基于振动分析法的变压器故障振动数据采集系统设计研究

王 磊

（晋能控股煤业集团地煤公司大同市焦煤矿， 山西 朔州 038300）

引言

变压器作为输变电以及供电系统的重要设备，保障输变电效率和经济性的同时，对电网的安全也至关重要，但随着经济的发展，煤矿用电对变压器的性能要求也在提高，随着变压器光栅和容量的增加，如何保证变压器的安全稳定运行，及时发现故障信息成为用户关心的问题。变压器故障振动数据采集系统能够监测变压器的实时和瞬时状态，并分析采集数据得出诊断结果[1-2]。基于振动分析法的故障数据采集系统相较于传统故障监测方式，没有电气量的接入，完全不影响变压器电路的工作，且故障监测效率高，诊断结果准确[3-5]。

1 变压器绕组的振动机理

变压器的线圈绕组在工作时会受到铁芯和绕组时间的电磁力作用产生机械运用趋势，进而带动电压器内部部件的机械振动，当通过的电流过大时，变压器振动可能会导致变压器故障。变压器绕组的机械振动力学等效模型如图1 所示，其中F（t）为线饼的电磁力，X（t）分别为线饼的垂直运动和轴向位移，Ks为静传动刚度，Kv为黏弹性的动力稳定传动刚度，R 为传动阻尼阻力系数。

图1 变压器绕组等效弹簧力学模型

变压器在设计制造中已经考虑了电磁力引起的绕组振动对变压器的影响，但由于变压器负载端的接入过大等因素引起的较大电磁力振动产生的激振能量，会使得整个变压器产生一种被迫振动，长期振动或瞬时的大能量振动会导致变压器的一些连接件松动，出现故障。

2 变压器振动监测系统硬件设计

变压器振动监测系统的硬件主要包含用来采集变压器电流、电压、温度以及振动等信号的采集模块，信号调理模块，归集采集转化后的数字信号的数据采集模块，数据及程度处理中心的CPU 模块，对系统供电的电源模块，数据和程度存储的存储模块以及系统参数显示模块，各模块的结构组成与系统结构如图2所示。

图2 变压器振动数据采集系统结构图

2.1 信号采集模块

信号采集传感器的选择是系统的基础，系统设计中需要对三路电流信号和三路电压信号进行采集，同时振动信号需要采集八路，另外还需要采集一路温度信号，其中电流信号采用电流互感器从CT 端子进行测量，电压信号采用PT100 进行测量，振动传感器的选择是信号采集模块的设计重点。振动传感器的种类一般可以总结为速度式、加速度式、电容式等，不同种类振动传感器的对比见下页表1。

表1 不同种类振动传感器对比表

基于以上对比分析，本文采用ICP 加速度式振动传感器，振动频率测量范围为5 Hz～10 kHz，灵敏度为500 mV/g，能够满足系统的设计需求。

2.2 信号调理模块

主要针对电流、电压以及振动信号进行调理，其中电流信号采集到的是交流信号，因此要对信号进行I/V 转化电路、信号放大电路以及抗混叠滤波电路；电压信号调理主要通过电压互感电路以及抗混叠滤波电路完成；振动信号实际上也是电流信号，与电流信号调理模块不同的是，在振动信号调理模块中增加了加速度振动传感器的供电电路。

2.3 数据采集与CPU 模块

变压器振动频率一般在0～2.5 kHz 之间，数据采集模块选型时需要覆盖此范围，同时要求对磁场具有较强的抗干扰性。本设计采用由北京阿尔泰生产的PC104+总线数据采集卡，其采集速率高、采集精度高，与CPU 的通信采用32 通道，采集量程满足振动需求，最高振动采集频率为200 kHz。CPU 模块则选用研华生产的PCM2251 型，与数据采集卡的通信同样采用总线方式，工作温度满足需求，同时设置有丰富的通信接口，方面外接设备数据的输入与输出。

2.4 数据储存模块

变压器振动数据的监测系统需要储存大量的振动采集、系统处理以及数据库数据，要求数据储存模块容量足够大，同时要求其具有一定的抗震性能，防止系统在运行中出现振动故障。基于以上因素，本系统设计选用8 G 的固态硬盘，其数据读写能力强、效率高，同时能满足系统运行环境要求。

3 变压器振动监测系统软件设计

变压器振动监测系统对变压器振动的监测精度要求较高，同时要求对监测到的数据进行分析，根据程序设定判断故障信息，同时要对用户显示故障信息，并对系统执行故障判断后的运行状态进行干涉，因此系统的软件设计是基于WINDOWS 计算机系统上运行LabVIEW 进行开发的，软件系统的设计主要包含四大模块，如图3 所示，分别是数据采集功能模块、故障诊断分析功能模块、数据库功能模块以及用户管理功能模块。

图3 软件设计结构图

作为系统的核心功能模块，数据采集模块和故障诊断模块的程度设定如图4 所示，数据库功能模块主要包含五类数据信息：变压器信息数据、各类传感器信息数据、系统设定的原始数据、振动特征信息数据库和振动诊断结果信息数据库。其中原始数据库储存的是系统的实时和瞬时采集的振动、温度和电流电压信号数据，未经过处理器处理；振动特征信息数据库主要记录各种振动形式的特征量，如峰谷峰值数据、周期频率数据、谐波峰值数据以及方差数据信息等；振动诊断结果信息数据库则是对系统采集数据处理分析后判断的结果信息进行储存。

图4 数据采集流程图

鉴于变压器的不同工作状态，为了降低系统的故障误报率，系统在设计时将数据采样工况分为两种，一种是变压器在上电、断电以及投切等非稳定工作状态，另一种是变压器稳定工作状态，二者的采用方式设计不同，其中非稳定工作状态采用瞬时采用方式，用来采集变压器的瞬态信号，采集频率、时间的设定对用户开放，可以由用户自行设定，稳定工作状态时采用实时信号数据采集方式，采集周期设定为8 s 一次，每次采集时间为0.5 s，瞬时采集信号的优先度要高于实时采集信号。

4 结论

本文针对变压器由于电磁力产生的被迫振动进行了振动数据监测系统设计，实现了变压器振动数据的实时采集以及故障信息的精准诊断，且系统的设计未对变压器电路进行电气量接入，不影响变压器正常电路。通过本文的研究主要形成以下结论：

1）系统包含信号采集模块、信号调理模块、数据采集模块、CPU 模块、电源模块、存储模块和显示模块，构建完整振动信号采集、分析、储存、诊断以及显示为一体的功能系统；

2）通过分析各元器件特点以及系统设计需求，监测系统采用ICP 加速度式振动传感器、PC104+总线数据采集卡和PCM2251 型CPU，监测精度和频率覆盖范围满足设计需求，同时数据采集与CPU 通信稳定；

3）数据采集方式根据变压器的稳定和非稳定两种状态设计了实时和瞬时采集两种方式，保证变压器工况振动数据采集的精度。