电力变压器振动检测仪设计.docx
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电力变压器振动检测仪设计
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题目:
电力变压器振动监测仪设计
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摘要
电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一,它能够把一种等级的电压转换成另外一种等级的电压。
电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,其危害极大。
因此,人们开始关注变压器状态监测的研究的应用。
由于传统的监测方法与电力系统有电气连接,而变压器振动监测法是通过粘过在器身上的振动加速度传感器获取变压器的振动信号,以一种与电力系统完全无电气连接的方式对变压器状态进行监测。
本文通过对变压器振动原理的研究,基于虚拟仪器技术开发一套变压器振动在线监测系统,能可靠的采集变压器振动信号并分析变压器的运行状态。
主要涉及下列内容:
变压器振动原理的分析、系统总体方案的设计、系统硬件设备的设计与选型、系统软件部分的设计,系统的调试与结果分析等。
其中系统软件部分的开发是基于LabVIEW虚拟仪器开发平台来实现的。
通过系统软硬件的设计与调试,电力变压器振动监测仪能够正确地对变压器振动信号进行数据采集与分析,达到了预期的设计要求。
关键词:
变压器;振动监测;虚拟仪器;数据采集
TitleDesignofaVibrationMonitoringDeviceoftheElectrical
PowerTransformer
Abstract
Powertransformerisoneofthemostimportantelectricalequipmentinthepowersystem,itcanchangeonelevelofvoltageintoanothervoltagelevel.Ifapowertransformeroccurrenceanaccident,itwillcauseafaultinthepowersystem,andevenleadtothepowersystemcrashesandthecollapseofitsgreatdetriment.Therefore,peoplebegintopayattentiontothestudyoftransformerconditionmonitoringapplications.Asaresultoftraditionalmonitoringmethodshaveaelectricalconnectiontothepowersystem,andtransformervibrationmonitoringisglueavibrationaccelerationsensoronthebodyofthepowertransformertoobtainthetransformer’svibrationsignal.Inthepowersystemthevibrationaccelerationsensorwithnoelectricalconnectionstotransformeronthestatevariablemonitoring.Inthispaper,AuthorwilluseLabViewvirtualinstrumentdevelopmentplatformtodevelopavibration-linetransformermonitoringsystemtoreliabllycollectthetransformer’svibrationsignalandanalysistheoperationalstatusofthetransformer.Mainlyrelatedtothefollowing:
theprincipleofvibrationanalysisoftransformer,thesystemoverallprogramdesign,systemdesignandhardwareselection,systemsoftwaredesign,systemtestingandresultsanalysis.AndthesystemsoftwareisbasedontheLabVIEWvirtualinstrumentdevelopmentplatformtoachievethefunction.
Throughsystemdesignanddebuggingofhardwareandsoftware,vibration-linetransformermonitoringsystemcanacquisitionandanalysisthetransformer’svibrationsignalcorrectly,anditcanachievethedesireddesignrequirements.
Keywords:
Transformer;Vibrationmonitoring;VirtualInstrument;
DataAcquisition
目次
1绪论
1.1变压器状态监测与故障诊断
1.1.1变压器状态监测意义
电力变压器是一种常见的电气设备,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,例如在500KV电压等级下的变压器单台容量已达150OMVA。
在电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向发展的同时,提高电力设备特别是电力系统中最重要、最昂贵的大型电力变压器的运行可靠性也显得尤为重要。
电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,其危害极大。
如1996年美国西部电网(WSCC)相继发生了两次大面积停电事故,又如,1993年内蒙占丰镇发电厂发生一起22OkV、24OMVA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。
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故的发生,保证安全可靠地供电方面起到了积极的作用。
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,定期的试验和检修均需停电,不仅造成了电能的巨大浪费,同时也给电力调度增加了困难。
另外,由于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,而实际上可能完全不必要作任何维修而仍能长时间运行,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大,这样就难以发现绝缘潜在的缺陷和故障。
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,已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。
随着传感技术和电子及计算机技术的高速发展,对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,对电力变压器等设备运行状态实施在线监测及故障诊断技术,可使每年的维修费用减少25~50%,故障停电时间减少75%。
因此,对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十分重要的意义。
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。
一种新的监测方法被人们所重视,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号,一种完全无电气连接的方式在线监测的方法。
1.1.2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。
目前,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。
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计算机联网,利用虚拟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。
在线监测可以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中实时监测,这是在线监测最大优势所在。
尽管根据在线监测捕捉到的动态信息对变压器内部的突发性故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。
它对于制定、部署下一步的检修计划和方案具有十分重要的现实指导意义。
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种误差和不准确性。
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。
在线监测费用不应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。
美国和瑞士的变压器在线监测实践证明,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时间所带来的经济效益国外称为战略性效益。
德国根据在线监测的应用进行了估计,及早预防变压器故障可使维护成本降低75%,税收降低6.3%,每年节约的费用相当于一台新变压器价格的2%。
巴西学者在2002年第39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计算在线监测的效益,其计算公式如下:
P=f(rn·dn)
式中P—在线监测变压器失效的总概率
rn—每个部件的失效率
dn—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=P*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:
假定在线监测装置(或系统)的预期寿命为10年,那么10年寿命期间产生的经济效益是:
在线监测经济效益(10年)=P*失效成本*l0年=5.8%*新变压器费用/年
根据以上计算可以得出,在10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%。
1.2变压器监测、诊断的主要方法
1.2.1低压脉冲LVI(LowVoltagelImpulse)法
1966年,波兰的Lech和Tyminiski提出了低压脉冲(LVI)法,来确定变压器是否通过了短路实验。
LVI法就是将一比较稳定的低压脉冲电压信号施加于被试变压器的一端,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。
这种方法的主要用途是确定变压器是否通过短路实验,现在已经被列入IEC和IEEE电力变压器短路实验导则和测试标准。
近年来,由于数字测量技术、计算机技术的大规模使用,此种方法得到广泛的应用。
俄罗斯、荷兰等国在这方一面都作了很多有益的工作。
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,均对测试结果有影响。
但此法灵敏度较高,能测出绕组2~3mm的弯曲变形。
1.2.2频率响应分析法(FrequencyResponseAnalysis)
变压器绕组相当于一个由线性电阻、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(jw)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(jw)也随着发生变化,这样通过比较两次测量的H(jw),便可判断出变压器绕组的工作状态。
根据此理论,1978年,加拿大的E.Pdick和C.C.Erven提出了频率响应分析法。
频率响应分析法与LVI法类似,它是将一稳定的正弦电压扫描信号施加到被试变压器的一端,同时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%的绕组变形二侧。
但是该法需要大量的历史数据,对于目前变压器历史数据缺乏的情况下,这种方法的推广也十分困难。
1.2.3变压器油中溶解气体的气相色谱分析法(DGA)
气相色谱法判断故障的常用方法是三比值法判断。
三比值法是用五种特征气体(H2、CH4、C2H6、C2H4和C2H2)组成以不同的编码表示的三对比值,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,即可对故障按程度分类而做出判断。
当根据各组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,但无法对实验结果做出解释,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论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变压器振动监测在国内外的发展概况
振动法是通过分析变压器器身振动信号来诊断变压器潜伏故障的一种方法,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。
振动法应用于变压器的监测最初主要是一些离线的手段,有以下两种:
(1)在电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)对变压器绕组施加一电动力冲击。
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;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。
直到上个世纪九十年代中后期,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于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、化工等方面具有广泛的应用。
1998年,俄罗斯设立在彼尔姆市的“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。
国内对变压器振动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这方面的研究。
应用振动法监测电力变压器工作状况优点明显,对其进行充分的研究将有良好的应用前景。
1.4虚拟仪器技术的原理及在测控方面的应用
虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物,是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。
虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与控制系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效组合。
所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的硬件平台上,其功能由用户设计和定义,具有虚拟面板,其测试功能有测试软件实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板,以多种形式的表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理,从而完成各种测试功能的一种计算机系统。
虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。
目前我国在高档台式仪器,如数字示波器,频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖于进口,这些仪器加工工艺复杂,对制造水平要求高,生产突破有困难,而采用虚拟仪器后,就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。
随着人们对虚拟仪器的进一步了解与学习,它将广泛的应用于现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各个行业。
1.5本文研究的主要内容与组织结构
1.5.1研究的主要内容
本课题是通过对变压器振动原理的分析,利用虚拟仪器技术开发电力变压器振动监测系统,并利用该系统对变压器在空载和负载时的振动特性进行研究。
振动监测系统主要用于分析振动信号特征,为故障诊断提供依据。
1.5.2论文组织结构
根据本文的研究内容,本文共分六章,各章的内容安排如下:
第一章,绪论。
主要是对课题进行概述,讲述了课题的研究意义与发展前景;
第二章,变压器及振动监测系统的基本原理。
对变压器振动监测中所应用的原理进行介绍;
第三章,系统总体设计。
讲述系统总体方案设计及方案选择;
第四章,系统硬件设计。
介绍系统硬件如加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡等硬件设备型号的选择以及硬件设备之间的连接方式;
第五章,系统软件设计。
介绍系统所选用的软件开发平台LabVIEW及系统功能的实现;
第六章,系统调试与实验结果。
主要介绍系统调试方案的设计,同是对系统的实验结果进行了分析,评测了系统的性能。
2变压器及振动监测系统的基本原理
2.1变压器工作原理
变压器属于一种静止电机,它可将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的交流电能。
从电力的生产、输送、分配到各用户,使用着各式各样的变压器。
要把大功率的电能输送到很远的地方去,采用较低的电压即相应的大电流来传输是不可能的。
这是由于大电流将在线路上产生在的功率损耗;另一方面,大电流还将在输电线上引起在的电压降,致使电能根本送不出去。
为此,需要变压器来将发电机的端电压升高,相应的电流即减小了。
图2.1为双绕组变压器的原理图。
在闭合铁心上绕有两个线圈(对变压器而言,线圈也可以称为绕组),其中接受电能即接到交流电源的一侧叫做一次侧(也可以称为原边或初级)绕组,而输出电能的一侧叫做二次侧(也可以叫称为副边或次级)绕组。
变压器工作原理建立在电磁感应原理的基础上,即通过电磁感应,在两个电路之间实现电能的传递。
铁心是闭合铁心,用硅钢片叠压制成。
Φ
图2.1为双绕组变压器的原理图
由于原绕组接通交流电源后,流过原绕组的电流是交变的,因此在铁心中产生一个交变磁通,这个交变磁通在原副边中感应出交流电势e1、e2,该电势的大小E1、E2均正比于磁通的变化率与对应绕组的匝数,由于闭合铁心中的交变磁通原、副绕组共用,则有:
(2.1)
式中E1—原绕组的感应电势有效值;
E2—副绕组的感应电势有效值;
N1—原绕组的匝数;
N2—副绕组的匝数。
如果略去绕组电阻压降和漏抗压降,则可认为U1≈E1,U2≈E2,于是
(2.2)
此关系式说明了一、二次侧电压之比近似等于其匝数比。
因此在原绕组不变的情况下改变副绕组的匝数,就可以达到改变输出电压的目的。
若将副绕组与负载相连,副边就会有电流流过,这样就能把电能输送出去,从而实现了传输电能、改变电压的要求,这就是变压器的基本原理。
2.2变压器故障
(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,电网规模不断扩大,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。
(2)变压器故障分类
变压器故障的种类是多种多样的,按照故障发生的部位,可以大致将变压器故障分为以下几类:
1)变压器的内部故障
绕组故障:
包括绝缘击穿、断线、变形等;
铁芯故障:
包括铁芯叠片之间绝缘损坏、接地、铁芯的穿心螺栓绝缘击穿等;
内部的装配金具故障:
包括焊接不良、部件脱落等;
电压分接开关故障:
包括分接开关接触不良或电弧等;
引线接地故障:
包括引接线对地闪络、断裂等;
绝缘油老化。
2)变压器的外部故障
油箱故障:
包括焊接质量不好、密封线圈不好等;
附件故障:
包括绝缘套管、各种继电器的故障等;
其他外部装置故障:
包括冷却装置及控制设备的故障等;
下面根据变压器的各个主要部位介绍其故障。
3)变压器绕组故障
变压器绕组是变压器的心脏,是传输、变换电能的核心,是构成变压器输入、输出电能的电气回路,是变压器主要组成部分,其故障模式可分为:
绕组短路、绕组断路、绕组松动、变形、位移、绕组烧损。
绕制绕组时如果纸包扁铜线或者纸包扁铝线的棱曲率半径较小,当变压器绕组短路时,变压器在负荷下发生振动,或者变压器接入电网而遭受重复的电磁力冲击时,导线的陡棱处将切断绝缘而导致相临匝间短路。
矩形导线上绕的绝缘纸可能达不到所需的紧度,因此产生隆起现象,使导线形状发生变形,这种变形有时要引起匝间短路。
如果导线的棱曲率半径较小,这种现象就越发严重。
4)变压器铁心故障
变压器铁心和绕组是传递、交换电磁能量主要部件,要使变压器可靠运行,除绕组质量合格外,铁心质量好坏是决定变压器正常运行的关键。
铁心的故障模式可分为:
铁心多点接地、铁心接地不良、铁心片间短路。
其中铁心多点接地可分为:
铁心动态性多点接地和牢靠性多点接地。
变压器铁心故障以铁心片间短路、多点接地,其中以铁心多点接地出现较多,伴随有铁心局部过热,运行时间过长将会使油纸绝缘老化、绝缘垫片碳化、铁心片绝缘层老化,进一步使铁心过热,甚至使铁心接地引线烧断。
铁心片间短路将会在强磁场中形成涡流使铁心局部过热,铁心接地不良也会使铁心局部过热,同时出现介损超标现象,局部过热现象易烧坏铁心片间绝缘,扩大铁心故障。
5)变压器绝缘故障
由于变压器没有全密封,或者全密封但隔膜、胶囊漏气,使潮湿空气进入绝缘油,降低了绝缘油的绝缘强度,从而可能引起绕组或引线对油箱或对铁心构件击穿。
但是,绕组间绝缘受潮是最为显著的。
在变压器中,常常把介电常数不同的绝缘材料串联使用,如果这些绝缘材料的厚度搭配不合理,那么它们将承受极大电场强度,因电晕放电或过热导致某种绝缘材料的损坏。
绝缘油中悬浮物里的粒子在电位差的裸导体之间形成“小桥”,引起暂时的电气击穿。
变压器长时间过载可引起绝缘油的老化,油温过高会加速油泥、水分及酸
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