（电力电子与电力传动专业论文）电力变压器振动监测方法研究.pdf

两华大学硕十学位论文 电流不能超过0 ( ) 8 a ，因此负载电流无法继续增大，所以因负载电流引起的变 压器振动较小，且变压器振动强度随负载电流的增加而增人：在负载t l s , i 不h 【= ! l 流均升高的情况下，振动信号的强度也随着增大。变压器空载及负载工作_ j ， 其振动频谱的基频为l o o h z ，并伴随高次谐波( 如2 0 0h z 、3 0 0h z 、4 0 0h z 和i 5 0 0h z 等) ，在1 0 0 0h z 以后频率分量基本衰减至零。 通过试验表明，振动法应用于变压器监测是可行的，刘其进行充分的研究 将有良好的应用前景。 关键字：变压器振动监测i a b w in d o w s c v i i 西华大学硕士学位论文 t h em e t h o dr e s e a r c ho fp o w e rt r a n s f o r m e r v i b r a t i o n - m o n i t o r i n g p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e r p o s t g r a d u a t ew a n g q i t a g l o n g t e a c h e r z h a t a g b i d e p o w e rt 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 ，w h i c hc a n t r a n s f o r mv o l t a g ef r o mo n eg r a d et oo t h e rg r a d e d i f f e r e n te l e c t r i cn e t w o r k sa r e c o n n e c t e dt o g e t h e rb yp o w e rt r a n s f o r m e lt h ec o m p l e xe l e c t r i cn e t w o r ko rl a r g e e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sm a d eu po f t h ep o w e rs y s t e md e v e l o p i n gt o w a r d se x t r a h i g hp r e s s u r e 、l a r g ee l e c t r i cn e t w o r k 、l a r g ec a p a c i t y 、a u t o m a t i cd i r e c t i o n ，i ti s i m p o r t a n tt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rt r a n s f o r m e r s op e o p l es t a r tt op a y a t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fs t a t e m o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r d u et o t r a d i t i o n a lm e t h o d sj o i ni n t ot h ep o w e rs y s t e m ，e x i s t i n gf a t a l n e s s an e wm o n i t o r i n g m e t h o da t t r a c t sp e o p l ea t t e n t i o n ，w h i c hi st h em e t h o do fp o w e rt r a n s f o r m e r v i b r a t i o n m o n i t o r i n g ，t h r o u g hv i b r a t i o na c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e rw h i c hs t i c k i n go n p o w e rt r a n s f o r m e rp i c k i n gu pt h ev i b r a t i o ns i g n a l ，t h em o n i t o r i n gm e t h o dh a sr i o e l e c t r i cc o n n e c t i o n t h ep r i m a r yw o r ki sa sf o l l o w si nt h ep a p e r ： ( 1 ) d e v e l o pt h ev i b r a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mo ft r a n s f o r m e r b ed e a da g a i n s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft r a n s f o r m e r ，c h o o s e v i b r a t i o na c c e l e r a t i o nt r a n s d u c e r 、c h a r g e a m p l i f i e ra n dt h ed a t ap i c k u pe q u i p m e n t ， a l s os o m et e c h n i q u e so fa n t i i n t e r f e r e n c ea r ea d o p t e d d e v e l o pt h es o f t w a r eo f v i b r a t i o n m o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e rb a s eo nl a b w i n d o w s c vv i r t u a li n s t r u m e n t t h es o f t w a r ec o n s i s t s o f d a t ap i c k u pm o d u l e 、s i g n a la n a l y s i s m o d u l e 、d i s p l a y l i 阳华大学硕士学位论文 m o d u l e 、t h et i m ed o m a i ne i g e n v a l u em e a s u r e dm o d u l e 、d a t as a v e dm o d u l ea n df a u l t d i a g n o s i sm o d u l e ( 2 ) at e s t i n gt r a n s f o r m e ri sc h o s et ob et h er e s e a r c ho b j e c t ，r e s e a r c hi t sv i b r a t i o n s t a t eu n d e rn o l o a da n dl o a d 1 n d i c a t et h a t t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h et r a n s f o r m e rw o r k i n gu n d e rn o l o a dc o n d i t i o n ，a l o n g w i t ht h en o l o a dv o l t a g ei n c r e a s i n g ，t h ei n t e n s i t yo ft h ev i b r a t i o ni ss t r o n g e r t h e t r a n s f o r m e rw o r k i n gu n d e rl o a dc o n d i t i o n ，w h e nt h es e c o n d s i d ev o l t a g ei sl i t t l e ， u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h el o a dc u r r e n ti n c r e a s i n g ，d u et ot h el i m i to ft h ee q u i p m e n t ， t h em a xl o a dc u r r e n ti s0 0 8 a ，s ot h ev i b r a t i o nc r e a t e db yl o a dc u r r e n ti s l i t t l e ，t h e i n t e n s i t yo ft h ev i b r a t i o ni ss t r o n g e rg ow i t ht h el o a dc u r r e n ti n c r e a s i n g u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h el o a dc u r r e n ta n dv o l t a g ei n c r e a s i n g ，t h ei n t e n s i t yo ft h ev i b r a t i o ni s s t r o n g e rt o o w h e nt h e t r a n s f o r m e rw o r k i n gu n d e rl o a dc o n d i t i o n ，t h eb a s e f r e q u e n c yo ft h ev i b r a t i o ns i g n a li s1 0 0 h z ，a n dc o n t a i n so t h e rt h eh i g hh a r m o n i c w a v e s ( 2 0 0 h z 、3 0 0 h za n d4 0 0 h z ，e t c ) ，a r o u n d1 0 0 0 h z ，f r e q u e n c yc o m p o n e n t sa r e n e a rz e r o ， b yu s i n gt h em o n i t o r i n gs y s t e m ，i tc a ni n d i c a t et h a t t h i sm e t h o di sf e a s i b l et o m o n i t o r i n gc o n d i t i o no ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r , i th a sw e l ld e v e l o ps p a c et or e s e a r c h k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rv i b r a t i o n m o n i t o r i n gl a b w i n d o w s c v l v 西华大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 电气设备：状态监测与故障诊断技术发展概沦 1 1 1 设备状态监测与故障诊断技术 设备状态监测与故障渗断技术的实质是了解和掌握设备在运行过程中的状 态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度 等进行识别，预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。具体过程分为 状态监测、分析诊断和治理预防三个基本环节( 如图l 1 ) 。 1 二：二蔓三呈二二一 传感器 信号采集、数据盟不 、，状态：i ；i 测 j 分析诊断 治理预防 f i g1 - 1t h r e ep a r e s e so f s t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s 图1 一i 状态监测与故障诊断的三个阶段 ( 1 ) 状态监测 状态监测是在设备运行当中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、 分析处理并显示、记录，是对设备进行故障诊断的基础工作。监测的信号主要 是部件在运行中的各种信息( 振动、转速、温度、压力、流量等) ，通过传感器 p q 华大学硕十学位沦卫 把这些信息转换为电i一或其他物理信号，送入信号处理系统中进行处理，以 便得到能反映设备运i 、态的特征参数，从而实现对设备运行状态的监测和下 一步诊断工作。 ( 2 ) 分析诊断 分析诊断实际包 方面的内容：信号分析与处理、故障诊断。 由传感器或人的：所获得的信息往往特征不明显、不直观，很难直接进 行故障诊断。信号分r ，哩的目的是把获得的信息通过一定的方法进行变换处 理，从不同的角度捉，：直观、最敏感、最有用的特征信息。故障渗断是在状 态监测和信号处理的 l 进行的。如果存在故障，要诊断故障的性质和程度、 产生原囚或发生部位 顶测没备的性能和故障发展趋势。 ( 3 ) 治理预防 治理预防措施是，忻渗断出设备存在异常状态，即存在故障时，就其原 因、部位和危险程度j ，研究并采取治理措施和预防办法。通常包括调整、更 换、捡修、改善等方 作。根据发备故障情况，治理预防措施有巡回监测、 监护运行、立即停机等。 电气殴备诊断技 体经历以下三个阶段“1 ： ( 1 ) 停电实验阶。 这阶段起始 ：2 0j5 0 年代初期，采用常规的预防性试验方法测量绝缘 电阻、泄露电流并进，流耐压试验。 ( 2 ) 带电测量阶， 这阶段起始丁j 纪7 0 年代左右，当叫人们只是为了不停电而剥电气 设备的某些绝缘参数j 、ti j ：直接测量。其项目主要是测量设备泄露电流和介质损 耗冈数。显然测量项! ! ，应用范围小，因而没有得到普及和广泛的应用。 ( 3 ) 在线监测阶l ： 这一阶段起始丁二_ 吐纪9 0 年代，随着科学技术的发展，在线监测诊断技 术在借鉴国外诊断技小1 基础上，对局部放电、渗断监测等方面进行了不少研 究。随着先进的传感! 术、计算机技术和数字波形采集与处理等高新技术的 应用，在线监测技术- 0 l j j 更高阶段发展，即构成智能化在线监测与诊断系统， 并可纳入整个电网的17 卜0 化系统。 2 两华大学硕十学位论义 设备状态监测与占史障诊断有区别又有联系，在生产过程中，有时又将二 者统称为发备故障珍断。实际上，没有监测就没有诊断，诊断是目的，监测是 乎段；监测是诊断的基础和前提，诊断是监测的最终结果。 状态监测通常是通过监视和测量设备或部件运行状态信息和特征参数，并 以此来判断其状态是否正常。发备故障诊断不仅要检查出设备是否正常，还要 对设备发生故障的部位、产生的原因、故障的性质和程度给出深入的分析和判 断，即要做出精密珍断。这就不仅仅要求对状态监测和故障诊断理沦有比较系 统的了解，更重要的是对发备本身的结构、特征、动态过程、故障机理以及故 障发生后的后续事件( 包括维修和管理) 有比较清楚的了解。从这一角度来看， 故障诊断技术与状态监测系统有比较火的区别，有着卜分不同的专业倾向。 1 1 ，2 国内外设备状态监测与故障诊断技术的发展概况 美国是最早j ：l ：展设备状态监测与故障诊断工作的国家之一。1 9 6 7 年4 月， 美国召开了美国机械故障预防小组( m f p g ) 成立大会。会议的中心议题是：组织 问题和明确课题的含义，有组织地开发监测与渗断技术。除m f p g 外，美国机械 工程师学会( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器检测l l 心( n b b i ) 在应用声发射技术 ( a f ) 对静设备故障诊断力面也取得了重要成果。其他还有j o h n sm l c h e l 公司 的超低温水泵和空压机监测技术，s p ir e 公司在军用机械轴与轴承方面的诊断 技术等在国际都处 ：领导地位。英国以r a c 0 1 a c o t t 为首的机器保健中心于 2 0 【 ! = 纪6 0 年代末7 0 年代初开始研究状态监测与故障诊断技术。1 9 8 2 年曼彻斯 特大学成立了沃福森工业维修公司( w l m u ) ，主要从事状态监测和故障诊断的研 究工作和教育培训工作，除此之外，在核电站、钢铁等行业也成立了相应的组 织，丌展这方面的研究工作。设备状态监测与故障诊断技术在欧洲其他国家的 广泛虽然不如英美，但都在某一力面具有特色或l b 有领导地位，如瑞典s p m 仪 器公司的轴承监测技术，月+ 麦b & k 公司的传感器制造技术等。 我国刘设备状态监测与故障诊断技术的认识和发展也经历了与国外阳样的 过程，2 0 世纪7 0 年代采用带电测试，8 【) 年代开始实现了数字化测量，9 0 年 代开始采用多功能微机在线监测。1 9 7 9 年以前，一些大专院校和科研单位结合 西华大学硕+ 学位论文 教学和有关没备渗惭技术的研究课魃，逐渐丌始进行机械设备状态监测与故障 诊断技术的理沦研究耵| ，j 、范围的工程实际应用研究。设备状态监测与故障诊断 技术从初步认识进入到初步实践阶段，以学习英、美等国的先进技术和经验为 主，刘一些故障机理、渗断方法及简易监测诊断仪器进行研究和研制。同时利 用一些国外监测诊断设备，在进行研究的同时直接应用于实际生产，取得了一 些成就，为加快我国的设备监测与故障诊断技术开发研究工作争取了时问。9 ( ) 年代初，电力部门和各高等院校将研制的各种在线监测装嗣陆续投入大中型发 i 也站和变电站，对变压器及高压设备的在线监测起到一定作用，积累了许多实 际经验。西安交通人学已研制出全自动在线监测与专家诊断相结合的综合专家 系统。 1 2 变压器状态监测与故障诊断 1 2 1 变压器状态监测意义 电力变压器是一种常见的电气没备，它能够把一种等级的电压转变成另外 一种等级的电压。利用它可以把不同电压的电网联结在一起，组成复杂的电网 或庞大的电力系统。随着我国电力工业的迅速发展，电网规模不断扩火，电力 变压器的单机容量和安装容量随之不断增加，电压等级也在不断地提高，例如 在5 0 0 k v 电压等级下的变压器单台容量已达1 5 0 0 m v a 。在电力系统向超高压、 人也网、人容量、自动化方向发展的同时提高电力没备特别是电力系统中最 重要、最昂贵的人型电力变压器的运行可靠性也显得见为重要。l 乜力变压器一 旦发生事故，将引起电网故障，甚至导致系统崩溃和瓦解，其危害极人。如1 9 9 6 年美国西部电网( w s c c ；i 相继发生了两次大面积停电事故，又如，1 9 9 3 年内蒙占 丰镇发电厂发生一起2 2 0 k v 、2 4 0 m v a 主变压器内部短路着火的重大设备损坏事 故，直接经济损失近百万元”1 。可见在实现现代化生产的同时，预防和减少变 压器运行事故对电力工业来讲具有重要意义。 目前，电力部门除规定定期对电力变压器停电进行预防性试验外，在预防 性试验周期内如果出现异常征兆还必须进行离线检测，这在防止变压器重大事 4 西华大学硕l 学位论文 故的发生，保证安全可靠地供电方面起到了积极的作刚。但长期的工作经验也 发现了预防性试验所存在的局限性： ( 1 ) 从经济角度看，定j 叽的试验和人修均需停电，不汉造成了 乜能的巨人 浪费，同叫也给电力汨度增加了困难。另外，由r 预防性维修无法预知有缺陷 部件是否危及变压器的安全运行，因此，不得不进行大修和更换部件，丽实际 上可能完全不必要作任何维修而仍能长刚问运行，这种投资是非常不经济的。 ( 2 ) 从技术角度分析，预防性试验也有以下不足：试验条件不同于变压器 的实际运行条件，在较低的试验电压下测试出来的参量同变压器运行电压下的 参量可能相差很人，这样就难以发现绝缘潜在的缺陷和故障。绝缘的劣化、缺 陷的发展虽然具有统训特性，发展的速度有快有慢，但总有一定的潜伏期和发 展时间。预防性试验是定期进行的，不能及时准确地发现故障，往往在预防性 试验周期内时有故障发生。 因此，从以停电进行常规的预防性试验为基础的预防性维修逐步过渡到以 在线监测为基础的状态维修，己成为电力系统的必然发展趋势，而能否对电力 变压器的运行状态进行在线监测及故障诊断则是实现状态维修的关键。随着传 感技术和i l i 予及h 算机技术的高速发展，剥电力变压器实施振动在线监测已成 为可能。据有关资料表明= 1 ，对电力变压器等没备运行状态实施在线监测及故 障渗断技术，可使每年的维修费用减少2 5 5 0 ，故障停电时问减少7 5 。因此， 剥电力变压器等设备采用在线监测和故障诊断技术可促进状态维修的有效实 施，收到巨大的经济效益。研究开发对电力变压器等设备的监测技术可以有效 地了解设备的运行状况，及时发现设备的潜伏性故障，避免突发事故的发生， 这不仅对电力工业的科技进步有重要的科学价值，而且对提高电力系统运行的 可靠性和科学管理水平也具有1 分重要的意义。 近年来，随着人型变压器制造水平的不断提高，变压器的可靠性也越来越 高，嗣时对电网运行单位的生产效率和经济效益的要求也不断提高，鉴于传统 的定期维修制度及离线试验所暴露出来的问题，人们开始关注变压器状态监测 的研究和应用。随着电力系统自动化水平的提高，越来越多的变电站引入了变 压器在线船测装置。目前在线监测项目主要包括绝缘油中气体在线监测、局部 放p b 在线监测、介质损坏因数在线监测等。这些在线数据可以及时反映变压器 p 华大学硕十学位论义 绝缘的变化，对 。及早发现故障，防止故障进一步扩大有很大帮助。将在线数 据引入到变压器的故障诊断中，可以极大地提高渗断的实时性和准确性。由于 传统的监测方法与电力系统有电气连接，操作存在危险性。一种新的监测方法 破人们所重视，即变压器振动监测法，通过粘在器身上的振动加速度传感器获 得变压器的振动信弓，一种完全无r 乜气连接的方式在线监测的方法。 1 2 2 变压器在线监测的特点 变压器在线监测系统有两种形式：集中式和分散式。集中式可对所有被测 设备定时或巡回自动监测；分散式是利用专门的测试仪器测取信号就地测量。 日f i ，集中式在线监测尚存在一定的不足。例如，测量结果重复性较差，传感 器信号失真，监测系统管理和综合判断能力不够等。但主要应属产品结构设计 和质量力面的问题。尽管如此，维护变压器最佳运行途径仍是综合性变压器在 线监测。 变压器在线监测的先决条件是与汁算机联网。利用1 t 技术通过标准化软件 得到变压器状态信息。通过系统分析、计算测得到的数据，并结合专家系统做 综合智能诊断，在线监测的技术优越性主要体现在它自身具有自检功能和专家 系统结合后具有综合判断故障的能力。 变压器在线监测的主要特点是通过连续监测变压器一段时间内参数的变化 趋势来判断变压器运行状况。在线监测捕捉到非瞬间故障的先兆信息。它的最 突出特点是可以在运行叶j 实时监测，这是在线监测最大优势所在。尽管根据在 线豁测捕捉到的动态信息对变压器内部的突发性战障进行预测存在很大的局限 性，但它却是现代化状态维护的必须手段。它对丁制定、部署下一步的检修计 划和力案具有1 分重要的现实指导意思。在线监测所用的监测仪( 传感器等) 可 靠性高，安装在变压器上不需要人去维护，具有很高的自检功能。因此，排除 了常规检验方法中由人为造成的各利，误差和不准确性。 变压器在线监测的对象应是有问题或怀疑有问题的变压器。在线监测费用 不因该超过变压器的事故的损失费用。国外经验认为，变电站在线监测的安装 成本与安装的变压器台数成反比。即变电站网络越大，在线监测的成本则越低。 6 l 塑望奎堂婴主兰垡丝壅 美囡和瑞士的变压器在线监测实践汪明，分接开关和发电机升压变压器的监测 成本是一台新变压器成本的6 左右。在线监测预防变压器失效并拖延失效叫问 f j i $ ，来的经济效益国外称为i i x t , * 口h - 性效益。德国根据在线监测的应用进行了估玑 及早预防变压器故障可使维护成本降低7 5 ，税收降低6 3 ，每年节约的费用相 当丁一台新变压器价格的2 。巴西学者在2 0 0 2 年第3 9 界国际电网会议变压器 组的报告中提出，可以根据在线监测变压器的失效概率来 i 算在线监测的效益， 其洲算公式如下1 。： p = f ( r o 。d 。) 式l jp 在线监测变压器失效的总概率 每个部件的失效率 d 。每个部件的监测率 为了计算在线监测的经济效益，还必须用失效总概率乘以失效成本。即按 以下公式计算： 在线监测的经济= 阻失效成本 进行在线监测的经济效益分析时，还需要引用以下假定： 假定在线监测装省! ( 或系统) 的预期寿命为1 0 年，那么1 0 年寿命期划产生 的经济效益是： 在线监测经济效益( 1 0 年) = p 失效成本 1 0 年= 5 8 蚺新变压器费用年 根据以上汁算可以得出，在1 0 年内，变压器在线监测所创造的经济效益为 新变压器一年费用的5 8 。 1 3 变压器监测、诊断的主要方法 1 3 1 低压脉冲l v i ( l o wv o | l a g el m p u i s e ) 法 1 9 6 6 年，波兰的i , e c h 和i y m in s k i 提出了低压脉冲( l v i ) 法，来确定变压器 是否通过了短路实验。l v l 法就是将一比较稳定的低压脉冲电压信号施加予被 试变压器的一端，同时记录该端和其它端上的电压波形，响应信号在变压器绕 组变形前后的变化反映出绕组变形的信息。 7 i “i 华大学硕十学位论文 这种方法的土要用途是确定变压器是否通过短路实验，现在已经被列入 1f ( 和fe e e 电力变压器短路实验导则和测试标准。近年来，由丁数字测量技术、 汁算机技术的人舰模使用，此种方法得到广泛的应用。俄罗斯、荷兰等国在这 力丽都怍了很多有益的工作。 低压脉冲分析法克服了阻抗分析法的缺点，但现场应用时，抗干扰能力差、 重复性不好，双屏蔽电缆和接地线排列方式、周围物体等，均剥测试结果有影 n 向。但此法灵敏度较高，能测出绕组2 3 m m 的弯曲变形。 1 3 2 频率响应分析法( fr e a u e n c yr e s p o n s ea n n l y s is ) ，简称f r a 法 变压器绕组相当丁一个由线性电阻、电感和电容等组成的无源线性网络， 而根据网络理论，对于线性网络，其特性在频率域用传递函数h ( j w ) 描述。当 变压器绕组发生故障时，其相应的参数变发生变化，h ( j w ) 也随着发生变化，这 样通过比较两次测量的h ( j w ) ，便可判断出变压器绕组的工作状态。根据此理 沦，】9 7 8 年，加拿人的f p d j ( ：k 和c c e f v e n 提出了频率响应分析法。 频率响应分忻法与1 v l 法类似，它是将一稳定的正弦电压扫拙信号施加到 被试变压器的一端，刚叫记录该端和其它端点上的电压幅值及相角，从而得到 被试变压器绕组的一组频响特性，则该频响特性在变压器绕组变形前后的变化 反映出绕组变形的信息。 频率响应分析法较低压脉冲分析法具有抗干扰能力强，测量重复性好的特 点。此法较低压脉冲分析法具有更高的灵敏度，能检测出相当于短路阻抗变化 0 2 的绕组变形或轴向尺寸变化0 3 的绕组变形”“。但是该法需要大量的历史 数据，刘_ r 目前变压器历史数据缺乏的情况下，这种方法的推广也卜分困难。 1 3 3 变压器油中溶解气体的气象色谱分析法( d 6 a ) 气相色谱法判断故障的常用方法是三比值法判断。三比值法是用五利特征 气伴( h 2 、c i t 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 和c 2 h 2 ) 组成以不同的编码表示的三刘。比值，它列 出对于不同的比值范围，三对比值以不同的编码表示，并将这些编码组合分析， 两华大学硕十学位沧文 【； f 可对故障按程度分类而做出判断。当根据各纽分含量的注意值或产气速率注 意值判断可能存在故障时，用该法判断故障类型。此种方法的实验精度虽然很 高，但兀法剥实验结采做出解释，无法快速预测变压器是否异常以及出现了何 种类型故障。近年来兴起的人工神经网络理沦为解决该问题提供了一个新途径。 在国外，将神经网络技术用于电力系统安全监察已得到了广泛的应用，应用神 经网络进行电力系统的警报处理和故障诊断取得了很好的效果。 1 3 4 智能诊断方法 目前，智能渗断力+ 法基本上是在变压器汕中溶解气体的分析的基础上开展 起来的，主要包括以下三种方法： ( 1 ) 人工神经网络故障渗断法 基丁人工神经网络的变压器故障诊断系统的工作过程由两个阶段组成： 学习期：在学习过程中，气体分析数据及其它各利测试数据来源于变压器历史 数据的汁算后的结果，接着数据集被读入网络，通过反向传播学习计算法，计 算权值和阀值。工作期：在诊断过程中，讨算来自不同变压器的测试样小， 得到网络的实际输出，最后将这些值与所期望的输出值进行比较。采用模块化 结构，各模块样本训练是独立进行的。人工神经网络主模块根据各分模块分析 结果进行横向和纵向的、历史和现行的综合分析判断；并由前向通道传播至主 模块各节点，经激活函数作用后，传送到输出层各节点，再经输出点的作用函 数，输出诊断结沦。 ( 2 ) 灰色关联法 变压器战障的灰色诊断是应用灰色系统理沦对故障的征兆模式和故障模式 进行识别的技术。狄色理沦认为：未知的、非确知的信息是黑色的；己知信息 称为白色的：即含有未知信息又含有已知信息的系统，称为灰色系统。巾此可 见：变压器故障诊断系统是灰色系统。该方法剥丁一些较难判断的故障如受潮 等有较好的准确性。 ( 3 ) 专家系统故障诊断法 变压器故障诊断专家系统是将在变压器故障渗断方面的多位专家所具有的 知识、经验、推理、技能综合后编制成大型计算机程序，着重围绕气体色谱分 9 酣华大学硕十学位论文 柝，采用三比值法和特征气体刘变压器运行状况进行初步分析，判断变压器的 故障。专家系统利用训算机系统帮助人们分析解决只能罔语言描述、思维推理 的复杂问题。现场技术人员可以利用各种信息和征兆，在计算机系统的帮助下 有效的解决工程实际问题。 1 4 变压器振动嗌测国内外发展概况 振动法是通过分析变压器器身振动信号来珍断变压器潜伏故障的一种力 法，其优点是能够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， 以一种安全无干扰和可靠的方式在线监测，可以极大地提高诊断的实时性和准 确性。 振动法应用丁变压器的监测最初主要是一些离线的手段，有以下两种”： ( 1 ) 在i 乜力变压器绕组出口端施加一机械的冲击。由于铁心中残留有磁通， 这叫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，通过此电动势的人小可以判断绕组的压紧状况。 ( 2 ) 刘变压器绕组施加一电动力冲击。在这一脉冲衰减的过程。h 已录下 振动的绕组两端感应电动势的人小及变化，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 的臼振频率范围很宽，剥不同火小、容量的变压器判断绕组压紧状况的标准不 同；如果残留磁通很小。结果将会变得不准确、不稳定；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。 直到上个世纪九t 年代中后期，研究人员才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。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，有些国家将振动法应用于电力变压器的在线监测，通过对变压器 器身的振动监测来达到反映变压器工作状况的目的。美国、俄罗斯及加拿大等 国最先将振动法用丁电力变压器的振动测试，并进行了大量的研究，其研制的 监测产品，不仅具有完善的监测功能，且具有较强的诊断功能，在宇航、军事、 1 0 两华大学硕二r ? 沦文 化工等力面只有，。泛的应用。1 9 9 8 年，俘 的“振动。卜心”研制出一刊带电监测变 l i 推广使用。 国内列丁变压器振动在线监测方面的 学、西安交通大学等在从事此方面的研罗i 况优点明显，对其进行充分的研究将有良 1 5 课题的提山及所要完成的任务 测量信号和动态数据的处理与分析f 1 2 的前提和基础。变压器在运行过程中的扼 工作状况。通过对变压器器身振动信号舒。 态进行监测和故障诊断。 振动监测系统生要用丁分析振动系缪 琏n 盛拟仪器丌发环境的躲测系统是近q 统的分析和汁算能力，具有成奉低、性价 本课题内容为变压器振动监测方法石j ： 统对变压器在空载和负载时的振动特性作 个部分。硬件部分主要由振动加速度传感 软件部分为应用t , a b w in d o w s c v i 虚拟仪+ 实现振动信号采集、信号实时显示、信号 据储存等功能。 殴立在彼尔姆市( 原莫洛托夫市) 身振动的频谱分析号家系统，现 ：铰少，仅清华大学、上海交通大 ! 用振动法监测电力变压器工作状 j 应用前景。 系统的状态和特征，是故障诊断 ：其特征信息可有效反映变压器的 ：、记录和分析，可对变压器的状 i 号特征，为故障诊断提供依据。 j 一个新的发展力向，它扩展了系 、使用简单和功能易扩展等特点。 开发振动监测系统，并利用该系 j 研究。监测系统分硬件和软件两 电荷放大器、数据采集卡等组成。 涅环境丌发变压器振动监测软件， j 分析、时域特征量自动测量和数 西华大学硕士学位论文 第二章电力变压器振动监测原理 2 1 变压器的工作原理“3 变压器振动与绕组和铁心的工作状况有密切的联系，研究变压器稳态运行 时的绕组及铁心的振动特性极其振动原因，为振动法用于变压器在线监测提供 理论依据。 变压器的工作原理如图2 一l 所示。习惯上，把变压器接电源的一侧叫做一 次侧，一次侧的绕组叫做一次绕组；接变压器接负载的一侧叫做二次侧，二次 侧的绕组叫做二次绕组。 r ：一一_ 9 - 一 k i 二 l1 ： 上 ， ( i 土 ：1 11 2 下 il i上 - _ _ _ - _ _ 一 o (十 _ l 二。一l f i 9 2 1t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t r a n s f o r m e r 图2 - 1 变压器工作原理图 ( 1 ) 变压器二次侧开路工作原理 假设在一次侧施加的交流电压为【7 ，流过的电流为t ，则在铁心中会有交 变的磁通一产生，使这两个绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通 穿过这两个绕组就会感应电动势，其大小与磁通所匝链的绕组数以及主磁通的 最大值成正比，即 e = 4 4 4 剑争。 t 2 - 1 、 其中左为感应电动势( v ) ，为频率( h z ) ，n 为绕组匝数，丸为主磁通最大 值。由于一、二次绕组由同一磁通茹交链，所以 最= 4 4 4 f n l 九 ( 2 - 2 ) 1 2 西华大学硕士学位论文 e 2 = 4 4 4 j c ? v 2 丸 ( 2 3 ) 由以上两式可以求出鲁= 瓮= 世，由于一次绕组的漏抗和电阻都比较小， 故可以忽略由它们引起的电压降，即d z 宣；而二次侧是开路的，j ：= 0 ，则 己7 ，= 或。所以， 孥：堕：k( 2 4 ) u 2e 2n 2 式中c 7 。，玩分别为一、二次侧绕组的端电压；k 为变压器的电压比。由式( 2 4 ) 可以看出，绕组匝数多的一侧，电压高；绕组匝数少的一侧，电压低。变压器 空载时，一、二次绕组的匝数成正比，起到了变换电压的作用。 ( 2 ) 变压器二次侧接入负载工作原理 在二次侧接入负载后，在电动势应：的作用下，将有二次电流，：通过，该电 流产生的磁动势户0 ：) 也将作用在同一铁心上，起到反向去磁的作用。但因 主磁通九决定于电源电压d 。而口。基本不变，所以主磁通九也基本不变，故 一次绕组电流五必将自动增加一个分量产生磁动势丘，以抵消二次绕组电流j ： 产生的磁动势丘。在一、二次绕组电流丘、，：的作用下，不计空载电流厶，则 作用在铁心上的总磁动势为 丘+ 宜= 0 或 髓+ 厶：= 0 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可知，五和，：同向，所以 ：堕：上( 2 - 6 ) 2n i k 从式( 2 6 ) 中可看出，一、二次电流比和电压比正好相反，互为倒数。 由上述可知，变压器一、二次绕组功率基本上不变( 不计损耗) ，二次绕组 电流，：的大小决定于负载的需要，一次绕组电流j 。的大小也是取决负载的需 西华大学硕士学位论文 要，变压器起到功率传送的作用。即二次绕组的电流j ，所建立的磁通为南，炽 对一次绕组电流j ，产生的磁通五而言是去磁的，五与五的相位相反，因此， 在负载状态下，铁心中磁通是由氟与屯合成的。 前面已述，玩* e = 4 4 4 f n 。丸，其中频率厂和一次绕组匝数。为常数， 而在负载状态下和空载状态下的电源电压基本保持不变，故磁通九也基本保 持不变，如此有破一以= 。这便是变压器的磁通平衡方程式。 2 2 变压器的结构与分类“3 1 ( 1 ) 变压器的结构 中小型变压器的基本结构部分如图2 - 2 。 厂器身r 铁心 卜绕组 卜绝缘 l 引线 卜一调压装置：无励磁开关、有载分接开关 变压器+ 油箱及冷却装置 卜保护装置 包括储油柜、压力释放阀、吸湿器、气体 继电器、净油器、油位计及测温装置等 卜出线套管 l 变压器油 f i 醇一2t h eb a s es 扛u c t u r eo fm e d i u ma n ds m a l l - s i z e dt l - d 1 s f o i t i l e r 图2 - 2 中小型变压器的基本结构图 铁心 它是变压器电磁感应的磁通路，变压器的一、二次绕组都绕在铁心上，铁 心是用导磁性很好的硅钢片叠装组成的闭合磁。为了减小涡流，铁心一般采用 1 4 两华大学硕：| 学位论文 含硅1 4 5 ，厚度为0 2 3 0 3 5 m m 的硅钢片叠装而成。 绕组 它是变压器的电路部分。变压器分高、低压绕组，即一次、二次绕组。它 是由绝缘铜线或铝线绕成的多层线圈套装在铁心上。导线外边的绝缘一般采用 纸绝缘。 油箱 它是变压器的外壳，内装铁心、绕组和变压器油，同时起一定的散热作用。 变压器组件 人型电力变压器的组件主要包括：储油柜、吸湿器、散热器、安全。t 道、 分界开关、气体继电器和高、低压绝缘套管等。 ( 2 ) 变压器的分类 变压器是利用互感原理来改变同频率交流电压高低的一种电气没备。它在 电力系统输配电中占有很重要的地位，且极为广泛地应用于国民经济的各个领 域。 按变压器的用途分类： 电力变压器：在电力系统中用来传送和分配电能，是所有变压器中用途 最广的一种。 升压变压器：用于将低电压变为高电压，作远距离输送； 将压变压器：用于将高电压变为低电压，以适应电力网的要求； 配电变压器：儿低压侧电压为4 0 0 v ( 单相为2 3 0 v ) 的变压器称为配 电变压器，一般高压侧电压6 1 0 k v ( 电站也有3 k v ) ； 厂用或所用变压器：用于发电厂或变电站所自用变压器，也可指厂 矿企业专用变压器： 仪用变压器：如电流互感器、电压互感器，用于仪表测量和控制线路中， 起到测量和保护作用。 试验变压器：其特点是二次侧电压很高，有的试验变压器最高可达1 0 ( ) 万伏及以上，而电流很小，l 至几安，主要用来做电气设 备和绝缘材料的工频耐压试验用。 整流变压器：它是整流、发备的电源变压器，工业企业广泛采用直流电源， 诬华大学硕十学位论文 如电解、蓄电池、机车、直流输电等。一次侧输入交流电， 二次侧输出交流电，在二次绕组中的工作电流是不舰则的 非f 弦波形，并存在直流电流分量。 凋压变压器：凋压变压器分为白耦式调压变压器、感应式凋压变压器和 移圈式凋压器等。 变压器按容量分： 中小型变压器：电压在3 5 v 及以下，容量在5 6 3 0 0 k v a 称为中小型变 压器。其中5 5 0 0 k v a 称为小型变压器，6 3 0 6 3 0 0 k v a 称为中型变压器。 人型变压器：电压在1lo k v 以下，容量周围8 0 0 0 6 3 0 0 0 k v a 的变压器。 特火型变压器：电压在2 2 0 v 及以上，容量为3 15 0 k v a 及以上的变压器。 按变压器的相数来分：可分为单相变压器和三相变压器。 2 3 电力变压器故障。6 ( 1 ) 变压器故障的原因 电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，它一旦发生事故，则所需 的修复时间较长，造成的影响也比较严重。随着我国电力工业的迅速发展，电 网舰模不断扩大，电力变压器的单机容量和安装容量随之不断增加，电压等级 也在不断地提高。一般而言，容量越大，电压等级越高，变压器故障造成的损 失也就越大。近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术 的提高，运行可靠率有所提高，但仍会发生料想不到的事故。 造成变压器故障的原因主要可以分为如下几种： 选用材料或安装不当 包括绝缘等级选择错误，电压分接头选择不当以及保护继电器、断路器不 完善等。 制造质量不好 由于选取的制造材料( 导电材料、磁性材料、绝缘材料等) 不好，或是设计 的结构不合理，工艺水平不高，造成变压器发生故障。 j m 华大学硕十学位论文 运行、维护不当 由丁操作不当或其他故障造成变压器过负荷，或者检修维护时造成连接松 动，甚至使异物进入变压器，都会使变压器发生故障。 异常电压 主要是雷电过电压和内部过电压。过电压的作用时问虽然很短，但是过电 压的数值却大大超过了变压器的正常工作电压，因而容易造成变压器绝缘损坏， 导致变压器不能j 下常： 作。 绝缘老化 这一方面是由丁绝缘材料的自然老化而造成的；另一方面，当变压器过负 荷运行或内部出现某些异常( 如局部放电、局部过热等) 时，将会加速变压器绝 缘材料的老化，从而引发故障。 ( 2 ) 变压器故障分类 变压器敝障的种类是多种多样的，按照故障发生的部位，可以人致将变压 器敝障分为以下几类： 变压器的内部故障 绕组故障：包括绝缘击