魏剛　丁偉健

【摘 要】現(xiàn)階段對變壓器故障診斷的方法均屬于離線檢測法，檢測時需變壓器退出運行，不夠經(jīng)濟方便。而振動法是一種用傳感器采集油箱表面振動信號，再進一步用相關系統(tǒng)分析此信號以預測鐵芯繞組故障的方法。本裝置是一種基于振動法的變壓器在線監(jiān)測裝置，包括加速度傳感器、信號調(diào)理模塊、CPU和采集模塊、通信模塊和電源五個部分。

【關鍵詞】變壓器故障；振動信號；在線監(jiān)測

【Abstract】At present， the methods of transformer fault diagnosis belong to off-line detection method， and it is not economical and convenient for the transformer to withdraw from operation. The vibration method is a sensor with the tank surface vibration signal acquisition， and then further analysis of the signal with the relevant system to predict the core winding fault method. The device is an on-line transformer monitoring device based on the vibration method. The device comprises an acceleration sensor， a signal conditioning module， a CPU and an acquisition module， a communication module and a power supply.

【Key words】Transformer fault； Vibration signal； On-line monitoring

0 引言

在電力變壓器的各種故障中，絕大多數(shù)變壓器故障來源于變壓器的繞組和鐵芯發(fā)生的變形或松動。因此研究開發(fā)基于振動法的變壓器在線監(jiān)測裝置能有效地了解設備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設備的潛伏性故障，避免突發(fā)事故的發(fā)生。

1 監(jiān)測原理

在變壓器運行中，壓緊力的變化、溫度的升高、絕緣層的損傷都能通過鐵芯振動加速度值的變化反映出來。

2 裝置介紹

2.1 裝置結(jié)構

本裝置主要由加速度傳感器、信號調(diào)理模塊、CPU和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通信模塊和電源五個部分組成。硬件結(jié)構圖如圖1所示：

2.2 裝置各模塊

2.2.1 MEMS加速度傳感器

本裝置采用了MS9002D加速度芯片，該芯片的主要技術指標為：靈敏度1000mV/g，帶寬≥100Hz，量程±2g，噪聲密度18μv，工作電壓5V，工作電流0.4mA，輸出阻抗50kΩ，提供模擬電壓信號輸出。

2.2.2 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理電路包括兩級放大和有源濾波電路。第一級放大采用了高共模抑制比、高輸入阻抗、高精度、高速、低漂移、極低噪聲的運算放大器，可實現(xiàn)阻抗變換。第二級放大電路將前置放大器單端輸出信號轉(zhuǎn)換為AD要求的雙端差分輸入信號，且采用程控放大，由采集系統(tǒng)控制放大倍數(shù)，防止振動信號飽和輸入。

2.2.3 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本裝置選用轉(zhuǎn)換芯片ADS1274，在采樣率20kHz時能達到19位分辨率，其滿量程輸入電壓為VREF=+/-2.5V，對應的轉(zhuǎn)換數(shù)字范圍：0x7FFFFF至0x800000；量化電平：2.5V/8388608=0.298uV，滿足微弱振動信號探測的要求。

2.2.4 CPU模塊

本裝置控制器采用ARM芯片STM32F107，包括10個定時器、兩個12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩個12位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS，并且擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。

2.2.5 通信模塊

本裝置的通信模塊可采用2.4G的無線通信技術，進行數(shù)據(jù)的傳輸；也可采用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，還可以通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控主機。2.4G無線通信采用WIFI芯片選擇Marvell 88W8686芯片，采用SDIO接口和其控制芯片STM32103芯片接口，通過STM32F103和主CPU芯片STM32F107交換數(shù)據(jù)。如果利用CAN總線和RS485總線則利用主CPU芯片STM32F107自帶的CAN2.0接口和USART接口，在外部擴展相應的物理層芯片，實現(xiàn)CAN總線通信或RS485通信。

2.2.6 電源

電源可采用內(nèi)置的鋰電池供電，也可通過外接的電源給整個裝置提供電能。內(nèi)設電源轉(zhuǎn)換電路將電源提供的12V轉(zhuǎn)換為5V、3.3V和1.8V，給相應的器件供電。圖2是主CPU和電源轉(zhuǎn)換板以及采集電路板。

2.3 裝置的工作流程

將多個MEMS加速度傳感器均勻分布在油箱壁平板結(jié)構的對稱結(jié)構位置，避開變壓器的頂部、底部、支撐結(jié)構、油箱接縫處等易造成測量結(jié)果不準確的位置。

圖3加速度傳感器在變壓器上的安裝示意圖，黑點為傳感器安裝位置。

傳感器拾取到變壓器的振動信號后，將拾取到的信號送往信號調(diào)理模塊進行進一步的信號處理。AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器在CPU的控制下實現(xiàn)對經(jīng)信號調(diào)理模塊處理過的變壓器振動信號采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給CPU。采集到的振動信號將通過通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控主機。

3 實驗數(shù)據(jù)

由于實驗條件有限，未能在電力變壓器上測試本裝置的有效性，考慮到本裝置的目的是檢測變壓器的振動信號，采用了輕微的敲擊來代替模擬信號。將MEMS加速度傳感器緊貼在桌面上，用手敲擊桌面，加速度傳感器拾取到振動信號后，送往監(jiān)測裝置采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過通信模塊傳送至監(jiān)控主機。采集的時候采用的是5K的采樣頻率，每周期采集512點。

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[責任編輯：朱麗娜]