CN202734953U - 电力变压器铁芯松动故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，包括至少三个振动传感器、转换接口、数据采集仪和单片机模块，其中，所述振动传感器采集电力变压器的振动信号，然后将该振动信号通过所述转换接口传送至数据采集仪，并且在所有振动传感器中，有三个振动传感器分别设置在电力变压器油箱顶面与电力变压器三相绕组对应的三个位置；所述数据采集仪的输出端通过通信接口连接单片机模块，所述单片机模块根据数据采集仪输出的振动信号数据进行分析处理，最终得出诊断结果。本实用新型易于实现，并可初步定位电力变压器铁芯松动故障。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种输变电设备状态在线监测技术，尤其涉及一种电力变压器铁芯松动的故障诊断装置，属于智能变电站技术领域。
背景技术
引起变压器器身的振动原因主要有变压器本体的振动及冷却系统装置的振动。冷却装置引起的基本振动频率较低，与变压器本体振动有明显不同；本体振动包括铁芯和绕组的振动。变压器通电运行后，绕组中流过电流，在铁芯和绕组中产生电磁场；铁芯硅钢片材料在磁场作用下发生磁致伸缩，即原子的尺寸发生微小形变，引起铁芯振动。图1中的实线描述了磁致伸缩形变与铁芯中磁通密度的关系。为了简化将其用二次曲线代替，即图中虚线。可以看出，磁致伸缩形变量与磁通密度大小的平方成线性关系。已知负载电压和磁通密度之间的关系为：
式中：
、B分别为主磁通和磁通密度；A为铁芯的横截面积；U为负载电压的有效值；f为负载电压的频率；N为原边绕组的匝数。结合图1可以得到磁致伸缩引起的铁芯振动大小
与负载电压平方存在正比关系，由于电压的2倍频为100 Hz，故磁致伸缩力的基频为100 Hz。
铁芯由硅钢片叠加而成，每片硅钢片表层均有绝缘涂层，因此存在片间缝隙，产生漏磁，引起铁芯和箱体的振动。但是这种振动比磁致伸缩引起的振动小，可以忽略，认为铁芯的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩，因此铁芯振动频率基频为100Hz。由于磁致伸缩的非线性及铁芯内外框磁路长短不同，铁芯振动除基频外，还应包含基频整数倍的高次谐波。
绕组的振动是在漏感的影响下，绕组中的电流相互作用产生电动力引起的，电动力正比于电流的平方。空载时绕组电流为零，绕组对铁芯振动基本无影响，变压器的振动主要取决于铁芯。
根据以上分析，空载时的油箱振动主要与铁芯磁致伸缩有关，即与电压有关；由变压器产生的振动通过变压器油和固体结构传递到油箱表面，受各种因素影响，振动信号在传递过程中发生衰减、相移等变化，到达油箱表面是十分复杂的信号。
铁芯松动后，硅钢片接缝处和叠片之间的漏磁变大，导致电磁吸引力变大，铁芯振动变大。
变压器的振动信号属于非平稳信号。信号处理的方法包括傅立叶变换、小波变换、希尔伯特黄变换。傅立叶变换是最经典的信号处理方法。它适用于平稳信号，可实现信号的时域频域的转换，在工程中的应用十分广泛。小波降噪原理如图2。通过对信号的分解和重构可滤去高频信号，重组低频信号，达到滤波的效果。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对当前技术中变压器铁芯松动故障诊断技术存在的缺陷，提出一种实现容易、诊断准确的电力变压器铁芯松动故障诊断装置。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，其特征在于：包括至少三个振动传感器、转换接口、数据采集仪和单片机模块，其中，所述振动传感器采集电力变压器的振动信号，然后将该振动信号通过所述转换接口传送至数据采集仪，并且在所有振动传感器中，有三个振动传感器分别设置在电力变压器油箱顶面与电力变压器三相绕组对应的三个位置；所述数据采集仪的输出端通过通信接口连接单片机模块，所述单片机模块根据数据采集仪输出的振动信号数据进行分析处理，最终得出诊断结果。
作为本实用新型的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置的进一步优化，所述振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器。
作为本实用新型的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置的进一步优化，所述转换接口采用BNC电气转换接口。
作为本实用新型的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置的进一步优化，所述数据采集仪采用的型号为Nicolet7700。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本实用新型利用安装在变压器顶面的3个振动传感器测量振动信号，对信号进行傅立叶分析，得到绕组匝间短路的故障特征量，在单片机模块中将采集的振动信号与故障特征量进行对比，如果上升，则说明发生铁芯松动故障。本实用新型易于实现，并可初步定位电力变压器铁芯松动故障。
附图说明
图1是本实用新型中铁芯磁致伸缩形变随磁通密度变化示意图；
图2是本实用新型所应用的小波降噪的原理图；
图3是本实用新型的结构框图；
图4本实用新型的装置中振动传感器的安装位置示意图；
图5是本实用新型单片机模块的工作流程图；
图6（a）是本实用新型实施例采集到的振动原始信号示意图；
图6（b）是本实用新型实施例降噪后的振动信号示意图；
图7（a）是本实用新型实施例故障点处在故障前的频谱示意图；
图7（b）是本实用新型实施例故障点处在故障后的频谱示意图；
图8（a）是本实用新型实施例非故障点之一处在故障前的频谱示意图；
图8（b）是本实用新型实施例非故障点之一处在故障后的频谱示意图；
图9（a）是本实用新型实施例非故障点之二处在故障前的频谱示意图；
图9（b）是本实用新型实施例非故障点之二处在故障后的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
首先如图3所示，本实用新型提供一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，包括振动传感器、转换接口、数据采集仪和单片机模块。其中，振动传感器的输入端借助磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面与三相绕组对应的三个位置，配合图4所示，图中的A、B、C分别表示变压器高压侧三相，a、b、c分别表示变压器低压侧三相，0表示变压器的零线，1、2、3分别表示安装在变压器顶部的3个振动传感器测量位置。振动传感器的输出端则通过转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端通过网线接口连接单片机模块。
配合图5所示，是本实用新型单片机模块工作时的方法流程图，包括如下步骤：
第一，在变压器稳定运行时，根据一定的采样频率和采样时间对变压器的振动信息进行采样，同一情况下进行不少于3次采样；
第二，在采样数据中，根据采样时间、采样频率、采样点数，整周期截取变压器振动信号；
第三，对数据采集仪输出的振动信号进行小波降噪处理，然后对处理后的振动信号进行傅立叶变换，得到振动信号的频谱数据；
第四，将振动信号的频谱数据中位于300Hz的频谱分量幅值与预先存储的第一故障阈值比较，当振动传感器在同一情况下进行不少于3次振动信号采样，而至少有2次振动信号的频谱数据位于300Hz处的频谱分量幅值大于第一故障阈值时，再计算振动信号的频谱数据分别位于50Hz、150Hz处的频谱分量幅值之和，将其与预先存储的第二故障阈值对比，当3次振动信号中至少有2次位于50Hz、150Hz处的频谱分量幅值之和大于第二故障阈值时，判断采集该振动信号的振动传感器位置附近的铁芯发生松动故障，将该诊断结果输出。
其中第一故障阈值、第二故障阈值在电力变压器空载时获得，具体获得步骤如下：
步骤（1），根据预定的采样频率和采样时间，采用三个振动传感器分别对电力变压器的振动信息进行采样，同一情况下进行不少于3次采样；所述三个振动传感器分别设置在电力变压器油箱顶面与电力变压器三相绕组对应的三个位置；
步骤（2），在每个振动传感器的采样数据中，根据采样频率、采样时间或采样点数，整周期截取变压器振动信号；
步骤（3），对步骤（2）截取的振动信号进行小波降噪处理，再进行傅立叶频谱分析，得到振动信号分别位于50Hz、150Hz、300Hz处的频谱分量幅值；
步骤（4），将振动信号位于300Hz处的频谱分量幅值乘以一定倍数作为第一故障阈值CR1；计算振动信号分别位于50Hz、150Hz处的频谱分量幅值之和，以此乘以一定倍数作为第二故障阈值CR2。所述一定倍数一般的范围是1.2至2.5倍。
实施例
对一台电力变压器进行铁芯松动故障设置，验证本实用新型的正确性，并按照上述步骤进行实验。该变压器由江苏宏源电气有限责任公司生产，其参数如表1。
表 1
| 型号 | 电压比 | 联结组 |
| S9-M-100/10 | 10/0.4kV | Yyn0 |
| 高压侧IN | 低压侧IN | 短路阻抗 |
| 5.77A | 144.3A | 3.98% |
（一）系统连接
配合图3，变压器的型号为S9-M-100/10，振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器，转换接口采用BNC电气转换接口，数据采集仪采用型号Nicolet7700，单片机模块直接采用计算机。将振动传感器的输入端通过磁铁牢固地吸附在变压器油箱顶面的3个位置，其输出端通过BNC转换接口连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端通过网线接口连接计算机。
（二）振动加速度传感器的安装
实验采用CA-YD-103传感器，其技术参数如下表所示。
表 2
| 轴向灵敏度 | 最大横向灵敏度 | 冲击极限 | 频率响应 |
| 20pC/g | <5% | 2000g | 0.5~12kHz |
为了全面测量变压器铁芯的振动，实验尽可能在空载情况下进行，振动传感器分别安装在顶面的三个位置。具体安装位置如图4。
（三）铁芯松动故障的设置
用吊车将变压器吊芯。利用扳手将铁芯紧固螺丝拧松约1厘米。用木槌敲打松开螺丝的一侧铁芯使其松动，再将竹片轻轻敲入铁芯硅钢片的缝隙间使铁芯进一步松动。
（四）实施例实验
Nicolet数据采集仪配有电荷放大器，用于采集和记录振动加速度传感器检测到的振动信号，计算机则对采集仪输出的信号数据进行数据存储、数据处理和故障诊断，并且显示出诊断结果。
在本实施例中，利用前文提供的诊断方法对变压器进行实验，采集到振动信号后首先进行小波降噪，图6（a）和图6（b）分别为降噪前的振动原始信号和降噪后的振动信号，比较图6（a）和图6（b）可以看出降噪的效果。
比较图7（a）和图7（b）的1号点（即故障点附近）正常情况与铁芯松动故障的频谱可以发现，当铁芯发生松动后，距离其最近的油箱表面的振动将会产生较多的50Hz倍频分量，300Hz能量上升。
经过计算，被测变压器的频率分量幅值有如表3所示变化规律。
表 3
| 1号点空载振动幅值 | 正常/正常 | 松动/正常 |
| （50+150）Hz | 1 | 14.8 |
| 300Hz | 1 | 3.93 |
对振动信号进行傅立叶分析后，以300Hz（CR1）为主要特征量，当其幅值超过正常时的一定倍数时，可认为该位置附近发生铁芯松动故障。当50Hz和150Hz幅值之和（CR2）比正常时高出一定倍数时，进一步确定该位置发生铁芯松动故障。
图8（a）和图8（b）是本实用新型实施例非故障点（2号点）处在故障前后的频谱示意图。可以看出非故障点没有出现故障点处的特征。
图9（a）和图9（b）是本实用新型实施例非故障点（3号点）处在故障前后的频谱示意图。可以看出非故障点没有出现故障点处的特征。
在理论分析的基础上进行大量实测试验之后发现，上述特征具有很好的重复性和规律性，验证了这一特征可以用于变压器铁芯松动故障诊断。
Claims (4)
1. 一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，其特征在于：包括至少三个振动传感器、转换接口、数据采集仪和单片机模块，其中，所述振动传感器采集电力变压器的振动信号，然后将该振动信号通过所述转换接口传送至数据采集仪，并且在所有振动传感器中，有三个振动传感器分别设置在电力变压器油箱顶面与电力变压器三相绕组对应的三个位置；所述数据采集仪的输出端通过通信接口连接单片机模块，所述单片机模块根据数据采集仪输出的振动信号数据进行分析处理，最终得出诊断结果。
2.如权利要求1所述的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，其特征在于：所述振动传感器采用CA-YD-103振动加速度传感器。
3.如权利要求1所述的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，其特征在于：所述转换接口采用BNC电气转换接口。
4.如权利要求1所述的一种电力变压器铁芯松动故障诊断装置，其特征在于：所述数据采集仪采用的型号为Nicolet7700。
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