CN114018399A - 一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法及装置，涉及变压器振动监测领域，结构简单，设计合理，使用方便，能够对变压器的振动实现低功耗、低成本、便于部署的监测。其包括，密封壳体，固定在所述密封壳体侧壁的振动能量采集器，固定设置在所述密封壳体内部的储能单元，平行布置的电源调理PCB板和振动监测PCB板；所述振动监测PCB板上贴装有芯片式的MEMS加速度计，且与振动能量采集器垂直布置；所述MEMS加速度计用于变压器振动监测，供电端依次连接电源调理PCB板和储能单元，所述储能单元输入端连接振动能量采集器。
Description
技术领域
本发明涉及变压器振动监测领域，具体为一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法及装置。
背景技术
主变压器是110kV户内变电站最主要的噪声源。运行中的主变压器铁心受磁致伸缩影响产生周期性振动，振动传递至壳体后向外辐射噪声。降低主变压器本体噪声是变电站噪声控制最有效的手段，然而受壳体振动与噪声的耦合关系及负荷变化影响，低噪声主变压器设计成本高，建造困难。
同时，绕组是变压器发生故障较多的部位，因此许多学者对变压器振动的产生机理进行了研究。绕组振动是变压器在短路过程中的主要振动方式。变压器绕组在经受负载荷时会产生电磁力，电磁力是引起绕组振动的主要原因。变压器绕组在电流和磁场的共同作用下产生了令绕组强制振动的驱动力，并传递至变压器不同部件。变压器故障都会引起电力系统电流的突然增大，严重影响变压器的绝缘性能。因此有必要针对变压器振动特征进行监测。
目前，变压器振动监测多采用压电传感器进行振动特征拾取。但是压电传感器难以准确响应低频振动特征，功耗较大，且只能通过有线形式进行部署，导致安装不便。同时，由于每个压电传感器出厂时都要进行逐个标定，在批量生产时也难以降低成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法及装置，结构简单，设计合理，使用方便，能够对变压器的振动实现低功耗、低成本、便于部署的监测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，包括，密封壳体，固定在所述密封壳体侧壁的振动能量采集器，固定设置在所述密封壳体内部的储能单元，平行布置的电源调理PCB板和振动监测PCB板；
所述振动监测PCB板上贴装有芯片式的MEMS加速度计，且与振动能量采集器垂直布置；所述MEMS加速度计的敏感轴与振动方向相平行设置；
所述MEMS加速度计用于变压器振动监测，供电端依次连接电源调理PCB板和储能单元，所述储能单元输入端连接振动能量采集器。
可选的，所述密封壳体呈立方体设置，所述振动监测PCB板设置在立方体内侧顶部，所述振动能量采集器设置在立方体内部一侧。
可选的，设置所述振动能量采集器的一侧外部固定设置有永磁铁。
可选的，设置所述振动能量采集器的一侧的相对侧设置密封连接的侧开盖。
可选的，所述MEMS加速度计采用单轴敏感的加速度传感器芯片。
可选的，还包括固定在密封壳体内侧顶部的金属固定背板；所述电源调理PCB板、振动监测PCB板和金属固定背板依次间隔叠层固定。
可选的，所述电源调理PCB板、振动监测PCB板和金属固定背板之间分别通过六角铜柱叠层固定。
可选的，所述振动监测PCB板上设置有SD卡卡槽。
可选的，所述储能单元采用锂电池电池组。
一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法，包括，
将上述任意一项所述的装置贴装于变压器或油箱侧壁上传递振动；
振动监测PCB板上贴装的芯片式的MEMS加速度计，其敏感轴与振动方向相重合，进行振动特征拾取，得到振动加速度时间序列；
对振动加速度时间序列进行储存及傅里叶变换计算后，输出其一阶振动幅值、对应频率，同时输出设定阶数振动对应的振动幅值及频率；
根据设定采样周期进行数据采集计算，并通过短距离微功率无线将振动幅值、频率特征值回传监测；
其中，振动能量采集器将振动能量转换为电能存储在储能单元中，对所述装置进行供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的密封外壳采用整体系统外壳封装，MEMS加速度计为芯片式，布置于振动监测PCB板上，并将振动监测PCB板上加速度计的敏感轴与振动方向相平行放置，提高整体刚度，防止衰减，保证了振动有效传递及振动能量的有效获取；在监测装置内部放置储能单元，便于进行振动能量的收集储存。同时，在传感器内部放置振动能量采集器，通过振动能量的有效收集，将振动能量转换为电能并充入至储能单元中，可实现整体传感器供电的有益补充。
进一步的，通过采用单轴敏感的ADXL1002加速度传感器芯片，提高低频部分响应能力，实现低频振动特征的准确拾取。
进一步的，将电源调理PCB板与振动监测PCB板分为不同板件，并设计成等大，固定孔分别保持一致，通过六角铜柱进行叠层固定。同时，将上述两块PCB板一同固定至金属固定背板上，金属固定背板具有四个螺钉固定孔，整体固定于密封壳体顶部。通过两块PCB加一层金属板的联合固定，并全部置于与振动相平行的方向，保障刚度的大幅提升，减少振动衰减。
进一步的，考虑到电力设备为金属，在外壳壳体背面固定两颗永磁铁进行传感器的吸附固定。通过该种方法实现振动监测传感器与电力设备的相对固定及振动特征与能量的有效传递，同时大幅降低安装复杂度，有效支撑传感器无线化应用。
附图说明
图1为本发明实例中所述装置的内部结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为图2的A向视图。
图4为本发明实例中所述装置的封装结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明一种基于微机电技术(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的自取能变压器振动监测装置，如图1所示，其包括，密封壳体6，固定在所述密封壳体6侧壁的振动能量采集器1，固定设置在所述密封壳体6内部的储能单元，平行布置的电源调理PCB板2和振动监测PCB板3；所述振动监测PCB板3上贴装有芯片式的MEMS加速度计，且与振动能量采集器1垂直布置；所述MEMS加速度计用于变压器振动监测，供电端依次连接电源调理PCB板2和储能单元，所述储能单元输入端连接振动能量采集器1。
其中，所述MEMS加速度计采用ADXL1002加速度传感器芯片。MEMS加速度计为本变压器振动监测装置的核心器件。为了提高加速度计的动态范围，选择ADXL1002加速度传感器芯片。ADXL1002为单轴敏感，并支持0-10kHz的动态采样不失真，弥补以往MEMS加速度计高频部分响应能力不足的缺陷。同时，基于微机电技术加速度计可以实现低频振动特征的准确拾取。
本发明所述的基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，在本优选实例中设计为传感器，为了保证振动传递的有效性，防止衰减，需要提高整个传感器的刚度。MEMS加速度计为芯片式，布置于振动监测PCB板3上，而PCB板刚度较低，不能满足振动能量传递要求，因此设计与振动方向相平行放置的振动监测PCB板3，并将MEMS加速度计贴装于振动监测PCB板3上。同时，该振动监测PCB板3上放置有SD卡卡槽，便于将振动原始波形数据进行存储。
本优选实例中还包括固定在密封壳体6内侧顶部的金属固定背板5；所述电源调理PCB板2、振动监测PCB板3和金属固定背板5依次间隔叠层固定。所述电源调理PCB板2、振动监测PCB板3和金属固定背板5之间分别通过六角铜柱4叠层固定。具体的，将电源调理PCB板2与振动监测PCB板3分为不同板件，并设计成等大，固定孔分别保持一致，通过六角铜柱4进行叠层固定。同时，将上述两块PCB板一同固定至金属固定背板5上，金属固定背板5具有四个螺钉固定孔，整体固定于密封壳体6的顶部。通过两块PCB加一层金属板的联合固定，并全部置于与振动相平行的方向，保障刚度的大幅提升，减少振动衰减。
本发明中所述储能单元采用锂电池电池组。具体的，在传感器内部放置可充电锂电池，便于进行振动能量的收集储存。同时，在传感器内部放置振动能量采集器1，通过振动能量的有效收集，将振动能量转换为电能并充入至锂电池中，可实现整体传感器供电的有益补充。
本优选实例中所述密封壳体6呈立方体设置，所述振动监测PCB板3设置在立方体内侧顶部，所述振动能量采集器1设置在立方体内部一侧。设置所述振动能量采集器1的一侧外部固定设置有永磁铁8。设置所述振动能量采集器1的一侧的相对侧设置密封连接的侧开盖。具体的，为了保证振动有效传递及振动能量的有效获取，进行了整体系统外壳封装设计，如图4所示。作为外壳的密封壳体6设计为侧壁呈矩形的立方体，如图1、图2和图3所示，在一侧设计高刚度PCB板固定空间，在固定孔处相互错开，便于装配。在壳体内部另一侧，设置振动取能装置及可充电锂电池单元，将其整体作为供电单元为整个系统供电，便于传感器内部接线。在壳体底部，考虑到振动频率最高为数百赫兹，仍然是属于低频段。同时考虑到电力设备为金属，在外壳壳体背面固定两颗永磁铁进行传感器的吸附固定。通过该种方法实现振动监测传感器与电力设备的相对固定及振动特征与能量的有效传递，同时大幅降低安装复杂度，有效支撑传感器无线化应用。也可以吸附到变压器侧面。
本发明还提供一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法，包括，
将上述任意一项所述的装置贴装于变压器或油箱侧壁上，无衰减的传递振动；
振动监测PCB板3上贴装的芯片式的MEMS加速度计，其敏感轴与振动方向相重合，进行振动特征拾取，得到振动加速度时间序列；
对振动加速度时间序列进行储存及傅里叶变换计算后，输出其一阶振动幅值、对应频率，同时输出设定阶数振动对应的振动幅值及频率；本优选实例中以前五阶为例进行说明；
根据设定采样周期进行数据采集计算，并通过短距离微功率无线将振动幅值、频率特征值回传监测；本优选实例中的采样周期为2小时/次。
其中，振动能量采集器1将振动能量转换为电能存储在储能单元中，对所述装置进行供电。
具体的，通过将该振动监测传感器直接贴装于变压器或油箱侧壁上，通过永磁铁实现整体装置的可靠吸附及振动无衰减传递。在传感器内部，贴装MEMS加速度传感器ADXL1002，并使其敏感轴与振动方向相重合，便于进行振动特征拾取。在传感器主控单元内部对振动加速度时间序列进行储存及傅里叶变换计算后，输出其一阶振动幅值、对应频率，同时输出前五阶对应的振动幅值及频率；每隔两个小时进行一次数据采集计算，并通过短距离微功率无线将振动幅值、频率特征值回传。其时间间隔同样支持可配置。同时，将原始振动加速度序列存储至PCB板上的SD卡中，便于后续进一步分析。在传感器中布置振动能量采集器单元及锂电池供电单元，通过振动能量的有效收集，实现传感器的可持续供电，延长传感器免维护时间。
随着MEMS技术的应用，基于微机电技术技术的加速度传感器频率响应越来越高，逐步可以满足变压器振动监测需求。同时，其优秀的低频响应能力进一步扩大了传感器的动态响应范围，并且全部采用PCB板焊接的形式，在规模化应用过程中可以显著降低部署成本，易于安装。尤其是当前变压器的振动频率多位于低频段，为100Hz及其倍频，适合通过MEMS加速度传感器进行信号提取。本发明提出的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置及方法，是MEMS加速度传感器在变压器振动监测场景中的chuangx新应用，并通过振动取能模组作为电源，供给传感器运行。不仅面向变压器振动监测需求，实现基于单轴MEMS加速度传感器的高刚度敏感器件布置和监测方法；而且还通过了融合振动能量收集、振动特征监测的变压器无线振动传感器结构设计。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，包括，
密封壳体(6)，
固定在所述密封壳体(6)侧壁的振动能量采集器(1)，
固定设置在所述密封壳体(6)内部的储能单元，平行布置的电源调理PCB板(2)和振动监测PCB板(3)；
所述振动监测PCB板(3)上贴装有芯片式的MEMS加速度计，且与振动能量采集器(1)垂直布置；所述MEMS加速度计的敏感轴与振动方向相平行设置；
所述MEMS加速度计用于变压器器壁振动监测，供电端依次连接电源调理PCB板(2)和储能单元，所述储能单元输入端连接振动能量采集器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，所述密封壳体(6)呈立方体设置，所述振动监测PCB板(3)设置在立方体内侧顶部，所述振动能量采集器(1)设置在立方体内部一侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，设置所述振动能量采集器(1)的一侧外部固定设置有永磁铁(8)。
4.根据权利要求2所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，设置所述振动能量采集器(1)的一侧的相对侧设置密封连接的侧开盖。
5.根据权利要求1所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，所述MEMS加速度计采用单轴敏感的加速度传感器芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，还包括固定在密封壳体(6)内侧顶部的金属固定背板(5)；所述电源调理PCB板(2)、振动监测PCB板(3)和金属固定背板(5)依次间隔叠层固定。
7.根据权利要求6所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，所述电源调理PCB板(2)、振动监测PCB板(3)和金属固定背板(5)之间分别通过六角铜柱叠层固定。
8.根据权利要求1所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，所述振动监测PCB板(3)上设置有SD卡卡槽。
9.根据权利要求1所述的一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测装置，其特征在于，所述储能单元采用锂电池电池组。
10.一种基于微机电技术的自取能变压器振动监测方法，其特征在于，包括，
将权利要求1-9任意一项所述的装置贴装于变压器或油箱侧壁上传递振动；
振动监测PCB板(3)上贴装的芯片式的MEMS加速度计，其敏感轴与振动方向相重合，进行振动特征拾取，得到振动加速度时间序列；
对振动加速度时间序列进行储存及傅里叶变换计算后，输出其一阶振动幅值、对应频率，同时输出设定阶数振动对应的振动幅值及频率；
根据设定采样周期进行数据采集计算，并通过短距离微功率无线将振动幅值、频率特征值回传监测；
其中，振动能量采集器(1)将振动能量转换为电能存储在储能单元中，对所述装置进行供电。
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