多传感信息融合技术的变压器振动噪声分析、故障诊断的研究与应用

谭展 武炜

摘 要：变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。传统方法仅仅能够提供变压器故障和事故后的滞后信息。变压器在线监测的主要特点是通过连续监测变压器一段时间内参数的变化趋势来判断变压器运行状况。在线监测捕捉到非瞬间故障的先兆信息，使变压器监测的时效性大大增加，解决了离线固有的缺陷，对主、大电网安全、可靠运行起到至关重要的作用。既提高了变电站运行的管理水平，又可为状态检修体系奠定基础。

关键词：变压器 ；噪声振动； 在线监测 ；加速传感器 ；数据库管理

一、研究背景

随着电力系统电网建设的不断扩大与发展，对电力系统的安全性和可靠性提出了更严格的要求。而作为电力系统中核心设备的变压器的安全运行显得尤为重要，一旦发生故障，将严重影响人们的正常生活水平和国家经济建设。

传统的监测变压器状态信息的方法是外观检查、理化、高压电气试验和继电保护。目前国内外在检测变压器性能时候，基本采用的都是传统的检测方法，传统检测变压器状态信息的方法是红外测温、铁心接地电流、油色谱分析等。可以发现变压器套管接头是否发热、铁心（夹件）是否存在多点接地故障、发现变压器油是否正常等3种缺陷。这些传统方法仅仅能够提供变压器故障现象和事故后的滞后信息，即在事故过后才能获得状态信息，但是无法发现变压器振动噪声缺陷。这与现代化状态维护发展趋势不相适应，不能满足对变压器进行实时状态监测的需要。

二、研究原理

变压器产生振动的原理：变压器振动产生的原因主要来源于结构振动和硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯周期性振动。在运行的过程中，铁心部分受到外部磁圈电流的干扰会产生一定的磁化现象，此种磁化现象是不可避免的。而振动的频率和振幅的变化都可能引起电抗器的潜在故障发生或故障，变压器绕组之间进行能量交换，也会产生磁场变换而引起变压器振动，因而监测电抗器振动情况随时了解供电网络的变化和电抗器的工作状态是必需的。

因此，通过项目的执行，形成 完整的变压器振动噪声分析方法、变压器负载变化对变压器振动的影响分析方法等一套完整的影响变压器安全运行因素的分析理论体系和实时在线检测分析设备等为一体的系列成果。

三、具体方案

深入分析变压器振动产生的原因：从变压器的组成铁芯、绕组、散热、负载、结构等个方面开展对变压器的振动进行理论分析，明晰变压器振动产生的机理，形成变压器在线监测分析基本法则，通过变压器振动形成的机理，选择验证采集信号的传感器的可行性、合理性和可靠性。

变压器在线监测的主要特点是通过连续监测变压器一段时间内参数的变化趋势来判断变压器运行状况。在线监测捕捉到非瞬间故障的先兆信息，使变压器监测的时效性大大增加，解决了离线固有的缺陷，对主、大电网安全、可靠运行起到至关重要的作用。既提高了变电站运行的管理水平，又可为状态检修体系奠定基础。振动测试技术一般由传感器、采集信号的分析和传输元件、变压器专用专家分析仿真平台等组成。

1.传感器

根据变压器工作的结构、工作原理、工作环境、振动形成的情况，我们拟选用加速度传感器作为振动信号采集的传感器。加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。由于被测对象变压器现场电磁干扰必然非常严重，综合各种传感器的结构和采集信号的方法，选用压电式加速度传感器来采集变压器上的振动。

压电加速度传感器是利用压电效应来进行工作的，当加速度计振动时，加速度发生变化，加于压电元件上的外力必然也会产生变化，若被测振动的频率远低于加速度计的固有频率，则外力的变化与加速度成正比。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，比较适合我们采集电抗器上的振动信号。

2.采集信号的分析和传输元件

为了全面了解分析变压器的振动情况，需要采集大量的数据，因而对采集信号处理器、通信传输技术和ADC转换器等都提出了严格的要求，我们拟采用高精度、大吞吐量的ADC、高速低功耗的嵌入式ARM、物联网通信技术组成测试数据采集系统，通过ARM系统强大的软硬件功能，完成數据采集、分析和采集数据传输。

3.变压器专用专家分析仿真平台研究：

开发一套可对采集数据进行时域分析、频域分析、小波变换、傅立叶变换等数据处理分析的软件，融合振动采集数据、温度采集数据为一体，提出变压器故障分析报告和告警报告，并给出解决问题的基本原则。同时逐步完善各种变压器的测试数据，形成强大的大数据支持平台。

4.变压器振动测试整个系统电磁兼容性设计：

变压器一般工作在户外，工作环境比较恶劣，其本身又产生很大的电磁场，而采集振动噪声、电流电压、温度等参数的传感器都属于敏感器件，极易受到环境的干扰，同时采集的信号又及其微弱，信号的信噪比非常小，也容易受到强电磁场的干扰，这样我们的项目产品除了要克服自然恶劣的环境影响，更主要的是要克服无规律、复杂的、强大的电磁场干扰，同时也要保证我们的项目产品不能影响变压器及电网的正常工作，因而电磁兼容设计将是项目研究的重点和难点内容之一。

5.变压器参数和故障参数数据库

我们拟采用SQL Server据库软件进行数据库管理。由于变压器的品种、材料、工况等参数繁多，每个品种变压器的情况各不相同，而数据库又是我们对故障和潜在故障分析的支撑，因而强大的变压器参数和故障参数数据库建立也是本项目研究的难点之一，需要不断的通过实践进行填充和完善。

要描述具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划。需要建设试验手段的项目，要给出试验手段的结构和作用；针对不同的变压器建立不同振动噪声模型；应用仿真计算，进行变压器振动信号判断方法研究及计算的软件开发。

四：效果检查

经努力研制。多传感信息融合技术的变压器振动噪声分析、故障诊断装置研制成功。通过连续监测变压器一段时间内参数的变化趋势来判断变压器运行状况。在线监测捕捉到非瞬间故障的先兆信息，使变压器监测的时效性大大增加，解决了离线固有的缺陷，对主、大电网安全、可靠运行起到至关重要的作用。既提高了变电站运行的管理水平，又可为状态检修体系奠定基础。

我们在西安供电公司一变电站使用多传感信息融合技术的变压器振动噪声分析、故障诊断装置。2016年4月发现此变电站2号主变时常伴随着噪音。从2017年至今我们一直坚持每月不定期不定时对此2号主变进行带电测量。其中包括红外测温、铁芯引下线接地电流、油色谱分析。但现有3种试验方法无法从数据显示出缺陷症结。2018年11月3日，我们使用研制出来的多传感信息融合技术的变压器振动噪声分析、故障诊断装置。通过装置测量，我们发现变压器空载时的振动特性数据和变压器负载时的振动特性数据均不在合格范围内，确定了缺陷位置。随即将测量情况向领导上报，上级将结合停电计划将此变压器进行全方面综检。

结束语：变压器综合在线监测技术通过及时捕捉早期故障的先兆信息，不仅防止了故障向严重程度的发展，还能够将故障造成的严重后果降到最低限度。变压器在线监测技术的优越之处是以微处理技术为核心，具有标准程序软件，可将传感器、数据采集硬件、通信系统和分析功能组装成一体，弥补了室内常规检测方法和装置的不足。变压器综合在线监测技术通过及时捕捉早期故障的先兆信息，不仅防止了故障向严重程度的发展，还能够将故障造成的严重后果降到最低限度。提高了运行可靠性，延缓了维护费用的投入，延长了检修周期和变压器寿命，避免了变压器停电故障。由此带来的经济效益是非常可观的；同时解决了现今人才资源短缺等一系列安全生产问题。因此本改造方案作为成功案例，对同类型设备都有推广应用价值。

作者简介：

谭展，男，汉，1985年11月，陕西，工程师，本科，电气工程及其自动化。