一种变压器绕组模态参数测试系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例公开了一种变压器绕组模态参数测试系统，信号控制与分析显示终端控制信号发生器发出一定幅值和频率的白噪声，所述白噪声通过功率放大器和激振器注入待测变压器上；振动传感器采集所述待测变压器绕组的振动信号，并将所述振动信号发送回所述信号控制与分析显示终端，所述信号控制与分析显示终端可对信号发生器发出的白噪声信号幅值和频率进行设定，并使用模态识别法对所述振动信号进行计算处理，最终计算出所述待测变压器绕组的固有频率和阻尼比等模态参数。从上述检测过程中，所述变压器绕组模态参数测试系统具有很好的可操作性，易于实施，能够高效且准确地计算得出变压器的模态参数。
【专利说明】
一种变压器绕组模态参数测试系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及信号检测系统技术领域，特别是涉及一种变压器绕组模态参数测 试系统。
【背景技术】
[0002] 电力变压器是电力系统各种设备中最重要且贵重的关键设备之一，其运行的稳定 性对电网的安全可靠运行影响重大。变压器在长期连续运行过程中，不可避免地会发生各 种形式的故障。除了会可能导致大面积停电外，还会有较高的检修费用，直接和间接经济损 失巨大。此外，变压器出口短路形成的冲击电流所产生的巨大电磁作用力，会对变压器绕组 的机械强度和动稳定性构成严重威胁。若不及时对故障变压器进行维修，不仅会损害变压 器，更会对电网的正常运行造成影响，甚至导致电力系统崩溃。
[0003] 变压器突发短路故障时，其绕组内会流过较大短路电流，在漏磁场的作用下对绕 组产生较大电动力，进而导致绕组发生松动或变形。现有研究表明，变压器绕组变形具有累 积效应，若不及时发现并修复松动或轻微变形故障，则当绕组松动或变形积累到一定程度 后，会使变压器的抗短路能力大幅下降，较易引发重大事故。同时，绕组的松动或变形还会 导致线圈内部局部绝缘距离发生变化，使局部出现绝缘薄弱点。当遇到过电压时，绕组可能 发生饼间或匝间短路，或者由于局部场强增大而引起局部放电，随着绝缘损伤部位的逐渐 扩大，最终导致变压器发生绝缘击穿事故，进而进一步扩大事态。因此，在运行过程中，当变 压器经历了外部短路事故或进行常规检修时，如何有效诊断变压器绕组是否存在松动或变 形，进而判断变压器是否需要进行检修处理是保障变压器安全运行的重要措施。
[0004] 目前，主要通过固有频率(特征值)和阻尼比等模态参数来描述变压器绕组机械振 动特性，变压器绕组的松动、变形或振动加剧等现象均意味着绕组机械动力性特性的变化， 从而可以反应在所述模态参数的变化上。因此，准确获取变压器绕组的模态参数(固有频率 和阻尼比），使其远离激励频率对变压器的设计与制造意义重大，如何准确获取所述模态参 数一直是本领域技术人员亟待解决的问题。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型实施例中提供了一种变压器绕组模态参数测试系统，以解决现有技术 中的变压器绕组模态参数难以准确获取的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了如下技术方案：
[0007] 本实用新型实施例公开了一种变压器绕组模态参数测试系统，包括：
[0008] 设置于待测变压器上的振动传感器；
[0009]与所述振动传感器相连接的信号采集模块；
[0010]与所述信号采集模块相连接的信号控制与分析显示终端；
[0011]与所述信号控制与分析显示终端相连接的信号发生器；
[0012]与所述信号发生器相连接的功率放大器；
[0013] 与所述功率放大器、所述信号采集模块以及所述待测变压器均相连接的激振器。
[0014] 优选地，所述信号采集模块还包括通信模组和信号调理模块，其中：
[0015] 所述通信模组与所述信号控制与分析显示终端相连接；
[0016] 所述信号调理模块与所述振动传感器相连接，并通过所述通信模组连接至所述信 号控制与分析显示终端、并通信。
[0017] 优选地，所述信号调理模块包括滤波器和放大器，其中：
[0018] 所述滤波器的一端与所述振动传感器相连接、另一端与所述放大器相连接；
[0019] 所述放大器的一端与所述滤波器相连接、另一端通过所述通信模组连接至所述信 号控制与分析显示终端、并通信。
[0020] 优选地，所述信号采集模块通过以太网连接所述信号控制与分析显示终端。
[0021 ] 优选地，所述振动传感器为振动加速度传感器。
[0022] 优选地，所述信号控制与分析显示终端包括信号控制分析处理器、存储器和显示 器，其中：
[0023]所述显示器与所述存储器均与所述信号控制分析处理器相连接；
[0024]所述存储器为保存振动频响曲线以及模态参数结果的存储器；
[0025]所述信号控制分析处理器与所述信号采集模块和所述信号发生器均相连接。
[0026] 由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的变压器绕组模态参数测试系统， 通过信号控制与分析显示终端控制信号发生器发出一定幅值和频率的白噪声，所述白噪声 通过功率放大器和激振器注入待测变压器1上;振动传感器采集所述待测变压器绕组的振 动信号，并将所述振动信号发送回所述信号控制与分析显示终端，所述信号控制与分析显 示终端使用模态识别法对所述振动信号进行计算处理，最终计算出所述待测变压器绕组的 固有频率和阻尼比等模态参数。从上述检测过程中，所述变压器绕组模态参数测试系统具 有很好的可操作性，易于实施，能够高效且准确地计算得出变压器的模态参数。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人 员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本实用新型实施例提供的一种变压器绕组模态参数测试系统的结构示意 图；
[0029] 图2为本实用新型实施例提供的一种信号采集模块的结构示意图；
[0030] 图3为本实用新型实施例提供的一种信号控制与分析显示终端的结构示意图；
[0031 ] 图卜3中，符号表不为：
[0032] 1-待测变压器，2-振动传感器，3-信号采集模块，31-通信模组，32-信号调理模块， 321-滤波器，322-放大器，4-信号控制与分析显示终端，41-信号控制分析处理器，42-存储 器，43-显示器，5-信号发生器，6-功率放大器，7-激振器。
【具体实施方式】
[0033]为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实 用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0034] 参见图1，为本实用新型实施例提供的一种变压器绕组模态参数测试系统的结构 示意图，所述检测系统包括振动传感器2、信号采集模块3、信号控制与分析显示终端4、信号 发生器5、功率放大器6和激振器7。
[0035] 其中，振动传感器2设置于待测变压器1上，以采集所述待测变压器1的振动信号。 所述振动传感器2选用振动加速度传感器，在本实用新型实施例中，所述变压器绕组模态参 数测试系统包括20个振动传感器。
[0036] 所述信号采集模块3与所述振动传感器2相连接，用于接收所述振动传感器2采集 到的振动信号，并将所述振动信号发送至所述信号控制与分析显示终端。在本实用新型实 施例中，如图2所示，为本实用新型实施例提供的一种信号采集模块的结构示意图，所述信 号采集模块3包括通信模组31和信号调理模块32,其中所述信号调理模块32包括滤波器321 和放大器322。所述通信模组31包括以太网通信模组，所述信号采集模块3通过以太网连接 所述信号控制与分析显示终端4;所述滤波器321的一端与所述振动传感器2相连接、另一端 与所述放大器322相连接，对所述振动信号进行抗混叠滤波;所述滤波器321将滤波后的振 动信号传送至所述放大器322,所述放大器322的一端与所述滤波器321相连接、另一端通过 所述通信模组31连接至所述信号控制与分析显示终端4,所述放大器322与所述信号控制与 分析显示终端4通信，将放大后的振动信号发送至所述信号控制与分析显示终端4。
[0037]所述信号控制与分析显示终端4与信号采集模块3相连接，接收来自所述信号采集 模块3的振动信号，并向所述信号发生器5发出控制信号，控制所述信号发生器5输出白噪 声。在本实用新型实施例中，参见图3,为本实用新型实施例提供的一种信号控制与分析显 示终端的结构示意图，所述信号控制与分析显示终端4包括信号控制分析处理器41、存储器 42和显示器43;其中，所述显示器43和所述存储器42与所述信号控制分析处理器41均相连 接，所述显示器43用于显示所述信号控制分析处理器41的信号和数据处理结果，例如振动 频响曲线等;所述存储器42用于所述信号控制分析处理器41分析计算得到的振动频响曲线 和变压器绕组的模态结果等，并建立所述振动频响曲线和模态结果数据库，方便技术人员 分析和查看;所述信号分析控制处理器41与所述信号采集模块3和所述信号发生器5均相连 接，所述信号分析控制处理器41利用所述信号采集模块3发送来的信号和数据，进行数据分 析和计算得到所述变压器绕组的模态结果，所述信号控制分析处理器还用于箱所述信号发 生器5发出控制信号，控制所述信号发生器发出白噪声。
[0038]所述信号发生器5与所述信号控制与分析终端4相连接，接收来自所述信号控制与 分析终端4的控制信号，并根据所述控制信号发出一定幅值和频谱的白噪声信号，所述白噪 声信号的幅值和频谱根据所述变压器绕组的机械动力特性确定，保证可以获得信噪比好的 变压器绕组振动频响曲线;所述功率放大器6与所述信号发生器5相连接，对所述白噪声信 号进行功率放大;所述激振器7与所述功率放大器6相连接，接收经所述功率放大器6放大后 的白噪声信号，所述激振器与所述待测变压器1相连接，具体地可以通过顶杆置于所述待测 变压器1的上方，将所述白噪声信号作为激励施加在所述待测变压器1的绕组上;另外，所述 激振器7还与所述信号采集模块3相连接，通过所述信号采集模块3将所述白噪声信号传输 至所述信号控制与分析显示终端4,进行信号和数据处理。
[0039]在本实用新型实施例中，所述信号控制与分析显示终端4根据所述振动传感器2得 到的振动信号使用模态参数识别方法计算待测变压器1绕组的模态参数。具体地，所述信号 控制与分析显示终端4将20个振动传感器2采集得到的振动信号表示为矩阵形式，记为矩阵 X，并设定模态参数识别结束阈值ε，本实用新型将所述待测变压器1的绕组视为一个机械系 统，通常所述绕组具有若干阶固有频率，但结合变压器的工作状态，技术人员可能直观前其 前3阶或前4阶固有频率，因此，通过设定所述模态参数识别结束阈值ε可以获得需要阶数的 固有频率。其中所述矩阵X可以表示为如下形式：
[0040] X(t) = [xi(t) X2(t)…XM(t)]
[0041] 其中，Μ为所述矩阵X的列数。进一步，计算所述矩阵X的自相关矩阵C，所述自相关 矩阵C的计算公式为：
[0042] C = E[XXT]
[0043] 计算所述自相关矩阵C的特征值\(1 = 1，2, . . .，N)及与所述特征值相对应的特征 向量Vi(i = l，2, . . .，N)，并将所述特征值按降序排列，使得λ0λ2彡…λ?彡…AN(i = l，2，···， N)〇
[0044] 计算所述自相关矩阵C的第i个特征值的方差贡献率，所述方差贡献率的计算公式 为：
[0045]
[0046] 计算所述自相关矩阵C的前k个特征值的累计方差贡献率，所述累计方差贡献率的 计算公式为：
[0047]
[0048] 对数值超过所述模态参数识别结束阈值ε的Ak所对应的k值进行比较，所述模态参 数识别结束阈值ε的大小在本实用新型实施例中不做限制，本领域技术人员可以设置所述 模态参数识别结束阈值ε为任意值，记其中的最小值为1，这1个特征向量的是实部和虚部分 别为〇i(i-l，2，~，l)和《^(1-1，2，一，1)，在本实用新型实施例中，所述1的值为4。其中， ? dl为待测变压器1绕组的固有频率，阻尼比的计算公式如下所示：
[0049]
[0050] 如表一所示，本实用新型实施例的变压器绕组模态参数测试系统对一 10kV变压器 进行检测，获得了所述变压器的4阶固有频率和阻尼比。
[0051] 表一：
[0052]
[0053]由上述实施例可见，所述变压器绕组模态参数测试系统，所述信号控制与分析显 示终端4,控制所述信号发生器5发出一定幅值和频率的白噪声，所述白噪声通过功率放大 器6和激振器7注入待测变压器1上;所述振动传感器2采集所述待测变压器1绕组的振动信 号，并将所述振动信号发送回所述信号控制与分析显示终端4,所述信号控制与分析显示终 端4使用模态识别法对所述振动信号进行计算处理，最终计算出所述待测变压器1绕组的固 有频率和阻尼比等模态参数。从上述检测过程中，所述变压器绕组模态参数测试系统具有 很好的可操作性，易于实施，能够高效且准确地计算得出变压器的模态参数。
[0054]本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0055]以上所述仅是本实用新型的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本 实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所 定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。 因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原 理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，包括： 设置于待测变压器（1)上的振动传感器(2); 与所述振动传感器(2)相连接的信号采集模块(3); 与所述信号采集模块(3)相连接的信号控制与分析显示终端(4); 与所述信号控制与分析显示终端(4)相连接的信号发生器(5); 与所述信号发生器(5)相连接的功率放大器(6); 与所述功率放大器(6)、所述信号采集模块(3)以及所述待测变压器（1)均相连接的激 振器(7)。2. 根据权利要求1所述的变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，所述信号采集模 块(3)还包括通信模组(31)和信号调理模块(32)，其中： 所述通信模组(31)与所述信号控制与分析显示终端(4)相连接； 所述信号调理模块(32)与所述振动传感器（2)相连接，并通过所述通信模组（31)连接 至所述信号控制与分析显示终端(4)、并通信。3. 根据权利要求2所述的变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，所述信号调理模 块(32)包括滤波器(321)和放大器(322)，其中： 所述滤波器(321)的一端与所述振动传感器(2)相连接、另一端与所述放大器(322)相 连接； 所述放大器(322)的一端与所述滤波器(321)相连接、另一端通过所述通信模组(31)与 所述信号控制与分析显示终端(4)连接并通信。4. 根据权利要求1所述的变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，所述信号采集模 块(3)通过以太网连接所述信号控制与分析显示终端(4)。5. 根据权利要求1所述的变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，所述振动传感器 (2)为振动加速度传感器。6. 根据权利要求1所述的变压器绕组模态参数测试系统，其特征在于，所述信号控制与 分析显示终端(4)包括信号控制分析处理器(41)、存储器(42)和显示器(43)，其中： 所述显示器(43)与所述存储器(42)均与所述信号控制分析处理器(41)相连接； 所述存储器(42)为保存振动频响曲线以及模态参数结果的存储器； 所述信号控制分析处理器(41)与所述信号采集模块(3)和所述信号发生器(5)均相连 接。
【文档编号】G01R31/00GK205608102SQ201620086837
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】钱国超, 于虹, 王丰华
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院, 上海交通大学