CN106338336A - 变压器振动的在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器振动的在线监测系统，包括依次相连的振动传感器、动态信号采集装置和计算机，及温度计，由于与整个导电系统没有电气连接，可安全、可靠地进行在线监测。本系统的多个振动传感器设置于变压器油箱表面不同位置，从而可以通过比较确定最佳测量位置，并可以针对变压器的各种状态进行监测与分析，为变压器铁心与绕组的诊断分析提供了大量数据支持。可及时发现变压器的事故隐患、避免突发事故、提高变压器运行的安全可靠性，促进状态维修的有效实施，提高经济效益。这不仅对电力工业的科技进步有重要的科学价值，对提高电力系统运行的可靠性和科学管理水平也具有十分重要的意义。

Description

变压器振动的在线监测系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种变压器振动的在线监测系统。

背景技术

在电力系统各种设备中变压器昂贵而重要,变压器的故障给整个电网安全运行带来了很大的威胁,根据变压器历年的统计资料表明,绕组与铁心是发生故障较多的部件。因此，积极开展变压器绕组及铁心状况的诊断工作，及时发现有故障隐患的变压器,并有计划进行吊罩验证及检修，可以减少运行成本，延长设备寿命，预防变压器突发事故的发生，带来良好的经济和社会效益。

变压器油箱表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、绕组的位移及变形状态密切相关。从而，利用测量变压器器身的振动信号在线监测电力变压器成为可能。

在线监测器身振动来反映其绕组及铁心状况的方法，最早是在并联电抗器上采用，在电力变压器上使用振动测试，美国、俄罗斯及加拿大等国已进行了多方面的研究，并给出一些相应结论，但是目前没有成熟产品投入使用。绕组轴向振动特性的研究始于70年代初期，而后一直为各国学者所关注。但是以往的研究工作都是着重于在短路条件下绕组振动的动态特性研究,没有对电力变压器在稳定运行时绕组的振动特性进行研究，而稳定运行时的振动特性是可以反映其绕组及铁心的变形及夹紧状态的，研究它对于指导利用振动法在线监测变压器绕组松动、变形、压紧不足等故障是很有意义的。国内有一些科研院所对变压器振动进行了一些研究，得到了一些振动和变压器铁心、绕组状态的相关性规律。

鉴于传统的定期维修制度及离线试验所暴露出来的问题，人们开始关注变压器状态监测的研究和应用。随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站引入了变压器在线监测装置。目前在线监测项目主要包括绝缘油中气体在线监测、局部放电在线监测、介质损坏因数在线监测等。这些在线数据可以及时反映变压器运行状况，将在线数据引入到变压器的故障诊断中，可以极大地提高诊断的实时性和准确性。然而，传统的监测方法与电力系统有电气连接，操作存在危险性。

振动法应用于变压器的监测最初主要是一些离线的手段，有以下两种:

(1)在电力变压器绕组出口端施加－机械的冲击。由于铁心中残留有磁通，这时可以测得振动的绕组线圈切割磁力线而产生的电动势的大小。对一定大小的机械冲击，通过此电动势的大小可以判断绕组的压紧状况。

(2)对变压器绕组施加－电动力冲击。在这一脉冲衰减的过程中，记录下振动的绕组两端感应电动势的大小及变化，以此来判断绕组的压紧状况。

上述两种离线方法存在的主要问题是:变压器必须要退出运行；由于变压器的自振频率范围很宽，对不同大小、容量的变压器判断绕组压紧状况的标准不同；如果残留磁通很小，结果将会变得不准确、不稳定；另外这两种方法只能检测出绕组的压紧状况，而对铁心的状况无法做出判定。直到上个世纪九十年代中后期，研究人员才提出通过在线监测变压器表面振动信号来分析判断绕组及铁心状况的理论。应用振动法监测变压器工作状况的研究尚处于初级阶段，对其进行深入的研究有良好的科学发展前景和实际应用价值。

近些年，有些国家将振动法应用于电力变压器的在线监测，通过对变压器器身的振动监测来达到反映变压器工作状况的目的。20世纪80年代中期，美国、俄罗斯及加拿大等国最先将振动法用于电力变压器的振动测试，并进行了大量的研究，包括电力变压器油箱表面振动信号与负载电流之间关系的研究：考虑负载电流、温度以及振动信号等参数对变压器建模；对振动信号的参数(有效值、频域上的幅值等等)的变化趋势进行研究；振动传感器安装位置的研究等方面。其研制的监测产品，不仅具有完善的监测功能，且具有较强的诊断功能，在宇航、军事、化工等方面具有广泛的应用。

俄罗斯《电站》杂志1998年第6期报导，俄罗斯研制成功变压器器身振动带电监测系统并已推广应用。该系统的实用价值在于它可根据充油电力变压器在运行中的技术状态来组织安排设备的检修工作，可保证变压器运行的最大可靠性。它是一种专利产品，其商品牌号叫做“BECTA”(维斯达、灶神)。BECTA系统采用了自动适应的内部数学模型，BECTA的程序文件包中贮存了所有变压器和所测量的正常信息，供参照使用。它用4个状态系数来进行评估，即KM—绕组紧固系数，KC－有效铁心紧固系数，KK－结构元件状态系数，KTP－变压器状态综合系数。同时还对“状态劣化速度”按一个月的变化加以确定。上述所有系数均基于同一个定性原则，取整数1作为理想的状态指标。小于1作为变坏的指标：1.0～0.9为状态良好；0.9～0.8为状态尚可；0.8以下为不合格状态，随着这一指标数值的下降，应及时采取相应的措施。这种方法已在60多台大型充油电力变压器上使用。使用的实际情况证实了它可适用于各种类型的变压器，不论是自耦变压器，还是三相变压器。用这种方法诊断的结果与12台变压器吊芯检查的结果几乎完全一致；BECTA系统的准确度高达80％～90％，它完全可以实际应用。

在线振动监测变压器运行尚处于研究发展阶段，由于对绕组、铁心振动的物理特性研究还不够充分，需要积累大量丰富的经验以准确判断设备运行状态。以往的研究工作中振动信号处理方法主要采用傅立叶变换获得监测数据的频域特征，提取状态信息，形式上过于简单。国内对于变压器振动在线监测方面的研究较少，仅清华大学、上海交通大学、西安交通大学等在从事此方面的研究。国内西安交通大学李彦明教授领导的课题组近年来应用振动分析法在变压器铁心松动、绕组变形状态监测技术方面作了大量的研究，取得了很多的研究成果，为变压器状态监测技术在我国的推广和使用做出了很大的贡献。

从国内外的文献来看，利用振动法监测变压器铁心的故障时，一般是测量变压器在空载条件下变压器器身的振动信号，从而判断变压器铁心的状况，变压器在运行过程中撤去负载做空载运行对系统的稳定和变压器的经济运行都会有所影响。

综上，目前国内外尚无可用于在线或离线监测和诊断变压器绕组状态(松动、变形等)的可靠手段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种变压器振动的在线监测系统，包括至少一个振动传感器、动态信号采集装置、温度计和计算机；

各个振动传感器分别连接动态信号采集装置，动态信号采集装置再连接计算机；

各个振动传感器分别通过永磁体牢固地吸附于变压器高低压套管的油箱表面，且永磁体表面涂有绝缘漆，温度计用于测量变压器油箱表面的温度；

动态信号采集装置采集各个振动传感器的振动信号，并转发给计算机，计算机对变压器不同状态下各个振动传感器的振动信号进行频谱分析与比较，结合温度计测得的温度，以及冷却装置是否启动，判断变压器铁心与绕组的状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的变压器振动的在线监测系统与整个导电系统没有电气连接，可安全、可靠地进行在线监测。本系统的多个振动传感器设置于变压器油箱表面不同位置，从而可以通过比较确定最佳测量位置，并可以针对变压器的各种状态进行监测与分析，为变压器铁心与绕组的诊断分析提供了大量数据支持。可及时发现变压器的事故隐患、避免突发事故、提高变压器运行的安全可靠性，促进状态维修的有效实施，提高经济效益。这不仅对电力工业的科技进步有重要的科学价值，对提高电力系统运行的可靠性和科学管理水平也具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明变压器振动的在线监测系统的结构示意图；

图2为振动传感器在变压器油箱表面上的分布示意图；

图3为振动传感器吸附于变压器油箱表面的示意图。

具体实施方式

考虑到变压器在运行过程中撤去负载做空载运行对系统的稳定和变压器的经济运行都会有所影响，本发明也将研究在线条件下，通过负载电流与器身振动信号之间的关系，研究得到变压器铁心振动信号的方法。通过这种方法无须空载运行变压器，就可得到铁心的振动信号，从而极大改善了通过测量变压器的器身振动信号来获得铁心振动信号的方法。目前国内外尚无可用于在线或离线监测和诊断变压器绕组状态(松动、变形等)的可靠手段。本发明通过贴在变压器器身上的振动传感器来监测空载时变压器器身振动加速度信号的变化情况，从而诊断内部绕组的压紧状况、绕组的位移及变形状态等。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明的变压器振动的在线监测系统，如图1所示，包括多个振动传感器、动态信号采集装置、温度计和计算机。各个振动传感器分别连接动态信号采集装置，动态信号采集装置再连接计算机；各个振动传感器分别通过永磁体牢固地吸附于变压器高低压套管的油箱表面，且永磁体表面涂有绝缘漆，温度计用于测量变压器油箱表面的温度；动态信号采集装置采集各个振动传感器的振动信号，并转发给计算机，计算机对变压器不同状态下各个振动传感器的振动信号进行频谱分析与比较，结合温度计测得的温度，以及冷却装置是否启动，判断变压器铁心与绕组的状态。

作为一个优选的实施例，本系统还包括电荷放大器，振动传感器的振动信号经过电荷放大器后再输出至动态信号采集装置

变压器振动法监测是通过粘在变压器器身上的加速度传感器获得振动信号，提取振动信号时域、频域的特征信息(包括绕组和铁心振动信号的频谱、功率谱、能量谱等)进行分析，监测绕组及铁心状况。振动法与原有的变压器监测方法相比，其最大优点是与整个电力系统没有电气连接，可以安全、可靠的达到在线监测的目的。

变压器器身的振动是由于变压器本体(铁心、绕组等)及冷却装置的振动产生的。国内外研究表明，变压器本体振动的原因在于：1)硅钢片的磁致伸缩引起的铁心振动。2)绕组压紧程度产生的绕组振动3)当绕组中有负载电流通过时，负载电流产生的电动力引起绕组的振动。由此可见，变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、绕组位移及变形状态密切相关。

1.变压器本体振动分析

变压器振动是由于铁心、绕组、油箱(包括磁屏蔽等)的振动及冷却装置的振动产生的，是一种连续性的振动。铁心、绕组和油箱(包括磁屏蔽等)统称为变压器的本体，铁心的振动通过铁心垫脚固体传递和绝缘油液体传递到油箱壁，绕组的振动通过绝缘油也将传到油箱壁，风扇、油泵等冷却装置的振动则通过固体传递的途径传到变压器油箱。相关文献指出冷却装置的振动频谱小于100Hz，与变压器本体的振动特征明显不同，可以比较容易地从变压器振动信号中分离出来。因此，监测变压器器身的振动，就可以诊断铁心和绕组的工作状态。

2.变压器铁心振动机理

变压器铁心振动主要由铁心硅钢片的磁致伸缩引起的，从宏观上说，就是铁心励磁时沿磁力线方向硅钢片的尺寸要增加，而垂直于磁力线方向的尺寸要缩小。空载状况下测量的铁心振动受到施加空载电压大小的影响，振动加速度信号基频幅值与施加电压的平方呈线性关系，由于铁心振动加速度信号中的高次谐波成分表现了磁致伸缩的非线性特性，不仅仅与所施加的电压有关，所以铁心振动的高频谐波幅值与施加电压的平方不一定成正比。一般认为，变压器励磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载变化时基本保持不变。因此铁心的振动在空载、负载及负载缓慢变化时也应基本不变。

3.变压器绕组振动机理

当电流通过变压器绕组时，将在绕组周围产生漏磁场，绕组中的电流和漏磁场相互作用，在绕组内产生电动力，电动力作用在线圈上，导致绕组产生机械振动，绕组振动不仅与电动力有关，而且受到绕组及其部件的材料、惯性力以及预压紧力在绕组发生位移时作用的摩擦力等的影响，是一个相当复杂的动态过程。在正常情况下，当变压器空载时，绕组振动较微弱，因此绕组的特征振动对绕组故障特别敏感。变压器负载时的绕组振动特征有待进一步研究。

4.变压器振动监测实验策略

利用布置在变压器油箱表面的多个振动传感器，在空载及负载条件下分别测量变压器器身的振动信号；在排除冷却系统振动信号以及干扰信号后，空载时测得的就是变压器铁心振动信号，负载时是铁心和绕组的振动信号的叠加。从负载时的振动情号中分离出空载时的振动信号便可以得到绕组的振动信号。在变压器稳定工作时，可以认为其器身振动是铁心振动引起的，振动情况的改变也是由于铁心故障引起的，以此可以诊断电力变压器铁心的状况。一般认为，在变压器相同的分接位置激磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载及负载变化时大小基本保持不变，因此，铁心的振动也基本不变。为此，为了得到在不同分接位置变压器铁心振动的振动特性，只需测取不同分接位置处变压器在空载条件下的器身振动信号。由磁致伸缩引起的铁心振动是以2倍的电源频率为其基频(≈100Hz)，另外由于硅钢片磁致伸缩的非线性，使得励磁磁通明显偏离正弦波，即有高次谐波的磁通分量存在。也就是说，变压器铁心振动频谱中除基频外，还包含基频整数倍的高次谐波。当铁心的夹紧力不足够大时，硅钢片的自重将使铁心产生弯曲变形，致使磁致伸缩增大，即铁心的振动加剧。

在负载条件下，变压器器身振动还包括负载电流作用下的绕组振动，通过比较空载和负载的振动信号，可得到绕组的振动特征。高低压绕组之一发生变形、位移或崩塌后，绕组的压紧不够，高、低压绕组间高度差逐渐扩大，绕组安匝不平衡加剧，漏磁造成的轴向力增大，绕组的振动加剧。在变压器发生短路事故时，绕组线圈中有很大的冲击电流流过，绕组的振动信号不再微弱，可认为其远大于铁心振动。因此，在短路状况下变压器器身振动主要是由绕组振动引起的，这样可以利用发生短路事故时的变压器器身振动信号，来检测绕组线圈是否发生了变形或松动。

由以上分析可看出变压器绕组及铁心的压紧状况以及绕组的位移及变形将引起作为指纹的特征向量变化。良好状态变压器振动的特征向量可作为指纹留用(指纹量的特征向量包括绕组和铁心振动信号的频谱、功率谱、能量谱等)。因而本发明的方法可实现在线、及时地给出有关变压器铁心及绕组状况的指示，一旦变压器发生故障，由当前特征向量与保存指纹比较就可快速比较出来。当然，还应确定负载电流变化引起的绕组振动变化的规律以及变压器绝缘正常老化造成的振动发展规律，以免造成误判。

由于目前国内变压器振动监测法尚处于理论研究阶段，需要通过大量的振动监测试验积累变压器原始数据，对所提取的振动信号进行频谱分析，再加上变压器结构复杂，振动信号的细微变化与变压器各个部件的对应关系尚未明了，本发明正是通过做大量的振动监测试验，包括电力变压器油箱表面振动信号与负载电流之间关系的研究:考虑负载电流、温度以及振动信号等参数对变压器建模；对振动信号的参数(有效值、频域上的幅值等等)的变化趋势进行研究；振动传感器安装位置的研究等方面，来得到振动信号与变压器绕组、铁心故障的初步对应关系，为后期形成的变压器故障诊断系统提供理论依据。

粘贴于变压器油箱表面的振动传感器(1-12)如图2所示。其中，在远端为两个振动传感器，分别位于高压套管一侧油箱的上下位置，其它10个振动传感器与这两个的安装位置在一个水平线上，分别位于另两个高压套管以及三个低压套管一侧的油箱表面的上下位置。

粘贴于变压器油箱表面的振动传感器如图3所示，通过永磁体牢固的吸附于油箱表面，且永磁体表面涂有一层绝缘漆，保证了传感器外壳的“浮地”，具有较好的抗电磁干扰的能力。

采用压电式加速度传感器获得试验变压器的振动信号。具体方案如下：

1、试验变压器空载，在不同空载电压下，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度，冷却装置是否启动。

2、试验变压器负荷改变的情况下，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度，冷却装置是否启动。

3、试验变压器在恒定负载，不同功率因数下，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度，冷却装置是否启动。

4、试验变压器恒定负载，恒定功率因数下，对变压器加热，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度，冷却装置是否启动。

5、试验变压器恒定负载，恒定功率因数，同一温度下，冷却装置(即风扇)的启动与闭合两种情况下，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度。

6、改变试验变压器电源频率，提取振动信号，记录12个传感器的输出波形，试验温度。

7、针对试验变压器作突发短路试验，比较试验前后的振动波形。

8、针对运行变压器，绘制该变压器振动指纹图谱，并对其做动态监测记录其运行状况和振动的规律。

除此之外，为了验证变压器油箱振动信号是否对变压器绕组变形敏感，将试验变压器的绕组稍微扭曲一点，在同一运行条件下测量变压器表面的振动信号，然后与绕组正常情况时的振动信号相比较，验证振动信号和绕组变形，压紧状态的对应关系。

采用动态信号采集装置得到变压器不同运行条件下的振动信号以后，对振动信号进行频谱分析与比较，找出振动信号与变压器铁心、绕组正常和缺陷时的对应关系，绕组正常时的振动信号与绕组变形时振动信号的差异，并对不同位置的传感器输出信号相比较，找到最佳测量位置点，并在试验变压器外壳予以标记。

另外，本系统的原理可以外延到电抗器绕组和铁心在线检测。

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 (4)

1.一种变压器振动的在线监测系统，其特征在于，

包括多个振动传感器、动态信号采集装置、温度计和计算机；

各个振动传感器分别连接动态信号采集装置，动态信号采集装置再连接计算机；

各个振动传感器分别通过永磁体牢固地吸附于变压器高低压套管的油箱表面，且永磁体表面涂有绝缘漆，温度计用于测量变压器油箱表面的温度；

动态信号采集装置采集各个振动传感器的振动信号，并转发给计算机，计算机对变压器不同状态下各个振动传感器的振动信号进行频谱分析与比较，结合温度计测得的温度，以及冷却装置是否启动，判断变压器铁心与绕组的状态。

2.根据权利要求1所述的变压器振动的在线监测系统，其特征在于，

振动传感器的数量为12个：变压器三个高压套管一侧的油箱表面的上下位置设置6个，变压器三个低压套管一侧的油箱表面的上下位置设置另外6个。

3.根据权利要求2所述的变压器振动的在线监测系统，其特征在于，

变压器的不同状态包括：

变压器空载，不同空载电压；

变压器负荷变化；

变压器恒定负载，不同功率因数；

变压器恒定负载，恒定功率因数，对变压器加热；

变压器恒定负载，恒定功率因数，同一温度下，冷却装置启动与闭合；

变压器电源频率变化；

变压器突发短路；

以及

变压器运行。

4.根据权利要求3所述的变压器振动的在线监测系统，其特征在于，

还包括电荷放大器，振动传感器的振动信号经过电荷放大器后再输出至动态信号采集装置。