基于振動信號的干式變壓器狀態監測與故障診斷系統研究

馮忠奎，劉廣，崔炎，高瑜，李陽

（國網山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博,255000）

0 引言

本文研制了一種基于振動信號的干式變壓器狀態監測與故障診斷裝置及系統。粘附在伸縮式絕緣支撐機構上的加速度振動傳感器測取振動信號，通過無線測振終端傳給主站系統，系統在線監測振動數據，分析振動趨勢。該系統能夠有效預判變壓器內部繞組松動、繞組幅向錯位和鐵心松動三大主要故障，實現故障定位，掌握變壓器繞組、鐵心及其他部件的參數變化、運行狀態、故障原因和損害程度等信息，將變壓器的故障次數和故障損失降到最低限度。

1 基于振動信號的干式變壓器狀態監測與故障診斷裝置

1.1 裝置結構

針對目前廣泛應用的澆注干式變壓器，本文研制圖1所示的基于振動信號的干式變壓器狀態監測與故障診斷裝置，包括監測裝置本體和無線測振終端，其中監測裝置本體包括加速度振動傳感器、伸縮式絕緣支撐機構，無線測振終端包括微處理器單元、無線數據發送單元。

圖1 干式變壓器狀態監測與故障診斷裝置

1.2 工作原理

通過安裝在伸縮式絕緣支撐機構上的NB-loT加速度振動傳感器（型號為ZZ-ST-NB）對變壓器的振動狀態進行監測，避免了傳感器與變壓器的直接接觸，最大程度減弱了變壓器運行對傳感器工作的電和熱的負面影響；通過采用“希爾伯特-黃變換”方法對變壓器的振動信號進行分析與處理，通過“粒子群算法”、“神經網絡算法”、最小二乘支持向量機”等多種故障診斷算法，實現“頻譜分析、趨勢分析、時域分析、故障樹診斷”等多種功能應用，精準監測變壓器的運行狀態，及時預判“繞組松動”、“繞組幅向錯位”和“鐵心松動”這三大類故障，捕捉故障發生的前兆，實現變壓器“運行狀態監測與預警”、“分析與診斷”、“預防性維護”的閉環管控。

無線數據發送單元將分析處理后的狀態信息發送給主站系統，避免了高壓現場數據線布置的問題。這種狀態監測與故障診斷裝置具有精度高，安裝方便靈活，受變壓器發熱影響小，無需停電維修等優點，可以實現振動信號監測和發送的功能。

2 干式變壓器振動信號分析

2.1 振動機理分析

配電變壓器的本體繞組和鐵心振動以及冷卻裝置引起的振動會通過各種途徑向變壓器外殼傳播，變壓器振動的來源和傳播途徑如下圖所示。

由圖2可以發現，變壓器箱體內的主絕緣是本體部件的振動向外傳遞的主要介質，在電磁力的作用下繞組產生振動經主絕緣向外殼傳遞，受磁致伸縮影響鐵心產生振動通過變壓器主絕緣以及絕緣筒、墊塊和緊固螺栓等支撐單元向變壓器外殼傳遞。對于某些存在冷卻裝置的配電變壓器，風扇及緊固件等冷卻結構的振動也會通過支撐單元傳遞至變壓器外表面。因此，變壓器器身的振動是由變壓器本體振動以及冷卻系統的振動經變壓器主絕緣和支撐單元等介質傳遞到變壓器外殼而產生的。

圖2 變壓器振動來源及傳播途徑示意圖

由于變壓器的本體振動頻率分布主要與加載電壓和負載電流的二倍頻（100Hz）及高次諧波分量緊密相關，而冷卻系統振動頻率主要集中在100Hz以下，這使得變壓器冷卻系統振動與本體的振動特性明顯不同，可以比較容易地通過濾波等方式實現振動信號分離。

2.2 振動分析法

變壓器鐵心受力引起的振動具有豐富的頻率成分，而且由于鐵心勵磁產生的磁致伸縮現象存在很強的非線性特點，鐵心除了基頻信號外加電磁場變化頻率的2倍之外，還包括高次諧波分量。此外，鐵心振動在向箱體表面傳播的過程中，會受到電磁場干擾、局部放電干擾以及冷卻系統的影響，因此箱體振動加速度信號中會存在大量的低頻和高頻噪聲。

希爾伯特黃變換（HHT）是一種非穩定、非線性信號的數據處理方法。它可以根據被分析信號自身的特點，自適應選擇頻帶，提取信號的時頻局部化特征信息，能夠有效定位振動信號中的特征頻率，具有更高的頻率分辨率，適用于非線性非平穩信號分析，在電力設備狀態監測與故障診斷領域受到越來越多重視。其核心思想是，把復雜的原始信號分解成若干個本征模態函數和一個殘余信號，公式為：

令x(t)=imf(t)，對IMF希爾伯特黃變換：

因此得到的解析信號為：

解析信號的瞬時振幅為：

瞬時相位為：

瞬時頻率為：

由于瞬時振幅與頻率皆為時間的函數，因此可以獲得信號在此時間一頻率域上的振幅能量分布。

3 基于互聯網的干式變壓器狀態監測與故障診斷系統

3.1 系統架構

圖3系統架構包括數據采集、數據傳輸和數據診斷三部分。

圖3 系統架構圖

3.1.1 數據采集

在變壓器高壓側A、B、C三相繞組對應的變壓器外殼表面及變壓器頂部支撐構件，分別配置一個加速度振動傳感器，監測變壓器的振動情況；加速度振動傳感器通過有機硅凝膠牢固地粘附在伸縮式絕緣支撐機構上，在變壓器與傳感器臨近的表面涂一層絕緣漆，保證傳感器與變壓器金屬外殼的絕緣，減少感應電流帶來的工頻干擾。

3.1.2 數據傳輸

在無線測振終端內，加配NB-IoT芯片模組，用于數據無線通信，向云平臺傳輸數據。NB-IoT作為一種低功耗廣域網技術，具有傳輸距離遠、硬件成本低、連接終端數量大等優點。

3.1.3 數據診斷

系統后臺對接收到的數據進行抑制干擾、去噪、放大識別，進行各種信號處理與數據特征識別，建立動態故障診斷模型，實現變壓器故障的自動預判與診斷。在前端直觀展現各類分析應用統計曲線、圖表，診斷結論等，并自動進行報警信息的推送。

3.2 系統主要功能

本系統具有振動數據在線監測、振動趨勢分析、智能診斷、變壓器健康分析、振動報警統計等功能，下面重點介紹其主要功能。

3.2.1 振動數據在線監測

振動數據在線監測結果以數據組態的方式展現每臺設備各個監測點的振動數據；當振動異常超出設置的界限時，將進行報警提醒。

3.2.2 智能診斷知識庫

系統建立各類振動故障的故障類型、性能特征知識庫，將振動的動態數據特征與故障診斷知識庫進行比對，依據故障判定規則來判斷設備的運行狀態、故障類型和性能情況。

3.2.3 大數據智能診斷模塊

系統將測振終端采集的振動數據，預先采用多種算法進行數據計算處理，提取數據特征；然后結合變壓器的基本信息數據、歷史數據，以及系統診斷知識庫，進行更精確的故障診斷。

4 結語

本文研制了一種基于振動信號的干式變壓器狀態監測與故障診斷裝置及系統，具有以下特點和優勢：（1）應用大數據、云計算等先進技術，以深度學習、人工智能等為關鍵診斷技術，以物聯網互聯為底層聯接技術；（2）診斷分析功能豐富，能夠對變壓器當前運行狀態做出精準的故障預判；（3）系統采用無線架構，安裝簡單，操作方便，能夠實現大量變壓器設備的低成本、實時性的個性化管理。本文成果提升配網變壓器的安全穩定運行具有實際意義，具備良好的應用前景和推廣價值。