基于振动信号的变压器在线监测装置
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【摘 要】现阶段对变压器故障诊断的方法均属于离线检测法，检测时需变压器退出运行，不够经济方便。而振动法是一种用传感器采集油箱表面振动信号，再进一步用相关系统分析此信号以预测铁芯绕组故障的方法。本装置是一种基于振动法的变压器在监测装置，包括加速度传感器、信号调理模块、CPU和采集模块、通信模块和电源五个部分。
【关键词】变压器故障；振动信号；在线监测
【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
在电力变压器的各种故障中，绝大多数变压器故障来源于变压器的绕组和铁芯发生的变形或松动。因此研究开发基于振动法的变压器在线监测装置能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。
1 监测原理
在变压器运行中，压紧力的变化、温度的升高、绝缘层的损伤都能通过铁芯振动加速度值的变化反映出来。
2 装置介绍
2.1 装置结构
本装置主要由加速度传感器、信号调理模块、CPU和AD模数转换器、通信模块和电源五个部分组成。硬件结构图如图1所示：
2.2 装置各模块
2.2.1 MEMS加速度传感器
本装置采用了MS9002D加速度芯片，该芯片的主要技术指标为：灵敏度1000mV/g，带宽≥100Hz，量程±2g，噪声密度18μv，工作电压5V，工作电流0.4mA，输出阻抗50kΩ，提供模拟电压信号输出。
2.2.2 信号调理模块
信号调理电路包括两级放大和有源滤波电路。第一级放大采用了高共模抑制比、高输入阻抗、高精度、高速、低漂移、极低噪声的运算放大器，可实现阻抗变换。第二级放大电路将前置放大器单端输出信号转换为AD要求的双端差分输入信号，且采用程控放大，由采集系统控制放大倍数，防止振动信号饱和输入。
2.2.3 AD模数转换器
本装置选用转换芯片ADS1274，在采样率20kHz时能达到19位分辨率，其满量程输入电压为VREF=+/-2.5V，对应的转换数字范围：0x7FFFFF至0x800000；量化电平：2.5V/8388608=0.298uV，满足微弱振动信号探测的要求。
2.2.4 CPU模块
本装置控制器采用ARM芯片STM32F107，包括10个定时器、两个12位AD模数转换器、两个12位DA数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS，并且拥有全速USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块。
2.2.5 通信模块
本装置的通信模块可采用2.4G的无线通信技术，进行数据的传输；也可采用CAN总线进行数据传输，还可以通过RS485总线将数据上传到监控主机。2.4G无线通信采用WIFI芯片选择Marvell 88W8686芯片，采用SDIO接口和其控制芯片STM32103芯片接口，通过STM32F103和主CPU芯片STM32F107交换数据。如果利用CAN总线和RS485总线则利用主CPU芯片STM32F107自带的CAN2.0接口和USART接口，在外部扩展相应的物理层芯片，实现CAN总线通信或RS485通信。
2.2.6 电源
电源可采用内置的锂电池供电，也可通过外接的电源给整个装置提供电能。内设电源转换电路将电源提供的12V转换为5V、3.3V和1.8V，给相应的器件供电。图2是主CPU和电源转换板以及采集电路板。
2.3 装置的工作流程
将多个MEMS加速度传感器均匀分布在油箱壁平板结构的对称结构位置，避开变压器的顶部、底部、支撑结构、油箱接缝处等易造成测量结果不准确的位置。
图3加速度传感器在变压器上的安装示意图，黑点为传感器安装位置。
传感器拾取到变压器的振动信号后，将拾取到的信号送往信号调理模块进行进一步的信号处理。AD模数转换器在CPU的控制下实现对经信号调理模块处理过的变压器振动信号采集，转换为数字信号送给CPU。采集到的振动信号将通过通信模块将数据上传到监控主机。
3 实验数据
由于实验条件有限，未能在电力变压器上测试本装置的有效性，考虑到本装置的目的是检测变压器的振动信号，采用了轻微的敲击来代替模拟信号。将MEMS加速度传感器紧贴在桌面上，用手敲击桌面，加速度传感器拾取到振动信号后，送往监测装置采集，转换为数字信号后，通过通信模块传送至监控主机。采集的时候采用的是5K的采样频率，每周期采集512点。
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