CN206095563U - 一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统，用于变压器绕组的模态检测，所述系统包括信号发生器、功率放大器、激振器、多个加速度传感器、预处理器和模态分析器，其中，信号发生器的输出端电连接功率放大器的输入端；功率放大器的输出端电连接激振器的输入端；激振器连接变压器绕组，且激振器位于变压器绕组轴向侧的顶部；激振器的输出端电连接预处理器的输入端；加速度传感器均匀设置在变压器绕组轴向的上部、中部和下部，加速度传感器分别电连接预处理器的输入端；预处理器的输出端电连接模态分析的输入端。本实用新型提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统通过对比分析得到各阶模态改变规律，提高轴向轻微变形检测精度。

Description

一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统

技术领域

本实用新型涉及绕组故障检测设备技术领域，尤其涉及一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统。

背景技术

随着电网容量的增大，对电力系统的安全运行和供电可靠性提出了更高的要求，一次电气设备直接影响着电力系统的稳定，大力电力变压器是电网中最主要的一次电气设备，电力变压器安全运行与否直接影响着电力系统的安全稳定运行。对长期运行的电力变压器而言，若不及时对故障进行维修不仅会损害变压器，更会对电网的正常运行造成影响，甚至会导致电力系统的崩溃，因此对于变压器故障诊断与监测有着非同寻常的意义。

电力变压器绕组抗短路能力不足已成为引发变压器事故最主要的原因，变压器绕组松动或变形是造成绕组抗短路能力不足的一个重要因素。目前变压器绕组故障检测方法采用振动分析法。变压器稳定运行时，绕组在由负载电流产生的电动力的作用下产生振动，铁芯由于磁致伸缩也会产生振动，绕组和铁芯的振动通过变压器的绝缘油和器身传递到油箱表面，引起油箱的振动。油箱表面的振动信号与绕组和铁芯的变形、压紧状况等密切相关，所以观察油箱表面的振动信号可以将变压器运行过程中绕组和铁芯的状况反映出来。因此，振动分析法通过贴在变压器箱体表面的振动传感器获得变压器的振动信号，通过分析变压器振动信号来判断绕组故障，只要绕组机械特性(变形，预紧力松动)发生变化，都可以从振动特性变化上得到反映，可以及时发现微小变形。

但是，现有的振动分析法对绕组轻微轴向变形的检测精度不高，且振动分析法仅能检测绕组轴向变形结果，无法进一步探究变压器绕组轴向各阶模态变形随绕组状态改变而改变的规律。

实用新型内容

为克服相关技术中存在对变压器绕组轻微轴向变形的检测精度不高，且无法检测绕组轴向各阶模态变形的问题，本实用新型提供一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统用于变压器绕组的模态检测，所述系统包括信号发生器、功率放大器、激振器、多个加速度传感器、预处理器和模态分析器，其中：

所述信号发生器的输出端电连接所述功率放大器的输入端；

所述功率放大器的输出端电连接所述激振器的输入端；

所述激振器连接所述变压器绕组，且所述激振器位于所述变压器绕组轴向侧的顶部；

所述激振器的输出端电连接所述预处理器的输入端；

所述加速度传感器均匀设置在所述变压器绕组轴向的上部、中部和下部，且所述加速度传感器分别电连接所述预处理器的输入端；

所述预处理器的输出端电连接所述模态分析器的输入端。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述激振器的底端设置顶杆，所述激振器通过所述顶杆连接所述变压器绕组，且所述激振器的轴线所在直线与所述变压器绕组的轴线所在直线平行。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述顶杆的底端设置压力传感器，所述压力传感器与所述变压器绕组的顶端接触，且所述压力传感器电连接所述预处理器的输入端。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述激振器包括电动式激振器。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述加速度传感器包括振动加速度传感器。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述加速度传感器的数量大于3。

优选地，上述变压器绕组轴向变形的模态实验系统中，所述模态分析器包括DHMA模态分析器。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统用于变压器绕组的模态检测分析，该系统包括信号发生器、功率放大器、激振器、多个加速度传感器、预处理器和模态分析器，其中，信号发生器的输出端电连接功率放大器的输入端；功率放大器的输出端电连接激振器的输入端；激振器连接变压器绕组，且激振器位于变压器绕组轴向侧的顶部；加速度传感器均匀设置在变压器绕组的上部、中部和下部，且加速度传感器分别电连接预处理器的输入端；激振器的输出端电连接预处理器的输入端；预处理器的输出端电连接模态分析器的输入端。信号发生器产生激励信号，经功率放大器放大后进入激振器，驱动激振器对变压器绕组进行激励，使得变压器绕组发生轴向移动，加速度传感器准确采集变压器绕组表面的振动信号，预处理器将采集的激振器振动力信号和加速度传感器采集的变压器绕组振动信号进行预处理，得到各测点的频率响应函数，将预处理后的数据导入模态分析器，得到绕组轴向变形时各阶固有频率及其响应振型，从而准确测量变压器绕组发生轴向变形，并分析模态变形规律。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统中激振器的使用状态图；

图3A为正常情况下变压器绕组轴向侧顶部测试点的振动响应波形示意图；

图3B为正常情况下变压器绕组轴向侧中部测试点的振动响应波形示意图；

图3C为正常情况下变压器绕组轴向侧底部测试点的振动响应波形示意图；

图4A为故障情况下变压器绕组轴向侧顶部测试点的振动响应波形示意图；

图4B为故障情况下变压器绕组轴向侧中部测试点的振动响应波形示意图；

图4C为故障情况下变压器绕组轴向侧底部测试点的振动响应波形示意图；

图1-图4C符号表示：

1-信号发生器，2-功率放大器，3-激振器，31-顶杆，32-压力传感器，4-变压器绕组，5-加速度传感器，6-预处理器，7-模态分析器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

模态是机械结构的固有振动特性，机械结构的模态通常是由固有频率、阻尼比、模态振型组成，其实验原理如下：

根据系统模态参数的理论分析可知，对一个自由度为N的比例阻尼系统来说，其第r阶模态坐标为：

则结构上任意测点l的响应为：

在单激励情况下，激励力作用于p点时，则激励力向量变为：

F＝[0...0...f_p(ω)...0...0] (4)

模态力为：

根据式(1)、式(3)、式(5)得到：

据此可得测量点l和激励点p之间的频率响应函数为：

式(7)表明，l点的响应是单独由p点的激励力引起的，即H_lp(ω)的含义为在p点作用一个单位正弦力时在l点产生的复响应。由此可见，频率响应函数与激励力的大小无关，由模态参数直接决定。

令可根据式(7)得：

式中：——l测点的r阶模态阵型参数；

——p测点的r阶模态阵型参数；

M_r——系统r阶质量矩阵；

ω_r——系统的第r阶固有频率；

ε_r——第r阶阻尼比；

ω——系统固有频率。

由式(8)可见，通过模态试验来求得的系统响应函数包含了结构的所有模态参数信号。

基于上述工作原理，本实用新型实施例提供一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统，如图1所示，该图示出了变压器绕组轴向变形的模态实验系统的基本结构。该系统用于变压器绕组4的模态检测，其中待测变压器为一台110kv的变压器高压绕组，连接方式为YNd11。

该系统包括信号发生器1、功率放大器2、激振器3、加速度传感器5、预处理器6和模态分析器7，其中,

信号发生器1产生的信号是试验系统的输入信号，且主要作用于激振器3，驱动激振器3工作。信号发生器1主要用于产生白噪声信号，带宽约为20kHz，白噪声信号在各个频段上的功率是相同的，可以保证每次产生的输入信号频率均匀，降低测量误差，提高测量精度。

信号发生器1产生的信号功率较低，而激振器3驱动功率较高，信号发生器1产生的信号不足以驱动激振器3，因此需要对信号发生器1产生的信号进行功率放大，于是信号发生器1的输出端与功率放大器2的输入端电连接，将白噪声信号传输至功率放大器2，使得信号功率放大到足以驱动激振器3。

功率放大器2将放大后的信号传输至激振器3，驱动激振器3工作。激振器3位于变压器绕组4轴向侧的顶部，如图2所示。激振器3的底端设置顶杆31，激振器3通过顶杆31与变压器绕组4接触，将驱动力传递至变压器绕组4，使得变压器绕组4发生轴向移动。激振器3选用电动式激振器，其工作原理如下：电动式激振器由励磁线圈与动线圈两部分组成，将交变电流通入线圈，使线圈在给定的磁场中产生振动，给定磁场是由励磁线圈产生，动线圈受到电激励力的作用带动顶杆运动，顶杆与变压器绕组4接触，从而将驱动力传递至变压器绕组4。

为保证变压器绕组4发生轴向移动，激振器3的轴线所在直线和变压器绕组4的轴线所在直线平行，使得变压器绕组4受到轴向驱动力的激励，产生轴向变形。

为测量变压器绕组4的轴向变形，变压器绕组4轴向侧设置多个加速度传感器5，加速度传感器5被固定在金属夹件上，金属夹件与变压器绕组4牢固固定，从而使得加速度传感器5固定在变压器绕组4上。优选的，加速度传感器5选用振动加速度传感器，用于采集变压器绕组4的轴向振动信号。

为精确测量变压器绕组4的轴向变形，变压器绕组4按轴向分为上部、中部和下部，这三部分均匀设置多个加速度传感器5，精确采集变压器绕组4轴向上部、中部和下部的振动信号，若只采集变压器绕组4轴向上部、中部和下部其中一部分的振动信号，不能准确表明变压器绕组4的轴向变形，可能会因外界因素影响测量的准确度。为进一步提高信号采集的精度，变压器绕组4轴向上均匀设置70个加速度传感器5，根据变压器绕组的大小，加速度传感器5的数量越多，采集信号的精度越高。

为采集激振器3的振动力信号，顶杆31的底端设置压力传感器32，压力传感器32与变压器绕组4的顶端接触，一方面采集激振器3的振动力信号，另一方面将激振器3的驱动力传递至变压器绕组4，使得变压器绕组4发生轴向移动。

为处理信号，加速度传感器5和压力传感器32分别电连接预处理器6的输入端，将变压器绕组4的振动信号和激振器3的振动力信号同时传输至预处理器6，预处理器6对信号进行预处理，求得各测点的频率响应函数。本实用新型实施例中预处理器6采用DHDAS软件测试系统，DHDAS软件测试系统包括信号采集模块和频响分析模块，其中，信号采集模块接收加速度传感器5采集的变压器绕组4的振动信号和压力传感器32采集的激振器3的振动力信号，频响分析模块处理信号得到各测点的频率响应函数，频率响应函数包含了变压器绕组4轴向变形的所有模态信息。

为分析变压器绕组4的各阶模态，预处理器6的输出端电连接模态分析器7的输入端，将预处理后的数据导入模态分析器7，模态分析器7分析得到变压器绕组4轴向变形的各阶固有频率和响应振型。模态分析是根据测量结构上各个测点的信号，采用模态参数识别方法得到结构的模态参数(频率、阻尼和振型)。优选地，模态分析器7采用DHMA模态分析软件，采用测力法得到变压器绕组4轴向变形的模态参数。测力法是给系统施加一个已知的输入力，测得各结构的响应，利用软件的频率响应函数分析数据，计算得到各点频率响应函数，利用频率响应函数，通过一定的模态参数识别方法来得到结构的模态参数。

为方便变压器绕组4轴向变形情况与正常情况进行比较，利用变压器绕组垫块脱落，设置变压器绕组4发生轴向变形。正常情况下变压器绕组4轴向的上部、中部和下部的振动响应波形分别如图3A、图3B和图3C所示，而变压器绕组4发生轴向变形情况下的上部、中部和下部的振动响应波形如图4A、图4B和图4C所示，通过对比各测点正常状态下和故障情况下的响应振型，发现前四阶固有频率均向低频方向有不同程度偏移。。

本实用新型实施例提供的变压器绕组轴向变形的模态实验系统用于变压器绕组4的模态检测，该系统包括信号发生器1、功率放大器2、激振器3、多个加速度传感器5、预处理器6和模态分析器7，其中，信号发生器1的输出端电连接功率放大器2的输入端，功率放大器2的输出端电连接激振器3的输入端，信号发生器1产生白噪声信号，经过功率放大器2放大后传输至激振器3，驱动激振器3振动；激振器3的底端设置顶杆31，激振器3通过顶杆31将驱动力传递至变压器绕组4，使得变压器绕组4发生轴向移动；加速度传感器5均匀设置在变压器绕组4轴向侧的上部、中部和下部，用于采集变压器绕组4的振动信号；顶杆31的底端设置压力传感器32，压力传感器32与变压器绕组4的顶端接触，用于采集激振器3的振动力信号；压力传感器32和加速度和传感器5分别电连接预处理器6的输入端，将激振器3的振动力信号和变压器绕组4的振动信号同时传输至预处理器6，预处理器6对信号进行预处理，求得各测点的频率响应函数；将预处理后的数据导入模态分析器7，最后求得模态参数。该试验系统既可提高变压器绕组4轴向轻微变形的检测精度与灵敏度，同时通过实验得到的变压器绕组4轴向变形故障的频率响应函数，将其与正常情况的频率响应函数进行对比，进一步总结出变压器绕组4轴向各阶模态变形随绕组状态改变而改变的规律。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的公开后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种变压器绕组轴向变形的模态实验系统，用于变压器绕组(4)的模态检测，其特征在于，包括信号发生器(1)、功率放大器(2)、激振器(3)、多个加速度传感器(5)、预处理器(6)和模态分析器(7)，其中：

所述信号发生器(1)的输出端电连接所述功率放大器(2)的输入端；

所述功率放大器(2)的输出端电连接所述激振器(3)的输入端；

所述激振器(3)连接所述变压器绕组(4)，且所述激振器(3)位于所述变压器绕组(4)轴向侧的顶部；

所述激振器(3)的输出端电连接所述预处理器(6)的输入端；

所述加速度传感器(5)均匀设置在所述变压器绕组(4)轴向的上部、中部和下部，且所述加速度传感器(5)分别电连接所述预处理器(6)的输入端；

所述预处理器(6)的输出端电连接所述模态分析器(7)的输入端。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述激振器(3)的底端设置顶杆(31)，所述激振器(3)通过所述顶杆(31)连接所述变压器绕组(4)，且所述激振器(3)的轴线所在直线与所述变压器绕组(4)的轴线所在直线平行。

3.根据权利要求2所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述顶杆(31)的底端设置压力传感器(32)，所述压力传感器(32)与所述变压器绕组(4)的顶端接触，且所述压力传感器(32)电连接所述预处理器(6)的输入端。

4.根据权利要求1所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述激振器(3)包括电动式激振器。

5.根据权利要求1所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述加速度传感器(5)包括振动加速度传感器。

6.根据权利要求1所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述加速度传感器(5)的数量大于3。

7.根据权利要求1所述的变压器绕组轴向变形的模态实验系统，其特征在于，所述模态分析器(7)包括DHMA模态分析器。