技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统变压器技术领域，具体地，涉及一种变压器绕组故障状态振动在线监测系统。
背景技术
[0002] 电力变压器作为电力系统上游关键设备，承担着
电压变换、
电能分配和传输的重要任务，是电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。尽管变压器的生产
质量不断提高，但由于变压器长期运行，故障和事故不可能完全避免。
[0003] 变压器的故障主要分为内部故障和外部故障。外部故障为变压器油箱，绝缘
套管及其引出线上发生的各种故障，包括变压器外部冷却设备损坏，油箱密封不良导致漏油，套管断裂等。而变压器内部故障则主要包括变压器
铁心及绕组的松动、
变形，绕组与铁心
过热，绝缘老化，局部放电等。在众多故障类型中，内部故障发生几率较高且对变压器的安全运行影响大。据国际大
电网工作组统计，大型电力变压器故障中，26.6％的故障属于绕组故障。而绕组故障中的53％属于机械故障，31％属于电气故障。
[0004] 对电力设备的实时状态进行有效监测以评估其运行状态、发现并判别设备故障是对电力设备进行合理检修的重要依据，也是保证电力设备长时间正常工作的前提条件，因此具有及其重要的工程实践意义。
[0005] 经检索，中国发明
专利：变压器状态监测与故障诊断系统，
申请号：201710328742.0，该专利所述系统包括变压器、
传感器组、嵌入式
信号采集模
块、在线监测与诊断单元、WEB
服务器单元等。该发明采用特征
气体传感器检测变压器油中气体溶度在ppm数量级内变化，来实现变压器变形等故障的分析和处理。
[0006] 但是上述专利无法用于变压器绕组故障状态振动监测，也无法对变压器绕组故障的检测提供更多的信息。
发明内容
[0007] 针对
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种变压器绕组故障状态振动在线监测系统，有效监测变压器的实时运行数据，能够用于有效判断故障原因和故障可能性部位，对发生故障的变压器做出故障判断。
[0008] 根据本发明的目的，提供一种变压器绕组故障状态振动在线监测系统，包括：
数据采集单元、
数据处理单元、服务器单元以及监控单元，其中：
[0009] 所述数据采集单元，根据电力变压器的运行特性，采集的数据量包括变压器本体箱壁振动信号、
三相电压和三相
电流信号，所述振动信号是由布置在变压器A、B和C相绕组附近箱壁上对称
位置的振动
加速度传感器获取的，振动信号的主要判据为振动信号频域100Hz分量幅值与其形态学分析，当超过系统设定
阈值时将产生告警信号；
[0010] 所述数据处理单元，接收所述数据采集单元采集的变压器本体箱壁振动信号、三相电压和
三相电流信号，通过对这些信号进行实时处理，将
模拟信号转换成
数字信号后传给所述服务器单元；
[0011] 所述服务器单元，接收、记录和反馈由所述数据处理单元传入的振动加速度、电流和电压数据，并通过这些数据判断变压器故障类型，并将这些数据传给所述监控单元；所述监控单元，将所述服务器单元的接收、记录的数据和变压器故障类型
可视化显示出来；
[0012] 所述数据采集单元与所述服务器单元采用分布式系统设计，所述数据采集单元就近安装在变压器
箱体侧，使用光纤数据线将采集到的振动信号以
光信号的形式发送到服务器单元上位机，有效避免了变电站强
电磁干扰环境对
信号传输的影响，保证上位机能够收到高
精度的振动信号。
[0013] 优选地，所述数据采集单元包括电流互感器、电压互感器、加速度传感器，其中：所述加速度传感器用于采集变压器绕组的振动信号，采用磁吸方式安装于变压器箱体两侧外壁侧，所述加速度传感器分别安装于每个变压器的三相绕组对应的箱体两侧，且所述箱体的每侧对应各相绕组的上部、下部各安装一个加速度传感器，共计12个加速度传感器，所有加速度传感器信号通过屏蔽铠装
电缆数据传输；所述电压互感器、电流传感器安装于变电站，用于同步采集变压器的三相电流、三相电压信号；所述电流互感器、电压互感器、加速度传感器输出端均通过屏蔽电缆连接到数据处理单元，将采集的信号输出到所述数据处理单元。
[0014] 优选地，所述数据处理单元包括：电气箱柜以及设置于所述电气箱柜内的
开关电源、除湿器、第一信号调理器，其中：所述
开关电源为所述数据处理单元供电，所述除湿器设置于所述电气箱柜内部的一侧，实时监测所述电气箱柜内的温湿度，并依据预设的温湿度范围，适时自动除湿，保证所述数据处理单元的运行环境安全；所述信号调理器设置于所述除湿器附近，用于将所述数据采集装置采集的三相电流、三相电压信号以及12个点的振动信号的模拟量信号转换为数字信号，然后经光纤传输到所述服务器。
[0015] 优选地，所述数据处理单元，就地安装在变压器旁边。
[0016] 优选地，所述除湿器连接
湿度传感器，所述湿度传感器连接不同
颜色的显示灯。
[0017] 优选地，所述服务器单元包括：主控单元、第二信号调理器，其中：第二信号调理器以光纤同所述数据处理单元连接，每个所述第二信号调理器能够与多个所述数据处理单元连接，实现数据的集中统一，实现一主多从的监测；
[0018] 所述主控单元与所述第二信号调理器通过光纤连接，并对得到的全部电压、电流、振动信号进行存储、分析，对数据分析后发现的振动异常，所述主
控制器会产生振动告警信号；
[0019] 所述主控单元，具备数据分析功能，能够将接收到的振动、电压、电流信号进行分析和比对，通过运行
算法，由振动信号初步判断变压器是否故障，其后拟合电流电压信号判断变压器的故障类型，作为辅助判据判断变压器故障状态。
[0020] 优选地，所述监控单元连接可视化模块，所述可视化模块连接所述服务器单元，可视化界面显示变压器工作状态，通过可视化界面清晰了解实时的电气参数数值变化和自主切换所需了解的电气参数类型，电气参数的异常变化和数据分析的变压器故障都会以鲜艳颜色和窗口提示形式进行提示，服务器单元的算法升级更新和其他设置通过可视化界面操作进行实现。
[0021] 优选地，所述服务器单元，安装于变电站控制室电气屏柜中。
[0022] 优选地，所述监控单元，安装于变电站控制室电气屏柜外。
[0023] 优选地，所述电流互感器、电压互感器、振动加速度传感器为多个，它们均为能够人工调整阈值的设定和复位的传感器。
[0024] 优选地，所述第二信号调理器，由嵌入式模块和FPGA模块构成，负责统一接收各数据处理单元上传的电压、电流、振动信号，并将其经内部光纤上传到主控单元中。所述第二信号调理器，可以实现分布式的、一对多的、主从式的采集与监测。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0026] 本发明上述的监测系统，能够有效监测变压器的实时运行状况，解决了离线检测手段周期性长，无法实时监测的弊端。
[0027] 本发明上述的监测系统得到的监测数据，能够用于有效判断故障原因和故障可能性部位，对发生故障的变压器做出故障判断。
[0028] 使用本发明上述的监测系统进行变压器绕组故障状态振动监测，能够降低人工巡检成本和提高变压器运行安全性。
附图说明
[0029] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0030] 图1为本发明一实施例的系统结构图；
[0031] 图2为本发明一较优实施例中数据处理单元的电气箱柜结构示意图；
[0032] 图3为本发明一较优实施例中数据处理单元的开关电源接线图；
[0033] 图4a、4b为本发明一较优实施例中服务器电气布置图；
[0034] 图5为本发明一较优实施例中数据采集装置与主控单元连接图；
[0035] 图中：数据采集单元1、电流互感器101、电压互感器102、振动加速度传感器103、光纤或电缆104、数据处理单元2、电气箱柜201、开关电源202、除湿器203、第一信号调理器204、服务器单元3、主控单元301、第二信号调理器302、监控单元4。
具体实施方式
[0036] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0037] 参照图1所示，本发明提供的变压器绕组故障状态振动在线监测系统的一实施例结构图，包括：数据采集单元1、数据处理单元2、服务器单元3以及监控单元4，其中：
[0038] 所述数据采集单元1，根据电力变压器的运行特性，采集的数据量包括变压器本体箱壁振动信号、三相电压和三相电流信号，所述振动信号是由布置在变压器A、B和C相绕组附近箱壁上对称位置的振动加速度传感器获取的，当超过系统设定阈值时将产生告警信号；
[0039] 所述数据处理单元2，接收所述数据采集单元1采集的变压器本体箱壁振动信号、三相电压和三相电流信号，通过对这些信号进行实时处理，将模拟信号转换成数字信号后传给所述服务器单元3；
[0040] 所述服务器单元3，接收、记录和反馈由所述数据处理单元2传入的振动加速度、电流和电压数据，并通过这些数据判断变压器故障类型，并将这些数据传给所述监控单元4；
[0041] 所述监控单元4，将所述服务器单元3的接收、记录的数据和变压器故障类型可视化显示出来；
[0042] 所述数据采集单元1与所述服务器单元3采用分布式系统设计，所述数据采集单元就近安装在变压器箱体侧，使用光纤数据线将采集到的振动信号以光信号的形式发送到服务器单元上位机，有效避免了变电站强电磁干扰环境对信号传输的影响，保证上位机能够收到高精度的振动信号。
[0043] 根据实验分析，绕组与铁芯是变压器振动主要来源，振动信号也是所述在线监测系统的核心。运行中的变压器铁芯内，
硅钢片在强
磁场下产生
磁致伸缩导致铁芯的振动，在变压器正常运行铁芯未饱和时，铁芯振动的幅值与励磁电压负值的平方成正比，振动基频为100Hz，能根据其判别铁心受潮、绝缘损坏等故障。变压器绕组的振动是由负载电流感应产生的电磁力导致的，其幅值与绕组电流负值平方成正比，其
频率为100Hz，能根据其判别绕组变形故障。实际变电站中，在线监测系统的振动信号是由布置在变压器A、B和C相绕组附近箱壁上对称位置的振动加速度传感器获取的，运行中的变压器振动是铁芯振动与绕组振动的
叠加，除了的基频信号之外，还包括了由非线性引起的大量高次谐波。在变压器出现故障时，其振动信号的100Hz分量变化明显，且针对振动信号的形态学分析也将反映变压器运行状态的变化，因此，振动信号的主要判据为振动信号频域100Hz分量幅值与其形态学分析结果，当这些指标超过系统设定阈值时将产生告警信号。
[0044] 假设，变压器正常运行时，在
匝数为N1的变压器原边侧施加交流电压u1＝V0sinωt，在横截面积为A的铁芯上激励交变的主磁通为φ，根据法拉第
电磁感应定律，可求得铁芯中的磁感应强度为：
[0045]
[0046] 式中， Bs为饱和磁感应强度。
[0047] 由此可得铁芯的磁场强度H，
[0048]
[0049] 式中，μ为铁芯的磁导率，Hc为
矫顽力。
[0050] 在磁场作用下，硅钢片的微小变形量满足式，
[0051]
[0052] 式中，εs为硅钢片的饱和磁致伸缩率，且H≤Hc。
[0053] 铁芯的磁致伸缩现象通常用磁致伸缩率ε来表示，对式(3)积分可得硅钢片的磁致伸缩率ε，
[0054]
[0055] 式中，L为铁芯硅钢片的原始尺寸，ΔL为铁芯硅钢片的最大变形量,B0≤B。
[0056] 由式(4)可得磁致伸缩引起铁芯振动的振动加速度为
[0057]
[0058] 由式(5)可知，因磁致伸缩引起的铁芯振动加速度信号与原边电压值的平方呈线性关系，且铁芯振动加速度信号的基频是励磁电压基频的两倍。另外，因铁芯磁致伸缩的非线性以及沿铁芯内框和外框的磁通路径长短不同等原因，铁芯振动
频谱中除了基频外，还包含有高次谐波成分。
[0059] 同时，由于变压器铁芯振动的幅值正比与电压的平方，对变压器实时运行电压的监测能帮助判别铁心振动情况，可用于运行中变压器故障的辅助判别，因此在线监测系统使用电压互感器采集三相运行电压信号。
[0060] 同样，由于变压器绕组振动的幅值正比与负载电流的平方，对变压器实时负载电流的监测能帮助判别绕组振动强度，因此在线监测系统使用电流互感器分别采集三相运行电流信号。
[0061] 因此，本发明根据电力变压器的运行特性，采集变压器本体箱壁振动信号、三相电压和三相电流信号，这些原始信号通过系统的数据处理，将产生变压器工作状态的告警信号，并通过报告的方式进行上传。
[0062] 在本发明部分优选实施方式中，所述数据采集单元1，包括电流互感器101、电压互感器102、振动加速度传感器103，其中：所述振动加速度传感器103采用磁吸方式安装于变压器箱体两侧外壁，在箱体正、背两侧，各安装有6个加速度传感器，每个加速度传感器分别安装三相绕组相应箱体位置的上部及下部，采集的振动信号通过专用屏蔽铠装电缆进行数据传输；所述电流互感器101、电压互感器102安装于变电站；所述电流互感器101、电压互感器102的输入端分别采集变压器的三相电流、三相电压信号；所述电流互感器101、电压互感器102、加速度传感器103的输出端均通过专用屏蔽信号电缆连接到数据处理单元2。
[0063] 在本发明部分优选实施方式中：所述数据处理单元2就地安装在变压器旁边，所述服务器单元3，安装于变电站控制室电气屏柜中；所述监控单元4安装于变电站控制室电气屏柜外，连接所述服务器单元3，并设有显示装置，将服务器单元3传送来的信号传输到显示装置进行显示。在一实施例中，数据处理单元设置18个传感器
接口。
[0064] 在本发明部分实施例中，所述振动加速度传感器103由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件组成。振动加速度传感器103在加速过程中，通过对质量块所受
惯性力的测量，利用
牛顿第二定律获得加速度值。变压器在正常工作和发生故障时，其振动特性会发生变化，通过在变压器箱壁上加装振动加速度传感器，可以测得变压器工况下的箱壁加速度数据，以此来初步判断变压器的工作状态。振动加速度传感器103通过磁吸方式置于变压器箱壁外侧，安装方便，且便于拆卸和维修。
[0065] 在一具体实施例中，所述振动加速度传感器可以采用CTC公司的AC102-2C型振动加速度传感器，具体的参数如下：
[0066]
[0067]
[0068] 参照图2所示，所述数据处理单元2包括：电气箱柜201以及设置于所述电气箱柜内的开关电源202、除湿器203、第一信号调理器204，其中：所述开关电源202为所述数据处理单元2供电，所述除湿器203设置于所述电气箱柜201内部的一侧，所述第一信号调理器204设置于所述除湿器203附近。电气箱柜201采用
不锈钢机箱。数据处理单元2安装在控制室外变压器旁，不锈钢电气柜设计满足防凝露、耐高温，通
风等防护工况要求。
[0069] 图2中还显示了交流空气开关Q1、电流
端子X1、接地端子PE，参照图3所示，开关电源202即U1、除湿器203即CSQ等连接的
电路图。所述除湿器连接湿度传感器，所述湿度传感器实时监测电气箱柜内的湿度，并通过连接的显示灯，转换为可视化的红、黄、黑三种颜色的灯光，提示湿度等级，当电气箱柜201内部湿度超过设定值时，所述除湿器开机工作，保证电气箱柜内湿度符合电气元器件工作条件。
[0070] 图中所示的开关电源U1，使用220VAC/24VDC为数据处理单元供电，取电220VAC取自变压器就地侧的电气柜。开关电源用于对数据处理单元的供电。
[0071] 第一信号调理器204可以采用现有器件实现，比如由嵌入式模块和FPGA器件组成等，其主要作用在于就地接收各传感器的数字信号，并转换成模拟信号，最后将其上传给服务器单元，从而能够及时处理信号，避免由于长距离传输时造成信号的失真和不准确。
[0072] 如图4a、4b所示，所述服务器单元3包括：主控单元301以及设置于同一电气屏柜中的第二信号调理器302，其中：
[0073] 所述主控单元(MCU)，通过所述数据处理单元上传的振动信号，同时接收同一电气屏柜中的所述第二信号调理器传送的变压器二次侧电流、电压信号，将接收到的振动、电压、电流信号进行分析和比对，通过运行算法，由振动信号初步判断变压器是否故障，其后拟合电流电压信号判断变压器的故障类型，作为辅助判据判断变压器故障状态。
[0074] 所述监控单元连接可视化模块，所述可视化模块连接所述服务器单元的主控单元301，可视化界面显示变压器工作状态，通过可视化界面清晰了解实时的电气参数数值变化和自主切换所需了解的电气参数类型，电气参数的异常变化和数据分析的变压器故障都会以鲜艳颜色和窗口提示形式进行提示，服务器单元的算法升级更新和其他设置通过可视化界面操作进行实现。
[0075] 如图5所示，主控单元301是整套变压器在线监测的核心部件，图中，主控单元301通过铠装光纤接收多个数据处理单元2中上传的传感器信号，同时通过柜内光纤接收同一电气屏柜中的第二信号调理器302上传的变压器二次侧电流电压信号。
[0076] 本发明上述的监测系统，综合测量振动信号、电流与电压数据，减少误判率，能够有效监测变压器的实时运行状况，解决了离线检测手段周期性长，无法实时监测的弊端，能够降低人工巡检成本和提高变压器运行安全性。
[0077] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
