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基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计

第 45 卷 第 12 期 2008 年 12 月

TRANSFORMER

No.12 Vol.45 December 2008

基于振动法的电力变压器 在线状态监测系统设计
李晓兰 1,黄 海 2,陈祥献 2,吕振肃 1
(1. 兰州大学信息科学工程学院,甘肃 兰州 730000 ;

2. 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院, 浙江 杭州 310027)
摘要: 介绍了一个基于振动法的、用于检测电力变压器故障原因的在线监测系统 。 关键词:电力变压器;振动法;在线监测 中图分类号:TM406 文献标识码:B 文章编号:1001-8425(2008)12-0060-05

Design of On-Line Monitoring System for Power Transformer Based on Vibration Analysis Method
LI Xiao蛳lan1, HUANG Hai2, CHEN Xiang蛳xian2, LU Zhen蛳su1
(1. Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2. Zhejiang University, Hangzhou 310027, China )

Abstract:The on -line monitoring system to be used to detect power transformer faults based on vibration analysis method is presented. Key words:Power transformer ; Vibration analysis method ; On-line monitoring

1 引言
在电力系统的各种设备中, 变压器是主要的设 备之一, 其安全运行对于保证电力设备可靠运行意 义重大。 1990 年 ~2000 年,通过对 110kV 以上电压 等级电力变压器的统计分析结果表明, 变压器故障 中绕组、铁心和有载分接开关(OLTC )的故障分别占 总故障数的 37.5% 、21.7% 和 12.4% 。 三项故障总和 达到 71.6%,它们是变压器发生故障的主要部件。 变压器检测技术分为离线检测和在线监测两 种。 离线检测主要采用事后维修和预防维修两种方 式,容易造成“亡羊补牢”和“过度维修”,从而造成不 必要的人力和物力的耗损, 所以近年来国内外主要 研究都趋向于在线监测的方式。 目前变压器在线监 测的主要方法有:短路电抗法、传递函数法、声强法、 油样气相色谱法和振动分析法等。 振动分析法主要 是通过分析固定在变压器油箱表面的振动传感器的 信号变化, 来监测变压器内部铁心和绕组的压紧状 况、位移及变形状态。 由于振动分析法简单,不需要
基金项目:宁波市科技攻关资助项目(2007B10007 )

电气连接, 对电力系统的正常运转无影响而且安全 可靠, 因而是当前变压器在线监测系统研究的主要 方法之一。 从俄罗斯 60 多台大型电力变压器的现场监测 结果来看,有 12 台变压器的振动监测方法结果与实 际情况几乎一致,准确率达到 80%~90% ,再一次验 证了振动分析法用于变压器在线监测和故障振动系 统的可行性与可靠性。 但是目前用于电力变压器的 在线监测系统存在一些不足和局限,主要表现在:变 压器建模侧重于电气参数, 缺乏对机械结构参数的 研 究 ;监 测 参 数 不 全 面 ,除 了 电 压 、 电 流 外 , 温 度 、

OLTC 的状态和油泵及风扇开启时的振动都会使总
振动信号发生变化; 传统信号分析方法以傅立叶分 析法为基础,对非平稳振动信号的分析存在缺陷;目 前绝大部分变压器振动系统都是在试验室环境下测 试的,缺乏实际现场适用性与可靠性的检验。基于上 述原因,笔者设计了用于现场的、参数包括振动、电 压、电流、温度以及开关量的较为完整的变压器在线 监测与诊断系统 TCMS 。 系统包括下位机分析监测、

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李晓兰、 海、 黄 陈祥献: 基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计

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上位机分析诊断两大部分, 结合最新的数值分析方 法较为全面的对变压器振动信号进行分析。

示变压器各个参数的信息并做出简单的状态诊断, 最 后 通 过 RS-232 、Ethernet 、GPRS 或 PSTN 把 处 理 获得的数据及异常信息发送给上位机。 上位机利用

2 TCMS 系统结构
为了完整地建模并分析变压器振动信号的产 生、传递和影响因素,系统中所采集的监测参数除了 最主要的油箱表面振动外,还包括电压、电流、温度 和开关量等参数。 首先, 在油箱表面选取合适的测 点。对于三相变压器,每个铁心对应处最能够反映出 铁心和绕组的振动。因此,在油箱底部铁心正对的位 置各放置一个磁座 ICP 压电传感器(共 3 个),分别 检测变压器铁心和绕组的振动。 系统预留 1 路传感 器通道, 可选择变压器油箱侧面或其他感兴趣的测 点提取振动信号。 振动传感器获得的加速度信号经 过信号分离、放大和抗混叠滤波处理,通过 A / D 模 块进行数字采样,最后交付 CPU 模块进行处理。 鉴于各相电压、 电流相对位置的差别对绕组和 铁心的振动信号的影响, 在变压器高压侧分别对三 相电压、电流进行监测,同时系统各预留 1 路电压、 电流测量通道。 4 路电压和 4 路电流信号通过互感 器以及信号调理电路,输入到 A / D 模块进行波形采 样; 温度传感器采用 PT-100 的标准热敏电阻用来 检测变压器冷冻油箱温度, 通过相应的调理电路后 输入到 A / D 模块;8 路开关量主要测试油泵、 风扇 以及 OLTC 的状态, 直接由数据采集模块数字 I / O 中读出。 整个系统的结构如图 1 所示。 A / D 模块获得的 数据由 CPU 进行数据处理,通过液晶显示屏初步显

LabVIEW 软件作进一步的分析处理,最终得到变压
器的运行状况。 同时上位机根据分析的结果动态的 改变 TCMS 监测的各个阈值,整个系统具有灵活性。

TCMS 前置机使用于现场环境,要求可靠性高。 系统硬件核心部分选择具有工业级标准的 PC / 104 模块。 其中 CPU 模块选用台湾某公司生产的基于 X86 架构的 PCM-3350,其主要特性为:板载低功耗 NS GX1 CPU( 时钟频率为 300MHz) ;支持 CFC SSD
固 态 电 子 盘 ;简 单 稳 定 ,可 无 风 扇 工 作 ;支 持 Win-

dowsCE 操作系统;支持 10 / 100M 高速以太网;支持 18-bit TFT LCD 显示。 数据采集模块选用研华公司 的数据采集卡 PCM-3718H ,采用 DMA 模式时采样 频率可高达 100kHz ,可用输入模拟量通道为 16 路, 12 位 A / D 转换精度, 模块内含两个八位数字 I / O
通道用于数字量采集。

3 TCMS 系统设计及功能概述
3.1
前置机软件设计及系统功能 前置机系统是整个 TCMS 系统的核心部分,考 虑到实时性因素, 采用 Windows CE 操作系统以及 多线程模式开发。软件流程图如图 2 所示,共分为四 个线程。采样线程完成系统采样、数据处理以及存储 工作,优先级最高; MFC 界面线程负责显示采样线 程处理后的结果以及接受系统消息,优先级居中;通 讯线程完成与上位机通讯数据的接受与传送, 目前 暂定串口与网络两个线程,优 先级较低。

4 路加速
信号 ……

4 路电压 4 路电流
……

1 路温度
信号 ……

8 路开关
信号

TCMS 系统在变压器正常
运行时实时提供当前变压器 运行的状态信息,包括采样直

加速度调理

电压电流信号调理 模拟信号

温度信号调理

开关量调理

接获得的动态数据和经过数 值分析得到的静态数据。 动态 数据包括加速度信号和电压 电流信号的实时波形;静态数 据包括加速度信号峰峰值、有

A/D

转换信号

电源模块

CPU RS-232 Ethernet
通讯模块

显示模块

效值、基频 100Hz 到 800Hz 各 次谐波幅值、电压电流和温度 的有效值以及变压器当前所 有开关量。 TCMS 前置机采样 频率设定为 4kHz ,每隔 10s 采 样一次, 每次采样时间持续

GPRS PSTN

图1

TCMS 系统架构

Fig.1

Blocks of TCMS system

1s。 前置机显示部分通过棒图

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采样线程

第 45 卷
MFC 界面线程
通讯线程 1

采样

进入报警时间 记录状态 报警次数清 0

开始 天趋势次数自加 1 采样数清 0

等待

4 路 振 动 ,4 路 电 压 ,4 路 电 流 ,1 路 温 度 ,8 路 开
关量采样值

初始化界面 初始化设备 开启各个通讯线程

N

上位机通讯?

报警数据 天趋 势 次 计算实时趋势 实时趋势点数自加 数 %2=0 ?

Y N 10s 定时 N Y Y
通讯线程 2 计算年趋势 开启采样线程 等待 年趋势数据 等待 上位机通讯? 时间到? 发送数据 判断需要发 送数据类型

数据处理

振动 P-P&RMS 电压电流 RMS 温度中值 数字量开 / 关

N

实时趋势 次数 =30 ?

Y
计算天趋势

振动 P-P 连续三次 大于阈值

Y
天趋势数据 结束采样线程 更新显示界面

Y
判断需要发 送数据类型

N

发送数据

图2

前置机各线程流程图

Fig.2

Line flow diagram of front computer

数据的形式直观地显示静态数据的实时变化, 随着

件设计编写, 支持网络以及串口通讯两种方式与下 位机通讯,扩展可加入 GPRS 和 PSTN 通讯方式。 目 前,上位机能够提取下位机处理获得的动态数据、静 态数据、趋势数据和报警数据并以波形的形式显示, 并进行简单的频谱分析。 上位机软件具有完善的文 档管理功能,可以冻结当前波形,存储用户感兴趣的 内容,根据需要随意放大或缩小图形,随意选择感兴 趣的通道进行对比。除此之外,上位机通过与前置机 通讯,能够动态的改变前置机的系统参数,包括报警 阈值、显示灵敏度,还可以对下位机系统远程校时、

10s 采样数据更新,显示界面实时更新相应的数值,
通过观察液晶显示界面, 可以直观的对当前变压器 运行状态做出诊断。 当 变 压 器 发 生 故 障 时 ,TCMS 具 有 越 值 报 警 和 事故追忆两大功能。 根据试验测试与实际变压器的 研究结果设定报警阈值, 若当前采集获得的信号经 过数据处理后振动峰峰值超过阈值, 则系统自动报 警,TCMS 前置机显示界面变为红色。 除此之外,系 统自动记录报警前后各 150s 内报警测点的振动、电 压电流的波形数据及处理后获得的静态数据。 此次 报警作为一个事件被记录, 上位机提取前置机保存 的报警信息并进行数据处理,分析事故原因。

IP 设定,以适应不同环境不同变压器的要求。
对于变压器诊断模型的建立以及具体信号分析 的方法,有另外的小组专门负责。后续工作上位机可 加入功率谱分析、倒谱分析、小波分析以及用于非线 性、非稳定信号的最新的 Hilbert-Huang 变换,实时 分析变压器当前运行状态, 并对故障产生的原因给 出结论。

TCMS 前置机对每个测点的所有静态数据都提 供趋势分析功能。趋势数据包括 5min 内变化的实时
趋势,以及天趋势和年趋势三种。上位机可以实时提 取最新趋势数据, 对趋势数据分析可以获得短期和 长期变压器运行的状态变化, 并以此推断变压器寿 命、诊断故障部件等。

4 系统结果
图 3 是 TCMS 前置机系统实物图。 整个系统放 置在铝制容器中,用金属盖封顶。图中从下往上看主

3.2

上位机系统功能

TCMS 上位机系统采用 NI 公司的 LabVIEW 软

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李晓兰、 海、 黄 陈祥献: 基于振动法的电力变压器在线状态监测系统设计

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上位机四通道实时波形图。 这种上位机和下位机分离的方式以及通讯的灵
显示界面

活性便于远程监控变压器运行状态。 考虑到散热性 和电磁干扰(EMI ),应 把 前 置 机 放 置 在 特 制 密 封 金 属机箱里且做接地处理,只留信号接口与外界接触。 因为系统硬件具有工业级标准, 故整个系统适用于

CPU 模块 RS-232 8 路开关量 输入 I / O
网口 数据采集 模块 调理电路

野外场所。

5 结束语
本文中构建的变压器在线状态监测与故障诊断 系统以振动信号为主要监测对象,结合电压、电流、 温度和开关量等参量。 硬件以嵌入式系统结构为平 台,通过通讯与网络技术建立交互的控制分析环境, 实时性高、可靠性较强。目前 TCMS 系统已用于变压 器现场试验,实现对数据的采集与远程分析等功能, 并能根据试验分析结果对变压器运行状态提供一定 的诊断。 参考文献:
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温 度 信 4 路电流 4 路电压 号接口 信号接口 信号接口

4 路振动
信号接口

图3

前置机实物图

Fig.3

Picture of front computer

要分为模拟信号接口、 数字信号接口、 信号调理电 路、通讯接口、数据采集模块和 CPU 模块,以及正上 方的液晶显示界面。 当前显示结果为变压器报警时 工作界面图。 变压器正常工作时,界面为蓝色;发生 故障后,界面转为红色。整个显示界面包括变压器振 动信号峰峰值、有效值、基频及各次谐波幅值、电压 有效值、电流有效值以及油泵、风扇和 OLTC 当前开 关状态。 四个通道交替显示,10s 更新显示通道。 上位机软件主要是显示从下位机提取出来的数 据,振动、电压、电流通道任选其中四路观察。图 4 为

Poza F ,Marino P ,Otero S ,et al. Programmable electronic instrument for condition monitoring of in -service power transformers [J]. IEEE Trans. Instrum.& Meas. , 2006 ,55(2) :625-634.

图4

上位机实时波形分析界面

Fig.4

Waveform analysis interface of remote computer

第 45 卷 第 12 期 2008 年 12 月

TRANSFORMER

No.12 Vol.45 December 2008

浅谈配电变压器故障的原因及防范措施
岳地松
(陕西省地方电力公司镇安县电力局,陕西 镇安 711500 ) 摘要: 分析了配电变压器的故障类型及主要原因,并提出了一些具体的防范措施。 关键词:配电变压器;故障;防范 中图分类号:TM401+.1 文献标识码:B 文章编号:1001-8425(2008)12-0064-04

Brief Discussion on Fault Reason of Distribution Transformer and Protective Measure
YUE Di蛳song
(Zhen'an Electric Power Bureau, Zhen'an 711500, China )

Abstract:The fault types and reasons of distribution transformer are analyzed. protective measures are presented. Key words:Distribution transformer ; Fault ; Protection

Some

1 前言
电力系统中, 配电变压器是配电网中的主要设 备,一旦发生故障,将影响工农业生产和人民的正常 生活,给企业带来经济损失。笔者总结和分析了我局 自农网改造以来配电变压器故障的类型和原因,并 提出了一些具体的防范措施。

2 故障类型及原因分析
2.1 绕组故障 2.1.1 匝间短路
由于农村部分低压线路维护不到位, 经常发生 超铭牌容量运行或变压器出口短路故障。 短路使变 压器的电流超过额定电流几十倍, 由于绕组温度迅

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收稿日期:2007-11-22 作者简介:李晓兰(1983- ),女,甘肃嘉峪关人,兰州大学通信与信息系统研究所硕士研究生,主要从事嵌入式系统设计、信 号处理方面的研究工作; 黄 海(1959- ),男,浙江宁波人,浙江大学数字仪器研究所教授,长期从事电子系统及仪器设计、数字信号处理 及实时系统方面的研究工作。


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