（电力系统及其自动化专业论文）基于振动噪声的变压器运行状态监测装置的开发.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 l l l l liiil l l li i1 l l ll i l t l l l l l l 17 9 6 2 3 4 变压器是电力系统的重要设备，变压器故障会给电力系统的安全运行带来很大 的威胁，因此对变压器的运行状态进行监测具有重大意义。本文利用虚拟仪器技术 开发了基于振动噪声的变压器运行状态监测装置。该装置不但可以对振动、噪声进 行监测，还可以根据实际需要对电压、电流、功率、谐波等进行监测。该装置的硬 件部分主要由传感器，电荷放大器以及工控机系统组成，软件部分主要利用 l a b v i e w 虚拟仪器开发平台，对原有的监测软件做了进一步的完善，设计了g i c 越限报警模块、谐波监测模块、数据库存储模块、功率测量等模块。最后在实验室 利用一台变压器对该系统进行了测试，并在山西临汾5 0 0 k v 变电站进行了实地应用。 关键词：变压器，监测，振动，噪声，l a b v i e w a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep o w e rs y s t e m , a n di t sf a u l tw i l lb r i n g s e r i o u st h r e a tt ot h es a f eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e , i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f o rm o n i t o r i n go p e r a t i o ns t a t eo ft h et r a n s f o r m e r i nt h i st h e s i s ，ad e v i c ei sd e v e l o p e dt o m o n i t o rt h eo p e r a t i o no ft h et r a n s f o r m e rb ym e a s u r i n gi t sv i b r a t i o na n dn o i s e n o to n l yo a n t h i sd e v i c em o n i t o rv i b r a t i o na n dn o i s e ，b u ta l s oc a nm o n i t o rv o l t a g e ，c u r r e n t , p o w e ra n d h a r m o n i c sa c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s t h eh a r d w a r ep a r to ft h i sd e v i c ei sc o m p o s e do fs e n s o r , c h a r g ea m p l i f i e ra n di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rs y s t e m i t ss o f t w a r ep a r t , w h i c hi so nt h e b a s i so ft h el a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r m , i sf u r t h e ri m p r o v e df o r o r i g i n a lm o n i t o r i n gs o f t w a r e ，a n dg i ca l a r mm o d u l e ，h a r m o n i cm o n i t o r i n gm o d u l e ，d a t a b a s e s t o r a g em o d u l e ，p o w e rm e a s u r e m e n tm o d u l ea r ed e s i g n e d f i n a l l yt h i sd e v i c ea r et e s t e di nt h e l a b o r a t o r yb yu s i n gat r a n s f o r m e r , a n da p p l i e da tl i n f e n5 0 0k vs u b s t a t i o ni ns h a n x i p r o v i n c e y a n g q i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uz o n g q i k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r , m o n i t o r i n g ，v i b r a t i o n ，n o i s e ，l a b v i e w 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题的提出l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究情况2 1 2 2 国内研究情况3 1 3 本论文的主要工作一4 第二章监测装置测量技术及其方法5 2 1 变压器振动噪声信号的测量5 2 1 1 变压器振动、噪声产生机理5 2 1 2 变压器振动噪声传感器位置的选择及监测方法7 2 1 3 变压器振动、噪声的测量8 2 2 谐波分析13 2 2 1 谐波的含义和性质1 3 2 2 2 谐波分析的有关指标。1 4 2 2 3 谐波测量中的几个问题1 4 2 3 功率测量15 2 4 本章小结l6 第三章监测装置硬件的设计1 7 3 1 监测系统的总体结构1 7 3 2 监测装置硬件的构成1 8 3 2 1 工控机系统1 8 3 2 2 传感器的选取2 4 3 3 监测装置端子箱2 6 3 3 1 端子箱的设计2 6 3 3 2 端子箱内部接线的设计2 7 3 4 本章小结2 8 第四章监测系统软件的设计2 9 4 1 虚拟仪器技术2 9 华北电力大学硕士学位论文 4 2 图形化编程软件平台l a b v i e w 3 0 4 2 1l a b v i e w 概j 盎3 0 4 2 2l a b v i e w 同步控制技术一3 2 4 2 3l a b v i e w 中的数据库访问技术3 4 4 2 4l a b v i e w 与外部程序接口3 9 4 3 监测系统软件各模块的开发4 0 4 3 1g i c 越限报警模块4 0 4 3 2 谐波分析模块一4 1 4 3 3 数据缓存功能模块一4 2 4 3 4 数据库存储模块4 4 4 3 5 自启动模块4 5 4 3 6 功率模块4 6 4 3 7 相关数据的处理4 7 4 4 本章小结一4 7 第五章实验与测试4 8 5 1 实验室试验模拟平台4 8 5 2 实验室测试方案4 8 5 2 1 声压传感器的校准一4 8 5 2 2 空载条件下直流偏磁试验4 9 5 2 3 负载条件下直流偏磁试验5 3 5 2 4 故障条件下直流偏磁试验5 7 5 3 现场实地测量结果5 7 5 4 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 参考文献6 2 至炙 谢一6 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 7 n 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 变压器是电网中的重要设备之一，它的可靠运行直接关系到电网能否可靠、安 全、经济的地运行。近些年来，随着我国电网规模的不断扩大，电力变压器的安装 容量也随之不断增加。同时，影响变压器正常工作的因素不断出现，变压器发生故 障的情形越来越多。一旦变压器出现非正常工作状态或者发生故障，会给电力系统 的运行带来很大影响。因此，变压器监测工作的重要性逐渐显现出来，我们必须加 强变压器运行状态的监测工作。 由于直流输电系统的单极大地回路运行方式以及地磁感应电流( g i c ) 的影响，变 压器直流偏磁现象越来越普遍，使变压器产生异常噪声和振动，给电力系统及变压 器的运行造成了严重影响l 卜，l 。地磁感应电流，是当磁暴发生时，太阳风等产生的磁场 和地球磁场相互作用在地球表面产生感应电势( e s p ) 在长距离输电系统，特别是东 西走向的输电线路中的接地变压器间产生的感应电流，其频率在0 0 0 1 1 h z 之间， 可以近似看作为直流，数值可达8 0 - - 1 0 0 a 以上1 2 1 1 9 8 9 年，磁暴引起的偏磁电流 导致了加拿大魁北克电网的大停电，其原因是偏磁电流使变压器铁心急剧饱和，谐 波大增，导致继电保护装置误动和电压崩溃。而2 0 0 2 年和2 0 0 5 年浙江电网5 0 0 k v 变压器振动和异常噪声加大，也是源于地磁暴的影响。自2 0 0 2 年来，江苏省武安 变电站变压器多次发生严重的直流偏磁现象，直接导致了变压器异常振动的加剧和 噪声的加大，给系统带来了谐波和电压暂降等问题。分析其原因，主要是由于三峡 直流输电采用单极和大地的回路，地中直流电流在江苏交流电网分流，导致变压器 在直流偏磁下振动噪声的增加f f , - s l 。由此可见，振动、噪声的明显增加也是变压器非 正常工作状态的一种体现，我们很有必要对变压器的振动、噪声进行监测，以便及 早发现变压器运行过程中存在的隐患。 同时根据历年对变压器的统计资料分析发现。变压器绕组与铁心是发生故障较 多的部分i ，舯l 。直流偏磁使得变压器铁心严重饱和，励磁电流高度畸变，从而产生了 大量谐波，变压器的无功损耗也随之增加，振动噪声增大。同时严重的磁饱和也会 使正常情况下在铁心中闭合的磁通部分离开铁心，使变压器金属结构件损耗增加， 导致局部过热现象，破坏绝缘，损坏变压器或降低寿命【2 置1 1 。因此，积极开展变压器 绕组及铁心状况的诊断工作，及时发现有故障隐患的变压器，并有计划进行检修， 可以减少运行成本，延长设备寿命，预防变压器突发事故的发生，带来良好的经济 和社会效益。 华北电力人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 早期对变压器振动进行监测主要采用离线的方法【，】，如短路试验法，低压脉冲 法，频率响应法等。离线方法的主要缺点是测量不方便，测量结果不准确、不稳定。 现在对变压器振动监测研究应用比较广的就是振动信号分析法，简称振动法【l l - - ，1 。振 动法是通过分析变压器器身振动信号来判断变压器潜在故障的一种方法，是一种在 线监测方法，它通过粘在器身上的振动加速度传感器获得变压器的振动信号，与整 个电力系统没有电气上的联系，以一种安全无干扰和可靠的方式进行监测，可以极 大地提高诊断的准确性。不过振动法监测起步较晚，直到上个世纪九十年代中后期， 研究人员才开始提出通过在线监测变压器表面振动信号来分析判断绕组及铁心状 况的理论j ，】。应用振动法监测变压器工作状况的研究尚处于初级阶段，对其进行 深入的研究有良好的科学发展前景和实际应用价值。 近些年来，美国、俄罗斯及加拿大等国家开始将振动信号分析法应用于电力变 压器的在线监测，并进行了大量的研究【- s 1 8 l 。目前振动信号分析在线测量法在国际 上仅俄罗斯刚刚进入现场试用。1 9 9 8 年，俄罗斯设立在彼尔姆市原莫洛托夫市的“振 动中心 研制出一种带电监测变压器器身振动的频谱分析专家系统，现已推广使用。 目前已经在6 0 多台大型电力变压器上使用，结果证实了这种方法可适用于各种类 型的变压器。但其也有不足之处，主要问题集中在：未对绕组、铁心振动特性进行 充分的研究，未考虑不同类型的变压器由于动力学特性不同导致的振动信号变化规 律也不一致。 国外对于变压器振动的研究，主要可以归纳为以下两个方面 1 9 1 ： ( 1 ) 将监测到的振动数据进行不同的研究讨论和分析。利用传感器、数据采 集卡以及计算机组建振动测试系统，对监测到的振动数据进行研究。 ( 2 ) 通过建立数学模型来研究变压器的运行状况。根据影响变压器振动的因 素，将这些因素转化为各个参数组建一个数学模型。从而根据这个数学模型来研究 变压器的振动状况。 对于变压器噪声方面的研究，一些外国生产电力变压器的公司，比如西屋电气， 通用电气以及其他一些相关的研究单位早在1 9 世纪2 0 年代就已经开展了1 2 0 2 i l 。他 们的研究领域包括不同地区，不同变压器噪声水平下相关技术和环境标准的建立， 振动机理、噪声特性的研究，降低变压器噪声的方法途径以及其它一些相关方面。 从上世纪7 0 年代起，国外对变压器噪声的研究开展的更加广泛和深入。外国主要 的变压器生产厂家开始花费大量的人力以及其它资源对变压器振动噪声进行了深 入的研究：对大量不同规格的变压器进行了研究，同时一些相关领域新的研究方法 2 华北电力大学硕士学位论文 也不断涌现，比如利用声压法，声强法对变压器噪声引起的远场噪声辐射进行分析、 研究；对一个新建变电站中变压器噪声辐射场的预测方法由实验方法研究转向建立 模型并对模型的机理进行分析，比如建立了变压器噪声源数学模型。 1 2 2 国内研究情况 近些年来，随着我国高压直流输电系统( h v d c ) 的大量建立，以及地磁感应 电流( g i c ) 的影响，变压器直流偏磁的现象日益突出。直流偏磁条件下引发的变 压器振动和噪声问题逐渐成为了用户关注的焦点。如江苏武南变在中性点直流电流 为1 2 8 a 时，油箱壁振动值最高达1 9 41 tm ，调试时因直流偏磁造成变压器噪声高达 9 1 4 d b m 。但我国对变压器振动、噪声监测起步较晚。目前国内对于变压器振动、 噪声在线监测方面的研究较少，仅清华大学、上海交通大学、西安交通大学等在从 事此方面的研究。研究也主要集中于对变压器在各种工况下运行的振动、噪声数据 进行研究和分析，进而研究它们之间的关系。 国内对变压器噪声的研究始于2 0 世纪8 0 年代，主要的研究单位是大型变压器 生产厂家，比如西安变压器厂，上海变压器厂，西安特变电工电气股份有限公司以 及地方上的一些电力研究机构，如武汉高电压研究所。研究的主要内容包括变压器 噪声的产生机理，测量及抑制方法，变压器的优化设计1 2 0 2 4 2 ，1 同时，变压器噪声标 准( j b t 1 0 0 8 8 1 9 9 9 ) 也开始建立目前，变压器噪声的相关研究主要集中在对噪 声特性理论和实验方面的研究，对变压器噪声的控制，并且这些研究已经取得了一 些进展1 2 0 2 6 l 。j 随着西电东送工程的开展和全国联网进程的逐步实施，我国将出现大量东西走 向的高电压、远距离、大容量输电线路，由于地磁感应电流的影响而产生的一系列 问题会逐渐显现出来。华北电力大学自2 0 0 0 年以来，针对磁暴影响下的地磁感应 电流与电力系统安全稳定运行的之间的联系开展了一系列的研究工作，阐述了在我 国对该问题进行研究的必要性，并采用仿真算法与实际监测相结合的方法深入研 究，提出了针对我国电网g i c 问题的研究思路和一系列建议i l 2 7 - 2 9 1 。随着研究的深入， 针对我国电网建设的情况，课题组提出了大规模复杂电网g i c 水平分析计算以及对 变压器影响评估技术的研究思路，并对g i c 问题的治理提出了一些方法。g i c 的出 现具有不确定性、随发性等特点，只有通过实际测量得到的数据才能印证仿真计算 的结果正确与否，同时这又是下一步对整个电网进行影响评估及分析计算的基础。 课题组2 0 0 5 年就开展了对于电网地磁感应电流的监测装置的开发工作【2 l 御l 。研制的 变压器直流偏磁监测装置可以监测变压器中性点g i c 的大小、变压器三相电流、电 压、无功变化情况。课题组先后将湖南郴州、甘肃兰州、青海官亭、吉林长春的变 电站作为监测点安装了地磁感应电流监测装置，对变压器中性点电流情况进行实时 华北电力人学硕士学位论文 测量，以实际测量的数据为评估电网g i c 水平和影响提供依据和手段。 从上面的叙述可以看出，目前对变压器进行监测的装置只能单独的对电信号( 如 电流、电压) 或者振动噪声信号进行监测，并没有把这几项功能集中在一起。本文所 开发的这种装置的主要特点就是能够对变压器进行多方面的监测，既能够监测电 流、电压信号，又能够监测振动、噪声信号，是对变压器监测手段的一种完善与发 展。 1 3 本论文的主要工作 变压器振动噪声监测装置主要用于在线监测运行中的变压器的电量( 电流、电 压) 、非电量( 振动、噪声) ，为故障诊断提供依据。本论文的主要内容为变压器振 动噪声监测装置的研究，开发振动噪声监测系统，并利用该系统对正常工况下和直 流偏磁影响下变压器振动噪声特征做初步的研究。论文的主要工作如下： 1 ) 监测装置硬件的开发。硬件部分主要包括监测装置本体和监测装置端子箱 两部分。监测装置本体主要由母板，各种插板及前面板组成。依据功能的不同，插 板分为a c 板、d c 板、a d 板、c p u 板、通讯板、电源板等。另外还包括振动加速 度传感器、声压传感器、电荷放大器等。监测装置端子箱主要用于室外存放该监测 装置及其它设备。 2 ) 监测装置软件的开发。软件部分主要应用l a b v i e w 虚拟仪器开发平台开发 变压器运行状态监测软件，实现振动噪声信号的采集、实时显示、频谱分析，变压 器电压、电流的谐波分析，有功功率、无功功率、功率因数的测量，越限报警、数 据库存储，自启动等功能。 3 ) 利用实验室“直流偏磁监测及影响模拟实验平台 对开发的监测系统进行 测试，并对变压器在正常工况下和直流偏磁影响下的振动噪声特性行进行分析。 4 ) 将监测装置安装于山西临汾5 0 0 k v 变电站，实地运行，监测振动、噪声等 信号。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章监测装置测量技术及其方法 2 1 变压器振动噪声信号的测量 2 1 1 变压器振动、噪声产生机理 变压器身的振动是主要是由于变压器本体( 铁心、绕组等的统称) 的振动及冷却 装置的振动产生的。在变压器额定磁通下，负载电流产生的漏磁引起的绕组、油箱 壁的振动，相比铁心和绕组的振动要小的多 3 1 删同时，国内外大量研究表明，变 压器的振动和噪声主要来源于铁心振动和绕组振动l - - t 弘，l 。 2 1 1 1 变压器铁心的振动【i 3 1 3 7 4 0 1 变压器铁心的振动主要包含由硅钢片的磁致伸缩引起的振动以及硅钢片接缝 处，叠片之间因漏磁产生的电磁吸引力而引起的振动。由于变压器制造工艺的提高 及铁心叠加方式的改进，后者引起的振动要比前者小得多，我们可以近似认为变压 器铁心的振动主要是由硅钢片磁致伸缩引起的。 磁致伸缩，是变压器铁心的一种磁化过程，也就是当变压器励磁时，在电磁力 的作用下，出现硅钢片沿磁力线方向的尺寸增加，垂直磁力线方向的尺寸缩小的现 象。磁致伸缩率越大，振动、噪声也就越大。磁致伸缩的变化周期是电源频率( 5 0 h z ) 的半个周期，所以磁致伸缩引起的变压器本体的振动噪声，基本是以两倍的电源频 率为其基频的，也就是基本上是以1 0 0 h z 为基频。由于磁致伸缩的非线性、沿铁心 内框和外框的磁路径长短不同等因素，磁通不再是正弦波，存在一些高次谐波分量， 这就使得铁心的振动频谱中除了含有基频振动信号以外，还包含有频率为基频整数 倍的高频附加振动信号。 磁致伸缩主要来自自旋体系与晶格相互作用的磁一弹性能量，所导致的磁性单 晶尺寸对磁化强度矢量取向的关系。也就是说，铁磁晶体被外磁场磁化时，其长度 与体积均发生变化，从而引起变压器的振动。磁致伸缩现象通常用磁致伸缩率来表 征，其表达式为： 占，= 告 ( 2 - 1 ) 式中：。x 方向磁致伸缩率( 无量纲) ； l x 硅钢片x 方向尺寸； l 。硅钢片x 方向最大变形量。 磁致伸缩的大小与外磁场的大小、材料的温度、生产过程等很多因素都有关系， 华北电力大学硕士学位论文 因此不同变压器的振动水平有很大区别。当变压器稳定运行时，铁心温度变化不大， 在相同的分接头位置，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，所以可以认为由磁致伸缩引起的铁心振动也基本保持不变。 2 1 1 2 变压器绕组的振动【l o 1 2 1 1 2 i 删 绕组振动主要是由于电流通过绕组时在绕组间、线柄间、线匝间产生动态电磁 吸引力而引起。变压器线圈的载流导体处在漏磁场中，在这些导体上作用着电动力， 电动力为变压器振动的主要激励力。电动力在变压器线圈中产生机械振动，并传递 到变压器结构的其他部件上。以往认为，由于负载电流引起的变压器绕组的振动比 较小，在变压器振动中所占比重比较少。但随着变压器容量以及负载电流的不断增 大，绕组的振动已经不可忽略。绕组所受电磁力随着负载的变化而变化，当负载变 化很大时，绕组的振动也会有很大变化，其基频振动信号与负载电流的平方成正比。 尤其在变压器发生短路事故时，包括副边短路和原边短路，绕组中流过很大的冲击 电流，其引起的振动要大于铁心的振动。这样可以利用发生短路事故时的变压器器 身振动信号，来监测绕组线圈是否发生了变形或松动。 由以上叙述可以看出，铁心和绕组的压紧及变形情况与变压器的振动有很大的 联系，因此变压器铁心状况和绕组的压紧状况可在很大程度上反映变压器的振动的 情况。如果变压器铁心状况及绕组压紧状况良好，变压器振动就比较平稳。这也为 排除变压器振动加大故障提供了依据。 2 1 1 3 变压器噪声的产生1 1 3 2 0 2 1 2 3 2 6 3 0 舶l 变压器的噪声声源主要分为本体噪声和冷却系统噪声。铁心电磁吸力和磁致伸 缩引起的变压器铁心的振动而产生噪声；绕组在漏磁场电磁力作用下使一些部件产 生振动，引起噪声；绕组间的电动力以及油箱上磁致伸缩等产生电磁噪声，这些噪 声一起构成变压器的本体的噪声。冷却系统的噪声主要是指变压器冷却风扇和油泵 等在运行过程中产生的噪声。 1 ) 由电磁吸引力引起的振动而产生的噪声。这部分噪声主要包括两部分：一 是硅钢片接缝处和叠片之间存在着因漏磁而产生的电磁吸引力引的起铁心振动，从 而产生噪声。根据电磁场理论，变压器三相交流电磁系统铁心接缝处存在频率为 1 0 0 h z 的交变电磁吸力。因而铁心硅钢片接缝间将出现强烈的周期性往复相对运动 的趋势。如果铁心柱或铁轭夹紧程度不够，铁心松动或者夹紧力不均匀，夹件与铁 心间的摩擦力不足以保持平衡，那么，铁心硅钢片也将产生强烈周期性往复相对运 动。铁心硅钢片间的摩擦及金属接缝撞击，将发出频率为1 0 0 h z 左右的噪声。第二 个方面是变压器绕组间因负载电流与漏磁场相互作用，使变压器绕组沿轴向方向产 生很大的电磁吸引力，从而推动铁心夹件，造成金属撞击，使铁心整体振动，同时 6 华北电力大学硕士学位论文 也引起绕组的振动，从而发出噪声。另外，在有气隙的导磁钢件之间，也会产生交 变的电磁吸力。如在铁心和油箱之间、铁心夹件和油箱之间、上下节油箱之间、升 高座和电流互感器之间等都会产生电磁吸力。如果连接不可靠，都可能会发生金属 撞击而产生噪声。 2 ) 变压器铁心磁致伸缩引起的噪声。磁致伸缩是变压器铁心振动的主要原因， 所以变压器铁心振动产生的噪声，也主要是由于其磁致伸缩引起的。由于磁致伸缩 的变化频率恰恰是电源频率2 倍，因此变压器噪声的基频是电源频率( 5 0 h z ) 的两 倍( 1 0 0 h z ) 。因铁心的磁特性非线性和铁心结构等原因，磁通内会有一定量高次谐 波，所以，变压器铁心振动的噪声频谱中除了基频噪声之外，还包含有频率为基频 整数倍的高频噪声。另外，磁致伸缩率还与磁场强度有关，磁场越强，磁致伸缩率 越大，变压器铁心的振幅也就越大，从而发出的噪声也就越大。当铁心的固有频率 与磁致伸缩振动的频率相接近时，会使铁心共振而导致变压器本体噪声骤增。 3 ) 冷却系统产生的噪声。大型电力变压器冷却方式为风冷或强油风冷时，需 要将风扇和油泵打开，风机运转和油泵电机转动会产生空气动力噪声所以冷却装 置的嗓声主要来源于冷却风扇和变压器油泵在运行时产生的振动以及本体的振动 会通过变压器油、管接头等零件传递给冷却装置，使冷却装置的振动加剧，辐射噪 声加大。 由以上分析可知，变压器本体的噪声由油箱传递给外界，与冷却系统产生的空 气动力噪声相叠加后，构成变压器的总体噪声。 2 1 2 变压器振动噪声传感器位置的选择及监测方法 2 1 2 1 变压器振动噪声的传播途径 变压器的振动主要是由绕组和铁心引起的，通过不同路径传递到变压器箱壁 上，所以监测箱壁振动的变化可以反映变压器内部结构的变化1 9 , 1 2 j 变压器绕组的 振动主要是通过绝缘油传至油箱的铁心的磁致伸缩振动是通过两条路径传递给油 箱的，一条是固体传递途径一铁心的振动通过其垫脚传至油箱；另一条是液体传递途 径一铁心的振动通过绝缘油传至油箱壁上。 这两条途径传递的振动能量，使箱壁( 包括磁屏蔽等) 振动而产生本体噪声。而且 根据大量试验研究表明，变压器绕组表面的振动与油箱表面的振动信号只是在幅值 上有衰减。也就是说振动传感器在变压器本体表面与油箱表面测得的信号有相同的 结论l ，1 2 - ，1 6 4 0 ，l 。电力变压器油箱表面的振动信号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。这就为我们在安装振动传感器时位置的选择提供了依 据。 目前，关于传感器最佳安装位置的选择仍然是国内外研究的热点。振动信号的 7 华北电力大学硕十学位论文 测量大都是在实验室或制造厂完成的，而对现场运行中的变压器油箱表面的振动特 性研究较少。对此，应该进行大量的试验研究，结合实际情况进行相关分析。文献 【4 6 描述了对现场正在运行中的电力变压器油箱表面的振动信号进行了测量的情况， 分析了变压器型号、传感器安装位置对所测得的振动信号的影响，得出的结论对实 际测量操作有一定的指导意义。其结论有：而同型号变压器的油箱表面振动特性相 似；油箱表面上下对称位置处的振动特性相差不大，而其它各个位置处的振动信号都 没有可比性；应对传感器安装位置进行标记，在进行下次测量时，传感器安装位置最 好在标记点处或偏离不超过5 c m 。 2 1 2 2 变压器振动噪声的监测的主要方法 变压器振动噪声的监测主要分为离线和在线两种情况。 离线方法主要有以下两种【9 1 2 4 3 1 ； ( 1 ) 在电力变压器绕组出口端施加一个机械的冲击。由于铁心中残留有磁通，这 时可以测得振动的绕组线圈切割磁力线而产生的电动势的大小。对一定大小的机械 冲击，通过此电动势的大小可以判断绕组的压紧状况。 ( 2 ) 对变压器绕组施加电动力冲击，如低压脉冲法( l v i ，l o w v 0 1 t a g e l m p u l s e ) ，频 率响应分析法( f r a ，f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s ) 。将电压脉冲信号施加到被试变压 器的一端，在这一脉冲衰减的过程中，记录下振动的绕组两端感应电动势的大小及 变化，以此来判断绕组的压紧状况。 上述两种离线方法存在的主要问题是：变压器必须要退出运行；由于变压器的 自振频率范围很宽，对不同大小、容量的变压器判断绕组压紧状况的标准不同；并 且在进行测量时需要变压器铁心有一定量的剩磁，剩磁较少时会引起测量结果的不 稳定，出现很大的误差；另外这两种方法只能检测出绕组的压紧状况，而对铁心的 状况无法做出判定。 现在在线监测研究比较广的就是振动法。正如前文所述，振动分析法就是将一 个或多个振动传感器安装在所测设备的表面，从而可以获取到设备运行中的振动信 号。然后再提取时域或频域中的信息，通过对这些信号进行分析，采用一定的诊断 方法，进而对设备的工作状态做出评估。而且随着信号处理技术的不断发展，以后 可以从振动信号中提取到越来越丰富的设备运行的特征信息。应用振动信号分析法 对设备进行检测，具有准确、安全、可靠等优点，有着广阔的应用前景。 2 1 3 变压器振动、噪声的测量 2 1 3 1 变压器振动信号的测量 从前文的分析可知，无论是硅钢片的磁致伸缩引起的变压器铁心的振动，还是 8 华北电力大学硕士学位论文 变压器绕组中的电流在电场力作用下产生振动，以及变压器冷却系统产生的振动， 都会沿着一定的传输路径传到变压器器身表面或是油箱表面。也就是说，变压器表 面的振动与变压器铁心和绕组的振动在本质上是一样的，只是振动幅值大小不尽相 同。我们通过分析变压器表面的振动情况，就可以得出铁心和绕组的工作状况。 变压器振动信号的测量由吸附在变压器表面的振动传感器获得，因此振动传感 器的选择对于整个测量工作起着至关重要的作用。它能将机械信号转换为电信号， 对这些电信号进行进一步的分析就能得出变压器的振动状况。根据变压器器身振动 信号的机械振动特征，初步估计振动频宽为l o 2 0 0 0 h z ，振幅0 5 5 0 p m v o i ，可供选 择的振动传感器包括速度传感器、位移传感器和加速度传感器。 由于测量现场处在室外，存在着极其苛刻的测量环境，这主要表现在：冬冷夏 热，室外温度变化很大：传感器需要长期吸附在变压器表面，可能会受到一些污物 的污染；测量现场处在大型变压器附近，存在很强的电磁干扰，电磁环境比较恶劣。 因此，我们在选择传感器的时候，在考虑传感器灵敏度，线性度，量程，频率测量 范围的同时，必须考虑到户外因素对测量结果的影响。传感器金属部件受到温度变 化的影响后，由于膨胀系数的不同而造成应力变化，从而产生信号的输出，所以为 了减少由于温度的变化给整个测量过程带来的影响，我们必须选择温度响应较好的 传感器。另外，由于振动传感器输出是电荷量信号，易受电磁场的干扰。所以，针 对现场电磁环境比较恶劣的情形，必须选择抗干扰能力较强的传感器。 速度传感器一般采用磁电式结构，对电磁环境反应比较灵敏，不适于应用在电 磁场比较强的环境中。而位移传感器一般采用电涡流式结构，通过探头上产生电磁 场来测量相对位移，同样极易受到电磁环境的干扰。而且位移传感器一般都是采取 非接触的方式测量振动信号，而不适合直接吸附在变压器的器身上，所以监测系统 中不宜选用位移传感器来测量器身的振动信号。另外，变压器振动在通常的频率范 围内振动位移幅值量很小，并且位移、速度和加速度各个量之间都可以互相转换， 所以在实际使用中，振动量的大小一般用加速度的值来度量，即通常采用振动加速 度传感器对设备的振动情况进行测量评估。 通常，大多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。它是利用某些具 有压电效应的晶体如石英晶体的压电效应，当加速度计受振时，质量块加在压电元 件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，力的变化就 与被测物体的加速度成正比。由于压电晶体受力变形后会产生电压，只要计算出产 生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。现在，市 场上大多数压电式加速度传感器是以电荷形式输出。由于传感器本身有很大的内 阻，加之再经过一段线路的传输后，造成了输出的电荷量信号比较微弱，因而信号 送到计算机处理之前必须经过电荷放大器进行放大、还原、滤波等一系列处理。信 号经过处理后，加速度大小可以用以下公式求出： 9 华北电力大学硕士学位论文 a = q ( m n ) ( 2 2 ) 式中：a 被测物体的加速度量，单位：m s 2 ； q 振动传感器输出的电荷大小，单位：p c ； m 振动传感器的灵敏度大小，单位：p c m s z ； n 电荷放大器的放大倍数。 压电式加速度传感器因其频响宽，灵敏度、线性度好，动态范围大，可靠性高， 抗电磁干扰能力强，使用方便等特点，有着极其广泛的应用范围。 国内外多次实际测量经验表明，同一振动传感器在变压器不同位置测量到的振 动信号差别很大，而且频域内，各个频段的响应也有很大的不同。所以为了能够比 较全面的反应变压器振动的情况，需要对变压器比较典型的地方进行振动测试，即 进行多点测量，可考虑对一台变压器监测6 路9 路，能够得到较为全面准确的变压 器振动信息。并且，国外在进行试验时，测点一般选在每相绕组侧面的1 4 ，1 2 和3 4 处。顶部另有一测点，另外油箱上也有测点。一般来讲，变压器器身1 2 处振动信号 幅值比较大，如果测试条件有限，也可以在变压器器身1 2 处取振动信号再进行相关 分析处理【i o 4 7 1 。 2 1 3 2 变压器噪声信号的测量 针对变压器在运行中产生噪声这一问题，变压器生产厂家在设计、制造变压器 时都会遵守变压器的相关国家标准，如j b t1 0 0 8 8 1 9 9 9 6 2 2 0k v 级变压器声级 标准，g b t1 0 9 4 1 0 2 0 0 3 电力变压器第1 0 部分：声级测定标准。对于噪声大小 的比较和测量方法，目前最为常用的就是采用声功率法。声功率就是声源在单位时 间内辐射出来的总能量，可以通过直接测量声强级或声压级，再按规定方法来换算。 声强是指声波传播过程中的声能流的强度，即单位时间内通过和声波射线垂直 的单位面积内的能量，其单位为w m ：。它的大小与声速成正比，与声波的频率的平 方、振幅的平方成正比。声波的频率越大，振幅越大，它的声强也就越大。声强法 的基本原理是根据两个邻近放置的压敏微音器之间的中点处的声压梯度的变化，用 有限差分法 速度之积的 式中： 华北电力大学硕士学位论文 p ( f ) 该点同一时刻的瞬时声压，单位：p a ： t u 声波周期的整数倍，单位：s 。 求得声强以后，将平均声强乘以相应的面积，便可求得变压器噪声的输出功率。 声强法可以在多声源的不理想环境下进行测量，稳态的背景噪声对声强法测定的声 源的声功率影响并不大。一般来讲，它应该是测量噪声的很好的方法。但是在实际 工程中，对声强进行直接测量是非常困难的，现场一般都是通过测声压来求得。 声压是指当空气中出现一种声音时，声波产生的振动给空气带来了一定的扰 动，改给原来处于平衡状态的大气压力增添了微小的压力，即声压，单位为帕斯卡 ( p a ) 。人耳可能分辨出来的声压变化的最小值约为2 1 0 。s p a ( 这个数值也是声压的 参考数值) ，这个值称为听阈声压；人耳所能承受的声压变化的最大值约为2 0p a ， 一般称为痛阈声压。由此我们可以看到声压的数值相差数百万倍，声音的强弱变化 和人耳的听力范围是非常广的，显然用声压表达各种不同大小的声音实属不太方 便，同时考虑了人耳对声音强弱反应的对数特性，用对数方法将声压分为几个等级， 称为声压级。通常人们也是用声压级对声音的大小进行衡量的。 声压级的定义是：声压与参考声压之比的常用对数乘以2 0 ，单位是d b ( 分贝) 即： l p f f i 2 0 l o g ( p p o ) ( 2 4 ) 式中：l 卜声压级，单位：d b ： p 声压有效值，单位：p a ； p o _ 基准声压值，即：2 1 0 s p a 。 声压级只反映声音的强度对人耳的响度感觉的影响，而不能反映声音频率对响 度感觉的影响，因为人耳对每个频段的噪声的敏感程度是不同的。对低频段和高频 段内的声音，人耳是不怎么敏感的。但对2 5 0 0 h z - - 4 0 0 0 h z 频段内的声音，人耳是特 别敏感的。所以为了使声级计的“输出 符合人耳的特性，我们通过一套滤波器网 络造成对某些频率成分的衰减，模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，把电信 号修正为与听感近似值的网络，使声压级的水平线修正为相对应的等响曲线。这种 修正网络叫做计权网络，通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声压 级，而是经过听感修正的声压级。计权网络一般有a 、b 、c - - 种。a 计权声级是模 拟人耳对5 5 d b 以下低强度噪声的频率特性，它对噪声低频成分的衰减程度在三个计 权网络中最大，它的特性曲线也最接近于人耳的听感特性，因此目前噪声测量中应 用最广泛的计权网络就是a 计权声级。我们平常生产、生活中用的声级计，大多数 都是a 计权声级，表示为d b ( a ) 。 对带电运行的变压器进行噪声测量时，必须要考虑测量点的安全距离。安全距 离的选取主要依据变压器的电压等级，参照d l 4 0 8 9 l 电业安全工作规程( 发电 l l 华北电力大学硕+ 学位论文 厂和变电所部分) 标准，对带电运行的变压器进行声级测定时的最小安全距离如 表2 一l 所示。 表2 1 声级测定安全距离 最小安全距离m 电压等级删 有遮拦无遮拦 1 0 及以下0 3 5o 7 2 0 一3 50 61 0 6 0 - 1 1 01 5 对于不同容量，不同电压等级的变压器在运行过程中发出噪声的大小，国家也 制定了相关标准进行约束。 表2 2 电力变压器噪声的声压级标准d b 变压器容量电压等级油浸自冷式油浸风冷式干式 ( k v a )( k v )( 强油水冷式)( 强油风冷式) 自冷 5 0 5 0 06 3 54 4 5 4 1 0 0 0 3 1 5 06 6 35 7 - - 6 1 1 0 0 0 0 - 3 1 5 0 03 5 6 36 6 - 7 57 3 7 8 6 3 0 0 - 6 3 0 0 01 1 06 6 - 7 87 6 8 0 6 3 0 0 0 2 4 0 0 0 02 2 08 0 8 58 3 8 7 5 0 2 5 0 0 6 l o5 5 7 l 目前，我们对声音进行测量时，常用的就是声压传感器。声压传感器的输出值 是电压量，在送到计算机处理之前也必须经过电荷放大器进行放大、还原、滤波等 一系列处理。信号经过处理后，声压的大小就可以用以下公式求出： p - - u ( m n ) 式中：p 被测量的声压大小，单位：p a ： u 声压传感器输出电压的大小，单位：m v ： m 声压传感器灵敏度大小，单位：m v p a ； n 电荷放大器的放大倍数。 1 2 ( 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 2 谐波分析 当变压器发生直流偏磁现象时，由于变压器铁心的饱和，在振动、噪声增加的 同时，在变压器二次侧也会有大量谐波产生。所以对谐波的监测，也是本装置的一 项功能。 2 2 1 谐波的含义和性质 国际上公认的谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基 波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，其常常也被称之为高次 谐波。 另外，国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 和国际大电网会议( c i g r e ) q a 的文献对谐波也 有明确的定义，即：谐波分量是周期量的傅里叶级数中大于1 的n 次分量；i e e e 标准 中关于谐波的定义为：谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整 数倍。 谐波产生的根本原因主要是由于非线性负载的大量应用，如变频器、可控整流 器、电弧炉、电力机车等，当正弦基波电压施加于这些非线性负荷时造成电网中电 压、电流波形的畸变，从而产生大量谐波。 从以上关于谐波的定义中，我们可以看到有关谐波的一些性质【1 s ： 1 ) 谐波次数n 必须是一个正整数，不能是非整数。例如，我国的电力系统额定 频率为5 0 h z ，则基波就是5 0 h z ，二次谐波为1 0 0 h z ，三次谐波为1 5 0 h z 。 2 ) 谐波和暂态现象。许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是暂态现象。 暂态过程的实测波形是一个有明显高频分量的畸变波形，这种分量的波形与谐波是 两个完全不同的量，他们的分析方法也是不相同的。这些高频分量只有在电力系统 受到突然的扰动之后才会出现，并且与基波频率没有关