换流变压器当前所处的运行状态，也难以判断换流变压器的运行状态的发展趋势。因此，需要一种更准确，更全面的换流变压器在线监测系统。
发明内容
为了更好的实现换流变压器的在线监测，掌握换流变压器的运行状态，本发明提供了一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统。该监测系统将换流变压器绕组和铁芯的振动信号与噪声信号相结合，能够更加准确地反映换流变压器绕组变形以及铁芯振动情况；同时结合换流变压器的三相电压电流、中性点电流信号，能够全面的监测换流变压器的运行状态。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，包括信号采集模块、数据采集模块、通信模块和监控中心；所述信号采集模块用于获取信号；所述数据采集模块用于将信号转换为数字化的二进制编码，经通信模块实时传到监控中心，监控中心用于对所监测的信号实时显示波形，并用于分析判断换流变压器是否故障；所述数据采集模块包括电荷放大器、滤波电路、信号调理电路和数据采集卡；所述信号采集模块包括用于采集振动信号的振动信号采集装置、用于采集噪声信号的噪声信号采集装置、用于采集换流变压器三相电压电流信号和换流变压器中性点电流信号的霍尔传感器，霍尔传感器能够有效的采集原边的直流分量，所述振动信号采集装置和噪声信号采集装置的输出端相连接后依次与电荷放大器、滤波电路和数据采集卡连接；霍尔传感器将采集到的信号发送给信号调理电路，信号调理电路另一端连接数据采集卡，数据采集卡另一端依次连接通信模块、监控中心。
系统对于换流变压器三相电压、电流的采集采用了磁珠抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，吸收超高频信号，降低高频信号对采集回路的影响；采用电容对直流进行隔离。所述监控中心由PC机和显示器组成，能实时显示上传来的振动、噪声、三相电压电流、中性点电流波形，对接收的信号进行分析处理，判断换流变压器当前的运行状态，同时存储数据。所述通信模块数据传送方式是DMA(直接存储器存取)传送方式，它不需要CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式，完全由硬件执行，在存储器与外设之间数据进行直接传送的计算机I/O方式。
所述振动信号采集装置采用的是压电式加速度振动传感器，其测量频宽在0.2Hz到1.5KHz；振动传感器吸附在换流变压器的器身表面，用于采集换流变压器绕组铁芯振动信号。
所述噪声信号采集装置为电容式测试噪声传感器，其测量频宽在20Hz到20KHz，所述噪声传感器分布在换流变压器的周围，采集换流变压器绕组铁芯噪声信号。所述振动信号和噪声信号是非常微弱，幅值较低的模拟量，经过电荷放大器放大其信号，放大器将振动传感器和噪声传感器输出的电荷量转化为电压量然后在进行电压放大，再发送到滤波电路。
所述噪声传感器与换流变压器表面的距离为0.5m。噪声传感器要接收整个侧面传出的噪声，太近接收信号不全，太远信号强度太弱，经过检测0.5m的距离相对合理。
所述电荷放大器包括二级放大电路，其中第一运算放大器和第二运算放大器之间通过放大电阻并联连接构成前级的预放大，以及分别与第一运算放大器和第二运算放大器连接的后级运算放大器；后级运算放大器(A3)的输出端连接滤波电路的输入端。
所述滤波电路是由依次连接的三个运算放大器组成的带通滤波器，其带宽为90Hz～3KHz。
基于振动噪声的换流变压器在线监测系统具有如下功能：
(1)可以对运行中换流变压器振动、噪声水平进行监测，对换流变压器中性点电流，三相电压、电流进行监测，对无功功率，有功功率，功率因数进行监测；
(2)可实时显示换流变压器振动、噪声的波形，三相电压、电流波形以及中性点电流波形，显示无功功率，有功功率，功率因数的变化情况；
(3)可对换流变压器振动噪声信号进行频谱分析，对换流变压器三相电压、电流信号进行谐波分析；
(4)准确记录振动噪声信号及电压电流信号，能将历史数据及故障时数据完整存储在监测装置数据库中，能对历史数据进行查询和波形还原。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果:
1、将换流变压器绕组和铁芯的振动信号与噪声信号相结合，能够更加准确地反映换流变压器绕组变形以及铁芯振动情况；
2、振动和噪声的现场测量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不会产生影响；
3、测量振动和噪声的传感器体积小、重量轻，便于安装，并且监测灵敏度好；
4、可对换流变压器振动噪声信号进行频谱分析，对换流变压器三相电压、电流信号进行谐波分析；
5、准确记录振动噪声信号及电压电流信号，能将历史数据及故障时数据完整存储在监测装置数据库中，能对历史数据进行查询和波形还原。
附图说明
图1是本发明的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统结构示意图；
图2是本发明中换流变压器俯视图以及振动噪声传感器布置示意图；
图3是本发明中放大电路原理图；
图4是本发明中滤波电路原理图；
图5是本发明中电压信号调理电路；
图6是本发明中电流信号调理电路；
图7是本发明的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统监测流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，包括信号采集模块、数据采集模块、通信模块和监控中心；信号采集模块用于获取信号；数据采集模块用于将信号转换为数字化的二进制编码，经通信模块实时传到监控中心，监控中心用于对所监测的信号实时显示波形，并用于分析判断换流变压器是否故障；数据采集模块包括电荷放大器、滤波电路、信号调理电路和数据采集卡；信号采集模块包括用于采集振动信号的振动信号采集装置、用于采集噪声信号的噪声信号采集装置、用于采集换流变压器三相电压电流信号和换流变压器中性点电流信号的霍尔传感器，振动信号采集装置和噪声信号采集装置的输出端相连接后依次与电荷放大器、滤波电路和数据采集卡连接；霍尔传感器将采集到的信号发送给信号调理电路，信号调理电路另一端连接数据采集卡，数据采集卡另一端依次连接通信模块、监控中心。
请结合图2所示，振动信号采集装置采用的是压电式加速度振动传感器，其测量频宽在0.2Hz到1.5KHz；振动传感器吸附在换流变压器的器身表面，用于采集换流变压器绕组铁芯振动信号。在换流变压器箱壁1/2处安装5个加速度传感器，将采集换流变压器绕组和铁芯的振动信号，并将振动信号转换成电信号发送到滤波电路。
请结合图2所示，噪声信号采集装置为电容式测试噪声传感器，其测量频宽在20Hz到20KHz，噪声传感器分布在换流变压器的周围，采集换流变压器绕组铁芯噪声信号。具体的在换流变压器四周相距0.5m的支架上放置四个噪声传感器，噪声传感器将采集的噪声信号转换成电信号发送到滤波电路。
请结合图3所示，电荷放大器包括二级放大电路，其中第一运算放大器A1和第二运算放大器A2之间通过放大电阻RX并联连接构成前级的预放大，以及分别与第一运算放大器A1和第二运算放大器A2连接的后级运算放大器A3；后级运算放大器A3的输出端连接滤波电路的输入端。
请结合图4所示，滤波电路是由依次连接的三个运算放大器组成的带通滤波器，其带宽为90Hz～3KHz。
所述模拟信号经过电荷放大器与信号调理板处理后，以单端方式接入PCM采集卡。PCM提供了内部可编程定时器可按需要设定采样率，从而发出采样脉冲，每路采样脉冲只触发一路通道，经过该通道的采样保持电路之后由A/D转换器进行模数转换，转化之后采用DMA方式将数据传送给主机，再这样顺次触发下一个通道。
本实施例中三相电压电流信号和中性点电流信号采用的是霍尔传感器，能够有效的采集原边的直流分量。
所采集的信号通过屏蔽电缆分别接入电荷放大器的电荷输入通道和信号调理电路。振动信号和噪声信号接入电荷放大器；三相电压信号接入电压信号调理电路；三相电流信号接入电流信号调理电路。
如图3所示，电荷放大器包括二级放大电路，其中第一运算放大器A1和第二运算放大器A2之间通过放大电阻RX并联连接构成前级的预放大，以及分别与第一运算放大器A1和第二运算放大器A2连接的后级运算放大器A3；后级运算放大器A3的输出端连接滤波电路的输入端。电荷放大电路包括二级放大，A1、A2构成前级的预放大，主要提供极高的输入阻抗。后级A3为基本的差动放大器，负责将前级差分输入信号转换为单端输出，并提供高共模抑制比。放大倍数由电阻RX设定，增益可在1～1000范围内调整。本实施例通过选取合适的RX和R使得放大倍数为50倍。电荷放大电路输出的信号接入滤波电路。
如图4所示，滤波电路是由依次连接的三个运算放大器组成的带通滤波器，其带宽为90Hz～3KHz。由于频率小于100Hz范围内是由冷却系统引起的基本振动，为了获得绕组以及铁心的振动信号和噪声信号，就需要滤掉100Hz以下的信号；
两个二阶高通滤波器的截止频率分别为：
ω A 1 = 2 π f = 1 R 1 C 1 R 2 C 2
ω A 2 = 2 π f = 1 R 3 C 3 R 4 C 4
让fA1＝fA2＝70Hz，本实施例中，取
C1＝6.8μF,C2＝3.3μF,R1＝121Ω,R2＝1.35KΩ和
C3＝3.3μF,C4＝1.2μF,R3＝820Ω,R4＝1.1KΩ。
ω A 3 = 2 π f = 1 R 5 C 5 R 6 C 6
低通截止频率为3Khz，即f＝3K，本实施例中，取
C5＝0.0068μF,C6＝0.0033μF和R5＝9.31KΩ,R6＝13KΩ。
如图5本发明中电压信号调理电路，图6本发明中电流信号调理电路。由于各种条件的限制以及各种因素的干扰，换流变压器的三相电压、电流信号在采集过程中常常会出现很多干扰信号，有时幅值会很大，这往往会给信号采集的精度、准确性以及可靠性造成很大的影响。为了减少这些噪声信号的影响，我们必须采取一系列措施将其滤除掉，确保测量的精度。调理电路中我们采用了磁珠抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，吸收超高频信号，降低高频信号对采集回路的影响采用电容对直流进行隔离。
图5中电压信号调理电路包括低频变压器CT1，双向瞬态电压抑制器SMBJ，低频变压器CT1副边上并联连接双向瞬态电压抑制器SMBJ，以及与双向瞬态电压抑制器SMBJ一端依次连接的电感L1、滤波电容C1和滤波电阻R1，SMBJ起电路保护作用。L1和C1和R1构成低通滤波作用，抑制高频干扰。
图6中电流信号调理电路包括变压器PT1，变压器PT1原边连接第二电感L2，副边并联有双向瞬态电压抑制器SMBJ，以及依次连接在双向瞬态电压抑制器SMBJ一端上的第一电感L1、滤波电阻R1和滤波电容C1，SMBJ为双向瞬态电压抑制器，起电路保护作用，第二电感L2对高频电流信号呈高阻抗，并抑制尖峰电流信号，L1和C1和R1构成低通滤波作用，抑制高频干扰。
将滤波电路输出的信号以及电压电流调理电路输出的信号接入PMC数据采集卡。
所述数据采集卡采用的是PCM采集卡。PCM提供了内部可编程定时器可按需要设定采样率，从而发出采样脉冲，每路采样脉冲只触发一路通道，经过该通道的采样保持电路之后由A/D转换器进行模数转换，转化之后采用DMA方式将数据传送给主机，再这样顺次触发下一个通道。PCM采集卡的单通道触发方式使模拟信号输入误差相对减小，经过分析此采集卡能够满足监测装置数据采集要求。
所述通信模块数据传输方式采用的是DMA(直接存储器存取)传送方式。DMA是不需要CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式，完全由硬件执行，在存储器与外设之间数据进行直接传送的计算机I/O方式。
DMA方式的操作是在直接存储器存取控制器8237的控制下进行的。DMA是一个硬件器件，当DMA初始化时，先给出被传送一批数的存储器的首地址，以及传递的字数及数据传送的方向，然后I/O设备或接口向DMA发送请求信号，DMA再向CPU发送总线请求，从而让CPU停止对总线的控制，然后CPU对总线信号产生一个回答，发出总线响应信号，该信号使CPU暂停对系统总线的控制，转由DMA接管控制系统总线，这样就由DMA通过地址总线发出地址信息，在控制线上发读写控制信号，同时实现在存储器和I/O之间传送数据。每传送一个字或一个字节，计数器就减1，并修改地址指针，指导计数器为零，DMA的操作结束，然后CPU仍恢复对系统总线的控制。
所述监控中心由PC机和显示器组成。监控中心负责对上传来的数据进行分析处理。
如图7所示，监控中心的处理流程。首先PC机将上传来的振动、噪声、三相电压电流、中性点电流波形在显示器上实时显示波形，同时PC机对接收的信号进行分析，与已收录的历史正常运行时波形图对比后，判断换流变压器是否有异常。由振动、噪声信号来判断换流变压器绕组和铁芯是否异常。通过换流变压器三相电流、电压以及中性点电流来判断换流变压器是否出现直流偏磁。若判断有出现异常，则发出警告信号，并将当前数据存储在监测装置数据库中。
本发明的抗干扰措施采用共模接地的方法。在线监测装置接地线有原始信号地线、信号调理板地线、直流电源地线、保护地线。将这几种地线分别连接到一起形成单一接地点，然后与系统接地点相连，这样就可有效抑制共模干扰。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：包括信号采集模块、数据采集模块、通信模块和监控中心；
所述信号采集模块用于获取信号；
所述数据采集模块用于将信号转换为数字化的二进制编码，经通信模块实时传到监控中心，监控中心用于对所监测的信号实时显示波形，并用于分析判断换流变压器是否故障；
所述数据采集模块包括电荷放大器、滤波电路、信号调理电路和数据采集卡；
所述信号采集模块包括用于采集振动信号的振动信号采集装置、用于采集噪声信号的噪声信号采集装置、用于采集换流变压器三相电压电流信号和换流变压器中性点电流信号的霍尔传感器，所述振动信号采集装置和噪声信号采集装置的输出端相连接后依次与电荷放大器、滤波电路和数据采集卡连接；霍尔传感器将采集到的信号发送给信号调理电路，信号调理电路另一端连接数据采集卡，数据采集卡另一端依次连接通信模块、监控中心。
2.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述振动信号采集装置采用的是压电式加速度振动传感器，其测量频宽在0.2Hz到1.5KHz；振动传感器吸附在换流变压器的器身表面，用于采集换流变压器绕组铁芯振动信号。
3.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述噪声信号采集装置为电容式测试噪声传感器，其测量频宽在20Hz到20KHz，所述噪声传感器分布在换流变压器的周围，采集换流变压器绕组铁芯噪声信号。
4.如权利要求3所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述噪声传感器与换流变压器表面的距离为0.5m。
5.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述电荷放大器包括二级放大电路，其中第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)之间通过放大电阻(RX)并联连接构成前级的预放大，以及分别与第一运算放大器(A1)和第二运算放大器(A2)连接的后级运算放大器(A3)；后级运算放大器(A3)的输出端连接滤波电路的输入端。
6.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述滤波电路是由依次连接的三个运算放大器组成的带通滤波器，其带宽为90Hz～3KHz。
7.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述通信模块数据传输方式采用的是DMA传送方式。
8.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述DMA方式的操作是在直接存储器存取控制器8237的控制下进行，当DMA初始化时，先给出被传送一批数的存储器的首地址，以及传递的字数及数据传送的方向，然后I/O设备或接口向DMA发送请求信号，DMA再向CPU发送总线请求，从而让CPU停止对总线的控制，然后CPU对总线信号产生一个回答，发出总线响应信号，该信号使CPU暂停对系统总线的控制，转由DMA接管控制系统总线，这样就由DMA通过地址总线发出地址信息，在控制线上发读写控制信号，同时实现在存储器和I/O之间传送数据，每传送一个字或一个字节，计数器就减1，并修改地址指针，指导计数器为零，DMA的操作结束，然后CPU仍恢复对系统总线的控制。
9.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述信号调理电路包括电压信号调理电路，电压信号调理电路包括低频变压器，双向瞬态电压抑制器，低频变压器副边上并联连接双向瞬态电压抑制器，以及与双向瞬态电压抑制器一端依次连接的电感、滤波电容和滤波电阻。
10.如权利要求1所述的基于振动噪声的换流变压器在线监测系统，其特征在于：所述信号调理电路包括电流信号调理电路，电流信号调理电路包括变压器，变压器原边连接第二电感，副边并联有双向瞬态电压抑制器，以及依次连接在双向瞬态电压抑制器一端上的第一电感、滤波电阻和滤波电容。
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