一种短路试验中变压器绕组状态振动监测装置的制作方法

本发明涉及一种振动监测装置，尤其是涉及一种短路试验中变压器绕组状态振动监测装置。

背景技术：

变压器是电力系统中重要的一次设备，其运行状态的正常与否对整个电力系统的稳定具有重要意义。目前我国的电网容量日益增加，短路容量也随之不断增大，作为电力系统核心的电力变压器的运行可靠性愈发重要。一旦变压器的短路耐受能力不达标，可能造成大面积停电等重大事故，带来巨大的经济损失。近些年来的变压器事故统计结果显示，变压器本身抗短路能力不足已经成为变压器事故最主要的原因，给电力系统的稳定运行带来了极大的安全隐患。

变压器突发短路试验是变压器在出厂前监测其质量最为有效的手段之一，在前期的实验研究和质量控制方面体现出了不可替代的优势。当前国家电网公司已经将突发短路试验列为变压器的抽检项目，对于变压器整体质量的提升具有重要的意义。

突发短路试验最主要的作用是通过对变压器进行短路电流冲击来判断变压器的机械稳定性，考核变压器本身承受短路的机械力。当变压器的抗短路能力不足时，绕组线圈会产生形变，若直接投入运行可能会造成安全隐患，因此是否能够有效地检测绕组的机械状态是判断突发短路实验结果的重要指标。现有的变压器故障检测方法中，较为常见的有低压脉冲分析法、短路阻抗分析法、频率响应分析法等，这些检测方法均基于绕组已经发生了明显故障的前提下，通过对短路实验前后的变压器电气试验值进行检测来判断，需多次重复进行实验，并且对于一些微小的绕组形变或扭曲不能够有效地进行检测，还需要通过吊罩人工对绕组情况进行判定。但被试变压器数量众多，吊罩流程较为复杂，很多不明显的形变需要经验丰富的操作人员才能够进行甄别，在实际应用中存在工作量大、工作效率低等缺陷。

近些年来基于箱壁物理运动状态的振动监测法开始受到关注，变压器箱壁振动情况能够反映绕组的健康状态，通过在箱壁安装振动传感器所监测的振动信息可以判断绕组是否发生形变，与电力系统无直接电气连接，具有灵敏度高、施工量小、系统运行安全等特点。

现有的变压器振动采集系统多为一体式设计，通过在箱壁上安装振动传感器，将采集到的振动信号直接传输至主控室内，由主控模块对这些信息进行处理分析。采集系统均基于稳态下的变压器振动状态设计，分辨率与量程较低，系统响应速度较慢，不能够满足突发短路情况下振动信号的采集要求。由于短路试验中周边环境较为复杂，存在大量电气干扰和其他干扰信号，采集装置的电磁兼容能力不能达标。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种短路试验中变压器绕组状态振动监测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种短路试验中变压器绕组状态振动监测装置，包括相互连接的振动采集模块和主控模块，所述振动采集模块包括与变压器连接的振动传感器，所述振动采集模块还包括模数转换器，所述模数转换器的输入端连接至振动传感器，输出端通过光纤连接至主控模块，所述装置还包括电流电压采样单元，该电流电压采样单元的输入端连接至变压器，输出端连接至主控模块。

所述振动采集模块还包括用于低通滤波和将振动传感器采集到的电信号幅值缩放至所述模数转换器输入范围内的信号调理电路，该信号调理电路设于振动传感器和模数转换器之间。

所述信号调理电路包括用于低通滤波的差分运算放大器和用于将振动传感器采集到的电信号幅值缩放至所述模数转换器输入范围内的增益控制器，所述差分运算放大器分别与振动传感器和增益控制器连接，所述增益控制器与模数转换器连接。

所述振动采集模块还包括保护电路，该保护电路设于振动传感器和信号调理电路之间。

所述保护电路包括依次连接的压敏电阻和肖特基二极管和瞬态抑制二极管。

所述振动传感器贴设于变压器箱壁上，并与电压器电气部分绝缘。

所述振动传感器通过磁吸方式贴设于变压器箱壁上。

所述振动传感器共设有六个，其中三个位于变压器箱壁上近高压侧位置，另外三个位于变压器箱壁顶部。

所述电流电压采样单元包括用于采集变压器电压的电压互感器和用于采集电流的罗氏线圈。

所述主控模块包括显示器和滤波器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)将采集到的振动信号就地转换为数字信号，通过光纤发送至控制室内，同时还采集了电压与电流信号对振动状态进行辅助判断，利用控制室内的主控模块对信号进行统一处理，从而判断短路试验中变压器绕组是否发生了形变。

2)设计了低通滤波部分，利用全差分运算放大器构造了低通滤波电路，对高于1500hz的信号进行滤波，过滤掉外界干扰的侵入，保证输出信号全部频段均为振动信息。

3)将直接由振动传感器采集到的电信号幅值进行适当地放大或缩小，在保证采样精度的同时能够还原振动信号的细节。

4)利用压敏电阻的非线性特性，当线路中出现过电压时进行电压钳位，从而实现对后级电路的保护，同时加入肖特基二极管与瞬态抑制二极管进行稳压，防止过电压对电路造成损坏，同时能够避免外界噪声干扰的侵入，有效吸收电脉冲，消除线路间可能引起的干扰。

5)振动采集模块共设六路采样通道，分别按照设计采集六处指定变压器箱壁的振动信号，能够最大限度还原绕组振动信息，各采样通道在硬件上电气隔离，避免因某一路采样发生异常时影响其他通道的采样结果。

6)选用罗氏线圈，可以实现对电流信号的暂态细节进行记录，而利用暂态细节具有良好的时域特性，从而满足短路试验中对变压器电流信息的采集需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为振动采集模块的结构示意图；

图3为信号调理电路的实现电路图；

图4为保护电路的实现电路图；

图5为箱壁振动测点布置图；

图6为振动传感器部分的实现电路图；

图7为模数转换器的实现电路图；

图8为主控模块的原理图；

其中：1、振动采集模块，2、主控模块，3、光纤，4、电流电压采样单元，5、变压器，11、振动传感器，12、保护电路，13、信号调理电路，14、模数转换器，21、显示器，22、滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种短路试验中变压器绕组状态振动监测装置，如图1所示，包括相互连接的振动采集模块1和主控模块2，振动采集模块1包括与变压器5连接的振动传感器11，如图2所示，振动采集模块1还包括模数转换器14，模数转换器14的输入端连接至振动传感器11，输出端通过光纤3连接至主控模块2，装置还包括电流电压采样单元4，该电流电压采样单元4的输入端连接至变压器5，输出端连接至主控模块2。

模数转换器14的实现电路图如图7所示，为了保证振动信号转换的精确性，模数转换电路使用了akm厂商型号为ak5393型的24位、128倍过采样率双通道adc，采样率最高可达108khz，利用其增强型双位架构实现了高达117db的动态处理范围。adc可根据实际需求选取不同的转换速率与工作模式，通过处理器芯片控制启停，将转换完成的数字信号通过i2s通信协议进行发送。由于装置需要同时采集多路通道的大量数据，处理器选用了xilinx公司的spartan-6型fpga芯片，利用fpga并行计算的优势对多路的数据同时进行处理。fpga芯片具备低功耗、稳定运行的优点，适合在户外环境中长期运行。系统将转换完成的数字信号通过hfbr-0508z型光纤发射器传输至主控模块，实现了振动信号的就地转换与传输。

将采集到的振动信号就地转换为数字信号，通过光纤3发送至控制室内，同时还采集了电压与电流信号对振动状态进行辅助判断，利用控制室内的主控模块对信号进行统一处理，从而判断短路试验中变压器绕组是否发生了形变。

如图3所示，振动采集模块1还包括用于低通滤波和将振动传感器11采集到的电信号幅值缩放至模数转换器14输入范围内的信号调理电路13，该信号调理电路13设于振动传感器11和模数转换器14之间。信号调理电路13包括用于低通滤波的差分运算放大器和用于将振动传感器11采集到的电信号幅值缩放至模数转换器14输入范围内的增益控制器，差分运算放大器分别与振动传感器11和增益控制器连接，增益控制器与模数转换器14连接。

外界的高频干扰信号可能侵入传感器以及采集电路，影响后期的数据分析。因此系统设计了低通滤波电路，利用ths4551全差分运算放大器构造了低通滤波电路，对高于1500hz的信号进行滤波，过滤掉外界干扰的侵入，保证输出信号全部频段均为振动信息。由于后级adc输入范围的限制，需要将直接由振动传感器采集到的电信号幅值进行适当地放大或缩小，在保证采样精度的同时能够还原振动信号的细节。系统采用了ts3a5017rsvr芯片构建可调节增益电路模块，根据不同的振动信号幅值，设置了量级为0.5、1、2、4四种增益倍数，使得输出信号能够满足后级电路的处理要求。

如图4所示，振动采集模块1还包括保护电路12，该保护电路12设于振动传感器11和信号调理电路13之间。保护电路12包括依次连接的压敏电阻r9和肖特基二极管d1和瞬态抑制二极管db1。振动采集模块1安装于变压器短路试验间内，试验电压与电流的大幅变化会产生大量干扰，这对系统抗干扰性能提出了较高的要求。为了对振动采集模块1进行保护并且隔离外界干扰信号的侵入，电路中设计了保护电路12。系统接入供电后放置了型号为gnr14d470k的压敏电阻，利用压敏电阻的非线性特性，当线路中出现过电压时进行电压钳位，从而实现对后级电路的保护。加入肖特基二极管与瞬态抑制二极管进行稳压，防止过电压对电路造成损坏，同时能够避免外界噪声干扰的侵入，有效吸收电脉冲，消除线路间可能引起的干扰。

如图5和图6所示，振动传感器11贴设于变压器箱壁上，并与电压器电气部分绝缘。振动传感器11通过磁吸方式贴设于变压器箱壁上。振动传感器11共设有六个，其中三个位于变压器箱壁上近高压侧位置，另外三个位于变压器箱壁顶部。基于仿真结果与理论分析考虑，振动传感器选用了ctc公司的ac102型加速度传感器，采集量程为±50g，能够监测的频响范围最高可到4000hz，采集灵敏度为100mv/g，能够有效满足对振动信号稳态与暂态情况下的幅值与精度需求。传感器接头处为强磁性物质，可直接贴合于变压器箱壁，不需要增加额外措施进行固定，与变压器无直接的电气连接。振动采集模块共设六路采样通道，分别采集六处变压器箱壁的振动信号，测点位置如图选择，能够最大限度还原绕组振动信息。各采样通道在硬件上电气隔离，避免因某一路采样发生异常时影响其他通道的采样结果。

再者由于试验间内环境较为恶劣，裸露在箱壁的振动传感器11存在发生物理损坏的风险，系统设计了开短路检测模块对传感器的工作状态进行监控。当信号输入幅值远高于或远低于正常区间时，判断传感器发生开路或短路故障，利用运算放大器输出端反馈至处理器，最终通过主控模块和指示灯显示。

电流电压采样单元4包括用于采集变压器电压的电压互感器和用于采集电流的罗氏线圈。系统需要记录电流与电压的细节信息对振动信号进行辅助判断。短路试验中变压器电压变化范围较小，选用tr1176-220v/7.07v型电压互感器，具有线性变化、精度高、采样范围宽等特点。试验中电流幅值会突增至稳态工作时的数十倍，同时包含一定低频分量，甚至含有直流信号，所以系统选用罗氏线圈对电流信号的暂态细节进行记录。与传统的电流传感器相比，罗氏线圈具有测量范围宽、精度高、响应频带宽等特点，可满足短路试验中对变压器电流信息的采集需求。

主控模块2包括显示器21和滤波器22。主控模块的原理图如图8所示，由于采集到的振动信号与电流电压信号通道数量较多，数据量大，因此主控模块使用了spartan-6xc6slx45芯片进行数字信号的接收，利用fpga将信号预处理后发送至主处理器进行分析运算。主控模块采用了omapl-138型dsp+arm双核处理器，利用dsp芯片对采集到的信号进行处理分析，arm处理器负责系统信息的显示。主控模块具备录波功能，设置有两种不同的录波模式，可以在短路试验发生时进行录波，记录试验中的振动及电流电压信息。也可在短路试验前后正常情况时定时录波，纵向对比短路实验前后振动信息的变化。处理器可以进行实时频响分析，从时域和频域综合对振动信号进行判断。系统支持网络通讯与串口通讯技术，可以通过网口将数据导出至计算机进行分析。考虑到后期的扩展需求，主控模块最多可支持24路振动信号的测量，可同时对多台变压器及多个采集模块进行监测。同时预留了各类可扩展接口，以接入其他类型的传感器信息来对变压器进行进一步的监测。