CN204495460U - 变压器机械振动波谱在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变压器机械振动波谱在线监测系统，包括变压器本体及其中的器身外壳、铁芯和绕组，其特征在于还包括：用于固定压电式加速度传感器的磁力底座、监测变压器机械振动波谱的压电式加速度传感器、信号采集器、综合处理单元、数据交换机和在线监测主站平台。该系统能够实现变压器机械振动波谱的检测、诊断、数据存储、对比、查询、上传及监视，解决了变压器机械振动波谱在线监测中现有技术存在的问题。通过本变压器机械振动波谱在线监测系统可针对性地监测变压器运行情况，并实现对需特维特巡变压器的远程集中监测与分析诊断，最终达到电力安全生产中的安全、效能、成本平衡。

Description

变压器机械振动波谱在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能变电站中电气设备在线监测的研究与应用，特别是变压器机械振动波谱的监测系统。

背景技术

电力变压器是电网中的关键设备，是电力系统安全、可靠运行的保证。同时，变压器的铁芯异常和绕组变形是变压器故障的主要原因；而铁芯异常和绕组变形时往往会伴随变压器在运行中机械结构的异常振动。因此，通过在线监测变压器的振动波谱，分析铁芯和绕组的机械振动状况，已成为电力变压器状态监测的一个主要内容。

变压器振动的主要原因通常有：                                                电磁效应导致的铁芯硅钢片伸缩。因漏磁导致硅钢片接缝处和叠片间的相互电磁吸引。因铁芯多点接地导致硅钢片伸缩，并在铁芯温度过高后而振动。因流通绕组的负载电流增大导致绕组间、线饼间、线匝间的电场力增大和动态电磁吸引，并在绕组后而振动。漏磁导致器身或油枕的外壳振动。变压器冷却器（风机）运行而产生的振动（在小于100Hz的范围）；冷却器引起的振动通常为正常表象。

鉴于变压器振动的主要原因，可知异常机械振动主要来自变压器的铁芯及绕组，其传播途径有：由垫脚传递至器身外壳，由绝缘油传递至器身外壳。密切相关，因此通过测量变压器器身外壳表面的振动信号可反映出铁芯部件或压紧件松动、绕组的位移和变形等异常状况。

采用振动法检测变压器绕组和铁芯的状况已引起电力行业的重视。当前变压器振动检测的方法主要有:离线检测法、在线监测法等。其中，离线检测法是通过在变压器器身处安装振动传感器，并通过示波器观察、分析检测结果；由于未能持续检测而未能客观反映设备在不同工况下的健康状态，实际应用情况表明仍存在以下不足：

监测数据诊断须建立在比较时域或频谱曲线的基础上，即比较同一台变压器在不同时间段，或比较同型号变压器在相同负荷、温度等情况的原振动曲线，但当前尚未能基于时域或频谱曲线提出判断依据；

当前变压器振动监测的研究基本还停留在数学分析和对监测数据的分析上，缺乏相应变压器振动数据的实际模型和判断依据；

亦未能建立绕组和铁芯振动频谱的原始数据库，以便可以有效运用振动曲线的比较。此外，原始数据库除记录振动数据外，还须记录环境温湿度，变压器的油温、线温和负荷，监测装置的状态信号等；

在信号通道、采集装置、数据上传及存储格式各不相同，如表征振动程度的单位就有赫兹、毫伏、分贝等；从而未能实现有效的集中监测和远程分析；

各型号监测装置的分析软件对机械振动频谱的类型和程度判定不同，对监测传感器的设置也不具有普适性。由此导致诊断结果不一致，对比分析困难。

上述问题导致现有的变压器机械振动波谱监测装置无法形成包含检测、诊断、数据存储、对比、查询、上传及监视的在线监测综合处理系统，进而未能起到监测预警的作用，亦未能减轻电力生产人员的负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备变压器机械振动波谱的检测、诊断、数据存储、查询、对比、过滤及上传功能，并解决变压器铁芯在线监测中的集中监测与状态诊断的变压器机械振动波谱在线监测系统。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种变压器机械振动波谱在线监测系统，包括变压器本体及其中的器身外壳、铁芯和绕组，其特征在于还包括：

安装在所述变压器器身外壳处，用于固定压电式加速度传感器的磁力底座；

安装在所述磁力底座处，监测变压器机械振动波谱的压电式加速度传感器；

输入端通过电缆与所述各压电式加速度传感器信号输出端连接的信号采集器；

输入端通过电缆与所述信号采集器信号输出端连接的综合处理单元；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的打印机；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的显示器；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的数据交换机；

通过网络与数据交换机联系的在线监测主站平台。

所述的压电式加速度传感器是用以检测变压器机械振动波谱特征量，通常包括标准重力加速度（g）、振动频次（Hz）；压电式加速度传感器的设置数量为每台变压器14只，其具体数量亦取决于现场安装需要；同时，各压电式加速度传感器的型号和规格不同或相同。

所述的综合处理单元通常设置一站一套，综合处理单元设置有变压器机械振动波谱数据库，可用于比较振动曲线和记录振动数据；同时，采用全网统一的神经网络定位铁芯、绕组故障点和识别判断振动类型表象。

所述识别判断振动类型表象包括铁芯硅钢片伸缩、硅钢片接缝处、叠片间相互电磁吸引、绕组间、线饼间、线匝间的电场力增大和动态电磁吸引。

所述的在线监测主站平台，能够直接通过各变电站的主干网数据交换机归集相关变压器设备的机械振动波谱监测特征量及振动原因诊断结果，并提供给设备运维人员查询、分析。

以上的变压器机械振动波谱在线监测系统，将14只磁力底座安装于变压器器身外壳处。各测点配置方式为：在A、B、C三相绕组对应的变压器器身外壳处各配置4只，其中每相的正面、背面各2只，每面的上下各一只；同时在变压器的左右两面各配置1只。将压电式加速度传感器以螺栓安装固定于磁力底座上，监测变压器器身的机械振动波谱特征参量；其安装数据与磁力底座相同。通过信号采集器将检测到的变压器机械振动波谱检测值归集到综合处理单元分析处理，数据交换机通过电力综合数据网的发送、传输机械振动波谱监测数据和分析诊断结果发送至在线监测主站平台数据服务器；并实现变压器机械振动波谱的检测、诊断、数据存储、对比、查询、上传及监视，解决了变压器机械振动波谱在线监测中现有技术存在的问题。

通过变压器机械振动波谱在线监测系统可针对性地监测变压器运行情况，并实现对需特维特巡变压器的远程集中监测与分析诊断，最终达到电力安全生产中的安全、效能、成本平衡。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理示意框图；

在图中，磁力底座1；压电式加速度传感器2；信号采集器3；综合处理单元4；显示器5；打印机6；数据交换机7；在线监测主站平台8。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

图1所示，是本实用新型的结构原理示意框图，从图中可知，本实用新型包括由磁力底座1、压电式加速度传感器2、信号采集器3、综合处理单元4、显示器5、打印机6和数据交换机7。从压电式加速度传感器2到数据交换机7，上一部分的信号输出端与下一部份的信号输入端通过电缆依序连接。其中，综合处理单元4的信号输出端还与显示器5、打印机6的信号输入端通过电缆连接；数据交换机7通过电力综合数据网与在线监测主站平台8联系。

所述的在线监测主站平台8为可提供省级电网内相关监测数据归集和网络应用的数据服务器。所述的磁力底座1安装于变压器器身外壳处，并用于固定压电式加速度传感器2。压电式加速度传感器2是用以检测变压器机械振动波谱特征量，通常包括标准重力加速度（g）、振动频次（Hz）等。压电式加速度传感器2安装于磁力底座1处，通常为经螺栓紧固的方式实现安装固定；且便于安装、采样、检测、巡视和维护。所述的磁力底座1、压电式加速度传感器2可根据现场需要及变压器数量确定，且磁力底座1与压电式加速度传感器2的数量一致。

所述压电式加速度传感器2是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体，如压电晶体有石英、压电陶瓷，在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。在压电式加速度传感器感受到变压器器身振动时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

所述的信号采集器3是对压电式加速度传感器2的检测信息进行识别、编码、放大滤波及数模转换等预处理，并将处理后的信息上传至综合处理单元4。

所述的综合处理单元4是对信号采集器上传的机械振动波谱进行分析诊断、对比、过滤及存储，并按统一的数据格式通过数据交换机7转发；即将综合处理后的可靠信息通过数据交换机7接入电力综合数据网，并发送到在线监测主站平台8。

所述的综合处理单元通常设置一站一套，综合处理单元设置有变压器机械振动波谱数据库，可用于比较振动曲线和记录振动数据；同时，采用全网统一的神经网络定位铁芯、绕组故障点和识别判断振动类型表象。

所述识别判断振动类型表象包括铁芯硅钢片伸缩、硅钢片接缝处、叠片间相互电磁吸引、绕组间、线饼间、线匝间的电场力增大和动态电磁吸引。

显示器5显示变压器设备状态的监测数据，即是机械振动波谱监测数据、监测时间、变化曲线、振动类型及振动部位等。

打印机6打印某一时间段内的变压器设备状态的监测数据，即是机械振动波谱监测数据的机械振动波谱、振动类型、振动部位、数据列表、综合信息、当前状态、变化曲线图、监测装置运行状态等。

数据交换机7是用于实现变压器机械振动波谱监测数据接转的通信设备；通过该数据交换机可以连通电力综合数据网内综合处理单元到在线监测主站平台8间的通信，并以IEC61850的数据格式有效地上传或接收数据。

本实用新型的工作原理为：

1） 磁力底座1安装在变压器设备本体器身外壳处，并用于固定压电式加速度传感器2。通常的配置方式通常为：在A、B、C三相绕组对应的器身外壳处各配置4只，其中每相的正面、背面各2只，每面的上下各一只；同时在变压器器身的左右两面各配置1只；

2） 压电式加速度传感器2安装固定在磁力底座1处，通常以螺栓紧固的方式安装固定，并将检测的信号传输至信号采集器3；

3） 通过信号线将信号采集器3与综合处理单元4连接，信号采集器对检测信号进行预处理，并将处理后信号上传至综合处理单元4；

4） 显示器5显示变压器设备的机械振动波谱检测值、监测时间等监测值；

5） 打印机6打印某一时间段内监测数据的机械振动波谱、振动类型、振动部位、数据列表、综合信息、当前状态、变化曲线图、监测装置运行状态等；

6）综合处理单元4对各信号采集器3上传的监测信号进行分析诊断、对比、过滤及存储；并在第一时间通过数据交换机7接入电力综合数据网，以发送至在线监测主站平台8，供技术人员远程监视和分析。

实施例

1. 清洁变压器各测点表面，并将14只磁力底座1分别安装于某220kV变电站1号主变的器身外壳处，即磁力底座内部放置有一块永久磁铁或恒磁磁铁，可吸附于变压器器身外壳的钢铁表面。实际工作中，可根据变压器数量、变压器体积、变压器的历史及当前工况等因素选择具体的安装数量；

2. 分别将14只压电式加速度传感器2通过螺栓安装固定于磁力底座处。具体安装时须控制力度，且螺栓不得全部拧入磁力底座1的螺孔，以免引起磁力底座变形。在磁力底座的接触面上涂一层硅脂可增加不平整接触表面的感知可靠性；

3. 在变压器场内的智能汇控柜内安装信号采集器3，并接入各变压器压电式加速度传感器2的数据线；

4. 综合处理单元4对各信号采集器3上传的机械振动波谱检测值、 进行分析诊断、对比、过滤及存储。通过对机械振动波谱检测值的分析、诊断，可诊断分析的结果有机械振动波谱变化趋势、振动原因类型（如绕组变形）、振动部位（如高压侧C相绕组）；

此外，机械振动波谱检测值的对比分析包括：基于时域变化的测值纵向对比、横向对比等。具体如下：

（1）纵向对比。纵向比较同一监测传感器在不同时间段的测值变化情况，如该变压器机械振动波谱间测值在不同时期内平均值对比功能，在判别该设备内部缺陷程度中提供判断经验值；

（2）横向对比。横向比较不同监测传感器在同一时间段的测值偏差功能，如一台变压器ABC三相的监测传感器在同一时期内平均值对比功能，在判别三相设备内部缺陷程度中提供判断经验值；

5. 当变压器机械振动波谱检测结果中存在明显的缺陷表象特征，且存在确认的放电类型（如漏磁或多点接地），综合处理单元4在第一时间将检测值及分析结果通过数据交换机接入电力综合数据网，并最终发至在线监测主站平台8，供技术人员调取查询。具体内容包括：监测时间、设备名称、检测值（转换数据格式后的标准重力加速度（g）、振动频次（Hz）、故障相）、放电缺陷类型等；

7. 变电站现场值班人员通过显示器5查询监测数据（包含历史数据）及综合处理单元的诊断结果，并利用打印机6打印监测数据的机械振动波谱、监测报告、数据对比、数据分析、数据列表、综合信息、当前状态、变化曲线图等；

8. 技术人员使用接入电力综合数据网的计算机访问在线监测主站平台8核实确认检测信息；并再次分析判断，制定应对措施。采取的应对措施包括：现场复测、转移变压器负荷、停电检修、更换设备等。

本实用新型与现有技术产品相比，具有以下优点：

（1）配置灵活：磁力底座采用磁铁吸力固定，安装及拆卸便捷，可更具实际需要安装于变压器本体器身外壳处。综合处理单元可同时处理全站主变的监测数据，以实现灵活配置，适应智能变电站的现场需要；

（2）运行安全：非侵入检测方式，在线监测装置安装于变压器本体器身外壳的表面，不改变设备原有结构及运行方式，实现一次回路与二次回路隔离，不影响电气设备的运行安全；同时安装过程中无须对设备停电；

（3）维护方便：采用星型拓扑结构的布置方式，确保在对其单只压电式加速度传感器维护时不影响到其它监测回路的正常运行；

（4）远程诊断：采用分布式的互操作的网络通信应用程序（Web Service）实现不同用户可在不同的计算机上监视机械振动波谱数据，适应电网企业内不同单位（部门）所要求的异构信息集成系统；

（6）一体化配置：通过监测传感器、综合处理单元及数据交换机实现从机械振动波谱检测值检测、分析诊断、预警及历史数据存储的全过程控制。

Claims (4)

1.一种变压器机械振动波谱在线监测系统，包括变压器本体及其中的器身外壳、铁芯和绕组，其特征在于还包括：

安装在所述变压器器身外壳处，用于固定压电式加速度传感器的磁力底座；

安装在所述磁力底座处，监测变压器机械振动波谱的压电式加速度传感器；

输入端通过电缆与所述各压电式加速度传感器信号输出端连接的信号采集器；

输入端通过电缆与所述信号采集器信号输出端连接的综合处理单元；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的打印机；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的显示器；

输入端通过电缆与所述综合处理单元信号输出端连接的数据交换机；

通过网络与数据交换机联系的在线监测主站平台。

2.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：

所述的压电式加速度传感器是用以检测变压器机械振动波谱特征量，包括标准重力加速度、振动频次；压电式加速度传感器的设置数量为每台变压器14只；同时，各压电式加速度传感器的型号和规格不同或相同。

3.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：

所述的综合处理单元设置一站一套，综合处理单元设置有变压器机械振动波谱数据库，可用于比较振动曲线和记录振动数据；同时，采用全网统一的神经网络定位铁芯、绕组故障点和识别判断振动类型表象。

4.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：

所述的在线监测主站平台，能够直接通过各变电站的主干网数据交换机归集相关变压器设备的机械振动波谱监测特征量及振动原因诊断结果，并提供给设备运维人员查询、分析。