基于变压器振动的监测系统研究
华北电力大学科技成果——基于油气、超声波和振动在线监测的变压器综合故障诊断评估系统
华北电力大学科技成果——基于油气、超声波和振动在线监测的变压器综合故障诊断评估系统成果简介
通过变压器油中气体、超声波局部放电和振动信息在线采集，采用多种方法进行故障诊断，提出了改良三比值法、人工神经网络法、支持向量机法等方法的实用的可信分配函数的计算方法，应用证据理论融合诊断信息，得出综合的变压器故障诊断结果。
采用国网公司的《Q/GDW169-2008油浸式变压器（电抗器）状态评价导则》对变压器状态评估，并研发了与之配套的智能评估方法。
具有变压器故障预测功能。
知识库和智能自动推理机实现变压器状态检修策略。
通过采集相关标准、规范及现场运行经验，建立起检修策略知识库，通过智能自动推理机的联想推理功能，为现场运行人员提供更客观合理的变压器检修策略和检修方法。
开发了具有组态功能，可根据现场实际情况添加、删减监控项目的变压器状态评估软件系统。
应用领域
该系统作为变压器智能组件在不断创新和完善中，应用前景广阔。
变压器空载振动分析及实测研究
结 合 图 １ 以 得 到 磁 致 伸 缩 引 起 的 铁 芯 振 动 可 （ 。） 小 与 负 载 电 压 平 方 存 在 正 比 关 系 ， ： 大 。 为
。 。
ｏ ｃ
（ ２）
电 压 的 ２倍 频 率 为 １ ０Ｈｚ 故 磁 致 伸 缩 力 的 基 ０ ，
频 为 ｌ ０Ｈ ｚ。 ０
高压
铁
南 硅 钢 片 叠 加 而 成 ， 片 硅 钢 ， 生 漏 磁 ， 起 因 产 引 铁 芯 和 箱 体 的 振 动 。 但 是 这 种 振 动 比 磁 致 伸 缩 引 起 的 振 动 小 ， 以 忽 略 ， 为 铁 芯 的 振 动 主 要 取 决 可 认 于 硅 钢 片 的 磁 致 伸 缩 ， 此 铁 振 动 频 率 基 频 为 因
第 ５期
张赢 等 ：变压 器 空载振 动分 析及 实测研 究
式 中 ： 、 Ｂ分 别 为 主 磁 通 和 磁 通 密 度 ； Ａ为 铁 芯 的 横 截 面 积 ； 为 负 载 电 压 的 有 效 值 ； 为 负 载 电 压 的 频 Ｕ 厂
率 ； 为原 边绕 组 匝数 。 Ｎ．
表 １ 传 感 器 参 数
２ 实验 系统
被 测 变 压 器 型 号 为 Ｓ ． 一 ０ ／ ０ 高 压 侧 额 定 电 ９Ｍ １Ｏ１ ， 流 为 ５ ７ Ａ ， 压 侧 额 定 电 流 为 １ ４ ３Ａ。 ．７ 低 ４ ．
量 ５组 数 据 ， 动 信 号 频 谱 如 图 ４所 示 。 可 见 ｕ、 ｗ 振 ｖ、 三 相 振 动 信 号 频 率 大 部 分 为 １ ０Ｈｚ的 整 数 倍 ， 理 ０ 与 论 分 析基 本 一致 ， 分 布在 １ ０ 且 ０Ｈｚ以 内 ； ｗ 两 相 ０ Ｕ、 振 动 相 似 ， 次 取 Ｕ或 ｗ 相 振 动 信 号 。 本
基于振动和噪声的变压器状态分析诊断技术
煜 （９ ３ ， ， １ ８ 一） 男 湖北 孝感人 ， 工程师 。
１ 原 理
１ １ 变压 器噪 声振 动产 生机 噪声 。
另外 ， 组 内电流 的 畸变 也 将 导 致 匝 间振 动 力 绕 出现 高频 分量 。但考 虑 到该 电流 的畸变 程度 比磁 通 的畸变 程度 要低 ， 绕 组 引起 的 附加 振 动 比磁 滞 伸 故 缩 在频 率 上要 低一些 ， １ ０Ｈｚ 以 ０ 的基频 为 主 。
芯 内框 和外 框 的磁 路 长 度不 同 ， 硅 钢 片 磁 致 伸 缩 而 率 与 磁感 应强 度又具 有非 线性 关 系 ， 致 磁通 出现 导 较 为 明显 的 畸变 ， 而 明显地偏 离 了正 弦形状 ， 从 即有 高 次谐 波 的磁 通分量 存在 。这样 就 使得 铁芯 的振 动 频 谱 中 除 了基 频振 动 之 外 ， 还包 含 有 频 率 为 基 频 整 数 倍 的高频 附加振 动 。相应 地 ， 电力 变 压 器 铁 芯 由 和箱 体振 动 引起 的噪声频 谱 中 ， 了基 频噪声 之 外 ， 除
１ ２ 诊 断 原理 ．
钢 片 的 自重使 铁芯弯 曲变 形时 ， 磁致 伸 缩增 大 ， 而 进
铁 芯振 动 变大 ； 当绕 组 出现 变形 、 移 或 崩 塌 时 ， 位 绕
组 间压 紧程度 不足 ， 使 高 低压 绕 组 间 高度 差 逐 渐 将
扩大 ， 绕组 安 匝不 平 衡 加 剧 ， 磁 造 成 的轴 向 力 增 漏
磁 而 产生 的电磁 吸 引 力 所 引 起 的铁 芯振 动 ； 组 中 绕
正常 运 行 的变 压 器振 动 信 号 、 组 振 动信 号 基 绕
本 上集 中在 基 频 １ ０ Ｈｚ处 ， 振 动信 号 的 大 小 与 ０ 且
振动法在变压器绕组状态检测中的应用研究
绕 组 发 生 较 明 显 的 变 形 情 况 较 为 适 宜 ．但 对 绕 组 发 生 轻 微 变 形 ．尤 其 是 当 变 压 器 运 行 中 受 到 短 路 冲击
况 ． 整 个 电气 系 统 没 有 直 接 的 连 接 ， 于 整 个 系 统 与 对 的 正 常 运 行 没 有 任 何 影 响 ．可 以 发 展 成 为 一 种 较 准 确 、 捷 、 全 的 在 线 测 试 方 法 ］ 便 安 。
由 该 点 的 加 速 度 幅 值 及 频 率 计 算 而 得 ： 为 １ ｎ． ｉ ～ 代 表 通 频 带 内 从 分 析 频 宽 的 起 始 频 率 点 至 结 束 频 率 点 按 设 定 的 分 析 频 率 间 隔 的 各 分 析 频 率 点 ． 在 本 文 中 ｉ 值 １８ 取 ～
＝
、 ｃｃ ／ 耋暑 争
式 中 ： ～ 为 测 点 的 速 度 总 振 级 ； 为 测 点 通 频 带 某 ｑ 频 率 点 ｉ 加 速 度 量 幅 值 ： 为 测 点 通 频 带 ｉ 的 处 ， 处 频率 ：生 为测 点通 频带 某频 率点 ｉ 速 度量 幅值 ． 处
－
振 动 信 号分 析 的方 法 对 于 前 面 所 提 到 的 从 电 学 角 度 上 分 析 的 方 法 （ 路 电抗 法 、 响 法 ） 比 ． 最 短 频 相 其 大 的 优 点 是 通 过 吸 附 在 箱 壁 上 的 加 速 度 传 感 器 来 获 得 系 统 的 振 动 信 号 来 判 断 绕 组 轴 向压 紧 力 的 变 化 情
基于振动分析法的变压器故障诊断
保障电力系统的安全稳定运行
推动相关技术的进步和创新
感谢您的观看
汇报人：
变压器振动产生的原因
变压器铁芯的磁致伸缩 变压器绕组的电动力 变压器油箱的机械振动 变压器冷却系统的振动
振动信号的采集与分析
采集方法：采用传感器对变压 器振动信号进行采集
采集位置：在变压器的关键部 位安装传感器
采集频率：根据变压器的工作 频率确定采集频率
分析方法：对采集到的振动信 号进行时域、频域和时频域分 析
基于振动分析法的变压 器故障诊断
汇报人：
目录
添加目录标题
01
振动分析法的基本原 理
ห้องสมุดไป่ตู้02
变压器故障类型与特 征
03
基于振动分析法的故 障诊断流程
04
实际应用案例与效果 分析
05
技术挑战与发展前景
06
添加章节标题
振动分析法的基 本原理
振动分析法的概念
定义：振动分析法是通过监测和诊断设备的振动状态，分析其特征参数和变化规律，以诊断设备故障的方法。
特征评估：对提取 的特征参数进行评 估，筛选出对故障 诊断有价值的特征。
特征优化：对特征 参数进行优化处理， 提高故障诊断的准 确性和可靠性。
故障模式识别与分类
振动信号采集：采集变压器的振动信号，并进行预处理 特征提取：提取振动信号的特征参数，如频率、幅值等 故障模式分类：根据特征参数对故障模式进行分类，如绕组松动、铁芯松动等 诊断结果输出：输出故障模式及相应的处理建议
故障诊断的判据与标准
变压器油中溶解气体的含量 和组成
变压器振动信号的频率和幅 值
变压器绕组温度和油温的变 化趋势
变压器运行时的声音和振动 特征
基于振动信号分析方法的电力变压器状态监测与故障诊断研究
摘要 总结分析了小波包分析（ＷＰＴ）在铁芯压紧状况检测中的应用情况及存在的 不足；重点针对变压器空载条件下箱体振动（铁芯振动）信号的特点，通过仿真信 号进行验证、分析希尔伯特黄变换（ＨＩ－ＩＴ）在处理箱体振动信号时出现的问题；据 此，提出一种基于小波包变换和希尔伯特黄变换的时间一尺度一频率分析方法。通 过计算重构信号与原振动信号之间的平均误差和残差百分比选择合适的小波母 函数，利用相关度阈值方法筛选与原信号有更强相关性的频带，借助ＨＨＴ对小 波包处理过的信号进行时间．频率域内的特征表示，将结果与相关文献中的方法 进行了比较。利用该方法对铁芯压紧松动故障进行分析和诊断，验证了该方法的 有效性。 本文得到安徽省自然科学基金资助（Ｎｏ ０７０４１４１５３）。 关键词：电力变压器振动分析绕组铁芯振动预测模型 小波包变换希 尔伯特黄变换
绕组和铁芯的受力情况绕组变形和铁芯压紧状况对其振动的影响如何准确采集变压器箱体表面的振动信号箱体表面传感器位置的选择变压器箱体振动与加载电压和负载电流之间的关系如何建立箱体振动预测模型振动预测模型的可扩展性问题箱体振动信号的特征表示和提取问题围绕上述研究内容本论文开展的主要研究工作和得出的结论如下所述
ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ．Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｗｏｒｋ
ａｎｄ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｓ ｆｏｌｌｏｗ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
电力变压器在空载状况下的振动特性研究
电力变压器在空载状况下的振动特性研究变压器绕组铁心变形直接或间接损坏变压器，这种故障隐患一般常规的电气试验无法诊断变压器及类似结构电力设备的振动在线监测法，国外最早应用于并联电抗器通过在线监测变压器器身振动来反映绕组及铁心状况是近几年的事情，与FRA1V1及在线或离线测量短路电抗等方法相比，振动法不仅能检测出故障绕组，还能检测铁心状况，且该法与电力系统没有电气连接，安全可靠，因此应研究了解电力变压器在空载负载状况及遭受短路时的器身振动特性，其中空载振动特性更是基础1原理电力变压器在稳定运行时，硅钢片铁心、绕组在电磁场作用下产生振动并通过变压器油的传递引起器身振动变压器器身表面的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况位移及变形状态密切相关故可通过在线测量器身振动来监测绕组和铁心状况。
变压器相同分接位置的激磁电流在铁心中产生的主磁通在空载、负载及负载变化时大小基本保持不变，故磁致伸缩引起的铁心振动也基本保持不变为得到在不同分接位置变压器铁心的振动特性，只需测取变压器空载条件下的器身振动因负载条件下变压器器身振动还包括负载电流作用下的绕组振动，故绕组振动信号可通过测取变压器负载情况下振动信号，与空载时振动信号比较来取得与正常振动信号相比，变压器铁心或绕组发生位移松动或变形时测得的振动信号会有较高频成分出现，原频率处的幅值也会发生变化，且位移变形越大，高频成分和幅值变化越大因变压器器身各位置处的振动特征与距离最近的振源关系最紧密，根据变压器器身各处测取振动信号改变的程度可方便地判断出是哪一部分绕组或铁心发生了故障，即利用振动法在线监测电力变压器可实现故障定位故振动法用于在线监测电力变压器时，必须在空载状况下测量器身振动信号，以得到铁心的振动状况，从而判定铁心是否发生故障；绕组振动信号必须从负载时的器身振动信号中剔除掉铁心的振动信号，从而判定绕组是否发生故障2试验及结果2.1试验对象及测试接线模拟实验表明变压器器身振动信号测试系统可以正确的测量出变压器器身振动的加速度信号（经由电荷放大器变换为与其成正比的电压信号），故利用该测试系统对一台长期空载试验中的电力变压器的低高压侧进行了器身表面的振动测试试验时变压器冷却系统关闭该变压器的各参数如下：型号：OSFPSZ12.2测试结果及分析振动传感器用双面胶分别贴于高、低压臂出口拐脖下方。
变压器振动监测
变压器振动监测引言：变压器作为电力系统中重要的电力设备之一，其正常运行对电力系统的稳定运行起着至关重要的作用。
然而，长期以来，由于变压器振动问题的存在，给电力系统的运行带来了一定的隐患。
因此，为了提高电力系统的安全性和可靠性，进行变压器振动监测是十分必要的。
1. 变压器振动的原因变压器振动可能由多种原因引起，需要全面了解这些原因，以便能够做出正确的监测和处理。
下面列举了一些常见的变压器振动原因：1.1 磁通激励力引起的振动：变压器在正常工作时，由于磁通激励力的作用，可能会产生一定的振动。
1.2 电磁力引起的振动：电流在变压器线圈中流动时，会产生电磁力，引起变压器的振动。
1.3 残余短路力引起的振动：若变压器的铁心绝缘松动或损坏，可能会导致残余短路力以及变压器振动。
1.4 机械颤振力引起的振动：变压器支架的弹性不足、变压器油中的气泡等机械问题可能会引起变压器振动。
2. 变压器振动监测的方法为了及时发现和处理变压器振动问题，科学有效的振动监测方法是必不可少的。
以下是一些常见的变压器振动监测的方法：2.1 振动传感器：通过安装振动传感器，实时监测变压器的振动情况，及时掌握变压器的运行状态。
2.2 声发射技术：利用声发射技术对变压器进行在线监测，通过检测变压器内部的声波信号，判断是否存在异常振动。
2.3 红外热像仪：使用红外热像仪对变压器进行检测，可以有效地发现变压器内部的异常热点，从而及时处理可能引起振动的问题。
2.4 高频电流检测法：通过检测变压器高频电流信号的变化，判断变压器是否存在异常振动问题。
3. 变压器振动监测的意义变压器振动监测不仅可以及时发现并解决变压器振动问题，还具有以下几点重要意义：3.1 减少事故风险：通过监测变压器的振动情况，可以及时发现异常振动，防止潜在的故障发生，减少事故风险。
3.2 提高电力系统的稳定性：变压器振动若不加以处理，可能会对电力系统的稳定运行造成影响，通过监测振动并及时采取措施，可以提高电力系统的稳定性。
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基于变压器振动的监测系统研究
变压器是电力系统的重要设备，变压器振动反应着内部绕组与铁芯的机械状态，通过振动信号采集、特征提取、分析可以判断变压器运行状态，对变压器安全评估提供意见。
标签：变压器振动;信号处理;在线检测
在线监测系统通过对变压器表面振动的监测、分析与诊断获得变压器的运行状态和故障信息。
这种诊断方法与整个电力系统没有电气连接，不需要停用变压器而损失负荷，传感器可以灵活快速布置在变压器箱体表面，便于对投运变压器改造，可以快速、安全、可靠地实现变压器在线状态监测与故障诊断的目的。
在提倡状态检修的情况下，对于变压器运行状况的评估具有实际意义。
一、在线监测系统研究
针对变压器内部铁芯和绕组松动、变形、绝缘垫损坏等异常现象，利用变压器箱体表面的振动信号进行分析处理，提出基于变压器内部异常振动的无线通信在线监测系统，实现变压器异常振动在线监测，以评估变压器的运行状态。
1.1监测算法的研究
首先探究變压器振动机理，变压器振动信号特性。
通过查询资料已经知道，变压器振动主要来源于铁芯和绕组两部分，且理论上振动基频为加载电压和负载电流频率的两倍，由于变压器铁芯材料、垫圈材料存在非线性等原因，铁芯磁通密度波形并非标准正弦波，大量实验表明振动除了基频分量外，含有大量高次谐波分量。
另一方面，冷却系统的振动需要通过硬件或算法进行过滤以免干扰对故障的判断。
因此，监测算法从振动信号中提取有效的振动信息，利用振动的幅值特性或振动的频域特征，设定相应的阈值，以鉴别故障情况。
1.2系统硬件的设计
硬件上主要有振动传感器、采集单元、处理器、通信模块、电源模块、显示模块等。
振动传感器的选择考虑振动信号频率范围并且能够可靠工作。
为了避免电缆接线等对振动信号的干扰，采取无线通信方式，可以灵活布置传感器，也可以布置多个传感器构建无线传感网络。
由于现场的电磁环境比较特殊，所选择的处理器和通信模块要有较强的抗电磁干扰能力，并且考虑到电源供电问题，尽量采取体积小、功耗低的模块。
电源应能够持续稳定地为各单元提供电源，除电池外加装电磁场能量搜集或太阳能等方式进行充电，具备电源监控功能。
1.3功能软件的实现
在线监测系统软件具备实时数据采集、信号处理、协调通信、信息上报、人
机交互等功能。
数据采集和处理要能够保证信号不失真，通信上要能够协调多个传感器协同工作，信息上传和人机交互要简单明了。
设计合理的程序流程，使系统简单易用，并且能够与变电站内现有资源进行结合。
二、在线监测系统的实现方案
2.1基本思路：在线监测系统主要分为无线通信采集终端和在线监测主机
无线通信采集终端通过安装在变压器箱体上的振动传感器采集变压器振动信号，经过数据处理模块滤波放大、量化、编码等一系列处理转化为数字量信号，再将数字信号通过无线通信方式发送给在线监测系统主机。
在线监测主机可安装在变压器边上的本体端子箱内，距离变压器10M以内，因此无线通信拟采用ZigBee技术，ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。
在线监测主机将收到的振动信号按程序算法进行分析处理，处理后得出振动特征参数，同时在线监测系统主机接收来自电流传感器的模拟电流信号并进行模数转换处理，将振动特征参数与电流参数结合形成电流-振动数据。
变压器正常运行时在线监测主机已预先进行电流和振动信号采集，形成电流-振动特性曲线并保存为特性表，监测主机输入按一定的裕度计算的定值，形成电流-振动预警线。
当实时运行的电流-振动参数经与预警线对比，若超过预警值，则监测主机发出异常振动告警信号给原有设备，原有设备将告警信号上送到变电站及调度监控系统。
2.2硬件设计：硬件设计分为在线监测主机和无线通信采集终端
在线监测主机主要的功能是接收与处理变压器振动信号和电流信号，分析处理变压器信号量，通过人机界面设置定值，判断变压器是否存在异常振动现象，并将异常振动告警信号接入到原有设备，变电站监控系统和调度监控系统将收到告警信号。
在线监测主机包括以下模块：主控芯片模块、无线通信模块、数据处理模块、人机交互模块、信号开出模块、电源模块。
无线通信采集终端主要功能是利用振动传感器采集变压器振动信号，数据处理模块将振动信号转换处理后，通过无线通信模块将信号发送给在线监测主机，电源模块为各硬件提供稳定的电源，具备一定的续航能力，减少维护工作量。
无线通信采集终端包括以下模块：振动传感器模块、数据处理模块、无线通信模块、电源模块。
2.3软件设计：软件设计可分为任务级程序设计和系统级程序设计
任务级程序设计是对实现某种具体功能的程序进行设计，如数据采集程序负责在线监测主机向无线通信采集终端发送开始采集命令后，无线通信采集终端立即进行采样、量化、编码，并将数据传递给无线通信模块;无线通信程序负责采样数据与控制命令的收发，人机交互程序负责键盘输入与液晶显示;信号分析程
序负责对振动信号按某种算法并提取特征参数。
而系统级程序设计即是对嵌入式操作系统进行设计，实现CPU管理、内存管理、外设管理、任务管理等功能，对多任务进行切换和调度，以提高CPU利用率。
因此在线监测系统软件设计应包含：数据采集程序设计、无线通信程序设计、人机交互程序设计、信号分析程序设计、嵌入式操作系统设计。
2.4研发流程：研发流程分为仿真调试、实物调试和现场调试三个阶段
首先进行功能与目标的确定，然后对软硬件功能细化描述，对软硬件结构进行设计，利用计算机仿真软件设计电路和编程软件编译代码，通过软硬件结合进行仿真试验。
若仿真调试失败，则对软硬件设计进行修改;仿真调试通过则进入实物电路设计组装，同时根据实物电路对程序进一步优化，完成后进行实物调试阶段。
调试若失败，则进一步调整电路、优化程序;实物仿真调试通过，则进行现场实际调试。
现场安装，根据变压器运行情况设置参数，模拟异常振动，在线监测装置是否正确告警。
现场调试失败，者重新优化程序;现场调试通过，编辑相关的资料归档，完成设计。
结束语
电力系统最重要的设备就是变压器，它是否可靠运行，影响着整个电网的安全。
针对变压器的特殊性，宜采用在线监测的方法进行隐患排查，振动分析方法就提供了一种在不停电情况下对变压器运行状态做出判断的方法。
参考文献
[1]朱叶叶，汲胜昌，张凡，等.电力变压器振动产生机理及影响因素研究[J].西安交通大学学报，2015，49（6）：115-125.
[2] 汲胜昌，王世山，李清泉，等.用振动信号分析法监测变压器绕组状况[J].高电压技术，2002，28（4）：12-15.
[3]李候明.变压器油中溶解气体在线监测发展现状[J].电气开关，2012（1）：14-16.。