变压器绕组状态的振动在线监测

128 传感器与微系统(T ransducer and M i c rosyste m T echno l og i es) 2010年第29卷第12期

变压器绕组状态的振动在线监测

徐 志, 杨永明, 李 罗, 文 军

*

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆400044)

摘 要:提出了运用振动法在线监测变压器绕组的状态来实现变压器绕组故障预警和故障定位的方法。

在对振动法测量原理研究的基础上, 分析了变压器绕组在变压器运行时的振动与所受电磁力的关系。根据分析所得的振动信号特征, 设计了变压器绕组状态的振动监测系统。最后利用该系统对实际的变压器进行相关的振动监测实验, 实验结果验证了不同故障时对应的振动信号的特性不同, 从而为最终实现变压器绕组故障诊断奠定了良好的基础。

关键词:变压器绕组; 振动法; 在线监测; 故障诊断中图分类号:T M 421 文献标识码:A 文章编号:

1000 9787(2010) 12 0128 03

Transfor m er windi ngs status on line vibration monitoring

XU Zh, i YANG Yong m i n g , LI Luo , W E N Jun

(S tate K ey Laboratory of Po w er T ran s m ission E quip m en t&System Secur ity and New T echnology ,

Chongq ing Un iversity , Chongq ing 400044, Ch i na)

Abstract :V i brati on m onitor i ng of transf o r m er w i ndi ngs status w as propo sed t o ach i eve transfo r me r w i nd i ng s fault w arn i ng and fault l ocation . On the basis of v i b ration m easurem ent pr i nciple ana lysis , the re l a tionsh i p bet ween w i nd i ngs v i brati on and suffered electro m agne ti c force w as ana l yzed . M easurement syste m w as desi gned to mon itor transfor m er w i nding v i bration accord i ng to charac teristics o f v i brati on si gnals . V i brati on m onitor i ng exper i m ents w ere done on an actual transfo r m er , and the experi m ent results confir m t hat d ifferent fa il ure v i brati on si gnals have d ifferent character i stics . Thereby t he researches lay a good f oundati on f o r ulti m ate ach i eve m ent o f transf o r m er w i nd i ngs fau lt diagnosis . K ey word s :transforme r w i nd i ng s ; v ibration m ethod ; on li ne m onito ri ng ; fault d i agnosis

0 引 言

电力变压器是电力系统中最重要的设备之一, 变压器的安全可靠运行显得尤为重要。历年的统计资料表明:变压器绕组是发生故障较多的部件之一, 电力变压器绕组故障已经成为导致变压器损坏最主要的原因[1], 因此, 对变压器绕组的状态进行监测是很有必要的。

振动法是一种可以实现变压器在线监测的方法[2]。该方法是通过安装在变压器器壁上的振动加速度传感器来获取变压器工作时的振动信号, 通过对绕组振动信号的分析来实现变压器绕组的在线监测, 是一种非电气接触的检测方法, 可快速和安全可靠地获得变压器绕组状态信息[3]。目前, 国内对其研究较少, 更没有相关监测装置投入实际应用[4]。而运用无线通信对采集到的振动信号进行传送, 并将多只传感器组成网络, 可以方便实现处于任何位置的变压器绕组状况的在线监测和故障定位, 具有很好

收稿日期:2010 04 09

*基金项目:重庆市自然科学基金重点资助项目(CSTC2007BA3001)

*

的应用前景。1 振动法原理分析

变压器器身的振动是由变压器本体的振动和冷却装置的振动产生的。国内外的研究结果表明, 变压器本体的振动主要是由磁滞伸缩引起的铁心的振动和负载电流引起的绕组振动形成的, 冷却装置产生的振动集中在100H z 以下[5]。

铁芯的磁致伸缩效应与磁场强度B 的平方成正比, 而B 与电流i 变化频率一样, 所以, 磁滞伸缩引起的振动频率是以2倍的电源频率(100H z) 为基频。但由于铁心磁致伸缩的非线性等因素的影响, 使得振动频谱中除了基频外, 还有一些高频的附加振动。

在负载情况下, 变压器铁心与绕组之间的漏磁会使得磁场在绕组上产生电磁力。漏磁通常可分解为水平分量B 1和垂直分量B 2, 在有电流的情况下就会在绕组上产生作用力, 受力分析如图1所示。

第12期 徐 志, 等:变压器绕组状态的振动在线监测 129

图1 变压器绕组受力分析图

F i g 1 F orce analysis diagra m of transfor m er w i ndi ngs

图2 测量系统结构框图

F ig 2 Block diagra m of m easuri ng s y ste m

在水平方向上, 绕组受到辐向电磁力F 1, F 2的作用, 对绕组的振动影响不大, 可以不予考虑。在轴方向上, 绕组会受到电磁力F c 的作用。

利用毕奥 萨伐尔定律对电磁力F c 其进行定量分析。假设作用在处于漏磁场中的电流单元上的电磁力是d F =BJ d V, 则作用在绕组上的电磁力是单位体积电磁力的积分F = BJ d V 。这里, J 是电流密度, B 与电流成正比, 故F 与

v

传感器HK 9151, 它由普通的压电加速度传感器和电荷放大器组成, 输出信号是电压量, 方便与数据处理单元相连。该传感器有较高的灵敏度k =120mV /g (g 为重力加速度) 和较好的带宽10H z ~3k H z 。初步估计变压器振动加速度极限值能达到a = 4m /s 2。于是传感器的输出电压V = 4m /s2 120mV /g n = 0. 048V 。

J 成正比。所以, 电磁力F 会随电流的增大而增大, 由其引起的振动也会增大, 振动频率也将是2倍的电流频率, 即100H z 。对变压器而言, 大幅度的振动可能会使绕组发生形变, 破坏原来的受力的平衡, 从而使绕组更容易产生振动, 使得绕组的抗短路冲击的能力变弱。而且, 这种振动一直会存在变压器中, 使得绕组的压紧力变小, 从而使绕组变得松散, 长时间的积累可能会损坏变压器。

一般认为变压器励磁电流在铁芯中产生的主磁通在空载和负载变化时大小基本保持不变

[6]

2

2. 2 信号处理单元

该单元利用美国Cypress 公司推出的功能强大的8位可配置的嵌入式单片机PSoC 来实现振动信号的处理。它是一种可编程的系统芯片, 其集成了功能强劲的M 8C 内核和丰富的可编程的数字资源和可编程的模拟资源[7]。

1) 放大滤波

传感器是采用单电源5V 供电的, 输出信号漂移了V dd /2, 要还原真实的振动信号就需要滤掉此直流分量。如前文提到的在小于100H z 范围内, 集中的是由冷却系统引起的振动。所以, 为了获得绕组和铁心的振动信号, 就需要滤掉100H z 以下的信号。本设计是通过采用PSoC 单片机的带通滤波器模块BPF 来配置出100H z~3k H z 的滤波器的。在PSoC 单片机中要配置这样的滤波器是通过滤波器设计向导filter desi gn w izard 和编程来完成的[8]。

由于AD 模块的参考电压的范围是-3. 3~3. 3V, 而传感器输出电压只有 0. 048V 。所以, 为了使传感器输出电压与A D 匹配, 需要配置好PGA 模块, 使其对信号进行60倍放大。

2) AD 模块

PSoC 中有多种AD 模块, 考虑到信号的频率和所需要的采样率的问题, 本文选用的是ADC I NCVR 模块, 该模块可以配置成7~13位分辨率的AD , 其转换速率是10~4ksps 。其参考电压也是可选的, 通过外接参考电压, 可以使ADC I NCVR 测量的电压范围达到-3. 3~3. 3V 。这里通过编程将其配置为9位的转换速率6. 9ksps 的A /D转换器。

3) UART 通信模块

UART 用户模块是一种8位通用型异步接收发送器, 支持通过2根接线, 实现符合R S 232数据格式的双工串行通信。所接收和发的格了1位、奇

, 因此, 铁芯的振动在

空载和负载以及负载变化时也基本不变。空载时, 变压器副边绕组没有电流, 此时的铁芯的振动是远大于仅由副边绕组引起的振动, 近似认为空载时变压器的振动是铁心的振动。负载时的振动则是由绕组和铁芯共同的振动产生的, 如果近似认为变压器空载和负载时铁芯的振动不变, 那么从负载时的振动中提取出空载时的振动, 就可以得到单纯的变压器绕组的振动信号, 再将其与绕组正常时的振动信号作比较分析, 即可获得绕组的工作状况。2 测量系统设计

针对变压器产生的振动信号的特征, 本文设计了相应的提取振动信号并对其进行分析处理的监测系统, 该系统由信号采集部分、信号处理部分和无线通信部分构成, 系统框图如图2所示。

信号采集部分采用加速度传感器来采集振动信号, 信号处理部分选用了可编程片上系统(prog ramm ab l e sy stem on ch i p , PSoC ) CY 8C29466 24PV X I , 无线通信部分由无线通信芯片CC2430来完成的。

2. 1 加速度传感器

况, 选用了公司加

偶校验位和1个停止位。支持可编程的时钟, 可选择的中断或轮询的运行方式。还提供了用于初始化、配置和操作UART 的应用程序编程接口(A P I) 固件子程序。

测量。

实验主要完成了变压器空载, 三相对称性负载和不对称负载运行情况下的振动测试。实验时变压器副边A, B , C 三相与三相调压器连接。调压器副边与3个7. 5 的电阻通过星接的接线方式联接。通过调节调压器副边电压来获得不同的负载电流。分别在变压器空载、负载电压为20V (电流为2. 67A ), 50V (电流为6. 67A ) 时, 测得4#点的振动波形如图3所示。由图3可见, 空载时振动最小, 随着负载电流的增大振动也增大。空载时变压器的振动主要是由铁心的振动, 所以, 振动比较小。随着负载电压的增大, 电流也在增大, 振动随之增大。这是因为在电流增大时, 绕组受到的电磁力也会增大, 振动增强。所以, 可预见在变压器发生短路故障时, 随着电流的急剧增大, 绕组的振动也会变得很大, 远大于铁芯的振动。这时可以近似认为变压器的振动是由绕组引起, 忽略铁芯的振动。将此时的变压器振动信号与正常时的振动信号相比较, 可以得出绕组的运行状况。

2. 3 CC2430

CC2430是T I 公司推出的带硬件定位引擎的片上系统芯片。该芯片能够满足低功耗Z i g Bee /IEEE 802. 15. 4标准的无线传感器网络的应用, 利用全球共用的公共频率2. 4GH z , 应用于监视、控制网络时, 其具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势。3 实验测试与分析

实验选用的是三相配电变压器, 其额定容量为5k VA 。为了提取变压器器壁不同位置的振动信号, 实验对变压器

#上的5个点进行了振动测量, 其中, 1#, 2#, 3测量点分别对

应A, B, C 三相绕组, 4#, 5#点对应变压器两侧, 考虑到加速度传感器的成本较高, 本实验采用了1只加速度传感器。保证在相同的实验条件下, 依次完成对上述5个点的振动

图3 变压器三相对称运行时振动波形

Fig 3 V i bra tion wave for m w hen transfor m er w orks a t three phase sy mmetrica l sit uati on

图4是空载时3点和4#点的频谱分布情况和接20V

#

三相对称负载时1#, 2#, 3#, 4#, 5#各点的振动频谱分布。分析实验结果可知, 在空载的情况下, 变压器的振动主要是铁心的振动。这时的振动频率相对分布比较分散, 但在100, 200H z 以及250H z 分量较强。而在接三相负载对称运行时, 变压器振动几乎以100H z 为基频分布, 主要分布在300H z 以下, 且200H z 处最强。这是因为实验用的变压器的容量比较小, 对小容量的变压器而言其轴向固有频率是大于100H z , 在200H z 左右, 所以, 在这个频率段变压器绕组的轴向振动与变压器轴向固有频率相同而产生谐振, 使

#得200H z 处的振动很大。并且变压器器身中央(即2点)

测到的振动是最大, 两侧次之, 在200H z 频率点出现最大值。这是由于中间的绕组不仅受自身磁场影响, 还受到两旁绕组产生的磁场影响, 其受的磁场力比两边绕组大使得该相绕组振动更大。

图5是变压器不对称运行时, 3点位置处测得的振动

#

图4 对称负载条件下各点振动频谱

F i g 4 V i bra tion spectru m of each po i nt when transfor m er w orks

a t three phase symm etri ca l situa tion

处, 振动信号的幅值随之减小。从信号频率分布来看, 对称运行时振动信号能量主要集中在100H z 和200H z 这2个频率点, 而缺相运行时信号能量频率分布更宽。因此, 可以通过采集多点振动信号并对信号进行综合分析来实现变压

与对称运行时的振动频谱对比图。

对比图5中几种运行状态的振动信号频谱可看出:除去z 着缺相的增, 在z

3个通道的彩色合成图。实验结果表明:紫外C M OS 通道、可见光CCD 通道1, 2和多通道彩色合成图的图像细节清晰, 层次丰富, 图像数据完整,

达到了相机的设计要求。

的目的。通过外景成像实验, 获得了细节清晰、层次丰富完整的紫外和可见光融合图像, 验证了此项技术在相机中应用的可行性。参考文献:

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图8 紫外C MO S /可见光CCD 相机成像图

Fig 8 I mage from the ultravi o l et C MOS /visibl e li ght CCD camera

htt p : www. cyp res s . co m.

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5 结束语

通过对紫外C MO S /可见光CCD 相机中3个通道探测器驱动工作时序与图像数据流程的合理设计, 采用FPGA 和V e rilog 作为硬件和软件平台, 实现了相机多通道信息统合

作者简介:

钱炜峰(1983-), 男, 湖北赤壁人, 硕士, 主要研究方向为紫外光电探测技术。

(上接第130页) 参考文献:

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#

图5 负载电压为50V 缺相时3点的振动频谱图

F i g 5 V ibrati on s pectru m of po i nt 3when transfor m er w orks at

three phase unsy mm etrica l and l oad vo ltage is 50V

器绕组的故障诊断和故障定位。4 结 论

1) 变压器的负载电流和变压器绕组的形变状态与变压器的振动有直接关系, 通过振动信号来鉴别绕组故障是可行的。

2) 变压器振动信号主要是以100H z 为基频, 而且大部分是1000H z 以下的低频振动。正常时, 频率主要分布在100H z 和200H z 处, 变压器在空载和不对称运行时, 频率分布较宽。

3) 绕组故障时, 离故障绕组较近处的振动比较大。通过比较和分析多只传感器的振动信号可以实现故障绕组定位。

作者简介:

徐 志(1984-), 男, 湖北黄冈人, 硕士研究生, 主要从事电气